단량체로 디페닐카보네이트를 이용한 세 종류의 폴리카보네이트(PC)/그래핀 옥사이드(GO) 복합체, 즉 이축압출기를 이용한 PC/GO 복합체(PC/GO), 촉매를 이용한 in-situ PC/GO 복합체(PC/GO-cat.), 그리고 -COCl로 표면 처리된 GO-COCl을 이용한 in-situ PC/GO 복합체(PC/GO-COCl)를 용융중합을 통해 제조하였다. PC/GO 복합체의 합성은 $3000cm^{-1}$와 $1750cm^{-1}$ 근처에서 나타나는 C-H 그리고 C=O 신축진동 피크를 통해 확인하였다. DSC와 TGA 분석 결과에 따르면, PC/GO와 PC/GO-cat.과 비교할 때, PC/GO-COCl의 유리전이온도가 상대적으로 낮은 값을 나타내었고, PC/GO 복합체의 열안정성이 가장 우세함을 나타내었다. 저장탄성률(G')-손실탄성률(G") 그래프의 기울기는 고분자 용융체의 비균질성의 증가와 함께 감소하는 경향이 있어, GO 분산성을 확인하는데 사용될 수 있다. G'-G" 기울기 결과로부터 PC/GO와 PC/GO-cat. 복합체의 PC 매트릭스 내 GO 분산성이 양호함을 알 수 있고, 이는 원자력현미경 사진을 통해 재확인하였다. PC/GO-COCl의 경우 분산성이 열세한 이유 중 하나는 중합과정에서 -COCl에 의해 분지구조나 가교구조 등이 발생하여 GO의 분산을 방해하기 때문으로 해석할 수 있고, 이는 복합탄성률과 위상차(${\delta}$) 그래프로부터 확인할 수 있었다.
단량체로 디페닐카보네이트를 이용한 세 종류의 폴리카보네이트(PC)/그래핀 옥사이드(GO) 복합체, 즉 이축압출기를 이용한 PC/GO 복합체(PC/GO), 촉매를 이용한 in-situ PC/GO 복합체(PC/GO-cat.), 그리고 -COCl로 표면 처리된 GO-COCl을 이용한 in-situ PC/GO 복합체(PC/GO-COCl)를 용융중합을 통해 제조하였다. PC/GO 복합체의 합성은 $3000cm^{-1}$와 $1750cm^{-1}$ 근처에서 나타나는 C-H 그리고 C=O 신축진동 피크를 통해 확인하였다. DSC와 TGA 분석 결과에 따르면, PC/GO와 PC/GO-cat.과 비교할 때, PC/GO-COCl의 유리전이온도가 상대적으로 낮은 값을 나타내었고, PC/GO 복합체의 열안정성이 가장 우세함을 나타내었다. 저장탄성률(G')-손실탄성률(G") 그래프의 기울기는 고분자 용융체의 비균질성의 증가와 함께 감소하는 경향이 있어, GO 분산성을 확인하는데 사용될 수 있다. G'-G" 기울기 결과로부터 PC/GO와 PC/GO-cat. 복합체의 PC 매트릭스 내 GO 분산성이 양호함을 알 수 있고, 이는 원자력현미경 사진을 통해 재확인하였다. PC/GO-COCl의 경우 분산성이 열세한 이유 중 하나는 중합과정에서 -COCl에 의해 분지구조나 가교구조 등이 발생하여 GO의 분산을 방해하기 때문으로 해석할 수 있고, 이는 복합탄성률과 위상차(${\delta}$) 그래프로부터 확인할 수 있었다.
Three different types of polycarbonate (PC)/graphene oxide (GO) composites using diphenyl carbonate as a monomer were fabricated by melt polymerization. Those were the PC/GO composite (PC/GO) using a twin extruder, in-situ PC/GO composite (PC/GO-cat.) using a catalyst, and in-situ PC/GO composite (P...
