양극산화 처리에 따른 탄소섬유 표면의 페놀릭 하이드록실 관능기 비율의 증가가 에폭시기지 복합재료의 기계적 계면결합 특성에 미치는 영향 Effects of Increase in Ratio of Phenolic Hydroxyl Function on Carbon Fiber Surfaces by Anodic Oxidation on Mechanical Interfacial Bonding of Carbon Fibers-reinforced Epoxy Matrix Composites원문보기
본 연구에서는 전류밀도 변화에 따른 탄소섬유의 양극산화 처리가 탄소섬유 표면과 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면결합력에 미치는 영향을 고찰하였다. 양극산화 처리된 탄소섬유 표면 특성은 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)과 전계방사형 주사전자현미경(Field emission-scanning electron microscope, FE-SEM), 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)으로 분석하였으며, Short beam 전단시험을 통해 표면처리에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 계면 전단강도를 측정하였다. 실험 결과 전류밀도가 증가함에 따라 탄소섬유 표면의 거칠기와 산소관능기의 함량의 증가와, 탄소섬유 강화 복합재료의 층간전단강도(Interlaminar shear strength, ILSS)의 향상 및 페놀릭 하이드록실 그룹과의 비례관계를 확인하였다. CF-2.0 시편의 층간전단강도는 87.9 MPa로 CF-AS 시편에 비해 약 4% 증가하였는데, 이러한 결과는 양극산화 처리가 산소관능기와 탄소섬유 표면 거칠기의 증가를 유도하여 탄소섬유와 수지의 계면 결합력이 증가된 것으로 판단된다. 그중 층간전단강도와 비례관계인 페놀릭 하이드록실 그룹은 탄소섬유 강화 복합재료의 계면결합력을 향상시키는 중요한 요소라 판단된다.
본 연구에서는 전류밀도 변화에 따른 탄소섬유의 양극산화 처리가 탄소섬유 표면과 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면결합력에 미치는 영향을 고찰하였다. 양극산화 처리된 탄소섬유 표면 특성은 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)과 전계방사형 주사전자현미경(Field emission-scanning electron microscope, FE-SEM), 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)으로 분석하였으며, Short beam 전단시험을 통해 표면처리에 따른 탄소섬유 강화 복합재료의 계면 전단강도를 측정하였다. 실험 결과 전류밀도가 증가함에 따라 탄소섬유 표면의 거칠기와 산소관능기의 함량의 증가와, 탄소섬유 강화 복합재료의 층간전단강도(Interlaminar shear strength, ILSS)의 향상 및 페놀릭 하이드록실 그룹과의 비례관계를 확인하였다. CF-2.0 시편의 층간전단강도는 87.9 MPa로 CF-AS 시편에 비해 약 4% 증가하였는데, 이러한 결과는 양극산화 처리가 산소관능기와 탄소섬유 표면 거칠기의 증가를 유도하여 탄소섬유와 수지의 계면 결합력이 증가된 것으로 판단된다. 그중 층간전단강도와 비례관계인 페놀릭 하이드록실 그룹은 탄소섬유 강화 복합재료의 계면결합력을 향상시키는 중요한 요소라 판단된다.
We studied the effects of anodic oxidation treatments of carbon fibers on interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites with various current densities. The surface of treated carbon fibers was characterized by atomic force microscope (AFM), field emission-scanning elec...
We studied the effects of anodic oxidation treatments of carbon fibers on interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites with various current densities. The surface of treated carbon fibers was characterized by atomic force microscope (AFM), field emission-scanning electron microscope (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The interlaminar shear strength (ILSS) of the composites was determined by a short beam shear test. This result showed that both the roughness and oxygen group of the carbon fibers surface increased in proportion to the current density. After anodic-oxidation-treated, the ILSS also increased as a function of the current density. In addition, the proportional relationship between ILSS and phenolic hydroxyl group was confirmed. The ILSS of the CF-2.0 sample increased by 4% compared to that of the CF-AS sample, because the anodic oxidation treatment increased the oxygen group and roughness on the carbon fibers surface, which leading to the improvement of the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites. Among these, the phenolic hydroxyl group which has the proportional relationship with ILSS is found to be the most important factor for improving the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites.
