[논문]탄소나노튜브가 첨가된 UHMWPE의 마찰.마멸 거동

주영석; 안정욱; 임대순

문제 정의

본 실험에서는 CNT 첨가에 따른 UHMWPE의 마모 . 마찰 특성 변화를 알아봄으로써 UHMWPE과 CNT 복합체의 응용 가능성을 알아보고자 한다.
그러므로 다른 첨가제에 의한 UHMWPE의 기계적 특성 향상을 기대하는 것보다 훨씬 우수한 장점들을 갖추고 있나고 할 수 있다. 본 실험에서는 CNT 첨가에 따른 UHMWPE의 마모 . 마찰 특성 변화를 알아봄으로써 UHMWPE과 CNT 복합체의 응용 가능성을 알아보고자 한다.
본 실험에서는 carbon nanotube (CNT) 첨가에 의한 UHMWPE의 마멸 특성 향상에 대하여 실험을 진행하였다. 1991년에 발견된 CNT는 graphite가 말려 있는 tube형태로 carbon간의 강한 공유 결합에 의해 높은 기계적 강도를 갖고, 높은 Young's modulus, 높은 aspect ratio로 인하여 매우 우수한 기계적 특성을 나타내는 물질이며 이러한 특성은 여러 가지 복합체로서 응용될 때 물성 향 상을 꾀할 수 있는 잠재적인 가능성이 있다 [9, 10], 그리고 CNT는 carbon으로 구성되어 있어서 이 물질의 물성에 비해 질량이 매우 낮은 물질이다.

제안 방법

2시간동안 750°C에서 촉매를 이용해 실험을 한 결과물로 외관상 그을음(soot-like)형 내로 보이는 CNT 를 합성하였다. 합성된 CNT의 SEM image는 Fig.
18 nm의 해상도로 CNT 의 내부 구조를 확인하였다. CNT의 결합구조를 알기 위해서 micro - Raman spectrophotometer (T64000, Jobin Yvon)를 사용하여 Raman spectra를 얻었다.
TEM 관찰을 위해서 합성된 CNT를 carbon tetrachloride (CCI₄) 용액에 분산시킨 후 마이크로 탄소 그리드를 이용하여 CNT를 그리드 위에 위치시켰다. HRTEM (H9000 -NAR, Hitachi) 으로 300 kV, 0.18 nm의 해상도로 CNT 의 내부 구조를 확인하였다. CNT의 결합구조를 알기 위해서 micro - Raman spectrophotometer (T64000, Jobin Yvon)를 사용하여 Raman spectra를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 CNT 의 길이, 직경, 균일성을 SEM (Hitachi, SY300) 으로 관찰하였다. TEM 관찰을 위해서 합성된 CNT를 carbon tetrachloride (CCI₄) 용액에 분산시킨 후 마이크로 탄소 그리드를 이용하여 CNT를 그리드 위에 위치시켰다. HRTEM (H9000 -NAR, Hitachi) 으로 300 kV, 0.
3 m/s로 7200초 동안 실험하였다. 그리고 실험 전후에 시편의 질량을 측정하여 실험에 의해 발생되는 마모량을 계산하였다. 시편의 마모부위는 주 사전자현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였 다.
마모실험을 위하여 15X15 mm의 작은 시편으로 cutting 후 에탄올에 넣어 초음파세척기에서 cleaning 하였다. 마모 • 마찰 실험은 본 실험실에서 제작된 ball-on-disc 형대의 마모시험기를 사용하였다. 이 장치의 개략도를 Fig.
그리고 실험 전후에 시편의 질량을 측정하여 실험에 의해 발생되는 마모량을 계산하였다. 시편의 마모부위는 주 사전자현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였 다.
외부에서 가해진 load에 따라 시편과 ball 사이의 마찰력으로 인해 발생하는 tangential force를 120 g 까지 감지하는 load ceU로 변위를 측정하여, 이를 General Purpose Interface Bus-board (GPIB)를 통해 컴퓨터에 저장하게 하였다. 실험조건은 Normal load는 5 N, 회전속도는 0.
합성 후 CNT가 붙어 있는 석영관을 에탄올에 넣어 초음파세척기를 사용하여 석영관에서 CNT를 분리후 에탄올을 증발시켜 CNT를 얻었다. 이렇게 하여 얻어진 CNT 의 길이, 직경, 균일성을 SEM (Hitachi, SY300) 으로 관찰하였다. TEM 관찰을 위해서 합성된 CNT를 carbon tetrachloride (CCI₄) 용액에 분산시킨 후 마이크로 탄소 그리드를 이용하여 CNT를 그리드 위에 위치시켰다.
합성된 CNT는 분말 형태의 고상으로 존재하는 UHMWPE 과 mixing 을 하였는데 UHMWPE에 각각 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.5 wt%의 CNT를 첨가하여 CNT 첨가 시편 3개를 준비하였다. 그리고 비교 시편으로 CNT를 첨가하지 않은 UHMWPE 시편도 준비하였다.

