KR101181791B1 - 탄소, 실란화 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재 - Google Patents

탄소, 실란화 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 실란화하여 제조하며 물리적 특성이 우수한 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재에 관한 것이다.
본 발명에 따라 실란화 탄소나노튜브를 사용하여 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조하면, 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성이 우수한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있다.

Description

탄소, 실란화 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재{Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite}
본 발명은 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시로 이루어진 복합소재에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 탄소나노튜브를 실란화하여 제조하며 물리적 특성이 우수한 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)는 우수한 기계적, 열적 및 전기적 특성을 갖고 있으며, 폴리머 메트릭스의 보강재로 널리 사용되고 있다. 탄소/CNT/폴리머 소재가 탄소/폴리머 소재보다 물질 특성이 좋기 때문에, 최근 들어 CNT로 보강된 탄소/폴리머 하이브리드 소재가 주목받고 있고, 이러한 이유로 최근에서야 몇몇 탄소/CNT/폴리머 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.
지금까지 조사된 연구 결과를 살펴보면, Abot 등의 연구자들은 CNT와 탄소 직물이 적층된 소재(NRLC)를 제조하였고, 이 소재가 탄소 섬유 적층 소재(LC)보다 전단강도(shear strength)가 높다는 것을 확인하였으며, Yokozeki 등의 연구자들은 cup-stacked 탄소나노튜브(CSCNT)가 보강된 탄소/에폭시 적층재의 물질 특성을 연구한 결과, 강성도(stiffness), 강도(strength) 및 제I형, 제II형 적층 파괴 인성(interlaminar fracture toughness)이 CSCNT가 포함되지 않은 기존 탄소/에폭시 소재에 비해 개선된 것을 확인하였다. 또한, Cho 등의 연구자들은 탄소 섬유/에폭시 소재에 흑연 나노분자를 분산시켰을 때 탄소/에폭시 소재의 압축력(compressive strength)과 평면내 전단강도(in-plane shear property)가 증가한다는 것을 확인하였다.
CNT 보강 소재의 제조에서 가장 큰 문제는 CNT의 응집현상과 CNT와 메트릭스 사이의 계면 결합이 약하다는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 CNT를 균일하게 분산시키기 위한 방법과 폴리머 메트릭스에서 계면결합을 강화하기 위한 효과적인 방법을 연구해왔다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하여 물리적 특성이 높은 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재를 제조하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 탄소나노튜브를 실란화하여 3상의 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재를 제조할 경우, 기존에 비해 기계적, 열적 및 전기적 특성이 향상된 복합소재를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 물리적 특성이 향상된 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 실란화한 탄소나노튜브가 포함된 에폭시 수지가 탄소 섬유에 분산 및 경화되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재를 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 실란화한 탄소나노튜브가 혼합된 에폭시 수지를 탄소 섬유에 함침하고 경화하는 것을 특징으로 하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 a) 탄소나노튜브를 산화하여 산화 탄소나노튜브를 제조하는 단계; b) 상기 산화 탄소나노튜브를 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 및 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군 중에서 선택된 실란화 유도체로 실란화하여 실란화 탄소나노튜브를 제조하는 단계; c) 에폭시 수지, 경화제 및 상기 실란화 탄소나노튜브를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; d) 탄소 섬유에 상기 혼합물을 함침하고 경화하는 단계를 포함하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 a)단계를 수행하기 위해 탄소나노튜브를 40 내지 60℃의 산 용액에 분산시키고 10 내지 30시간 동안 환류시킨 다음, 산 용액이 pH 6 내지 7이 될 때까지 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 b)단계를 수행하기 위해 90 내지 99%(v/v)의 에탄올 및 1 내지 3%(v/v)의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 포함하는 용액에 상기 산화 탄소나노튜브를 분산시키고 60 내지 80℃에서 3 내지 5시간 동안 교반한 다음, 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 c)단계를 수행하기 위해 에폭시 수지와 경화제를 1:1 내지 3:1의 비율(v/v)로 혼합하고, 상기 실란화 탄소나노튜브를 1%(w/v) 첨가하여 혼합하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 d)단계를 수행하기 위해 탄소 섬유 및 상기 혼합물을 적층하고 2 내지 4kgf/㎠의 압력으로 120 내지 140℃에서 1 내지 3시간 동안 경화하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 탄소, 탄소나노튜브(이하, CNT라고 한다) 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명은 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재에서 CNT를 실란화하여 복합소재의 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성을 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합소재 제조를 위한 일실시예의 과정으로는 크게 산화 CNT 제조 단계, 실란화 CNT 제조 단계, 실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물 제조 단계, 탄소 섬유 함침 및 경화 단계가 있다.