We studied the effects of anodic oxidation treatments of carbon fibers on interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites with various current densities. The surface of treated carbon fibers was characterized by atomic force microscope (AFM), field emission-scanning electron microscope (FE-SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The interlaminar shear strength (ILSS) of the composites was determined by a short beam shear test. This result showed that both the roughness and oxygen group of the carbon fibers surface increased in proportion to the current density. After anodic-oxidation-treated, the ILSS also increased as a function of the current density. In addition, the proportional relationship between ILSS and phenolic hydroxyl group was confirmed. The ILSS of the CF-2.0 sample increased by 4% compared to that of the CF-AS sample, because the anodic oxidation treatment increased the oxygen group and roughness on the carbon fibers surface, which leading to the improvement of the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites. Among these, the phenolic hydroxyl group which has the proportional relationship with ILSS is found to be the most important factor for improving the interfacial adhesion of the carbon fibers-reinforced epoxy matrix composites.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 탄소섬유의 양극산화 처리가 탄소섬유 표면과 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 물성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 탄소섬유 표면 분석결과 전류밀도가 증가할수록 탄소섬유 표면이 식각되어 탄소섬유 표면의 표면적이 증가하였고, 탄소섬유 표면의 graphitic carbon이 줄어들고 섬유 표면에 산소를 포함하는 C-OH, C=O, 그리고 COOH 관능기가 형성되었음을 확인하였다.
)을 전해질로 사용하여 전류밀도를 변화시켜 다양한 조건에서 탄소섬유 표면처리를 실행하였다. 전류밀도에 따른 탄소섬유의 구조, 관능기의 변화 및 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성을 확인하였고, 그중 페놀릭 하이드록실 관능기와 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성의 상관관계에 대해 고찰하였다.
제안 방법
본 연구에서는 암모늄염 용액인 탄화수소암모늄(NH4HCO3)을 전해질로 사용하여 전류밀도를 변화시켜 다양한 조건에서 탄소섬유 표면처리를 실행하였다. 전류밀도에 따른 탄소섬유의 구조, 관능기의 변화 및 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성을 확인하였고, 그중 페놀릭 하이드록실 관능기와 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성의 상관관계에 대해 고찰하였다.
탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성을 측정하기 위해 Short beam 전단시험을 이용한 층간전단강도(Interlaminar shear strength, ILSS)를 측정하였다. 층간전단강도는 ASTM D2344에 준하여 span-to-depth의 비는 4 : 1, cross-head speed는 2mm/min으로 만능 시험기(Universal testing machine, UTM, Lloyd, UK)를 사용하여 분석하였다.
대상 데이터
, Japan)을 사용하였다. 강화재로는 (주)태광 산업에서 생산된 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN)계 연속 탄소섬유(TZ-607, Taekwang Co., Korea)로 표면처리와 사이징 처리하지 않은 섬유를 사용하였다. 점도가 높은 YD-128의 점도를 낮추기 위해 methyl ethyl ketone (MEK, Daejung Chem.
본 연구에 사용된 수지는 열경화성 수지인 에폭시 수지(Diglycidylether of bisphenol-A, DGEBA, YD-128, KUKDO Chem., Korea)를 사용하였고, 경화제로는 4,4’-diaminodiphenol methane (DDM, Tokyo Chem. Co.
이론/모형
처리 전 후 탄소섬유의 표면 변화는 전계방사형 주사전자현미경 (Field emission-scanning electron microscope, FE-SEM, SUPRA40VP, Carl Zeiss, Germany)을 사용하였다. 탄소섬유에 Osmium (Os) 코팅을 한 후, 2 kV의 가속전압으로 표면을 측정하였다.
탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 계면 물성을 측정하기 위해 Short beam 전단시험을 이용한 층간전단강도(Interlaminar shear strength, ILSS)를 측정하였다. 층간전단강도는 ASTM D2344에 준하여 span-to-depth의 비는 4 : 1, cross-head speed는 2mm/min으로 만능 시험기(Universal testing machine, UTM, Lloyd, UK)를 사용하여 분석하였다. 실험에 사용한 탄소섬유 강화 복합재료 시편의 치수와 층간전단강도 측정 모식도를 Figure 2에 나타내었다.
, Korea)을 사용하여 3 µm × 3 µm인 주사범위를 측정하였다. 표면에 형성된 관능기 및 조성 변화는 적외선분광법(FT-IR, Nicolet is 10, Thermo, USA)과 X-선광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, PHI 5000 Versa Probe Ⅱ, ULVAC-PHI, Japan)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
Figure 7은 양극산화 처리된 탄소섬유 강화 복합재료의 층간전단강도를 나타낸 것이다. 실험 결과 전류밀도에 따른 복합재료의 층간전단강도가 CF-AS보다 전반적으로 증가하였으며, 그중 CF-2.0이 87.9 MPa로 가장 높은 층간전단강도를 나타내었다. 그러나 CF-2.
본 연구에서는 탄소섬유의 양극산화 처리가 탄소섬유 표면과 탄소섬유 강화 복합재료의 기계적 물성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 탄소섬유 표면 분석결과 전류밀도가 증가할수록 탄소섬유 표면이 식각되어 탄소섬유 표면의 표면적이 증가하였고, 탄소섬유 표면의 graphitic carbon이 줄어들고 섬유 표면에 산소를 포함하는 C-OH, C=O, 그리고 COOH 관능기가 형성되었음을 확인하였다. 층간전단강도 또한 미처리 시편에 비해 향상된 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유는 어떠한 특성을 가지는가?
