[논문]PVDF를 포함한 고분자 블렌드와 탄소섬유/탄소나노튜브를 이용한 복합재료의 특성

김정호; 손권상; 이민호

doi:10.14478/ace.2013.1068

PVDF를 포함한 고분자 블렌드와 탄소섬유/탄소나노튜브를 이용한 복합재료의 특성
Properties of Nanocomposites Based on Polymer Blend Containing PVDF, Carbon Fiber and Carbon Nanotube 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.1, 2014년, pp.14 - 19

김정호 (수원대학교 화학공학과) , 손권상 (수원대학교 화학공학과) , 이민호 (수원대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 탄소섬유(carbon fiber, CF)와 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 포함하는 PMMA/PVDF 및 PET/PVDF 블렌드 나노복합재료를 이축성형 압출기를 이용하여 용융삽입법으로 제조하였다. SEM을 이용하여 PMMA/PVDF/CF/CNT 나노복합재료의 모폴로지를 관찰한 결과, CNT가 matrix에서 효과적으로 분산되지 못한 반면 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서는 CNT가 잘 분산된 것으로 관찰되었다. 상분리된 PET/PVDF 블렌드에서 CNT가 PET 상에 효과적으로 분산된 것으로 보였는데 이는 PET의 페닐렌기와 CNT 표면의 그라파이트 시트가 ${\pi}-{\pi}$ interaction에 의한 것으로 판단되었다. 또한 CF도 PET와의 계면 접착성이 우수한 것으로 나타났다. PET/PVDF/CF 나노복합재료의 전기전도도는 CNT를 첨가함으로써 증가하였으나 PMMA/PVDF/CF 나노복합재료에 CNT를 첨가한 경우 전기전도도가 향상되지 않았다. 모폴로지 관찰결과에서 CNT의 분산 정도는 전기전도도 물성 결과와 일치하였다. DSC 분석 결과, PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서는 결정화 온도가 증가하였는데, 이는 CF 및 CNT가 PET의 결정화를 촉진 시키는 조핵제 역할을 하기 때문인 것으로 보였다. 굴곡물성 결과, PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서 PET와 CF의 친화성이 우수하여 굴곡탄성률이 크게 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nanocomposites based on poly(methyl methacrylate) (PMMA)/poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and poly(ethylene terephthalate) (PET)/(PVDF) blended with carbon fibers (CF) and carbon nanotube (CNT) were prepared by melt mixing in the twin screw extruder. Morphologies of the PMMA/PVDF/CF/CNT and PET/PVDF/CF/CNT nanocomposites were investigated using SEM. The aggregation of CNT was observed in PMMA/PVDF/CF/CNT nanocomposites while the good dispersion of CNT was shown in PET/PVDF/CF/CNT nanocomposites. In SEM image of PET/PVDF/CF/CNT nanocomposite, the CNT were mainly located at the PET domain of phase-separated PET/PVDF blend due to the ${\pi}-{\pi}$ interaction between the phenyl ring of PET and graphite sheet of the CNT's surface. In addition, a fairly good compatibility between PET/PVDF matrix and CF was shown in the SEM image. In the case of PET/PVDF nanocomposites blended with the co-addition of CF and CNT, the volume electrical resistivity decreased while no change was observed in PMMA/PVDF/CF/CNT composites. The degree of CNT dispersion in morphology results was consistent with the electrical conductivity results. From the DSC results, the crystallization temperature (Tc) of PET/PVDF/CF/CNT nanocomposites increased due to the co-addition of CF and CNTs acting as a nucleating agent. Flexural modulus of PET/PVDF/CF/CNT were sharply enhanced due to increasing the interaction between PET and CF.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PMMA/PVDF 및 PET/PVDF 블렌드에 CF 및 CNT를 첨가하여 제조한 고분자 나노복합재료의 형태학 및 물리적 물성에 관하여 연구하였다.
본 연구에서는 용융삽입법으로 상용성 고분자 블렌드인 PMMA/PVDF 및 비상용성 블렌드인 PET/PVDF에 기계적 강도가 우수한 CF와 전기 전도도 물성이 우수한 CNT를 동시 첨가하여 나노복합재료를 제조하고, CF 및 CNT의 함량 변화에 따른 나노복합재료의 모폴로지 및 물리적 물성의 변화를 관찰하였다.