산화 CNT 제조 단계는 CNT를 산화하여 이후 실란화 단계에서 CNT에 실란기가 형성될 수 있도록 하기 위한 전처리 단계라고 할 수 있다. 이 단계에서는 CNT를 산 용액에 분산시켜 산화반응이 일어나도록 하고, 충분히 산화되었을 때 CNT를 세척 및 중화시키는 과정을 거친다. 이 때 산 용액은 질산과 황산의 혼합용액을 사용하는 것이 바람직하며, 질산과 황산의 비율은 2:3인 것이 더욱 바람직하고, 여과를 통해 CNT와 산 용액을 분리한 다음, CNT에 잔류하는 산 용액을 물로 충분히 세척하고 아세톤을 이용하여 중화시킬 필요가 있다. 또한, 건조를 통해 CNT에 잔존하는 물기를 충분히 제거할 필요가 있다. 이러한 과정을 거치는 것이 이후 실란화 단계에서 불필요한 반응을 줄이기 위해 바람직하다.
실란화 CNT 제조 단계는 산화된 CNT를 실란 유도체로 실란화하는 단계이다. 실란 유도체로는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 및 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)을 사용할 수 있고, 이중에서도 3-아미노프로필트리에톡시실란을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 산화 단계와 같이 실란화 반응을 유도한 다음, 여과하여 CNT와 실란 유도체 용액을 분리하고, 물과 아세톤으로 충분히 세척 및 중화하는 과정이 필요하며, 이후 건조 과정을 거쳐 CNT에 잔존하는 물기를 제거할 필요가 있다. 실란 유도체 용액을 제조할 때에는 순도가 높은 에탄올을 사용하는 것이 좋다.
실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물 제조 단계는 에폭시 수지와 경화제를 혼합하고, 상기 실란화 CNT를 첨가하여 혼합하는 단계로, 실란화 CNT를 약 1%(v/v) 정도의 농도가 되도록 하는 것이 바람직하며, 에폭시 수지 내에 실란화 CNT가 골고루 분포할 수 있도록 충분히 교반하는 것이 바람직하다.
마지막으로 탄소 섬유 함침 및 경화 단계는 실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물에 탄소 섬유를 함침하여 탄소 섬유 내에 혼합물이 잘 침투되도록 하고 에폭시가 경화되도록 하여 탄소 섬유에 실란화 CNT 및 에폭시가 잘 분포되어 결합될 수 있도록 하는 단계이다. 이때에는 진공을 걸어 CNT와 에폭시 수지가 탄소 섬유의 내부까지 골고루 분포하도록 하는 것이 바람직하며, 압력을 가하여 가열하면 에폭시 수지가 경화되어 본 발명의 탄소/실란화 CNT/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있게 된다.
본 발명자들은 상기와 같은 방법으로 복합소재를 제조한 다음, 제조된 복합소재의 물리적인 특성 및 전기적인 특성을 조사하였다. 이때에는 본 발명의 실란화 복합소재와 함께 별도의 표면처리를 수행하지 않은 CNT를 사용하여 제조한 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재 및 산화한 CNT를 사용하여 제조한 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재를 대상으로 하였다.
먼저, 표면처리(미처리, 산화처리, 실란화처리)한 CNT를 퓨리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼으로 분석하였다(도 2 참조).