Three different types of polycarbonate (PC)/graphene oxide (GO) composites using diphenyl carbonate as a monomer were fabricated by melt polymerization. Those were the PC/GO composite (PC/GO) using a twin extruder, in-situ PC/GO composite (PC/GO-cat.) using a catalyst, and in-situ PC/GO composite (PC/GO-COCl) using a GO-COCl treated by -COCl, Chemical structures of the composites were confirmed by C-H and C=O stretching peak at $3000cm^{-1}$ and $1750cm^{-1}$, respectively. The slope for the storage (G') versus loss (G") modulus plot decreased with an increase in the heterogeneous property of polymer melts. So we can check the GO dispersion of the PC/GO composites using by the slop for G'-G" plot. According to the G'- G" slopes for three different types of PC/GO composites, GO was well dispersed within PC matrix in case of PC/GO and PC/GO-cat.. It was also confirmed by atomic force microscope (AFM) photos. One of the reasons for the poor GO dispersion of PC/GO-COCl is branching and crosslinking processes occurred during polymerization, which was further confirmed by a plot for the complex modulus versus phase difference.
Three different types of polycarbonate (PC)/graphene oxide (GO) composites using diphenyl carbonate as a monomer were fabricated by melt polymerization. Those were the PC/GO composite (PC/GO) using a twin extruder, in-situ PC/GO composite (PC/GO-cat.) using a catalyst, and in-situ PC/GO composite (PC/GO-COCl) using a GO-COCl treated by -COCl, Chemical structures of the composites were confirmed by C-H and C=O stretching peak at $3000cm^{-1}$ and $1750cm^{-1}$, respectively. The slope for the storage (G') versus loss (G") modulus plot decreased with an increase in the heterogeneous property of polymer melts. So we can check the GO dispersion of the PC/GO composites using by the slop for G'-G" plot. According to the G'- G" slopes for three different types of PC/GO composites, GO was well dispersed within PC matrix in case of PC/GO and PC/GO-cat.. It was also confirmed by atomic force microscope (AFM) photos. One of the reasons for the poor GO dispersion of PC/GO-COCl is branching and crosslinking processes occurred during polymerization, which was further confirmed by a plot for the complex modulus versus phase difference.
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문제 정의
반면, 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)의 경우에는 산소 작용기(수산화기, 카르복시기, 에폭시 등)를 가지고 있어 그래핀보다 용매에 분산시키기 쉬워 in-situ 중합이 용이할 것으로 생각되고, 일부 PC/GO 복합체의 연구결과들은 GO의 경우 용매에 상대적으로 분산이 용이[15,16]하며, PC와 같은 산소를 포함하는 고분자와 일부 화학 결합이 가능하다고 보고되고 있다[17]. PC를 제조하는 방법에는 포스겐을 이용하는 용액중합과 디페닐카보네이트(dipehenyl carbonate, DPC)를 이용하는 용융중합이 있는데, 독성인 포스겐을 이용하는 방법보다 안전한 용융중합 방법이 실험실적으로 활용도가 높아 본 연구에서도 용융방법을 이용하고자 하였다. 순수 PC의 경우 비스페놀 A (bisphenol A, BP-A)와 DPC의 용융중합으로 쉽게 제조가 가능하지만, 동일한 조건의 in-situ 중합에 의한 PC/GO 복합체 제조 시 GO의 영향으로 분자량이 증가하지 못하고 탄화되는 현상을 나타내었다.
