KR100665130B1 - 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 나노복합재료 - Google Patents

기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 나노복합재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시 매트릭스 수지 100 중량부에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유 0.1 ∼ 5.0 중량부를 물리적으로 혼합하여 분산시킨 후, 상기 분산된 혼합물에 경화제를 첨가하고 경화시켜 얻을 수 있는 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 상기 나노복합재료에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 용매를 사용하지 않으면서도 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합함으로써, 매트릭스 수지 내에 기상성장 탄소나노섬유의 분산 정도가 용매를 사용한 경우보다 우수하여, 고분자 내에서 완전한 혼합을 구현할 수 있으므로, 상온에서의 기계적 강도 및 마찰ㆍ마모 특성이 우수하고 고온에서도 열적 특성이 우수한 나노복합재료를 제조할 수 있다. 또한, 종래 에폭시 수지의 물성 향상을 위하여 사용되는 탄소나노튜브에 비하여 경제적이면서 소량 사용하여 제조됨으로써, 나노복합재료의 제작비 절감에 효과적이다.
기상성상 탄소나노섬유, 에폭시, 나노복합재료, 마찰특성, 마모특성

Description

기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 나노복합재료{METHOD FOR MANUFACTURING EPOXY NANOCOMPOSITE MATERIAL CONTAINING VAPOR-GROWN CARBON NANOFIBERS AND ITS PRODUCTS THEREBY}
도 1은 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 열팽창계수를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 기계적 특성인 충격강도를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 기계적 특성인 층간파괴인성을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 마찰력을 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 마찰계수를 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 나노복합재료의 마모손실을 나타낸 것이다.
본 발명은 기상성장 탄소나노섬유(vapor-grown carbon nanofibers)가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법 및 그로 제조된 나노복합재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 용매를 사용하지 않고 물리적으로 혼합하고 최적의 경화조건으로 실시함으로써, 상온에서의 기계적 강도 및 마찰ㆍ마모 특성이 우수하고 고온에서도 열적 특성이 우수한 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료에 관한 것이다.
현대 산업사회의 발전에 따라 다양한 분야에서 기존의 재료보다 뛰어난 특성을 갖는 신소재의 개발이 요구되어 왔으며 최근 나노기술의 발전에 따라 나노복합재료에 대한 많은 연구가 대표적이다. 나노복합재료로서, 열경화성 고분자 중의 하나인 에폭시 수지는 전기적 성질, 접착력, 인장강도, 탄성률, 내열성 및 내약품성 등이 우수하기 때문에 고성능 구조재료, 코팅재, 하우징 코팅재, PCB 플레이트, 인공관절, 의ㆍ공학용 미세부품, 우주ㆍ항공부품, 반도체의 봉지재, 전지 절연재, 접착제, 복합재료의 매트릭스, 코팅 컴파운드 등의 용도로 폭넓게 사용되고 있다.
그러나, 이러한 에폭시 수지는 낮은 기계적 성질, 높은 열팽창계수 및 고밀도의 가교도 때문에 가벼운 충격에도 쉽게 파단되는 단점이 있어, 에폭시 수지의 열적 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 강화제를 첨가한 블랜드에 관한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그의 일례로서 국제특허 제2005-28174호 및 미국특허 제2003-3270호에서는 열경화성 수지인 에폭시 수지의 열적 특성 및 기계적 특성 등의 물성 향상을 위하여 다양한 종류의 강화제 또는 관능기를 도입한 강화제를 혼합하여 복합재료를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
일반적으로 나노복합재료의 제조를 위한 강화제는 층상 실리카 및 점토와 같은 나노 크기의 층상 물질들은 보통 매우 높은 종횡비를 가지며, 일단 고분자 매트릭스 안에서 균일하게 분산이 되면, 고분자의 기계적 특성, 열적 특성, 기체 투과성 및 난연성 등의 다양한 물성들이 매우 크게 향상될 수 있다고 알려져 있다. 반면에, 이러한 층상 무기 화합물로서 충전된 나노복합재료들은 전기전도성, 광학적 및 유전 특성과 같은 물성이 결여되어 나노복합재료의 충전재로서 카본블랙 및 금속분말을 이용한 나노복합재료에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나, 상기 카본블랙 또는 금속 분말은 고분자 매트릭스와 혼합되어 충분한 전도성을 나타내기 위해서는 많은 함량이 필요하고, 이는 제조된 고분자 복합재료의 기계적 물성의 저하를 야기하는 또 다른 문제점으로 지적되고 있다. 따라서, 기계적 물성을 향상시키기 위하여, 카본나노튜브/에폭시 복합재료 제조 시, 카본나노튜브의 함량을 달리하여 에탄올에 녹여 분산한 후 초음파를 가지고 탄소나노튜브 및 에탄올을 고분자 에폭시 수지 내에 잘 분산시킨 후 몰드에 넣어 경화시켜 강인성이 향상된 탄소나노튜브 강화 열경화성 매트릭스 수지 나노복합재료 조성물을 제조한 기술이 공지된 바 있다[Y. S. Song and J. R. You., Carbon, 2005, 43, 1378].
