Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite ...
Transcript of Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite ...
Vol. 29, No. 5, 306-314 (2016)DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2016.29.5.306ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online)
Paper
๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋ ธํ๋ธ์ ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ด ์์ ์ฑ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ
์ค ์ค* ยท ์ ๋ณ์ผ* ยท ์์งํธ* ยท ์ด๊ต์ฐ*โ
Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite Reinforced with Multi-Walled Carbon Nanotubes and Micrometer-Sized Silica Particles
Yun Oh*, Byeong Il You*, Ji Ho Ahn*, Gyo Woo Lee*โ
ABSTRACT: In this study, to improve the thermal stabilities of the epoxy composite specimens in addition to theenhanced mechanical properties, those were reinforced with carbon nanotubes and micrometer-sized silica particles.To disperse the filler in matrix relatively simple physical process, specimens were fabricated using shear mixing andsonication. Tensile strength, coefficients of thermal expansion and thermal conductivity of the specimens weremeasured with varied contents of the two fillers. The mechanical and thermal properties were also discussed, and theexperimental results of thermal expansion related to the thermal stability of the specimens were compared with thosefrom several micromechanics models. The hybrid composites specimens incorporating 0.6 wt๏ผ of carbon nanotubesand 50 wt๏ผ of silica particles showed better mechanical properties than the others with increase in tensile strength upto 11๏ผ , with respect to those of the baseline specimens. As the silica contents were increased the thermal expansionwas reduced down to 36%, and the thermal stability was improved with the decreased thermal deformation. Thermalconductivity of the epoxy composite specimens incorporating 50 wt๏ผ of silica particles was enhanced, whichdemonstrate improvement of 72%. The mechanical and thermal properties of the hybrid composites specimensincorporating the two fillers were improved simultaneously.
์ด ๋ก: ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ํฅ์์ํด๊ณผ ๋์์ ์๋์ ๋จ์ ์ผ๋ก ์ง์ ๋ ์ ์๋ ์ด์์ ์ฑ๊ณผ ์น์ ์์ ์ฑ์ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๊ฐ์ ํ๊ณ ์ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋ ธํ๋ธ์ ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ก ๊ฐํํ์๋ค. ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ ๋ณ๋์ ๊ฐ์ง ์์ด ์ ๋จํผํฉ๊ณผ ์ด์ํ๊ธฐ๊ธฐ๋ง์ ์ด์ฉํ๋ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์์ผฐ๋ค. ๋ ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ํธ์ ํน์ฑ์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋, ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์, ์ด์ ๋๋ ์ธก์ ์ ํตํด ํ๊ฐํ์์ผ๋ฉฐ, ์ํธ์ ์ด ์์ ์ฑ์ ๋ณด๋ค ๋์ ๋ฒ์์์ ๊ณ ์ฐฐํ๊ธฐ ์ํด ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ธก์ ํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋ฏธ์์ญํ๋ชจ๋ธ์ ์ด์ฉํด ๊ณ์ฐํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋น๊ตํ์๋ค. ํ์๋๋ ธํ๋ธ ํจ๋ 0.6 wt%์ ์ค๋ฆฌ์นด ํจ๋ 50 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ ๋๋น ์ฝ 11%์ ์ฆ๊ฐ๋ฅผ ๋ณด์ฌ ๊ฐ์ฅ ์ข์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ด์ ๋ฌผ์ฑ์ ์ดํด๋ณด๋ฉด ๋ ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๋๋ฐ, ํนํ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ์ค๋ฆฌ์นดํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ ์ฝ 36%๊น์ง ๊ฐ์ํ์๊ณ , ์ด๋ก ์ธํด ์ํธ์ ์ด ๋ณํ์ด ์ค์ด๋ค๋ฉด์ ์ด ์์ ์ฑ๋๊ฐ์ ๋์๋ค. ๋ํ ์ค๋ฆฌ์นด ํจ๋ 50 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ด์ ๋๋๋ ์ฝ 72% ์ ๋ ์ฆ๊ฐํ์๋ค. ๋์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์์๋ ๋ณด๋ค ํฅ์๋ ๊ธฐ๊ณ์ , ์ด์ ๋ฌผ์ฑ์ ํ๋ณดํ ์ ์์๋ค.