고분자 용융체의 점탄성 거동시 저장탄성률(G′ )과 손실탄성률 (G″ ) 로그 그래프의 말단 영역에서의 기울기가 균질 등방성(isotropic homogeneous) 고분자 용융체에서 불균일(heterogeneous) 고분자 용융 체로 바뀔 경우 감소한다는 것에 착안하여 PC/GO 복합체 내의 GO 분산성을 평가하는 수단으로 활용하고자 하였고, 원자력 현미경 (AFM)에 의한 필러의 분산성 결과와 비교 검토하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 BP-A와 DPC를 이용하여 용융중합으로 PC/GO 복합체를 제조할 때, ① BP-A와 DPC 용융중합 후 GO와의 복합체 제조, ② 촉매로 lithium hydroxide monohydrate (LHM)를 이용한 in-situ 용융중합, ③ -COCl기로 표면 처리된 GO 이용한 in-situ 용융중합 등의 방법을 이용하였고, G′ -G″ 그래프의 기울기, AFM 및 기초 특성을 측정하여 GO 분산성을 체계적으로 고찰하고자 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 한 방안으로 본 연구에서는 PC를 제조하는 과정에 그래핀을 투입하여 in-situ 중합(polymerization)을 통해 PC/GO 복합체를 제조하는 방법에 대한 시도를 진행하고자 하였다. 하지만 그래핀의 경우는 반데르발스힘(van der Waals force) 때문에 응집이 되는 성질이 있으며, 그 자체가 안정된 화학적 구조를 가지기 때문에 고분자 매트리스와 용매에 분산시키기가 매우 어렵다 [14,15].
제안 방법
비교 시편인 ①의 PC/GO 복합체는 촉매 없이 BP-A, DPC 그리고 GO를 이용한 in-situ 용융중합 방법에 의해 제조가 불가능하여 위와 같은 촉매 없이 PC 중합 후 GO와 혼합하여 이축압출기를 이용 용융 혼합하여 제조하였다. BP-A, DPC 그리고 GO를 이용한 in-situ 용융중합을 위해 반응 단계별 온도와 시간을 조절하였고, 모노머 몰비(mole ratio)를 1.08을 기준으로 +/-0.2로 하여 4가지로 변경하였으며, 모노머와 GO 투입방법 또한 동시 투입과 반응 1, 2단계 분리 투입 등으로 변경하였고, 또한 반응단계별 감압의 정도도 변경하여 in-situ 용융중합을 진행하였으나 합성이 불가능하였다. 이와 같은 중합조건의 변경에 관계없이 in-situ 용융중합으로 PC/GO 복합체의 제조가 어려운 것은 GO의 반응성이 낮아 용융중합에 참여하지 못하고 불순물로 작용하여 BP-A와 DPC의 중합을 방해하고, 장시간 열에 노출되어 반응물이 탄화되기 때문으로 유추할 수 있다.
PC와 PC/GO 복합체의 유리전이온도 측정에는 DSC가 사용되었다. DSC는 TA instrument DSC Q20을 이용하여 50~300 ℃ 범위에서 승온/냉각/승온 모드(mode)를 사용하였으며, 승온 및 냉각 속도는 10 ℃ /min으로 설정하여 질소분위기하에서 분석하였다. TGA는 TA instrument TGA Q50을 이용하여 800 ℃까지 승온 속도 10 ℃/min으로 설정하여 N2 분위기하에서 측정하였다.
Strain sweep 실험결과를 바탕으로 strain은 구간별로 선형이 유지되는 영역 이내 값인 10%로하였고, 직경 25 mm의 parallel plate를 사용하여 실험을 수행하였으며, 시편은 260 ℃의 가열프레스(hot press)를 이용하여 제작하였다. GO 분산성 확인을 위해 원자력현미경(Atomic force microscope, AFM)을 사용하였고, AFM은 Shimadzu사의 SPM-9700 장비를 이용하여 film casting한 샘플을 non-contact 모드로 측정하였다.
제조한 화합물의 화학구조를 확인하기 위해 Perkin Elmer사의 FT-IR spectrum 1000을 사용하였다. IR 측정을 위한 시료는 합성한 PC를 KBr에 혼합한 후 곱게 분쇄하고 press로 압력을 가해 얇은 판막을 만들어 측정하였다. 실험 조건은 resolution 2 cm-1 로 4000~400 cm-1 의 영역에서 24회 스캔하였다.
