[논문]그래핀 옥사이드/카르복실화한 스티렌-부타디엔 고무 나노 복합체에 관한 연구

장선호; 리시앙수; 조을룡

[국내논문] 그래핀 옥사이드/카르복실화한 스티렌-부타디엔 고무 나노 복합체에 관한 연구
A Study on Graphene Oxide and Carboxylated Styrene-Butadiene Rubber(XSBR) Nanocomposites 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.1, 2017년, pp.52 - 58

장선호 (한국기술교육대학교 응용화학공학부) , 리시앙수 (한국기술교육대학교 응용화학공학부) , 조을룡 (한국기술교육대학교 응용화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene oxide (GO)/carboxylated styrene-butadiene rubber (XSBR) nanocomposites with various contents of GO were prepared by a latex compounding method. It has been confirmed that the functional groups of GO and the hydrogen bonds between GO and XSBR are existed. It can be seen that the scorch time ($t_{s2}$), which is the measurement of incipient vulcanization of rubber, showed a delay after the addition of GO. Field emission scanning electron microscopy was employed to confirm the uniform dispersion of filler in the matrix. Indeed, with increasing fillers loading, the torque, tensile strength, thermal stability and crosslink density of obtained nanocomposites were improved. These results were correlated to the better dispersion of fillers through the rubber matrix.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 팽창흑연으로부터 GO를 합성하고 latex compounding method를 이용하여 GO의 산소작용기와 XSBR의 카르복실기의 수소결합을 유도하여 분산성을 향상하고자 하였고, GO의 함량에 따른 유변학적 성질, 인장강도 및 열 안정성 등의 물성 변화를 관찰하였다.
팽창흑연으로부터 GO를 Hummers’ method를 이용하여 합성하고 latex compounding method를 이용하여 GO/XSBR 복합체를 제조하여 GO함량에 따른 FT-IR, SEM, 유변학적 성질, 인장강도, strain sweep 등의 물성을 연구하였다.

제안 방법

Graphene oxide의 구조 분석과 XSBR, GO의 수소결합 검증을 위해 FT-IR (Spectrum-100, Perkin Elmer)를 사용하여 확인하였다. 측정범위는 4000~650 cm^-1로 설정하였고, scan수와 resolution는 각각 4, 8로 설정한 뒤 사용하였다.
Graphene oxide의 함량에 따른 고무의 열적 성질 변화를 TGA (TGA4000, Perkin Elmer)를 사용하여 질소분위기에서 처음온도 30 ℃에서 600 ℃까지 10 ℃/min의 속도로 측정하였다.
IR분석을 통하여 GO의 작용기와 XSBR/GO의 수소 결합을 검증하였다. 유변성과 가교밀도 측정에서 GO의 함유량이 많아질수록 ∆M이 상승하는 경향을 보였으며 가교밀도가 상승하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

Grapheneoxide를 합성하기위하여 expandable graphite(Graphit Kropfmühl, Germany), 황산(H₂SO₄ 96%, Samchung), 과망간산칼륨(KMnO₄, Shinvo, Japan), 염산(HCl, Daejung), 과산화수소(H₂O₂ 30%, Daejung)를 사용하였다.
Latex는 (carboxylated styrene-butadiene rubber latex, Kumho Petrochemical Company, KSL103)을 사용하였고 고무 첨가제로는 황 (sulfur powder, Daejung)과 stearic acid (SA, Daejung), zinc oxide (ZnO, Samchun) 그리고 가교 촉진제로는 dibenzothiazole disulfide (DD, TCI), n-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide(CBS, TCI)를 사용하였다.