또한 최근에는 탄소섬유 중 하나인 기상성장 탄소나노섬유가 제안되고 있는데, 상기 기상성장 탄소나노섬유는 높은 종횡비를 가지며 그 구조는 섬유를 축으로 흑연 방면이 나이테 모양으로 배열한 구조를 가져 화학적으로 매우 안정하다. 특히, 기상성장 탄소나노섬유는 강화제 역할도 하지만 흑연 성분이 있어 열전도성이 우수하며 마찰ㆍ마모 분야에도 응용이 가능한 특성을 갖추고 있으므로 고분자의 강화제로 사용될 때 비강도, 비강성, 열팽창, 미로, 내식성 등에 있어 금속을 비롯한 다른 재료들에 비해 월등한 성질을 가질 것으로 기대된다.
이에, 본 발명자들은 에폭시 수지를 이용한 향상된 물성의 나노복합재료를 제공하기 위한 노력의 일환으로서 종래의 문제점을 해소하기 위하여, 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합함으로써, 매트릭스 수지 내에 기상성장 탄소나노섬유의 분산 정도가 용매를 사용한 경우보다 우수하여, 고분자 내에서 완전한 혼합을 구현하고, 최적의 경화조건으로 실시함으로써, 우수한 충격강도, 낮은 열팽창계수 및 마모 손실 특성을 갖는 에폭시 나노복합재료를 제공함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명은 에폭시 매트릭스 수지 100 중량부에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유 0.1∼5.0 중량부를 물리적으로 혼합하여 분산시킨 후, 상기 분산된 혼합물에 경화제를 첨가하고 70∼200℃ 온도에서 5 ℃/min로 승온하여 150∼210 분 동안 경화시키는 것으로 이루어진 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법을 제공한다.
상기 기상성장 탄소나노섬유의 평균 직경의 크기는 80∼220 nm이고, 길이는 5∼25 ㎛이며, 인장강도는 0.1∼3.5 GPa이다.
상기에서 경화제는 상기 혼합물에 대하여 1:1 당량비로 첨가하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 상기 경화가 승온속도 5 ℃/min로 하여 70∼100℃에서 20∼30 분 동안 1단계 경화, 140∼160℃에서 90∼120 분 동안 2단계 경화, 180∼200℃에서 40∼60 분 동안 3단계 경화로 수행된다.
또한, 본 발명은 상기 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법에 의하여 제조된 나노복합재료를 제공한다.
본 발명의 나노복합재료는 유리전이온도 110∼160 ℃를 나타내고, 상기 나노복합재의 열팽창계수가 유리전이온도 이전 60∼80㎛/m℃이고, 유리전이온도 이후 180∼215㎛/m℃이다.
또한 상기 나노복합재의 충격강도는 50∼130 kgfㆍcm/cm이고, 층간파괴인성이 2∼10MPaㆍm1/2이다.