PC 중합은 기계적 교반 장치, 온도 컨트롤러, 환류관이 장착된 500 mL 사구 플라스크에 가열장치를 이용하여 승온 및 정온을 유지하였고, 진공 조절은 진공펌프와 압력 조절기를 사용하였다. Table 1에 표시된 양으로 BP-A와 DPC, GO, GO-COCl, LHM 등을 500 mL 4구플라스크 반응기에 넣고 실리콘 그리스를 발라 외부의 공기가 들어가지 않도록 하였다.
PC/GO 복합체 제조 방법에 따른 GO 분산성을 고찰하기 위해 ① BP-A와 DPC를 이용한 PC 용융중합, ② 촉매로 LHM을 이용한 PC/GO in-situ 용융중합, ③ 염소 작용기에 의한 GO의 표면 산소 작용기 처리한 GO-COCl을 이용한 PC/GO in-situ 용융중합을 통해 시료를 합성한 후 이축압출기를 이용하여 PC/GO 복합체를 제조하였다. 이때 ①번 시료의 경우 같은 양의 GO (2 phr)를 이축압출기를 이용한 압출시 투입하였으며, 각각 시편을 PC, PC/GO, PC/GO-cat, PC/GO-COCl 로 명명하였다.
PC 중합은 기계적 교반 장치, 온도 컨트롤러, 환류관이 장착된 500 mL 사구 플라스크에 가열장치를 이용하여 승온 및 정온을 유지하였고, 진공 조절은 진공펌프와 압력 조절기를 사용하였다. Table 1에 표시된 양으로 BP-A와 DPC, GO, GO-COCl, LHM 등을 500 mL 4구플라스크 반응기에 넣고 실리콘 그리스를 발라 외부의 공기가 들어가지 않도록 하였다. 온도를 120 ℃로 설정하고 0.
TGA는 TA instrument TGA Q50을 이용하여 800 ℃까지 승온 속도 10 ℃/min으로 설정하여 N2 분위기하에서 측정하였다. 동적유변측정기는 Anton Paar사의 MCR 301을 사용하여, strain 10%, 주파수 0.01~100 Hz, Gap size 0.9 mm의 조건으로 260 ℃에서 측정하였다. Strain sweep 실험결과를 바탕으로 strain은 구간별로 선형이 유지되는 영역 이내 값인 10%로하였고, 직경 25 mm의 parallel plate를 사용하여 실험을 수행하였으며, 시편은 260 ℃의 가열프레스(hot press)를 이용하여 제작하였다.
이축압출기의 온도는 호퍼 250 ℃, 노즐 240 ℃, 나머지 구간은 260 ℃, 스크류 rpm은 40으로 설정하였다. 또한 분산성 비교를 위한 기준시료는 위와 동일한 용융중합으로 제조한 PC에 같은 함량의 GO를 혼합하고 이축압출기를 이용하여 제조하였다.
이때 ①번 시료의 경우 같은 양의 GO (2 phr)를 이축압출기를 이용한 압출시 투입하였으며, 각각 시편을 PC, PC/GO, PC/GO-cat, PC/GO-COCl 로 명명하였다. 비교 시편인 ①의 PC/GO 복합체는 촉매 없이 BP-A, DPC 그리고 GO를 이용한 in-situ 용융중합 방법에 의해 제조가 불가능하여 위와 같은 촉매 없이 PC 중합 후 GO와 혼합하여 이축압출기를 이용 용융 혼합하여 제조하였다. BP-A, DPC 그리고 GO를 이용한 in-situ 용융중합을 위해 반응 단계별 온도와 시간을 조절하였고, 모노머 몰비(mole ratio)를 1.
세 가지 제조방법에 따라 PC/GO 복합체를 제조하여, 분자량 특성, 열적 특성 및 GO 분산성을 확인하였다. PC/GO와 PC/GO-cat.