탄소섬유는 고강도, 고탄성, 내열성, 그리고 높은 열적 특성을 지닌 고기능성 소재로서 자동차, 선박 및 항공분야에 널리 사용되고 있는 재료이다. 특히 엔지니어링 플라스틱 수지를 이용하여 제조되는 탄소섬유 강화 복합재료는 높은 비강도, 경량성, 내약품성, 그리고 내피로성 등을 가진 소재로 높은 강도를 필요로 하는 건축, 토목, 군사용품, 스포츠용품에 널리 이용되고 있다[1-8].
탄소섬유 강화 복합재료는 어떠한 분야에 사용되는가?
탄소섬유는 고강도, 고탄성, 내열성, 그리고 높은 열적 특성을 지닌 고기능성 소재로서 자동차, 선박 및 항공분야에 널리 사용되고 있는 재료이다. 특히 엔지니어링 플라스틱 수지를 이용하여 제조되는 탄소섬유 강화 복합재료는 높은 비강도, 경량성, 내약품성, 그리고 내피로성 등을 가진 소재로 높은 강도를 필요로 하는 건축, 토목, 군사용품, 스포츠용품에 널리 이용되고 있다[1-8].
탄소섬유 표면처리 방법은 탄소섬유의 어떠한 성질을 향상시키는가?
현재 탄소섬유 표면처리 방법으로는 양극산화 처리[14-16], 플라즈마 처리[17], 오존 처리[18], 불소 처리[19] 등이 알려져 있다. 이와 같은 표면처리들은 탄소섬유 표면의 불순물을 제거하고, 젖음성의 향상과 표면 거칠기의 증가로 섬유와 수지 사이의 결합력을 향상시키는 것으로 알려져 있다[20,21]. 그중 양극산화 처리는 기존 처리 방법에 비해 제어가 비교적 쉽고 연속공정이 가능하며 활성표면에 -OH, COOH, 및 C=O 등의 다양한 관능기의 도입과 물리적 결합인 van der Waals 힘을 유도하여 섬유와 수지 사이의 계면 결합력을 향상시킨다고 알려져 있다[22-28].
참고문헌 (31)
M. S. Ha, O. Y. Kwon, and H. S. Choi, Improved electrical conductivity of CFRP by conductive silver nano-particles coating for lightning strike protection, J. Korean Soc. Compos. Mater., 23, 31-36 (2010).
C. A. Mahieux, Cost effective manufacturing process of thermoplastic matrix composites for the traditional industry: the example of a carbon-fiber reinforced thermoplastic flywheel, Compos. Struct., 52, 517-521 (2001).
F. L. Jin and S. J. Park, Preparation and characterization of carbon fiber-reinforced thermosetting composites: a review, Carbon Lett., 16, 67-77 (2015).
P. E. Vickers, J. F. Watts, C. Perruchot, and M. M. Chehimi, The surface chemistry and acid-base properties of a PAN-based carbon fibre, Carbon, 38, 675-689 (2000).
W. Song, A. Gu, G. Liang, and L. Yuan, Effect of the surface roughness on interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy resin composites, J. Appl. Surf. Sci., 257, 4069-4074 (2011).
B. Xu, X. Wang, and Y. Lu, Surface modification of polyacrylonitrile- based carbon fiber and its interaction with imide, J. Appl. Surf. Sci., 253, 2695-2701 (2006).
H. Li, H. Liang, F. He, Y. Huang, and Y. Wan, Air dielectric barrier discharges plasma surface treatment of three-dimensional braided carbon fiber reinforced epoxy composites, Surf. Coat. Technol., 203, 1317-1321 (2009).
K. M. Lee, S. E. Lee, M. I. Kim, and Y. S. Lee, Mechanical and thermal properties of epoxy composites reinforced fluorinated illite and carbon nanotube, Appl. Chem. Eng., 27, 285-290 (2016).
C. W. Moon, G. Jung, S. S. Im, C. W. Nah, and S. J. Park, Effect of anodic oxidation of $H_2SO_4/HNO_3$ ratio for improving interfacial adhesion between carbon fibers and epoxy matrix resins, Polymer(Korea), 37, 61-65 (2013).
H. I. Kim, W. K. Choi, S. Y. Oh, K. H. An, and B. J. Kim, Effects of electrochemical oxidation of carbon fibers on mechanical interfacial properties of carbon fibers-reinforced polarized-polypropylene matrix composites, Appl. Chem. Eng., 24, 476-482 (2013).
Z. Xu, Y. Huang, C. Zhang, Y. Zhang, and L. Wang, Effect of c-ray irradiation grafting on the carbon fibers and interfacial adhesion of epoxy composites, Compos. Sci. Technol., 67, 3261-3270 (2007).