본 발명의 나노복합재료의 상온 및 무윤활 상태에서 마찰력이 0.3∼1.1 N이고, 마찰계수가 0.05∼0.30 μ이며, 마모 손실이 0.1∼0.3 mm이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 에폭시 매트릭스 수지 100 중량부에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유 0.1∼5.0 중량부를 물리적으로 혼합하여 분산시킨 후, 상기 분산된 혼합물에 경화제를 첨가하고 70∼200℃ 온도에서 5 ℃/min로 승온하여 150∼210 분 동안 경화시키는 것으로 이루어진 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 특징은 용매를 사용하지 않으면서도 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합함으로써, 매트릭스 수지 내에 기상성장 탄소나노섬유의 분산 정도가 용매를 사용한 경우보다 우수하여, 고분자 내에서 완전한 혼합을 구현할 수 있으므로, 상온에서의 기계적 강도 및 마찰ㆍ마모 특성이 우수하며 고온에서도 열적 특성이 우수한 나노복합재료를 제조하는 것이다.
상기 에폭시 수지는 전기적 성질, 접착력, 인장강도, 탄성률, 기계적 강도, 내열성 및 내약품성이 우수하기 때문에 고온에서도 열적 특성이 우수하여 열에 의한 물리 적 특성의 손실이 적다. 본 발명에서 에폭시 수지에 대해서 설명하고 있으나, 이외의 열경화성 수지에도 적용할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 에폭시 수지 및 강화제 간의 분산성을 높이기 위하여, 높은 가교구조 및 내열성을 가지는 에폭시 매트릭스 수지를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 에폭시 매트릭스 수지의 점도는 11500∼13500 cps가 바람직하다.
상기 에폭시 수지의 물성 향상을 위하여 사용되는 강화제로서 본 발명은 기상성장 탄소나노섬유를 사용한다. 특히, 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유의 평균 직경의 크기는 80∼220 nm이고, 길이는 5∼25 ㎛이며, 인장강도는 0.1∼3.5 GPa인 것을 사용한다. 상기 기상성장 탄소나노섬유 이외에 니켈분말, 금 분말, 구리분말, 금속합금분말, 탄소분말, 흑연분말, 카본블랙, 탄소섬유 등을 사용할 수 있다.
이때, 에폭시 매트릭스 수지 100 중량부에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유를 0.1∼5.0 중량부 혼합한다. 상기에서, 기상성장 탄소나노섬유의 함량을 0.1 중량부 미만으로 사용하면, 에폭시 수지의 물성 향상에 미흡하고, 반면에, 5.0 중량부를 초과하여 사용하면, 에폭시 매트릭스 수지 내 기상성장 탄소나노섬유가 충분히 분산되기 어려워져 비경제적이고, 기계적 물성 및 마모손실이 커질 수 있다.
또한, 본 발명의 나노복합재료의 제조방법은 에폭시 매트릭스 수지에 상기 강화제를 혼합할 때, 고른 분산을 위하여 교반과 함께 강화제를 80℃ 정도로 가열하며 혼 합할 수 있다. 이때, 에폭시 매트릭스 수지의 점도가 높으면, 강화제와의 완전한 혼합 및 고른 분산이 어렵고 결국 나노복합재료의 기계적 특성에 커다란 영향을 미치게 된다.
본 발명의 나노복합재료의 제조방법 중, 에폭시 매트릭스 수지에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합한 후, 경화제를 첨가하고 바람직하게는 승온속도 5 ℃/min로 하여 70∼100℃에서 20∼30 분 동안 1단계 경화, 140∼160℃에서 90∼120 분 동안 2단계 경화, 180∼200℃에서 40∼60 분 동안 3단계 경화로 나노복합재료를 제조한다. 상기 조건의 3단계 경화 사이클, 즉, 초기에 에폭시와 혼합한 혼합물로 이루어진 경화반응이 일어나지 않은 반응물의 유리전이온도(40℃) 및 에폭시가 완전 경화된 혼합물 시스템에서 보이는 최대한의 유리전이온도(180℃)근처 영역을 기준으로 경화 조건을 설정하여 수행함으로써, 다른 영역에 비해서 가공적 측면 및 경제적인 측면에서 유리하다.
상기 경화제는 통상의 방향족아민 경화제가 바람직하며, 그의 일례로는 양쪽 말단기에 에폭시기를 가지는 대표적 범용 에폭시수지인 DGEBA (diglycidylether of bisphenolA)와 방향족아민 경화제로서 디아미노디페닐 메탄(DDM, diaminodiphenyl methane), 디아미노디페닐 설폰(DDS, diaminodiphenyl sulphone) 각각을 1:1의 당량비로 혼합하여 경화한다. 더욱 바람직하게는 디아미노디페닐 메탄(DDM)을 사용한다.