Table 1에 표시된 양으로 BP-A와 DPC, GO, GO-COCl, LHM 등을 500 mL 4구플라스크 반응기에 넣고 실리콘 그리스를 발라 외부의 공기가 들어가지 않도록 하였다. 온도를 120 ℃로 설정하고 0.5h 동안 질소 분위기 하에서 교반시켜 남아있는 수분과 공기를 제거한 후 220 ℃로 반응기의 온도를 상승시킨 후 진공펌프를 이용하여 1차 감압을 시작하였다 (촉매 사용 시는 이 과정에서 물에 분산시킨 촉매를 실린지를 이용하여 천천히 투입하였다). 1h 동안 감압한 후, 환류관을 제거하고 3h 동안 점점 감압의 강도를 강하게 하여 페놀을 제거하였다.
PC/GO-cat.와 PC/GO-COCl 시료는 복합체 내의 PC에 대한 GPC 측정을 위해 THF에 녹인 시료를 원심 분리하여 상층액을 분리하고, 주사기 필터를 이용하여 상층액이 투명하게 될 때까지 여과한 후 측정하였다. PC와 PC/GO-cat.
PC/GO 복합체 제조 방법에 따른 GO 분산성을 고찰하기 위해 ① BP-A와 DPC를 이용한 PC 용융중합, ② 촉매로 LHM을 이용한 PC/GO in-situ 용융중합, ③ 염소 작용기에 의한 GO의 표면 산소 작용기 처리한 GO-COCl을 이용한 PC/GO in-situ 용융중합을 통해 시료를 합성한 후 이축압출기를 이용하여 PC/GO 복합체를 제조하였다. 이때 ①번 시료의 경우 같은 양의 GO (2 phr)를 이축압출기를 이용한 압출시 투입하였으며, 각각 시편을 PC, PC/GO, PC/GO-cat, PC/GO-COCl 로 명명하였다. 비교 시편인 ①의 PC/GO 복합체는 촉매 없이 BP-A, DPC 그리고 GO를 이용한 in-situ 용융중합 방법에 의해 제조가 불가능하여 위와 같은 촉매 없이 PC 중합 후 GO와 혼합하여 이축압출기를 이용 용융 혼합하여 제조하였다.
순수 PC의 경우 비스페놀 A (bisphenol A, BP-A)와 DPC의 용융중합으로 쉽게 제조가 가능하지만, 동일한 조건의 in-situ 중합에 의한 PC/GO 복합체 제조 시 GO의 영향으로 분자량이 증가하지 못하고 탄화되는 현상을 나타내었다. 이와 같은 문제의 해결을 위해 GO의 표면 작용기를 반응성이 높은 -COCl 기로 치환하거나 중합 촉매를 사용하는 방법을 검토하였다.
제조한 PC/GO 복합체의 열안정성 평가를 위해 TGA 실험을 수행하였고, 5 wt% 무게손실을 기준으로 분해온도를 측정하여 Table 2에 나타내었다. PC 대비 PC 용융중합 후 이축 압출기를 이용하여 PC/GO 복합체 제조방법을 이용한 시료(PC/GO)의 경우를 제외하고 나머지두 in-situ 중합의 경우는 모두 PC/GO 복합체의 열안정성이 열세함을 보여주었다.
3 g과 염화티오닐 100 mL, DMF 3 mL를 함께 넣고 24 h 동안 초음파 처리를 하여 분산시킨다. 초음파 처리 후, 24 h 동안 refluxing을 진행하였고 THF를 이용하여 염화티오닐을 완전히 제거하고 필터한 후 진공 오븐에 24 h 동안 건조하여 GO-COCl을 제조하였고, Figure 1에 반응 메커니즘을 나타내었다. GO-COCl 합성여부는 수산기(-OH)의 클로린기(-Cl) 치환에 의한 3300 cm-1 의 피크 감소와 1737 cm-1 (O=C-Cl)에서의 새로운 피크가 생성된 FT-IR 스펙트럼을 통해 확인할 수 있었다.
