본 연구에서는 그래핀 나노플레이트릿(Graphene nanoplatelet ; GNP)의 분산에 대한 문제를 해결하고자 질산으로 이를 산화시켜 GO를 제조하였다. 이렇게 제조한 GO를 에폭시 도료에 혼입하기 전, 푸리에변환적외선분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 이용한 화학조성 분석과 용매에서의 분산안정성을 확인하였다. 그 후, GNP, GO를 에폭시 도료에 0.1, 0.3, 0.5, 1.0wt.% 혼입하여 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하고 역학적 특성을 평가하였다. 실험 결과, FT-IR 분석을 통해 GO에서 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 기능기가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, GO는 GNP보다 증류수와 에탄올에서 분산안정성이 향상되는 것을 확인하였다. 한편, GO/Epoxy 도료는 Neat Epoxy, GNP/Epoxy에 비해 역학적 특성이 향상되었으며, 특히 0.3wt.% 혼입률에서 높은 역학적 특성을 나타내었다. 따라서 GO를 에폭시 수지에 강화제로써 혼입할 경우 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 그래핀 나노플레이트릿(Graphene nanoplatelet ; GNP)의 분산에 대한 문제를 해결하고자 질산으로 이를 산화시켜 GO를 제조하였다. 이렇게 제조한 GO를 에폭시 도료에 혼입하기 전, 푸리에변환적외선분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 이용한 화학조성 분석과 용매에서의 분산안정성을 확인하였다. 그 후, GNP, GO를 에폭시 도료에 0.1, 0.3, 0.5, 1.0wt.% 혼입하여 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하고 역학적 특성을 평가하였다. 실험 결과, FT-IR 분석을 통해 GO에서 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 기능기가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, GO는 GNP보다 증류수와 에탄올에서 분산안정성이 향상되는 것을 확인하였다. 한편, GO/Epoxy 도료는 Neat Epoxy, GNP/Epoxy에 비해 역학적 특성이 향상되었으며, 특히 0.3wt.% 혼입률에서 높은 역학적 특성을 나타내었다. 따라서 GO를 에폭시 수지에 강화제로써 혼입할 경우 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
In this study, oxidized graphene nanoplatelet(GO) was prepared by oxidizing graphene nanoplatelet(GNP) with nitric acid in order to solve the problem of dispersion of GNP, one of nano materials. The surface chemical composition of the prepared GO was analyzed by fourier transform infrared spectrosco...
In this study, oxidized graphene nanoplatelet(GO) was prepared by oxidizing graphene nanoplatelet(GNP) with nitric acid in order to solve the problem of dispersion of GNP, one of nano materials. The surface chemical composition of the prepared GO was analyzed by fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR) before incorporation into the epoxy paint, and the dispersibility in the solvent was confirmed. Meanwhile, GNP/Epoxy and GO/Epoxy paint were prepared by mixing GNP, GO with 0.1, 0.3, 0.5 and 1.0wt.% in epoxy paint and the mechanical properties were evaluated. As a result, GNP/Epoxy and GO/Epoxy paints showed better mechanical properties than Neat Epoxy which did not incorporate GNP, GO. Especially, when 0.3wt.% of GO was incorporated into epoxy resin, it showed higher tensile strength than Neat Epoxy. It was confirmed that acid treatment of GNP was effective in improving the mechanical properties of epoxy paint.
In this study, oxidized graphene nanoplatelet(GO) was prepared by oxidizing graphene nanoplatelet(GNP) with nitric acid in order to solve the problem of dispersion of GNP, one of nano materials. The surface chemical composition of the prepared GO was analyzed by fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR) before incorporation into the epoxy paint, and the dispersibility in the solvent was confirmed. Meanwhile, GNP/Epoxy and GO/Epoxy paint were prepared by mixing GNP, GO with 0.1, 0.3, 0.5 and 1.0wt.% in epoxy paint and the mechanical properties were evaluated. As a result, GNP/Epoxy and GO/Epoxy paints showed better mechanical properties than Neat Epoxy which did not incorporate GNP, GO. Especially, when 0.3wt.% of GO was incorporated into epoxy resin, it showed higher tensile strength than Neat Epoxy. It was confirmed that acid treatment of GNP was effective in improving the mechanical properties of epoxy paint.