미처리한 CNT(도 2의 a 참조)는 3440㎝-1과 1048㎝-1에서 피크가 확인되었다. 이는 CNT의 표면이 세척 과정 중에 산화되거나 공기 중의 수분의 존재로 인해 형성되었을 것으로 생각되는 히드록실기(-OH)의 피크이다. 산화처리한 CNT(도 2의 b 참조)의 경우, 1716㎝-1에서 C=O, 1162㎝-1에서 C-O 피크가 확인되어 카르복실 그룹(-COOH)이 존재한다는 것을 확인하였다. 3440㎝-1의 피크는 표면의 OH 그룹을 나타내고, 1384㎝-1의 피크는 -COOH의 굴절된 OH에 따른 것이다. 이러한 결과는 CNT가 산화되었고, -OH 및 -COOH 그룹이 형성되었다는 것을 의미한다. 실란화된 CNT의 스펙트럼(도 2의 c 참조)에서 1070cm-1의 특징적인 흡수 피크는 Si-O의 진동에 의해 나타난 것이고, 803cm-1의 피크는 Si-OH로부터 나타난 것으로, 산화된 CNT와 3-아미노프로필트리에톡시실란이 반응한 것을 증명한다.
다음으로, 각 복합소재의 인장강도 특성을 비교하였다.
응력-변형도 곡선(stress-strain curve)으로부터 탄성률과 인장강도를 결정하였다. 도 3은 미처리, 산화처리 및 실란처리된 CNT를 사용한 탄소/CNT/에폭시 소재의 특정 인장강도 응력-변형도 곡선을 나타내며, 도 3에 나타난 바와 같이, 인장 응력은 초기 단계에 변형도에 따라 선형으로 증가하였고, 모든 소재에서 비선형적인 특징이 발견되었다. 모든 소재가 CNT의 표면 변화에 관계없이 취성 인장 특성을 나타내었지만, 파면 변형은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 순서대로 감소하였다. 또한, 각 소재의 탄성률을 응력-변형도 곡선의 선형 부분에서 경사도를 측정하여 결정하였다. 도 4는 세 가지 소재의 탄성률을 나타내며, 도 4에 나타난 바와 같이, 실란화처리 복합소재의 탄성률이 미처리 및 산화처리 CNT 소재보다 각각 34% 및 18% 더 높은 것으로 나타나, CNT의 실란화가 탄소/CNT/에폭시 소재의 탄성률을 향상시키는 것으로 나타났다. 각 소재의 인장강도를 응력 변형력 곡선의 최대 응력으로 결정하였다. 도 5는 세 가지 소재들의 인장강도를 나타낸다. 실란화처리 복합소재의 인장강도가 미처리 및 산화처리 복합소재 보다 각각 8.4%, 15.8% 더 높은 것으로 나타나, CNT의 실란화로 인해 인장강도가 향상된 것으로 나타났다.
다음으로, 각 복합소재의 파면(fracture surface) 형태를 관찰하였다.