다음으로 온도를 280 ℃로 상승시켜 1h 동안 반응을 추가적으로 진행한 후 반응을 종결하였다. 최종적으로 PC/GO 복합체를 얻기 위해 이축압출기 (twin screw extruder)를 이용 in-situ 중합 시료를 압출하여 strand 형태의 시료로 제조하였다. 이축압출기의 온도는 호퍼 250 ℃, 노즐 240 ℃, 나머지 구간은 260 ℃, 스크류 rpm은 40으로 설정하였다.
대상 데이터
Aldrich)와 diphenyl carbonate(DPC, 99%, Aldrich)를 정제 없이 사용하였다. In-situ PC/GO 복합체를 합성하기 위해 사용한 촉매로는 lithium hydroxide monohydrate (LHM, 98%, Aldrich)를 사용하였다.
5%, Samchun)을 사용하였다. PC 용융중합을 위한 단량체로는 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propane (bisphenol A, BP-A, 97%. Aldrich)와 diphenyl carbonate(DPC, 99%, Aldrich)를 정제 없이 사용하였다. In-situ PC/GO 복합체를 합성하기 위해 사용한 촉매로는 lithium hydroxide monohydrate (LHM, 98%, Aldrich)를 사용하였다.
본 연구에 사용된 GO는 Hummers 방법을 이용하여 제조된 IDT International사의 GO-4401을 사용하였으며, GO의 표면 산소작용기가 carbonyl chloride (-COCl)기로 치환된 GO-COCl을 제조하기 위한 시약은 염화티오닐(SOCl2, Samchun)과 디메틸포름아미드(DMF, 99%, Samchun), 테트라하이드로퓨란(THF, 99.5%, Samchun)을 사용하였다. PC 용융중합을 위한 단량체로는 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propane (bisphenol A, BP-A, 97%.
제조한 화합물의 화학구조를 확인하기 위해 Perkin Elmer사의 FT-IR spectrum 1000을 사용하였다. IR 측정을 위한 시료는 합성한 PC를 KBr에 혼합한 후 곱게 분쇄하고 press로 압력을 가해 얇은 판막을 만들어 측정하였다.
이론/모형
이들 합성한 PC/GO 복합체의 탄성 특성 변화를 보다 자세히 관찰하기 위해 폴리올레핀에서 주로 사용하는 Van Gurp-Palmen 분석[18]을 사용하였다. 제조한 복합체들의 Van Gurp-Palmen 분석 결과를 살펴보기 위해 복합탄성률과 위상차(δ)를 계산하여 Figure 7에 나타내었다.
성능/효과
G′ -G″ 곡선을 이용하여 제조방법에 따른 PC/GO 복합체의 GO 분산성을 확인한 결과, ①번과 ②번 제조방법에 의한 PC/GO 복합체의 분산성은 양호한 반면 ③번 제조방법인 GO 표면처리(GO-COCl)에 의한 복합체 제조의 경우 분산성이 열세한 것으로 해석되었다.
제조한 PC/GO 복합체의 열안정성 평가를 위해 TGA 실험을 수행하였고, 5 wt% 무게손실을 기준으로 분해온도를 측정하여 Table 2에 나타내었다. PC 대비 PC 용융중합 후 이축 압출기를 이용하여 PC/GO 복합체 제조방법을 이용한 시료(PC/GO)의 경우를 제외하고 나머지두 in-situ 중합의 경우는 모두 PC/GO 복합체의 열안정성이 열세함을 보여주었다. PC/GO-COCl의 경우 잔류하고 있는 GO-COCl에 의해 열안정성이 열세한 것으로 추측되고, PC/GO-cat.
G′ -G″ 결과를 이용하여 평가한 PC/GO와 PC/GO-cat. 복합체의 분산성은 양호한 반면 PC/GO-COCl 복합체의 경우 분산성이 상대적으로 열세한 것으로 해석되었고, AFM 이미지를 통해 제조방법에 따른 GO의 분산성 차이가 재확인되었다. PC/GO-COCl의 경우 분산성등 물성 향상을 크게 기대하기 어려울 것으로 판단되는데, 이는 -COCl에 의한 화학반응이 복잡하게 나타나기 때문으로 유추할 수 있고, 분지구조나 가교구조 등을 포함하는 복잡한 화학구조의 증거로 복합탄성률과 위상차(δ) 그래프의 차이를 들 수 있다.