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문제 정의
본 연구에서는 강화제로 사용한 GNP와 GO의 화학조성과 분산안정성을 검토하기 위해 푸리에변환적외선분광법 (Fourier transform infrared spectroscopy; 이하 FT-IR)으로 GNP와 GO의 화학조성을 분석하고, GNP와 GO를 증류수와 에탄올에 혼입하여 육안으로 분산성을 관찰 하였다.
본 연구에서는 그래핀 나노플레이트릿(Graphene nanoplatelet ; GNP)의 분산에 대한 문제를 해결하고자 질산으로 이를 산화시켜 GO를 제조하였다. 이렇게 제조한 GO를 에폭시 도료에 혼입하기 전, 푸리에변환적외선분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 이용한 화학조성 분석과 용매에서의 분산안정성을 확인하였다.
본 연구에서는 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상시키기 위한 목적으로 GNP, GNP를 질산용액으로 산화시킨 GO의 화학조성 및 분산안정성 검토하고, 이를 강화제로 사용한 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 역학적 특성을 분석하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
0wt.% 혼입하여 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하고 역학적 특성을 평가하였다. 실험 결과, FT-IR 분석을 통해 GO에서 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 기능기가 생성된 것을 확인할 수 있었다.
0wt.% 혼입한 에폭시 도료의 인장강도, 연신율, 인장 응력-변형 특성, 파단면 분석을 실시하였으며, 이를 통해 GO를 강화제로 사용한 에폭시 도료의 역학적 특성을 검토하였다.
0wt.%를 에폭시 수지에 혼입하여 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하였으며, 인장강도, 연신율, 인장 응력-변형 특성, 파단면 분석을 실시함으로써 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 역학적 특성을 검토하고자 하였다.
GNP, GO의 화학조성을 분석하기 위해서 FT-IR을 이용 하였으며, 용매에서의 GNP, GO의 분산안정성을 확인하기 위해 증류수와 에탄올에서 분산성을 검토하였다. 한편, 인장 강도의 측정은 Figure 2에 나타낸 바와 같이 직접인장시험 장치를 이용하여 ASTM D638 시험방법에 준해 하중재하 속도 5mm/min.
GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 분산성 차이를 확인하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; 이하 SEM)을 이용하여 파단면을 관찰하였다.
본 연구에서는 산화 그래핀 나노플레이트릿을 강화제로 사용한 에폭시 도료의 역학적 특성을 검토하기 위해 diglycidyl ether of bisphenol F(DGEBF) 타입의 에폭시 수지 (YDF-170, Kukdo Chem., Korea)를 사용하였으며, 점도는 25℃에서 약 2,000-5,000cps, 당량은 160-180g/eq이 다. 경화제(G-A0533, Kukdo Chem.
이 후, 교반과정에서 생긴 기포를 제거하기 위해 15분간 진공 데시케이터에서 탈포과정을 거쳐 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하였다.
본 연구에서는 그래핀 나노플레이트릿(Graphene nanoplatelet ; GNP)의 분산에 대한 문제를 해결하고자 질산으로 이를 산화시켜 GO를 제조하였다. 이렇게 제조한 GO를 에폭시 도료에 혼입하기 전, 푸리에변환적외선분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 이용한 화학조성 분석과 용매에서의 분산안정성을 확인하였다. 그 후, GNP, GO를 에폭시 도료에 0.
이에 본 연구에서는 싱글레이어 그래핀에 비해 멀티레이어지만 제조 단가가 낮고 대량생산이 가능한 그래핀 나노플레이트릿(Graphene nanoplatelet; 이하 GNP)으로부터, 고분자 내에서 분산성, 고분자 매트릭스와의 계면 접착력을 향상시킬 수 있는 산화 그래핀 나노플레이트릿(Oxidized graphene nanoplatelet; 이하 GO)을 제조하였다. 이렇게 제조한 GO를 강화제로써 0.
대상 데이터
, Korea)를 사용하였으며, 점도는 25℃에서 약 2,000-5,000cps, 당량은 160-180g/eq이 다. 경화제(G-A0533, Kukdo Chem., Korea)의 점도는 25℃에서 약 500-1,000cps, 아민수소당량은 95-115g/eq인 것을 사용하였다.
또한, 에폭시 도료에 강화제로 사용한 GNP(xGnP-M-5, XG science Corp., USA)는 멀티레이어로서, 두께 6-8nm, 너비 5-25μm, 표면적 120-150m2/g인 것을 사용하였다.