파손 메커니즘을 조사하기 위해, 소재의 파면(fracture surface)을 SEM으로 관찰하였고, 이 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 a는 미처리 복합소재의 파면을 나타낸 것이고, 도 6의 b는 도 5 a의 박스 부분을 확대한 것이다. 도 6의 a와 도 6의 b에 나타나 있듯이, 대부분의 탄소 섬유는 에폭시 메트릭스로부터 분리되어 있고, CNT는 부분적으로 응집되어 있는 상태로 에폭시에 골고루 분산되어 있지 못한 것으로 나타났다. 산화처리 복합소재의 경우, 도 6의 c와 d에 나타나 있듯이, 파면이 상대적으로 깔끔하며, 미처리 복합소재에 비해 메트릭스로부터 분리된 섬유가 감소한 것으로 나타났다. 또한 CNT의 경우, 확대 이미지(화살표 부분)에서 부분적으로 메트릭스로부터 풀아웃 된(떼어진) CNT가 관찰되기는 하지만, 대체로 에폭시에 잘 분산되어 있는 것으로 나타났다. 실란화처리 복합소재의 경우(도 6의 e와 f), 탄소 섬유는 에폭시 메트릭스와 잘 결합되어 있었고, CNT 또한 에폭시에 잘 분산되어 있었으며, 산화처리 복합소재에 비해 메트릭스로부터 풀아웃 된 CNT도 감소한 것으로 나타났다. 도 7의 a, b, c는 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 파면에서 탄소 섬유의 확대 이미지를 나타낸 것이다. 미처리 복합소재의 경우, 도 7의 a에 나타난 바와 같이, CNT와 에폭시 수지 사이의 계면 결합이 부족하고 뭉치는 현상으로 인해, 섬유 표면 상 전이율이 낮아 대부분의 탄소 섬유가 CNT 및 에폭시 수지에 결합되지 않은 깨끗한 단면을 나타냈다. 반면, 산화처리 복합소재(도 7의 b)와 실란화처리 복합소재(도 7의 c)의 경우 탄소 섬유에서 상대적으로 많은 양의 CNT가 함침된 에폭시 수지가 관찰되었다. 이렇게 탄소 섬유에서 CNT/에폭시가 많이 존재하는 부분이 발견된 것은, CNT와 에폭시 수지의 계면 결합 및 분산성이 향상되어 탄소 섬유와 균등하게 분포되었기 때문일 것이다. CNT의 실란화는 CNT와 에폭시 수지의 분산성 및 계면 결합력을 증가시켰을 뿐만 아니라, 탄소 섬유의 균등한 하중전달력을 부여하였다. 이러한 현상은 결과적으로 실란화처리 복합소재가 미처리 복합소재 보다 높은 인장력을 갖게 한다.
다음으로, 각 소재의 열적 특성을 조사하였다.
도 8의 a 및 b는 미처리, 산화처리, 실란화처리한 복합소재의 온도 대비 저장탄성률(storage modulus)과 손실률(tan δ)의 DMA도를 나타낸 것이다. 도 8의 a에서 저장탄성률은 점차 증가하는 초기 두 기울기의 교차점으로 결정하였고, 저장탄성률의 내림세는 폴리머 사슬의 협력 운동에 의한 에너지 소실에 따른 것이다. 도 8의 a에 나타난 바와 같이, 저장탄성률은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재 순으로 점차 증가하였다. 특히, 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 저장탄성률은 유리전이영역(glass transition region)의 범위에서 각각 4770, 6654, 7049 MPa이고, 반면, 고무평탄영역(rubbery plateau region)에서는 별다른 차이가 없었다. 도 8의 b에서, 미처리 복합소재를 제외하고는 손실률(tan δ)의 피크 높이는 별다른 변화가 없었지만, 손실률(tan δ) 피크의 위치에 따라 결정되는 유리전이온도(T g)는 이전 실험에서 조사된 바와 같이, 표면 처리에 따라 점차 증가하였다. 추가로, 유리질에서 고무탄성 단계로 되어 그 성질이 변하는 샘플과 같이 폴리머를 기초로 하는 소재들의 유리전이온도는 전이점과 일치한다. 본 조사에서, 이러한 유리전이온도의 차이는 에폭시의 교차결합 반응 정도에 따른 결과이며, 실란 분자가 CNT와 함께 미처리, 산화처리 샘플보다 더 많은 공유결합을 형성하여 높은 교차결합 네트웍을 형성하기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 실란화에 따라 강력한 계면 결합 및 분산력이 CNT 주위의 에폭시 분자의 운동성을 감소시키고, 이 결과로 온도 안정성이 증가한 것으로 생각된다.
다음으로, 각 소재의 전기적 특성을 조사하였다.