대상 데이터

이러한 방법으로 mixing된 시편 재료를 hot press에서 성형을 하였다. hot press의 온도는 180 °C로 하였고 압력은 25 MPa, 그리고 성형 시간은 1 시간으로 하여 50 / 50 X 2 mm 크기의 시편을 제작하였다. 마모실험을 위하여 15X15 mm의 작은 시편으로 cutting 후 에탄올에 넣어 초음파세척기에서 cleaning 하였다.
5 wt%의 CNT를 첨가하여 CNT 첨가 시편 3개를 준비하였다. 그리고 비교 시편으로 CNT를 첨가하지 않은 UHMWPE 시편도 준비하였다. 이때 CNT와 UHMWPE의 원활한 mixing을 위해 toluene을 첨가하는데 이는 비중이 가벼운 CNT의 액상 내 응집을 막고 UHMWPE에 균질하게 섞이게 하는 효과를 준다.
load는 상대재인 ball 위로 가할 수 있도록 하였다. 상대재로 사용된 ball은 hot press 로 제작된 질화규소 상용볼(NBD100, Norton)로 직경이 6.35mm인 것을 사용하였다. 회전하는 판의 회전수는 5000 rpm 까지 변화시킬 수 있는 DC motor를 사용하였다.
1에 나타내었다. 지름이 30 cm이고, 높이가 10 cm 인 분위기를 조절할 수 있는 chamber가 있고, 그 속에 DC motor에 의해 회전되는 판을 부착하였다. 이 판 위에 시편을 부착하고, 그 위에 상대재로 사용된 ball을 장착하였다.

성능/효과

Fig. 3(a)를 살펴보면 본 실험실에서 합성한 발실이 fiber의 형대가 아니라 다층의 벽으로 이루어진 미세한 tube(multi wall nano tube)의 형상임을 확인할 수 있었다. 그리고 tube의 양단에는 실험에서 촉매로 사용하였던 물질인 Fe(CO)₅ 의 Fe particle들이 채워져 있는 것을 볼 수 있었다.
이렇게 합성된 CNT 를 UHMWPE에 첨가하여 복합체를 제조하였고 이 복합체 시편에 대한 마모 실험을 한 결과 CNT가 첨가됨에 따라 마찰계수는 증가하였고 내마모 특성은 향상되었음을 알 수 있었다. CNT 첨가에 의한 복합체는 인공관절분야 및 내마모 특성이 요구되어지는 부품에 응용 가능성이 있음을 알 수 있었다.
아세틸렌 가스의 촉매 열분해 방법에 의해 합성된 물질은 SEM, TEM, Raman으로 확인한 결과 그 직경은 약 10 - 50nm, 길이는 약 3 - 5mm로 다층의 벽을 이루고 있는 CNT 임이 확인되었다. 이렇게 합성된 CNT 를 UHMWPE에 첨가하여 복합체를 제조하였고 이 복합체 시편에 대한 마모 실험을 한 결과 CNT가 첨가됨에 따라 마찰계수는 증가하였고 내마모 특성은 향상되었음을 알 수 있었다.
아세틸렌 가스의 촉매 열분해 방법에 의해 합성된 물질은 SEM, TEM, Raman으로 확인한 결과 그 직경은 약 10 - 50nm, 길이는 약 3 - 5mm로 다층의 벽을 이루고 있는 CNT 임이 확인되었다. 이렇게 합성된 CNT 를 UHMWPE에 첨가하여 복합체를 제조하였고 이 복합체 시편에 대한 마모 실험을 한 결과 CNT가 첨가됨에 따라 마찰계수는 증가하였고 내마모 특성은 향상되었음을 알 수 있었다. CNT 첨가에 의한 복합체는 인공관절분야 및 내마모 특성이 요구되어지는 부품에 응용 가능성이 있음을 알 수 있었다.

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