성능/효과

Scorch time(t_s2)은 GO의 함량이 증가할수록 다소 늦어지는 모습을 확인하였다. 또한, GO의 함량이 증가함에 따라 인장강도, 모듈러스 증가를 확인하였으며, RPA를 통해 filler network가 형성되어 ∆G'이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 열 안정성은 GO가 증가할수록 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, GO의 함량이 증가함에 따라 인장강도, 모듈러스 증가를 확인하였으며, RPA를 통해 filler network가 형성되어 ∆G'이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 열 안정성은 GO가 증가할수록 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
IR분석을 통하여 GO의 작용기와 XSBR/GO의 수소 결합을 검증하였다. 유변성과 가교밀도 측정에서 GO의 함유량이 많아질수록 ∆M이 상승하는 경향을 보였으며 가교밀도가 상승하는 것을 확인하였다. Scorch time(t_s2)은 GO의 함량이 증가할수록 다소 늦어지는 모습을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	카본블랙이 야기하는 문제는 무엇인가?	지난 150년 동안, 카본블랙은 고무의 보강제로서 사용되어 왔다. 하지만, 카본블랙은 불완전연소 시켜 생긴 그을음을 모으거나, 그것들을 열분해 하여 제조하고 있어 온실가스 배출 등의 환경오염 문제를 일으킨다. 최근 세계적으로 환경 문제의 관심이 높아지고 있으며, 카본블랙을 대체할 물질에 대한 연구가 증가하고 있다[1].
	XSBR/GO composites의 열 안정성 향상의 이유는 무엇인가?	이는 XSBR/GO composites의 열 안정성 향상을 확인할 수 있었다. 이런 열 안정성의 향상 이유는 고분자의 표면에 있는 graphene oxide가 사슬 움직임을 제한했기 때문이며 인화성 이방성 nanoparticle 은 composite의 움직임을 제한하는 네트워크를 형성할 수 있으며, 이는 분해 생성물의 움직임을 지연시키기 때문이다[26,27].
	스카치 테이프를 이용해서 흑연에서 그래핀을 얻는 방법의 단점은 무엇인가?	Novoselove가 스카치 테이프를 이용해 흑연으로부터 한층의 그래핀(graphene)을 쉽게 얻어내고[2] 그래핀의 뛰어난 전기적 성질을 보고한 이후에 투명 전극, 이차전지, 에너지 저장물질, 고분자 복합체 등 여러 분야에서 그래핀을 기반으로 한 소재들의 응용이 연구되고 있다[3,4]. 하지만, 스카치 테이프를 이용해서 흑연에서 그래핀을 얻는 방법은 대량으로 얻을 수 없는 단점이 있으며 흑연 탄소 층간의 Van der walls force로 인해 분리가 쉽지 않다.

참고문헌 (27)

Y. Mao, et al., "High Performance Graphene Oxide Based Rubber Composites", J. Mater. Chem. A, Vol.3, pp.5140, 2015.

상세보기
K.S. Novoselov, et al., "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films", Science, Vol.306, pp.666, 2004.

상세보기
Z. Yanwu, et al., "Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications", Adv. Materials, Vol.22, pp.3906, 2010.

상세보기
S. Park and R.S. Ruoff, "Chemical Methods For the Production of Graphenes", Nat. Nanotechnology, Vol.4, pp.217, 2009.

상세보기
S. Park, "History of Graphene Oxide and Future Direction", Applied Chemistry for Engineering, Vol.16, pp.1-4, 2013.
Liang J, et al., "Molecular-Level Dispersion of Graphene into Poly(vinyl alcohol) and Effective Rein-Forcement of Their Nanocomposites", Adv Funct Master, Vol.19, pp.2297, 2009.

상세보기
Wu Jinrong, et al., "Enhanced Mechanical and Gas Barrier Properties of Rubber Nanocomposites With Surface Functionalized Graphene Oxide at Low Content", Polymer, Vol.54, pp.1931, 2013.
Kim H, Miura Y, Macosko CW.,"Graphene/Polyurethane Nanocomposites for Improved Gas Barrier and Electrical Conductivity", Chem. Master, Vol.22, pp.3341-3350, 2010.
Carolina F. Matos, et al., "Multifunctional and Environmentally Friendly Nanocomposites between Natural Rubber and Graphene or Graphene Oxide", Carbon, Vol.78, pp.473-475, 2014.
Hummers Ws, Offeman RE., "Preparation of Graphitic Oxide", J Am. Chem. Soc, Vol.80, pp.1339, 1958.