C. Lu, P. Chen, Q. Yu, Z. Ding, Z. Lin, and W. Li, Interfacial adhesion of plasma-treated carbon fiber/poly(phthalazinone ether sulfone ketone) composite, J. Appl. Polym. Sci., 106, 1733-1741 (2007).
L. H. Meng, Z. W. Chen, X. L. Song, Y. X. Liang, Y. D. Huang, and Z. X. Jiang, Influence of high temperature and pressure ammonia solution treatment on interfacial behavior of carbon fiber/epoxy resin composites, J. Appl. Polym. Sci., 113, 3436-3441 (2009).
J. Gulys, E. Fldes, A. Lzr, and B. Puknszky, Electrochemical oxidation of carbon fibres: surface chemistry and adhesion, Compos. A, 32, 353-360 (2001).
A. Fukunaga, S. Ueda, and M. Magumo, Anodic surface oxidation mechanisms of PAN-based and pitch-based carbon fibres, J. Mater. Sci., 23, 2851-2854 (1991).
M. Delamar, G. Dsarmot, O. Fagebaume, R. Hitmi, J. Pinsom, and J. M. Savant, Modification of carbon fiber surfaces by electrochemical reduction of aryl diazonium salts: Application to carbon epoxy composites, Carbon, 35, 801-807 (1997).
M. A. Montes-Morn, A. Martnez-Alonso, J. M. D. Tascn, and R. J. Young, Effects of plasma oxidation on the surface and interfacial properties of ultra-high modulus carbon fibres, Compos. A, 32, 361-371 (2001).
S. J. Park and B. J. Kim, Roles of acidic functional groups of carbon fiber surfaces in enhancing interfacial adhesion behavior, Mater. Sci. Eng. A, 408, 269-273 (2005).
W. Han, W. K. Choi, K. H. An, H. G. Kim, S. J. Kang, and B. J. Kim, Effects of crack resistance properties of ozone-treated carbon fibers-reinforced nylon-6 matrix composites, Appl. Chem. Eng., 24, 363-369 (2013).
W. K. Choi, B. J. Kim, B. G. Min, K. M. Min, and S. J. Park, Effects of sizing treatment of carbon fibers on mechanical interfacial properties of nylon 6 matrix composites, Elastom. Compos., 45, 2-6 (2010).
A. Fukunaga and S. Ueda, Anodic surface oxidation for pitch-based carbon fibers and the interfacial bond strengths in epoxy matrices, Compos. Sci. Technol., 60, 249-254 (2000).
S. Yumitori and Y. Nakanishi, Effect of anodic oxidation of coal tar pitch-based carbon fibre on adhesion in epoxy matrix: Part 1. Compoarison between $H_2SO_4$ and NaOH solutions, Compos. A, 27, 1051-1058 (1996).
S. L. Chuang and N. J. Chu, Effect of polyamic acids on interfacial shear strength in carbon fiber/aromatic thermoplastics, J. Appl. Polym. Sci., 41, 373-382 (1990).
J. Liu, Y. Tian, Y. Chen, and J. Liang, Interfacial and mechanical properties of carbon fibers modified by electrochemical oxidation in $(NH_4HCO_3)/(NH_4)_2C_2O_4{\cdot}H_2O$ aqueous compound solution, J. Appl. Surf. Sci., 256, 6199-6204 (2010).
X. P. Yang, C. Z. Wang, Y. H. Yu, and S. K. Ryu, Improvement of CF/ABS composite Properties by Anodic Oxidation of Pitch based C-Type Carbon Fiber, Carbon Sci., 3, 80-84 (2002).
X. Liu, C. Yang, and Y. Lu, Contrastive study of anodic oxidation on carbon fibers and graphite fibers, J. Appl. Surf. Sci., 258, 4268-4275 (2012).
Z. Li, J. Wang, Y. Tong, and L. Xu, Anodic oxidation on structural evolution and tensile properties of polyacrylonitrile based carbon fibers with different surface morphology, J. Mater. Sci. Technol., 28, 1123-1129 (2012).
X. Qian, X. Wang, Q. Ouyang, Y. Chen, and Q. Yan, Effect of ammonium-salt solutions on the surface properties of carbon fibers in electrochemical anodic oxidation, J. Appl. Surf. Sci., 259, 238-244 (2012).
S. J. Park, J. S. Oh, and J. R. Lee, Effect of anodized carbon fiber surfaces on mechanical interfacial properties of carbon fibers-reinforced composites, J. Korean Soc. Compos. Mater., 15, 16-23 (2002).
Z. R. Yue, W. Jiang, L. Wang, S. D. Gardner, and C. U. Pittman Jr., Surface characterization of electrochemically oxidized carbon Fibers, Carbon, 37, 1785-1796 (1999).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.