Key Words: ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ(Hybrid composites), ์ํญ์(Epoxy), ํ์๋๋ ธํ๋ธ(Carbon nanotubes), ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์(Silica particles), ๊ธฐ๊ณ์ ์ฑ์ง(Mechanical property), ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์(Coefficient of thermal expansion), ์ด ์์ ์ฑ(Thermalstability), ์ด์ ๋๋(Thermal conductivity), ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ(Micromechanics models)
Received 9 May 2016, received in revised form 16 October 2016, accepted 21 October 2016
*
*โ
Division of Mechanical Design Engineering, Chonbuk National University, Jeonju 54896, KoreaDivision of Mechanical Design Engineering, Chonbuk National University, Jeonju 54896, Korea, Corresponding author (E-mail: [email protected])
Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite Reinforced with Multi-Walled Carbon... 307
1. ์ ๋ก
๊ฒฝํ์ (hardener)์ ๋ฐ์ํ์ฌ 3์ฐจ์ ๊ฐ๊ต ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ ํ์ฑํ๋ ์ํญ์ ์์ง(resin)๋ ๋ํ์ ์ธ ์ด๊ฒฝํ์ฑ ์์ง์ด๋ค. ๋น์จ์ ๋ง์ถฐ ๊ฒฝํ์ ์ ์์ง๋ฅผ ํผํฉํ๊ณ ์ ์กฐํ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋, ๋ด์์ฑ, ๋ด์ฝํ์ฑ, ํ์ฑ๋ฅ ๋ฑ์ด ์ฐ์ํ์ฌ ์ฌ๋ฌ ์ฐ์ ๋ถ์ผ์์ ์์ฉ๋๊ณ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๋ง์ ์ฅ์ ์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ์ํญ์ ์์ง๋ ๊ธ์์ ๋นํด 2~3๋ฐฐ ์ด์ ํฐ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ก ์ธํ์ฌ ์ด ์์ ์ฑ๊ณผ ์น์ ์์ ์ฑ์์ ์ทจ์ฝํ ๋จ์ ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์๋ค[1]. ์ด๋ฌํ ๋จ์ ์ ๋ณด์ํ๋ฉด์ ์๊ตฌ๋๋ ๋ฌผ์ฑ์ ์ถฉ์กฑ์ํค๊ธฐ ์ํด ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๋ค์ํ์ข ๋ฅ์ ์ฌ์ ์ ๋ฐ ์ ์์ ์ถฉ์ ์ (filler)๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ์ฌ ๋ฌธ์ ์ ์ ๊ฐ์ ํ๊ณ ์๋ค[2].์ง๊ฒฝ์ด ์์ญ ๋๋ ธ๋ฏธํฐ ์ดํ์ธ ํ์๋๋ ธํ๋ธ(carbon