우선 합성한 세 종류의 PC에 대한 화학구조 확인을 위해 FT-IR 스펙트럼을 Figure 2에 나타내었다. 세 종류의 PC 모두 3000cm-1 부근에서 C-H 신축진동, 1778cm-1에서 카르보닐기(C=O) 신축진동과 함께 1500cm-1에서 페닐화합물의 skeletal vibration과 ring stretching을 확인하였고, 이 결과로부터 PC가 중합되었을 알 수 있었다.
후속연구
결론적으로 GO-COCl을 이용하는 경우 공정이 복잡하고, 물성 향상을 크게 기대하기 어려울 것으로 판단되고, ②번 방법인 촉매를 이용한 in-situ 중합 방법의 경우 분자구조 해석이 용이하고 GO 분산성에 대한 개선을 나타내고 있기 때문에, 본 연구실에서는 PC/GO 복합체의 GO 분산성 개선을 위한 촉매의 종류 및 함량 등의 촉매 시스템 최적화에 대한 추가적인 연구를 진행 중에 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
그래핀은 어떠한 성질을 가지는가?
이러한 문제점을 해결하기 위한 한 방안으로 본 연구에서는 PC를 제조하는 과정에 그래핀을 투입하여 in-situ 중합(polymerization)을 통해 PC/GO 복합체를 제조하는 방법에 대한 시도를 진행하고자 하였다. 하지만 그래핀의 경우는 반데르발스힘(van der Waals force) 때문에 응집이 되는 성질이 있으며, 그 자체가 안정된 화학적 구조를 가지기 때문에 고분자 매트리스와 용매에 분산시키기가 매우 어렵다 [14,15]. 반면, 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)의 경우에는 산소 작용기(수산화기, 카르복시기, 에폭시 등)를 가지고 있어 그래핀보다 용매에 분산시키기 쉬워 in-situ 중합이 용이할 것으로 생각되고, 일부 PC/GO 복합체의 연구결과들은 GO의 경우 용매에 상대적으로 분산이 용이[15,16]하며, PC와 같은 산소를 포함하는 고분자와 일부 화학 결합이 가능하다고 보고되고 있다[17].
PC/GO 복합체의 GO 분산성을 평가하기 위해선 어떠한 장비가 사용되는가?
다음으로 PC/GO 복합체의 GO 분산성을 평가하는 방법으로 SEM이나 TEM 같은 전자현미경을 사용하는데, 전자현미경의 경우 시료의 처리가 어렵고 미세 영역의 분산정도만을 파악할 수 있다는 단점이 있다. 고분자 용융체의 점탄성 거동시 저장탄성률(G′ )과 손실탄성률 (G″ ) 로그 그래프의 말단 영역에서의 기울기가 균질 등방성(isotropic homogeneous) 고분자 용융체에서 불균일(heterogeneous) 고분자 용융 체로 바뀔 경우 감소한다는 것에 착안하여 PC/GO 복합체 내의 GO 분산성을 평가하는 수단으로 활용하고자 하였고, 원자력 현미경 (AFM)에 의한 필러의 분산성 결과와 비교 검토하고자 하였다.
PC/그래핀 복합체의 물성을 확보하기 위해서 고분자 매트릭스 내의 그래핀 분산성을 최적화 해야 하는 이유는 무엇인가?
PC/그래핀 복합체의 물성을 확보하기 위해서는 고분자 매트릭스 내의 그래핀 분산성을 최적화할 필요가 있다. 그래핀을 고분자 매트릭스에 균일하게 분산시키기 위한 연구들이 수행 중이지만 그래핀의 경우 자체 응집력이 강해 뭉치는 현상을 보이게 되어 분산 특성을 개선하는데 연구의 초점이 맞추어져 있다.