이론/모형
인장강도 시험체는 ASTM D638에 따라 Dog-bone 형태로 제작하였으며, 온도 23±2℃, 상대습도 50±5% 조건에서 7일간 양생한 후 인장강도를 평가했다.
성능/효과
3wt.% 혼입률에 비해 파단면 표면에서 GNP, GO가 분산되지 않고 응집되어 있는 것을 확인하였다. 또한, GNP/Epoxy 도료에서 GNP의 응집현상보다 GO/Epoxy 도료에서 GO의 응집현상이 적은 것을 관찰할 수 있었다.
3wt.% 혼입률에서 높은 역학적 특성을 나타내었다. 따라서 GO를 에폭시 수지에 강화제로써 혼입할 경우 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상시키는데 효과적인 것으로 판단된다.
3wt.%에서 가장 높은 연신율을 나타내었으며, 그 이후 혼입률에서는 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 기능기의 도입으로 인한 에폭시 도료의 매트릭스와 GO의 결합력 향상 때문인 것으로 판단되며, 취성적인 파괴특성을 가지는 에폭시 도료의 단점을 보완할 수 있는 결과라고 사료된다.
3wt.%에서 최대 26.3% 향상되었으며 GNP의 산처리에 따른 기능기의 도입은 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상할 수 있음을 확인하였다.
1) 질산을 이용하여 간단하게 GNP를 산화시킨 결과, 강한 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 피크가 발견 되어 산처리를 통한 기능기의 생성을 확인하였다. 또한, GO는 증류수와 에탄올에서 분산효과가 육안으로 관찰되었다.
2) GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 인장강도 시험체의 파단면을 관찰한 결과 GNP/Epoxy 도료는 GNP의 응집 현상을 보였고 GO/Epoxy 도료는 상대적으로 GO의 응집현상이 적은 것을 확인하였다. 이를 통해 GNP의 산처리는 표면에 기능기를 생성함으로써 분산에 효과적인 것으로 확인되었다.
3) GO/Epoxy 도료는 기존 Epoxy 도료의 인장강도보다 혼입률 0.3wt.%에서 최대 26.
Figure 5(c), (d)에 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 인장 응력-변형 곡선을 나타내었다. GNP/Epoxy 도료는 Neat Epoxy 도료에 비해 GNP의 혼입률이 증가할수록 변형률이 감소하여 취성적인 파괴거동을 보였다. 그러나, GO/Epoxy 도료는 Neat Epoxy 도료에 비해 GNP, GO의 0.
Figure 6에 Neat Epoxy, GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 파단면에 대한 SEM 관찰 결과를 나타내었다. Neat Epoxy 도료에 비해 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료에서는 GNP, GO의 혼입률이 증가할수록 파단면이 거칠어지는 특징이 관찰되었다. 한편, GNP, GO의 0.
따라서, 에폭시기, 하이드록시기, 카르복시기의 기능기로 인해 GO가 에폭시 도료 내에서 균일한 분산성을 유지하고, 에폭시 매트릭스와 화학적 결합을 유도해 역학적 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
% 혼입률에 비해 파단면 표면에서 GNP, GO가 분산되지 않고 응집되어 있는 것을 확인하였다. 또한, GNP/Epoxy 도료에서 GNP의 응집현상보다 GO/Epoxy 도료에서 GO의 응집현상이 적은 것을 관찰할 수 있었다. 이는 FT-IR 분석결과, 증류수와 에탄올에서의 분산안정성 시험결과에서도 확인할 수 있듯이 GO 표면에 존재하는 기능기로 인해 GO/Epoxy 도료 내에서 분산이 용이해진 결과로 판단된다.
3% 향상된 인장강도 값을 보였다. 또한, GO/Epoxy 도료가 모든 혼입률에서 GNP/Epoxy 도료에 비해 높은 인장강도 값을 나타내었다. 이는 GO 표면에 존재하는 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기로 인해 GO/Epoxy 도료 내에서 GO의 분산과 에폭시 매트릭스와의 결합력 향상으로 인한 결과로 사료된다.
실험 결과, FT-IR 분석을 통해 GO에서 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 기능기가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, GO는 GNP보다 증류수와 에탄올 에서 분산안정성이 향상되는 것을 확인하였다. 한편, GO/Epoxy 도료는 Neat Epoxy, GNP/Epoxy에 비해 역학적 특성이 향상되었으며, 특히 0.