제안 방법

PMMA/PVDF/CF/CNT 및 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료 제조 전 PMMA, PET 및 PVDF는 100℃에서 12h 동안 열풍건조 하였고 CF 및 CNT는 80℃에서 4 h 동안 진공건조 하여 사용하였다. 나노복합재료 조성은 PMMA/PVDF 및 PET/PVDF의 50/50의 중량비를 기준으로 하였고 CF 및 CNT의 함량은 고분자 중량의 5, 10, 15, 20 wt% 및 2.
SEM 사진을 통해 PMMA/PVDF 및 PET/PVDF 블렌드와 CF의 계면접착성 및 CNT의 분산 상태를 확인하였다. M/V-10-2.
PMMA/PVDF/CF/CNT 및 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료 제조 전 PMMA, PET 및 PVDF는 100℃에서 12h 동안 열풍건조 하였고 CF 및 CNT는 80℃에서 4 h 동안 진공건조 하여 사용하였다. 나노복합재료 조성은 PMMA/PVDF 및 PET/PVDF의 50/50의 중량비를 기준으로 하였고 CF 및 CNT의 함량은 고분자 중량의 5, 10, 15, 20 wt% 및 2.5, 5.0 wt%로 각각 첨가하였다. 용융삽입법으로 제조하기 위해 twin screw extruder (L/D = 40/19)를 사용하였고, 온도범위는 230∼280℃에서 제조하였다.
DSC curve에서 유리전이온도(T_g)는 onset point로 결정하였다. 나노복합재료의 CF 및 CNT의 분산 상태를 확인하기 위하여 파단면을 scanning electron microscopy (SEM, Jeol JSM-5600, Hitachi Ultra-high Resolution S-4800, Japan)를 이용하여 모폴로지를 확인하였다. 저항 측정값은 필름형태 시편의 앞, 뒤 양면에 silver를 도포하여 저저항 측정기(Digital Multimeter, Hung Chang Protek 608, Korea) 및 고저항 측정기(Megohmmeter TOA Electronic SM-8210, Japan)를 이용하여 측정하였다.
융융삽입법으로 제조된 나노복합재료는 universal test machine (UTM, Lloyd Instrument LR100K, UK)을 이용하여 인장 및 굴곡 물성을 측정하였다. 열적 물성을 측정하기 위하여 differential scanning calorimetry (DSC, TA Instrument DSC2010, USA)를 이용하여 질소 분위기 상태에서 -120에서 300℃까지 20℃/min의 승온 속도로 측정하였다. DSC curve에서 유리전이온도(T_g)는 onset point로 결정하였다.
용융삽입법으로 제조하기 위해 twin screw extruder (L/D = 40/19)를 사용하였고, 온도범위는 230∼280℃에서 제조하였다.
나노복합재료의 CF 및 CNT의 분산 상태를 확인하기 위하여 파단면을 scanning electron microscopy (SEM, Jeol JSM-5600, Hitachi Ultra-high Resolution S-4800, Japan)를 이용하여 모폴로지를 확인하였다. 저항 측정값은 필름형태 시편의 앞, 뒤 양면에 silver를 도포하여 저저항 측정기(Digital Multimeter, Hung Chang Protek 608, Korea) 및 고저항 측정기(Megohmmeter TOA Electronic SM-8210, Japan)를 이용하여 측정하였다.
용융삽입법으로 제조하기 위해 twin screw extruder (L/D = 40/19)를 사용하였고, 온도범위는 230∼280℃에서 제조하였다. 제조된 PMMA/PVDF/CF/CNT 및 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료는 100℃에서 24h 건조 후 bar 형태로 시편을 제작하여 물성을 측정하였다. 수지, CF 및 CNT의 조성에 따른 샘플명은 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

CF는 Toho tenax (Japan)의 HTS40 12 K 800 tex 제품을 사용하였고 직경은 7 µm, 인장강도는 4300 MPa이며 전기전도성은 1.6 × 10-³ Ωcm 이었다.
본 연구에서 사용된 PMMA는 LG chemical IG-840 (Korea)을 사용하였고, PET는 SK chemical (Korea) 제품인 SKY PET BB 8055를 사용하였다. PVDF는 arkema (France)사의 kynar 460을 사용하였다. CF는 Toho tenax (Japan)의 HTS40 12 K 800 tex 제품을 사용하였고 직경은 7 µm, 인장강도는 4300 MPa이며 전기전도성은 1.
본 연구에서 사용된 PMMA는 LG chemical IG-840 (Korea)을 사용하였고, PET는 SK chemical (Korea) 제품인 SKY PET BB 8055를 사용하였다. PVDF는 arkema (France)사의 kynar 460을 사용하였다.
6 × 10^-³ Ωcm 이었다. 장섬유상(Filament) 형상의 CF를 chopping (평균 6 mm로 cutting)하여 사용하였다. 탄소나노튜브는 Nanocyl (Belgium)사에서 CVD 공정으로 제조된 NC®-7000을 사용하였으며 직경은 9.
탄소나노튜브는 Nanocyl (Belgium)사에서 CVD 공정으로 제조된 NC®-7000을 사용하였으며 직경은 9.5 nm, 길이는 1.5 µm, 순도는 90%이었다.