참고문헌 (18)
Y. T. Sung and W. N. Kim, Properties of polymer/carbon nanotube composites, Prospectives of Industrial Chemistry, 9, 37-43 (2006).
S. Yun, H. Im, and J. Kim, Dispersity and electro-conductivity of PU grafted MWCNT/PU composite via simple blending method, Appl. Chem. Eng., 21, 500-504 (2010).
E. Hammel, X. Tang, M. Trampert, T. Schmitt, K. Mauthner, A. Eder, and P. Potschke, Carbon nanofibers for composite applications, Carbon, 42, 1153-1158 (2004).
S. Stankovich, D. A. Dikin, G. H. B. Dommett, K. M. Kohlhaas, E. J. Zimney, E. A. Stach, R. D. Piner, S. T. Nguyen, and P. S. Ruoff, Graphene-based composite materials, Nature, 442, 282-286 (2006).
P. J. Yoon, D. L. Hunter, and D. R. Paul, Polycarbonate nanocomposites. Part 1. Effect of organoclay structure on morphology and properties, Polymer, 44, 5323-5339 (2003).
S. J. Choi, K. H. Yoon, I. H. Hwang, C. Y. Lee, H. S. Kim, S. Y. Yoo, and Y. C. Kim, Effect of solvent extraction on the low molecular weight and volatile organic compounds of polycarbonate, Appl. Chem. Eng., 21, 532-536 (2010).
M. Yoonessi and J. R. Gaier, Highly conductive multifunctional graphene polycarbonate nanocomposites, ACS Nano, 12, 7211-7220 (2010).
J. R. Potts, S. Murali, Y. Zhu, X. Zhao, and R. S. Ruoff, Microwave-exfoliated graphite oxide/polycarbonate composites, Macromolecules, 44, 6488-6495 (2011).
A. S. Wajid, H. S. T. Ahmed, S. Das, F. Irin, A. F. Jankowski, and M. J. Green, High-performance pristine graphene/epoxy composites with enhanced mechanical and electrical properties, Macromol. Mater. Eng., 298, 339-347 (2013).
Z. Liu, J. Liu, L. Cui, R. Wang, X. Luo, C. J. Barrow, and W. Yang, Preparation of graphene/polymer composites by direct exfoliation of graphite in functionalised block copolymer matrix, Carbon, 51, 148-155 (2013).
C. N. R. Rao, A. K. Sood, K. S. Subrahmanyam, and A. Govindaraj, Graphene: the new two-dimensional nanomaterial, Angew. Che. Int. Ed., 48, 7752-7777 (2009).
B. Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J. W. Suk, J. R. Potts, and R. S. Ruoff, Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Adv. Mater., 22, 3906-3924 (2010).
A. Yasmin, J.-J. Luo, and I. M. Daniel, Processing of expanded graphite reinforced polymer nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 66, 1182-1189 (2006).
S. T. Kim and H. J. Choi, Synthesis and characterization of multi-walled carbon nanotube/poly(methyl methacrylate) composites prepared by in-situ dispersion polymerization, Applied Chemistry, 9, 13-16 (2005).
P. Ding, S. Su, N. Song, S. Tang, Y. Liu, and L. Shi, Highly thermal conductive composites with polyamide-6 covalently-grafted graphene by an in situ polymerization and thermal reduction process, Carbon, 66, 576-584 (2014).
B. Shen, W. Zhai, M. Tao, D. Lu, and W. Zheng, Enhanced interfacial interaction between polycarbonate and thermally reduced graphene induced by melt blending, Compos. Sci. Technol., 86, 109-116 (2013).
D. J. Lohse, S. T. Milner, L. J. Fetters, and M. Xenidou, and M. K. Lyon, Well-defined, model long chain branched polyethylene. 2. Melt rheological behavior, Macromolecules, 35, 3066-3075 (2002).
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