상세보기
S. Kotrel, J. H. Lunsford, and H. Znozinger, "Characterizing Zeolite Acidity by Spectroscopic and Catalytic Means: A Comparision", J Phys. Chem. B, Vol.18, pp.3917-21, 2001.
Mingliang Du, et al., "Carboxylated Butadiene-Styrene Rubber/Halloysite Nanotube NanoComposites: Interfacial Interaction and Performance", Polymer, Vol.49, pp.4871-76, 2008.

상세보기
Gang Ma and Heather C. Allen,"Surface Studies of Aqueous Methanol Solutions by Vibrational Broad Bandwidth Sum Frequency Generation Spectroscopy", J. Phys. Chem. B, pp.6343-6349, 2003.
Z. Peng, L. X. Kong, S. D. Li, Y. Chen and M. F. Huangm, "Self-assembled Natural Rubber/Silica Nanocomposites: Its Preparation and Characterization", Composites Sciene and Technology, Vol.67, pp.3130-3139, 2007.

상세보기
Nurus Sakinah Che Mat, Hanafi lsmail and Nadras Othman, "Curing Characteristics and Mechanical and Aging Properties of Ethylene Propylene Diene Mon omer/Calcium Carbonate/Bentonite Hybrid Composites", Elastomers & Plastics, Vol.1, pp.1-11, 2016.
M Hernandez, et al., "Overall Performance of Natural Rubber/Graphene nanocomposites", Compo Sci Technol, Vol.73, pp.40, 2012.

상세보기
A. M. Shanmugharaj, et al., "Physical and Chemical Characteristics of Multiwalled Carbon Nanotubes Functionalized with Zminosilane and Its Influence On the Properties of Natural Rubber Composites", Compos Sci Technol, Vol.67, pp.1813, 2007.

상세보기
Jinrong Wu, et al., "Enhanced Mechanical and Gas Barrier Properties of Rubber Nanocomposites With Surface Functionalized Graphene Oxide at Low Content", Polymer, Vol.54, pp.1930-1937, 2013.

상세보기
Xing W., et al., "Enhanced Mechanical Properties of Graphene/Natural Rubber NanoComposites at Low Content", Polymer International, Vol.63, pp.1674-1681, 2014.

상세보기
S. Mihara, R. N. Datta, and J. W. M. Noordemeer, "Flocculation in Silica Reinforced Rubber Compounds", Rubber Chem. Techonol., Vol.82, pp.524, 2009.

상세보기
C. G. Robertson, et al., "Flocculation, Reinforcement, and Glass Transition Effects in Silica-Filled Styrene- Butadiene Rubber", Rubber Chem. Technol., Vol.84, pp.507, 2011.

상세보기
S. Wolff, "Chemical Aspects of Rubber Reinforcement by Fillers", Rubber Chem. Technol., Vol.69, pp.325, 1996.

상세보기
E. H. Tan, S. Wolff, M. Haddeman, H. P. Grewatta, and M. J. Wang, "Filler-Elastomer Interactions. Part IX. Performance of Silicas in Polar Elastomers", Rubber Chem. Technol., Vol.66, pp.594, 1993.

상세보기
A. R. Payne and R. E. Whittaker, "Low Strain Dynamic Properties of Filled Rubbers", Rubber Chem. Technol., Vol.44, pp.440, 1971.

상세보기
Wonho Kim, "Physical Properties of the Silica-Reinforced Tire Tread Compounds by the Increased Amount of Vulcanization Agents", Vol.48, pp.3, 2013.
H. Kim, A. A Abdala and C. W. Macosko, "Graphene/PolymerNanoComposites", MacroMolecules, Vol. 43, pp.6515, 2010.

상세보기
Y. Wang, "Graphene Oxide/PolyBenzimidazole Composites", Carbon, Vol.49, pp.4, 2011.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증