이론/모형

융융삽입법으로 제조된 나노복합재료는 universal test machine (UTM, Lloyd Instrument LR100K, UK)을 이용하여 인장 및 굴곡 물성을 측정하였다. 열적 물성을 측정하기 위하여 differential scanning calorimetry (DSC, TA Instrument DSC2010, USA)를 이용하여 질소 분위기 상태에서 -120에서 300℃까지 20℃/min의 승온 속도로 측정하였다.

성능/효과

Figure 1(b)는 E/V-10-2.5의 저배율 SEM 사진 관찰결과인데, Figure 1(a)와 비교해 보면 PET/PVDF 블렌드가 PMMA/PVDF 블렌드 보다 CF의 표면에 잘 wetting되어 상호 친화성이 더 좋은 것으로 관찰되었다. CF 표면을 에폭시수지로 사이징하여 CF와 시아네이트 에스터(cyanate ester)수지의 계면 접착성을 향상시켜 기계적 물성이 증가한 연구가 보고되었다[17].
CF 및 CNT가 동시에 첨가된 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료의 체적저항은 CNT의 함량이 증가하면서 더 감소하였다. 최근에 상분리된 고분자 블렌드에서 CNT가 한쪽 상에 위치하면서 침투역치(percolation threshold)가 감소하여 체적저항이 감소한다고 보고되고 있다[19].
3 × 10⁴ Ωcm)이 감소한 것으로 보였다. CF가 15 wt%, 20 wt% 첨가된 PMMA/PVDF/CF 복합재료는 10 wt% CF와 2.5 wt%, 5.0 wt% CNT를 동시 첨가한 PMMA/PVDF/ CF/CNT 나노복합재료와 유사한 전기전도도를 나타내었다.
CF 표면을 에폭시수지로 사이징하여 CF와 시아네이트 에스터(cyanate ester)수지의 계면 접착성을 향상시켜 기계적 물성이 증가한 연구가 보고되었다[17]. CF의 사이징제(sizing agent)와 PET가 친화성이 우수하여 계면 접착력이 좋은 것으로 판단되었다. 또한 Figure 1(a), (b)에 삽입된 SEM 사진 관찰결과, M/V-10-2.
5에서 PET/PVDF 블렌드가 CF의 표면에 잘 wetting되어 체적저항을 큰 폭으로 감소시킨 것으로 보였다. CF함량을 10 wt%에서 15 wt%, 20 wt%로 첨가시킨 PET/PVDF/CF 복합재료와 10 wt% CF와 2.5 wt%, 5.0 wt% CNT 동시에 첨가한 결과를 비교해 보면, CF를 단독으로 첨가하는 것 보다 CF와 CNT를 동시에 첨가하는 나노복합재료의 전기적 물성이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다.
PMMA/PVDF/CF/CNT 및 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서 고분자 매트릭스와 CF와의 계면접착성은 체적저항에 크게 영향을 미치며 CNT의 동시 첨가로 인해 체적저항을 더 효과적으로 감소시킬 수 있었다. DSC 분석을 통해 상용성 블렌드인 PMMA/PVDF에서 하나의 T_g를 확인하였으며 CF 및 CNT가 첨가되면서 T_g가 조금 상승하였는데, 이는 PMMA 및 PVDF 사슬의 움직임을 방해한 것으로 여겨졌다. PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료의 DSC 분석 결과에서 CF와 CNT가 PVDF의 결정화온도에 아무런 영향을 미치지 못하였으나, PET의 결정화온도는 많이 증가시켰다.
M/V-10-0에 CNT를 2.5 wt%, 5.0 wt% 첨가한 결과, 체적저항이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 SEM 사진 결과(Figure 2(a))에서 보았듯이 M/V-10-2.
DSC 분석을 통해 상용성 블렌드인 PMMA/PVDF에서 하나의 T_g를 확인하였으며 CF 및 CNT가 첨가되면서 T_g가 조금 상승하였는데, 이는 PMMA 및 PVDF 사슬의 움직임을 방해한 것으로 여겨졌다. PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료의 DSC 분석 결과에서 CF와 CNT가 PVDF의 결정화온도에 아무런 영향을 미치지 못하였으나, PET의 결정화온도는 많이 증가시켰다. 이는 PET의 결정화를 촉진시키는 조핵제 역할을 하는 것으로 판단된다.
