[논문]그래핀 나노플레이트릿의 산화가 에폭시 도료의 역학적 특성 및 부착 성능에 미치는 영향

천성호; 김규용; 이상규; 황의철; 손민재; 남정수

그래핀 나노플레이트릿의 산화가 에폭시 도료의 역학적 특성 및 부착 성능에 미치는 영향
Effect of Oxidation of Graphene Nanoplatelets on the Mechanical Properties and Bonding Performance of Epoxy Paints 원문보기

천성호 (충남대학교 건축공학과) , 김규용 (충남대학교 건축공학과) , 이상규 (충남대학교 건축공학과) , 황의철 (충남대학교 건축공학과) , 손민재 (충남대학교 건축공학과) , 남정수 (충남대학교 건축공학과)

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. GNP/Epoxy and GO/Epoxy paint were prepared by mixing GNP, GO with 0.1, 0.3, 0.5 and 1.0 wt.% 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 0.3 wt.% 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. However, graphene material was found that it was not effective in improving the bond performance of the epoxy paint.

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제안 방법

건설 구조물을 열화 시키는 열화인자를 차단하고자 에폭시 도료의 높은 내구성과 나노소재중 하나인 그래핀 나노플레이트릿(GNP)의 높은 가스 차단성에 주목해 고내구성 도막재료 개발이 진행되고 있다. 하지만 GNP는 고분자 내에서 분산의 어려움이 있으므로 본 연구에서는 GNP를 산화시켜 산화 그래핀 나노플레이트릿(GO)를 제조하고 에폭시 도료에 혼입하여 기계적 특성 및 부착 성능을 분석하였다.

대상 데이터

표 1에 실험계획을 나타내었다. diglycidyl ether of bisphenol F(DGEBF) 타입의 에폭시 수지(YDF-170, Kukdo Chem., Korea)를 사용하였고 경화제는 아민 경화제(G-A0533, Kukdo Chem., Korea)를 사용하였다. 또한, GNP(xGnP-M-5, XG science Corp.
또한, GNP(xGnP-M-5, XG science Corp., USA)는 멀티레이어로서, 두께 6-8nm, 너비 5-25μm, 표면적 120-150m2/g인 것을 사용하였다.

이론/모형

한편 GO는 60% 질산용액 200ml에 GNP 2g을 혼입한 후, 60℃에서 300rpm으로 고속 교반하여 제조하였다. 인장실험은 ASTM D638, 부착실험은 ISO 4624에 준하여 실시하였다.

성능/효과

3 wt.%에서 가장 높은 인장강도를 나타내었으며, GNP의 산처리에 따른 기능기의 도입은 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상할 수 있음을 확인하였다. 그러나 그래핀의 혼입은 에폭시 도료의 부착성능의 향상에는 효과적이지 못한 것을 확인하였다.
%에서 가장 높은 인장강도를 나타내었으며, GNP의 산처리에 따른 기능기의 도입은 에폭시 도료의 역학적 특성을 향상할 수 있음을 확인하였다. 그러나 그래핀의 혼입은 에폭시 도료의 부착성능의 향상에는 효과적이지 못한 것을 확인하였다.
GNP Epoxy의 경우, 에폭시 매트릭스와 결합하지 못하고 노출된 GNP가 다수 관찰되었다. 또한 GNP의 혼입률이 증가할수록 응집되는 GNP의 양이 증가함에 따라 파단면이 거칠어지는 것을 확인하였다. 한편, GO Epoxy는 에폭시 매트릭스와 GO가 결합하여 파단면이 거칠어졌으나, GNP Epoxy에 비해 파단면이 비교적 덜 거친 것을 확인하였으며, 이는 산화시킨 GO 표면에 존재하는 기능기로 인해 GO Epoxy 도료 내에서 분산이 용이해진 결과로 판단된다.
3% 높은 인장강도를 보였다. 또한, GNP Epoxy 도료는 GNP의 혼입율이 증가할수록 연신율이 감소하는 경향을 보였고 GO Epoxy 도료는 GO의 혼입률 0.3wt.% 까지 증가하다가 이후에는 감소하는 경향을 나타내었다.
그림 1에 에폭시 도료의 인장응력-변형 곡선을 나타냈다. 인장강도의 경우는 GNP와 GO의 혼입률에 상관없이 Neat Epoxy 보다 높은 인장강도 값을 나타내었고 특히 GO의 혼입률 0.3wt.%에서 Neat Epoxy보다 26.
% 까지 증가하다가 이후에는 감소하는 경향을 나타내었다. 인장응력-변형 특성의 경우, GNP Epoxy 도료는 GNP의 혼입율이 증가할수록 취성적인 파괴 거동을 보였고 GO Epoxy 도료의 경우는 GO의 혼입률이 증가함에 따라 경향은 보이지 않았으나 GNP Epoxy 도료보다 연성적인 파괴 거동을 나타내었다.
또한 GNP의 혼입률이 증가할수록 응집되는 GNP의 양이 증가함에 따라 파단면이 거칠어지는 것을 확인하였다. 한편, GO Epoxy는 에폭시 매트릭스와 GO가 결합하여 파단면이 거칠어졌으나, GNP Epoxy에 비해 파단면이 비교적 덜 거친 것을 확인하였으며, 이는 산화시킨 GO 표면에 존재하는 기능기로 인해 GO Epoxy 도료 내에서 분산이 용이해진 결과로 판단된다.

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