또한, 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합하여 분산시킨 후, 상기 분산된 혼합물에 경화제를 첨가할 때, 용융혼합 이상의 온도에서는 빠른 경화가 일어나 기상성장 탄소나노섬유의 강화제가 완전히 용해되기 어렵고, 빠른 시간 내에 용융 혼합물을 몰드 내에 넣어야 하기 때문에 나노복합재료의 제조가 어렵다.
본 발명은 상기 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법에 의하여 제조된 나노복합재료를 제공한다.
본 발명의 나노복합재료는 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 커질수록 유리전이온도가 증가하여 유리전이온도 110∼160℃를 나타내며, 상기 나노복합재의 열팽창계수가 유리전이온도 이전 60∼80㎛/m℃이고, 유리전이온도 이후 180∼215㎛/m℃로서, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 커질수록 열팽창계수가 낮아지는 결과를 확인하였다(도 1).
또한 상기 기상성장 탄소나노섬유의 함유량이 증가할수록 충격강도 및 층간파괴인성이 증가하였으며, 상기 나노복합재의 충격강도는 50∼130 kgfㆍcm/cm이고, 층간파괴인성이 2∼10MPaㆍm1/2이다(도 2 및 도 3).
본 발명의 나노복합재료는 기상성장 탄소나노섬유가 함유되면서부터 마찰력, 마찰계수 및 마모손실이 현저하게 낮아졌으며, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 증가할수록 감소하여, 상온 및 무윤활 상태에서 마찰력이 0.3∼1.1 N이고, 마찰계수가 0.05∼0.30 μ이며, 마모 손실이 0.1∼0.3 mm를 나타낸다(도 4 내지 도 6).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
직경이 100∼200 nm이고, 길이가 10∼20㎛이고, 인장강도가 1∼3 GPa인 기상성장 탄소나노섬유(Showa Denk)를 70℃ 진공오븐에서 24 시간동안 건조시켜 수분 및 잔류 용매를 제거한 후, 이관능성 에폭시 수지(DGEBA)(국도화학 YD-128, E.E.W = 185∼190 g/mol, 밀도 1.16 g/cm)에 대하여, 무게 비율 100:0.1로 물리적으로 혼합하고, 상기 혼합물에 대하여, 경화제인 디아미노디이페닐 메탄(DDM)을 1:1 당량비로 첨가하여 기계적 혼합기를 이용한 물리적 혼합 및 교반을 한 후 승온속도를 5℃/min로 하여 70℃에서 30 분, 140℃에서 120 분 및 180℃에서 60 분 동안 경화오븐에서 경화시켜 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료를 제조하였다.
<실시예 2>
직경이 100∼200 nm이고, 길이가 10∼20㎛이고, 인장강도가 1∼3 GPa인 기상성장 탄소나노섬유(Showa Denk)를 70℃ 진공오븐에서 24 시간동안 건조시켜 수분 및 잔 류 용매를 제거한 후, 이관능성 에폭시 수지(DGEBA)(국도화학 YD-128, E.E.W = 185∼190 g/mol, 밀도 1.16 g/cm)에 대하여, 무게 비율 100:0.5로 물리적으로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료를 제조하였다.
<실시예 3>
직경이 100∼200 nm이고, 길이가 10∼20㎛이고, 인장강도가 1∼3 GPa인 기상성장 탄소나노섬유(Showa Denk)를 70℃ 진공오븐에서 24 시간동안 건조시켜 수분 및 잔류 용매를 제거한 후, 이관능성 에폭시 수지(DGEBA)(국도화학 YD-128, E.E.W = 185∼190 g/mol, 밀도 1.16 g/cm)에 대하여, 무게 비율 100:1로 물리적으로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료를 제조하였다.
<실시예 4>
직경이 100∼200 nm이고, 길이가 10∼20㎛이고, 인장강도가 1∼3 GPa인 기상성장 탄소나노섬유(Showa Denk)를 70℃ 진공오븐에서 24 시간동안 건조시켜 수분 및 잔류 용매를 제거한 후, 이관능성 에폭시 수지(DGEBA)(국도화학 YD-128, E.E.W = 185∼190 g/mol, 밀도 1.16 g/cm)에 대하여, 무게 비율 100:2로 물리적으로 혼합한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료를 제조하였다.