CNT는 PMMA/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에 효과적으로 분산되지 못하고 응집되어 있었으나 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서는 분리된 한쪽의 상에서 효과적으로 분산되어 있는 모습을 관찰하였는데, 이는 PET 수지의 phenyl ring과 CNT 표면의 그라파이트 시트가 π-π interaction에 의해 상호친화성이 우수하기 때문이라고 생각된다. PMMA/PVDF/CF/CNT 및 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서 고분자 매트릭스와 CF와의 계면접착성은 체적저항에 크게 영향을 미치며 CNT의 동시 첨가로 인해 체적저항을 더 효과적으로 감소시킬 수 있었다. DSC 분석을 통해 상용성 블렌드인 PMMA/PVDF에서 하나의 T_g를 확인하였으며 CF 및 CNT가 첨가되면서 T_g가 조금 상승하였는데, 이는 PMMA 및 PVDF 사슬의 움직임을 방해한 것으로 여겨졌다.
SEM 사진에서, CF의 사이징제인 에폭시수지와 PET의 친화성이 우수하여 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서 PET/PVDF는 CF와 잘 wetting되어있는 것을 확인하였다. CNT는 PMMA/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에 효과적으로 분산되지 못하고 응집되어 있었으나 PET/PVDF/CF/CNT 나노복합재료에서는 분리된 한쪽의 상에서 효과적으로 분산되어 있는 모습을 관찰하였는데, 이는 PET 수지의 phenyl ring과 CNT 표면의 그라파이트 시트가 π-π interaction에 의해 상호친화성이 우수하기 때문이라고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CNT는 어떠한 장점이 있는가?	층상 실리케이트/고분자 복합재료를 시작으로[5-9] 고분자/탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 나노복합재료에 대한 연구도 많이 진행되고 있다[10-14]. CNT는 전기전도도, 열적 및 기계적 물성이 우수하여 고분자 수지에 적은 함량을 첨가하여도 복합재료의 물성을 향상시킬 수있는 장점이 있다. 또한 탄소섬유(carbon fiber, CF)는 알루미늄보다 가볍지만 철보다 강하고 내열성, 내충격성, 탄성이 뛰어나다.
	고분자 나노복합재료란 무엇인가?	고분자 나노복합재료는 고분자에 나노미터 스케일의 유, 무기 충진제를 첨가하여 효과적으로 분산시켜 복합화한 것으로, 기존의 복합재료보다 우수한 특성이 입증되면서 최근에 활발히 연구 중이다. 층상 실리케이트/고분자 복합재료를 시작으로[5-9] 고분자/탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 나노복합재료에 대한 연구도 많이 진행되고 있다[10-14].
	고분자 연료전지의 필수품 중, 수소와 산소의 이동, 전자의 이동, 반응에 의해 발생한 물의 제거 등의 역할을 하는 것은 무엇인가?	이 중 고분자 연료전지의 필수 부품인 분리판은 수소와 산소의 이동, 전자의 이동, 반응에 의해 발생한 물의 제거 등의 역할을 한다. 분리판 소재는 낮은 전기저항, 낮은 산소와 수소투과도 등의 특성이 요구되어지며 열전도도, 기계적 물성 등이 우수해야 한다. 고분자 연료전지의 분리판에 사용되는 소재로는 흑연, 금속소재, 고분자 복합소재 등이 적용되고 있다[1-3].

참고문헌 (21)

E. A. Cho, U. S. Jeon, H. Y. Ha, S. A. Hong, and I. H. Oh, Characteristics of composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells, J. Power Sources, 125, 178-182 (2004).

상세보기
S. R. Dhakate, S. Sharma, N. Chauhan, R. K. Seth, and R. B. Mathur, CNTs nanostructuring effect on the properties of graphite composite bipolar plate, Int. J. Hydrogen Energy, 35, 4195-4200 (2010).