탄소/CNT/에폭시 소재의 체적 저항률(volume resistivity)은 에폭시 내의 CNT와 탄소 섬유 사이에서 CNT의 변화에 따른 전기적 시너지 효과를 확인하기 위하여 실시하였다. 도 9는 미처리, 산화처리, 실란화처리한 탄소/CNT/에폭시 소재의 체적 저항률을 나타낸다. 도 9에 나타난 바와 같이, 체적 저항률은 CNT의 변화에 따라 영향을 받았다. 체적 저항률은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 순서대로 점차 감소하였으며, 특히, 미처리, 산화처리, 실란화처리한 복합소재의 체적 저항률 수치는 각각 2.8, 1.5, 0.6 Ω/㎝로 나타났다. 실란화처리 복합소재의 낮은 체적 저항률은 아마도 탄소 섬유 사이 CNT의 균일한 분산성에 따른 연속적인 네트웍 구조가 형성된 결과일 것으로 생각된다(도 9의 박스 부분 참조). 이의 결과로, 실란화처리 복합소재는 미처리 또는 산화처리 복합소재 보다 전도성이 좋은 네티웍 구조를 갖는다. CNT의 변화에 따른 이러한 투과 경계 성질은 이전 CNT 보강 소재에 대한 연구 결과와 일치한다.
상기와 같은 조사결과를 종합하면, 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재에서 CNT의 표면 처리에 따른 인장, 온도, 전기적 특성 측면에서의 효과가 확인되었고, CNT의 실란화가 탄소/CNT/에폭시 소재의 인장 특성(탄성률 및 인장 강도)을 산화처리 복합소재 및 미처리 복합소재 보다 향상시켰다. 표면 처리는 또한 탄소/CNT/에폭시 복합소재의 열적 특성과 전기 전도율을 향상시켰다. 실란화처리 복합소재의 인장 특성, 열적 특성(저장탄성률과 손실률) 및 전기 전도율은 미처리 복합소재, 산화처리 복합소재 다음으로 우수한 것으로 나타났으며, 이는 결과적으로, 실란화처리 소재의 향상된 인장, 열적 및 전기적 특성은 탄소/에폭시 소재에서 실란화 CNT와 에폭시 사이의 분산성 및 계면 결합력이 증가했기 때문이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성이 우수한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 탄소/탄소나노튜브/에폭시 멀티스케일 복합소재의 제조과정에서 바람직한 일실시예를 도식화한 것이다.
도 2는 미처리(a), 산화처리(b), 실란화처리(c) 탄소나노튜브의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 인장력 시험 결과 응력-변형도 곡선(stress-strain curve)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 탄성률(elastic modulus)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 인장강도(tensile strength)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 미처리(a), 산화처리(c), 실란화처리(e) 소재 파면(fracture surface)의 FESEM 이미지와 확대한 이미지(미처리(b), 산화처리(d), 실란화처리(f))를 나타낸 사진이다.
도 7은 미처리(a), 산화처리(b), 실란화처리(c) 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재의 탄소 섬유 파면의 FESEM 확대 이미지를 나타낸 사진이다.
도 8은 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 저장률(a)(storage modulus) 및 손실률(b)(tan δ)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 체적 저항률(volume resistivity)을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예 1. 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 제조
1-1. 산화 탄소나노튜브 제조
화학적 촉매 증기 석출(CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea) 방법으로 합성한 다중벽구조의 탄소나노튜브(MWCNTs, Multi-walled carbon nanotubes) 3.0g을 50℃의 300㎖ 산 용액에 분산시키고 20시간 동안 환류시킨 다음, pH 6 ~ 7이 될 때까지 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical)으로 용액을 여과하였다. 이후 80℃에서 12시간 동안 진공 건조하여 산화된 탄소나노튜브를 제조하였다.
상기 산 용액으로는 질산(60 ~ 62%, Junsei, Japan), 황산(95%, Junsei Chemical)을 2:3으로 혼합한 용액을 사용하였다.