<비교예 1>
기상성장 탄소나노섬유를 첨가하지 않고, 이관능성 에폭시 수지(DGEBA)(국도화학 YD-128, E.E.W = 185∼190 g/mol, 밀도 1.16 g/cm)에 경화제인 디아미노디이페닐 메탄(DDM)을 1:1 당량비로 첨가하여 경화시켜 순수 에폭시 조성물을 제조하였다.
<실험예 1> 열팽창계수 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 열적성질인 열팽창계수를 측정하였다.
이때, 열팽창계수는 열기계분석기(Thermomechanical Analyzer, TA Instruments사의 모델명 Q400)를 사용하여 질소 분위기 하에서 30∼300℃ 온도 범위에서 승온 속도 10℃/min으로 설정하여, 유리전이온도(Tg) 전후의 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 측정하였다. 그 측정결과를 하기 표 1 및 도 1에 도시하였다.
기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 유리전이온도 측정결과
구 분 유리전이온도(℃)
비교예 1 117.44
실시예 1 117.33
실시예 2 123.57
실시예 3 128.95
실시예 4 154.01
상기 표 1로부터, 상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료는 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따라, 110 ∼ 160℃ 범위의 유리전이온도를 나타낸다. 또한, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 커질수록 유리전이온도가 증가하였다.
또한, 도 1에서 보이는 바와 같이, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 커질수록 열팽창계수가 낮아지는 것을 확인하였으며, 유리전이온도 이전의 열팽창계수가 60∼80㎛/m℃이고, 유리전이온도 이후의 열팽창계수가 180∼215㎛/m℃으로 확인되었다. 상기 결과로부터, 탄소나노섬유가 에폭시 수지와의 상호작용을 통해 고분자 사슬의 유동성을 저하시켜 탄소나노섬유의 함량이 증가할수록 유리전이온도가 증가한 것으로 보이며, 탄소나노섬유가 에폭시 수지에 분산됨에 따라 에폭시 내부구조에 유입된 열을 흡수함으로써 내부응력과 크랙 발생률을 감소시켜 결과적으로 열팽창계수를 감소시킨다는 것을 확인하였다.
<실험예 2> 기계적 특성 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료에 대하여, 기계적 특성인 충격강도 및 층간파괴인성에 대하여 측정하였다. 또한 비교예 1에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유되지 않은 순수 에폭시 조성물에 대하여, 비교 실험하였다.
1. 충격강도 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 충격강도는 낙하 충격 시험기(대경 테크, 모델명: DTI-605)를 사용하여 측정하였다. 이때, 최고 하강 높이는 1 m이었고, 하중은 2 kg으로 고정하였다. 그 결과를 도 2에 도시하였다.
도 2에서 보이는 바와 같이, 기상성장 탄소나노섬유가 함유되지 않은 순수 에폭시 조성물에 대한 비교예 1의 결과보다 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 경우, 더욱 바람직하게는 상기 기상성장 탄소나노섬유의 함유량이 증가할수록 충격강도가 증가하였다. 이때, 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 평균 충격강도는 50∼130kgfㆍcm/cm이였다.
2. 층간파괴인성 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료에 대한, 층간파괴인성(critical stress intensity factor, KIC)은 제작한 나노복합재료의 은 ASTM 399에 준하여 만능시험기(#1125, Lloyd LR 5k, UTM)를 이용한 단일 엣지 노치(single edge notch-three point bending)법을 이용하여 측정하였다. 이때, 시편의 노치 깊이는 두께의 1/2로 고정하고 지름 대 깊이(span-to-depth)의 비율은 4:1로 하고, 속도(cross-head speed)는 1 mm/min으로 조절하여 측정하였다.
도 3은 층간파괴인성 측정 결과로서, 기상성장 탄소나노섬유가 함유되지 않은 순수 에폭시 조성물에 대한 비교예 1의 결과보다 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 경우, 더욱 바람직하게는 상기 기상성장 탄소나노섬유의 함유량이 증가할수록 층간파괴인성이 증가하였다. 이때, 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 평균 층간파괴인성은 2∼10 MPaㆍm1/2이였다.