상세보기
J. Scholta, B. Rohland, V. Trapp, and U. Focken, Investigations on novel low-cost graphite composite bipolar plates, J. Power Sources, 84, 231-234 (1999).

상세보기
J. Song, F. Mighri, A. Ajji, and C. Lu, Polyvinylidene fluoride/ poly(ethylene terephthalate) conductive composites for proton exchange membrane fuel cell bipolar plates : Crystallization, structure, and through-plane electrical resistivity, Polym. Eng. Sci., 52, 2552-2558 (2012).

상세보기
P. B. Messersmith and E. P. Giannelis, Synthesis and characterization of layered silicate-epoxy nanocomposites, Chem. Mater., 6, 1719-1725 (1994).

상세보기
Y. Kojima, A. Usuki, M. Kawasumi, A. Okada, A. Fukushima, T. Kurauchi, and O. Kamigaito, Mechanical properties of nylon 6-clay hybrid, J. Mater. Res., 8, 1185-1189 (1993).

상세보기
S. Mehta, F. M. Mirabella, K. Rufener, and A. Bafna, Thermoplastic olefin/clay nanocomposites : morphology and mechanical properties, J. Appl. Polym. Sci., 92, 928-936 (2004).

상세보기
B. M. Novak, Hybrid nanocomposite materials-between inorganic glasses and organic polymers, Adv. Mater., 5, 422-433 (1993).

상세보기
S. D. Burnside and E. P. Giannelis, Synthesis and properties of new poly(dimethylsiloxane) nanocomposites, Chem. Mater., 7, 1597-1600 (1995).

상세보기
P. Potschke, T. D. Fornes, and D. R. Paul, Rheological behavior of multiwalled carbon nanotube/polycarbonate composites, Polymer, 43, 3247-3255 (2002).

상세보기
T. McNally, P. Potschke, P. Halley, M. Murphy, D. Martin, S. E. J. Bell, G. P. Brennan, D. Bein, P. Lemoine, and J. P. Quinn, Polyethylene multiwalled carbon nanotube composites, Polymer, 46, 8222-8232 (2005).

상세보기
J. Sandler, M. S. P. Shaffer, T. Prasse, W. Bauhofer, K. Schulte, and A. H. Windle, Development of a dispersion process for carbon nanotubes in an epoxy matrix and the resulting electrical properties, Polymer, 40, 5967-5971 (1999).

상세보기
M. S. P. Shaffer and A. H. Windle, Fabrication and characterization of carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composites, Adv. Mater., 11, 937-941 (1999).

상세보기
E. T. Thostenson, Z. Ren, and T. W. Chou, Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites : a review, Compos. Sci. Technol., 61, 1899-1912 (2001).

상세보기
B. K. Kakati, A. Ghosh, and A. Verma, Efficient composite bipolar plate reinforced with carbon fiber and graphene for proton exchange membrane fuel cell, Int. J. Hydrogen Energy, 38, 9362-9369 (2013).

상세보기
M. Wu and L. L. Shaw, A novel concept of carbon-filled polymer blends for applications in PEM fuel cell bipolar plates, Int. J. Hydrogen Energy, 30, 373-380 (2005).

상세보기
P. Ren, G. Liang, and Z. Zhang, Influence of epoxy sizing of carbon- fiber on the properties of carbon fiber/cyanate ester composites, Polym. Compos., 27, 591-598 (2006).

상세보기
G. Scalia, J. P. F. Lagerwall, M. Haluska, U. Dettlaff-Weglikowska, F. Giesselmann, and S. Roth, Effect of phenyl rings in liquid crystal molecules on SWCNTs studied by raman spectroscopy, Phys. Stat. Sol., 243, 3238-3241 (2006).

상세보기
L. Zhang, C. Wan, and Y. Zhang, Morphology and electrical properties of polyamide 6/polypropylene/multi-walled carbon nanotubes composites, Compos. Sci. Technol., 69, 2212-2217 (2009).

상세보기
Q. Meng, W. Li, Y. Zheng, and Z. Zhang, Effect of poly(methyl methacrylate) addition on the dielectric and energy storage properties of poly(vinylidene fluoride), J. Appl. Polym. Sci., 116, 2674-2684 (2010).

상세보기
T. Chatterjee, K. Yurekli, V. G. Hadjiev, and R. Krishnamoorti, Single-walled carbon nanotube dispersions in poly(ethylene oxide), Adv. Funct. Mater., 15, 1832-1838 (2005).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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