1-2. 실란화 탄소나노튜브 제조
300㎖의 에탄올(99.5%, Aldrich)-증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea) 용액(95:5 v/v)에 2%(v/v)가 되도록 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane)(순도 99%, Aldrich, USA)을 첨가하여 실란화 용액을 제조하였고, 여기에 상기 1-2의 산화 탄소나노튜브 1.8g을 분산시킨 다음, 70℃에서 4시간동안 교반하였다. 이후 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical)으로 여과하고, 80℃에서 12시간 동안 건조하여 실란화된 탄소나노튜브를 제조하였다.
1-3. 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 제조
비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(diglycidyl ether of bisphenol A)(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(polyamidoamine)(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 상기 1-2의 실란화 탄소나노튜브를 첨가하였다.
직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 실란화 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 핸드레이업 공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).
이러한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 도 1에 나타내었다.
비교예 1. 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재 제조
비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 화학적 촉매 증기 석출 방법(CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea)으로 합성한 다중벽구조의 탄소나노튜브를 첨가하였다.
직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 수적층공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).
비교예 2. 탄소/산화 탄소나노튜브/에폭시 복합소재 제조
비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 상기 실시예 1-1의 산화 탄소나노튜브를 첨가하였다.
직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 산화 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 핸드레이업 공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).
실험예 1. 퓨리에 변환 적외선 스텍트럼 분석
탄소나노튜브의 표면 기능기를 관찰하기 위해 미처리, 산화처리, 실란화처리된 탄소나노튜브의 퓨리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼을 분석하여 도 2에 나타내었다.
각 탄소나노튜브는 KBr 펠렛으로 제조하여 JASCO FTIR 스펙트로미터로 4㎝-1의 해상도에서 분석 및 기록하였다.
실험예 2. 인장력 시험
인장강도 시험은 1㎜/min의 크로스헤드 비율로 ASTM D638에 따라 일반적인 시험 장치(Model: 8871, Instron,USA)를 이용하여 실시하였고, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 복합소재를 대상으로 하였다. 이의 결과를 도 3 내지 도 5에 나타내었다.
시험 결과의 신뢰도를 위해 각 경우 당 적어도 다섯 개의 표본을 시험하였다.
실험예 3. 장방출 주사전사현미경 검사
인장강도 시험 이후, 각 복합소재의 단 표면을 장방출 주사전자현미경(FESEM)(LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, Germany)으로 분석하였고, 이의 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
실험예 4. 열적 특성 시험
3상 복합소재에 대한 열적 특성을 위하여 싱글 켄틸레버 형식의 동적 기계 분석 장치(DMA, Q-800, TA Instrument, USA)를 사용하여 실시하였고, 이의 결과를 도 8에 나타내었다.
20㎛의 진폭 및 1Hz의 빈도수를 처리 조건으로 하였다.
온도 범위는 25 ~ 250℃로 하였고, 공기 중에서 10℃/min으로 가열하였다.
실험예 5. 전기적 특성 시험
3상 복합소재에 대한 전기적 특성은 임피던스 미터(MCP-T610, Mitsubishi, Japan)를 사용하여 분석하였고, 이의 결과를 도 9에 나타내었다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. a) 탄소나노튜브를 40 내지 60℃의 산 용액에 분산시키고 10 내지 30시간 동안 환류시킨 다음, 산 용액이 pH 6 내지 7이 될 때까지 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하여 산화 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
    b) 90 내지 99%(v/v)의 에탄올 및 1 내지 3%(v/v)의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 포함하는 용액에 상기 산화 탄소나노튜브를 분산시키고 60 내지 80℃에서 3 내지 5시간 동안 교반한 다음, 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하여 실란화 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
    c) 에폭시 수지와 경화제를 1:1 내지 3:1의 비율(v/v)로 혼합하고, 상기 실란화 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
    d) 탄소 섬유 및 상기 혼합물을 적층하고 2 내지 4kgf/㎠의 압력으로 120 내지 140℃에서 1 내지 3시간 동안 경화하는 단계;를 포함하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법.
  4. 삭제
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