<실험예 3> 마찰 및 마모 특성 측정
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료에 대하여, 마찰 및 마모 특성을 측정하였다. 또한 비교예 1에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유되지 않은 순수 에폭시 조성물에 대하여, 비교 실험하였다.
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료에 대하여, 대기상태 하에서 볼 앤드 디스크(ball-on-disk) 형태를 가지는 미끄럼 접촉 형태의 시험기(PD-102, R&B)를 이용하여 마찰 및 마모 특성을 측정하였다. 이때, 시편은 지름이 30 mm이고, 두께가 10 mm인 원판형으로 준비하였으며, 상온 및 무윤활 상태에서 마찰 회전판의 속도를 500 rpm으로 설정하여 3 kg의 일정한 무게의 고정식 하중을 볼과 디스크 접촉면에 가한 후 측정하였다.
그 결과, 기상성장 탄소나노섬유의 함량에 따른 마찰력, 마찰계수 및 마모손실에 대하여, 도 4 내지 도 6에 도시하였다.
도 4 내지 도 6의 결과로부터, 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료는 기상성장 탄소나노섬유가 함유되면서부터 마찰력, 마찰계수 및 마모손실이 현저하게 낮아졌으며, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 증가할수록 감소하였다.
보다 구체적으로, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 증가할수록 마찰력이 감소하였으며, 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 평균 마찰력은 상온 및 무윤활 상태에서 0.3∼1.1 N이였다(도 4). 이때, 그의 마찰계수는 0.05∼0.30 μ이였다(도 5).
또한, 실시예 1 내지 4에서 제조된 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 마모손실은 0.3 mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.1∼0.3 mm로서, 기상성장 탄소나노섬유의 함량이 증가할수록 마모손실은 현저히 감소하였다(도 6).
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은
첫째, 에폭시 매트릭스 수지에 기상성장 탄소나노섬유를 물리적으로 혼합하고 고분자 내에서 분산시킨 후, 최적의 경화조건으로 실시하여 제조함으로써, 용매를 사용한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법을 제공하였고,
둘째, 본 발명의 제조방법은 기상성장 탄소나노섬유의 소량 첨가로 기계적 특성 및 마찰 및 마모 특성이 우수한 에폭시 나노복합재료를 제공할 수 있었고,
셋째, 본 발명의 기상성장 탄소나노섬유는 종래 에폭시 수지의 물성 향상을 위하여 사용되는 탄소나노튜브 등에 비하여 경제적이면서 사용량에 있어서도 소량 사용함으로써, 나노복합재료의 제작비 절감에 기여하였다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 기술되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 에폭시 매트릭스 수지 100 중량부에 대하여, 강화제로서 기상성장 탄소나노섬유 0.1∼2.5 중량부를 물리적으로 혼합하여 분산시킨 후, 상기 분산된 혼합물에 경화제를 첨가하고 경화시켜 제조되되, 상기 경화가 승온속도 5℃/min로 하여 70∼100℃에서 20∼30 분 동안 1단계 경화; 140∼160℃에서 90∼120 분 동안 2단계 경화; 및 180∼200℃에서 40∼60 분 동안 3단계 경화;로 이루어진 것을 특징으로 하는 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기상성장 탄소나노섬유의 평균 직경의 크기가 80∼220 nm이고, 길이가 5∼25 ㎛이며, 인장강도가 0.1∼3.5 GPa인 것을 특징으로 하는 상기 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항의 기상성장 탄소나노섬유가 함유된 에폭시 나노복합재료의 제조방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 하는 에폭시 나노복합재료.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 유리전이온도가 110∼160℃인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 열팽창계수가 유리전이온도 이전 60∼80㎛/m℃이고, 유리전이온도 이후 180∼215㎛/m℃인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 충격강도가 50∼130 kgfㆍcm/cm이고, 층간파괴인성이 2∼10MPaㆍm1/2인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 상온 및 무윤활 상태에서 마찰력이 0.3∼1.1 N인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 상온 및 무윤활 상태에서 마찰계수가 0.05∼0.30 μ인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 에폭시 나노복합재료의 상온 및 무윤활 상태에서 마모 손실이 0.1∼0.3 mm인 것을 특징으로 하는 상기 에폭시 나노복합재료.
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