GNP는 증류수에서 분산되지 않고 일부가 증류수 표면에 떠오르거나 침전되는 현상을 보였다. 또한, 에탄올에서는 초기에 분산이 되는 것처럼 보였으나 시간이 지날수록 침전되는 현상을 보였다. 이는 FT-IR 분석 결과에서도 확인할 수 있듯이 GNP 표면에 친수성인 하이 드록시기, 카르복시기 등의 기능기가 충분하지 않아 증류수와 에탄올에서 GNP, GO의 분산성이 좋지 않은 것으로 판단된다.
% 혼입하여 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료를 제조하고 역학적 특성을 평가하였다. 실험 결과, FT-IR 분석을 통해 GO에서 하이드록시기, 에폭시기, 카르복시기 기능기가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, GO는 GNP보다 증류수와 에탄올 에서 분산안정성이 향상되는 것을 확인하였다.
Figure 5(b)에 GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 연신율 측정 결과를 나타내었다. 실험 결과, GO/Epoxy 도료가 모든 혼입률에서 GNP/Epoxy 도료에 비해 높은 연신율을 보이는 것으로 나타났다. GNP/Epoxy의 경우, GNP의 혼입률이 증가할수록 연신율은 감소하는 경향을 나타냈는데 이는 GNP 표면에 존재하는 기능기가 충분하지 않은 이유로 에폭시 도료와 결합력이 약해졌기 때문으로 판단된다.
또한, 에탄올에서는 초기에 분산이 되는 것처럼 보였으나 시간이 지날수록 침전되는 현상을 보였다. 이는 FT-IR 분석 결과에서도 확인할 수 있듯이 GNP 표면에 친수성인 하이 드록시기, 카르복시기 등의 기능기가 충분하지 않아 증류수와 에탄올에서 GNP, GO의 분산성이 좋지 않은 것으로 판단된다.
%에서 가장 높은 연신율을 나타내었으며, 그 이후 혼입률에서는 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 기능기의 도입으로 인한 에폭시 도료의 매트릭스와 GO의 결합력 향상 때문인 것으로 판단되며, 취성적인 파괴특성을 가지는 에폭시 도료의 단점을 보완할 수 있는 결과라고 사료된다. 한편, 0.
2) GNP/Epoxy, GO/Epoxy 도료의 인장강도 시험체의 파단면을 관찰한 결과 GNP/Epoxy 도료는 GNP의 응집 현상을 보였고 GO/Epoxy 도료는 상대적으로 GO의 응집현상이 적은 것을 확인하였다. 이를 통해 GNP의 산처리는 표면에 기능기를 생성함으로써 분산에 효과적인 것으로 확인되었다.
한편, GNP를 질산에서 산화시킨 GO는 에탄올과 증류수에서 모두 안정적인 분산성을 보였으며, 특히 증류수에서 분산성이 가장 안정적인 것으로 나타났다. 이는 GO 표면에 존재하는 하이드록시기, 카르복시기, 에폭시기 기능기의 특성인 친수성 때문인 것으로 판단되며, 이러한 이유로 GO는 증류수, 에탄올과 같은 강한 극성용매에서 우수한 분산성을 갖는 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 내구성을 저하시키는 가장 큰 요인은?
콘크리트는 반영구적인 재료로 알려져 있지만 다양한 환경조건에 의한 열화요인에 따라 최초 설계된 수준에 비하여 내구수명이 단축될 수 있다. 특히, 이산화탄소, 염화물이온 등과 같은 열화인자는 콘크리트 내부에 침투하여 콘크리트를 중성화시키거나 철근을 부식시키는 등 콘크리트의 내구성을 저하시키는 가장 큰 요인으로 볼 수 있다.
에폭시의 특징은?
에폭시는 일반적인 콘크리트용 도료로서 경화제와 반응하여 3차원적 망상구조를 이루며 경화하고, 우수한 접착력, 내화학성을 가지고 있다. 또한, 가공성이 우수하여, 도료, 코팅, 접착제, 난연재 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
에폭시가 사용되는 곳은?
에폭시는 일반적인 콘크리트용 도료로서 경화제와 반응하여 3차원적 망상구조를 이루며 경화하고, 우수한 접착력, 내화학성을 가지고 있다. 또한, 가공성이 우수하여, 도료, 코팅, 접착제, 난연재 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 하지만, 경화된 에폭시는 취성적인 성질을 가지고 있기 때문에 충격에 의해 파괴되기 쉽고, 낮은 내마모성 및 인성을 가지는 단점이 있다.
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