nanotubes, CNTs)๋ ํ์ฐ ๋ฉด์ด ์๊ธฐ๋ฅ ํํ๋ก ๋ง๋ ค์๋ ํ๋ธ ๊ตฌ์กฐ๋ก์ ์ง๋ ๋น ํ๋ฉด์ ์ด ๋งค์ฐ ํฌ๊ณ , ๋ฐ๋๊ฐ ๋ฎ์ ๊ฐ๋ฒผ์ฐ๋ฉฐ, ์ด์ ๋๋๊ฐ ๋๊ณ , ๊ฐ๋๋ ๊ฐ์ฑ ๋ฑ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ด์ฐ์ํ์ฌ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ถฉ์ ์ ๋ก ๋๋ฆฌ ํ์ฉ๋๊ณ ์๋ค. CNTs๋ฅผ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ์ ํ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ก ์ฌ์ฉํ๊ณ , ๋ค๋ฅธ๋ถ์ผ์ ์ ์ฉํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๋ชจ์ฌ(matrix) ๋ด์ CNTs์ ๊ท ์ผํ ๋ถ์ฐ๊ณผ ๋ชจ์ฌ์์ ์ ์ ํ ๊ณ๋ฉด ๊ฒฐํฉ์ด ์ค์ํ๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋CNTs๋ฅผ ์์ง ๋ด์ ์ฒจ๊ฐํ์ฌ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ์ํ ๊ฒฝ์ฐ CNTs์ฌ์ด์ ์์ฉํ๋ ๋ฐ๋ฐ๋ฅด๋ฐ์ค ํ(van der Waals force)์ผ๋ก ์ธํ CNTs ๋ผ๋ฆฌ์ ์์ง(agglomeration) ๋ฌธ์ ๋ก ๋ถ์ฐ์ด ๊ท ์ผํ์ง ๋ชปํด ์ฐ์ํ ๋ฌผ์ฑ์ด ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋ฐํ๋์ง ๋ชปํ๋ค. ์ด๋ฅผ๊ฐ์ ํ๊ธฐ ์ํด CNTs๋ฅผ ํํ์ ์ผ๋ก ์ ์ฒ๋ฆฌํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ๊ณผ ํ์ ์ผ๋ก ๋ฐ์๋๋ ์์ง ๋ด์ ์ ๋จ๋ ฅ์ ํ์ฉํ๋ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ์ธ๋ฐฉ๋ฒ ๋ฑ์ด ๋์๋์๋ค. ๋ํ ๊ณ๋ฉดํ์ฑ์ ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๊ฑฐ๋ CNTsํ๋ฉด์ ๊ธฐ๋ฅ๊ธฐ(functional group)๋ฅผ ๋ถ์ฐฉํด CNTs ์์ฒด์ ๋ฌผ์ฑ์ ๋ฐ๊ฟ์ฃผ๋ ํ๋ฉด๊ฐ์ง(surface modification) ๋ฑ์ ์ฐ๊ตฌ๋์งํ๋์๋ค[3,4].์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ์ํ๋ฉด ํฅ์๋ ๊ธฐ๊ณ์ ,์ด์ , ์ ๊ธฐ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ๊ฒ ๋๊ณ ์์ฌ๋ฃ ๋น์ฉ๋ ๋ฎ์ถ ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ด์ ๊ด๋ จ๋ ๋ฌด์ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์ด๋ฃจ์ด์ ธ ์๋ค. ์ต๊ทผ์๋ ํ์์ ๋ฐ๋ผ ๋ ์ข ๋ฅ ์ด์์ ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๋ํ ๊ด์ฌ์ด ๋งค์ฐ ๋์ ๊ตญ๋ด์ธ์์ ๋ค๊ฐ์ ์ธ ๋ฐฉ๋ฉด์ผ๋ก ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์ํ๋๊ณ ์๋ค[5]. Zeng ๋ฑ[6]์ ์ฐํ๊ท์๋ฅผ CNTs์ ํผ๋ณต์์ผ ์ฝ์์(core-shell) ๊ตฌ์กฐ๋ก ํ์ฑํ ํ ์ ๋ฆฌ์ฌ์ ๊ฐ ๊ฐํ๋ ๋น์ค๋ง๋ ์ด๋ฏธ๋ ์์ง(glass fibrereinforced bismaleimide triazine, GFRBT)์ ๋ถ์ฐ์์ผ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ์ํ์๋ค. ์ฝํ ๋ ์ฐํ๊ท์ ๋๊ป์๋ฐ๋ผ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๋ฐ ์๋ฅ ์ ์ฆ๊ฐ์ ํจ๊ป ๋์ ์ ๊ธฐ ์ ์ฐ์ฑ๊น์ง ์๊ฒจ๋ฌ์์ ๋ณด๊ณ ํ์๋ค.๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ํฅ์์ํด๊ณผ ๋์์ ์๋์ ๋จ์ ์ผ๋ก ์ง์ ๋ ์ ์๋ ์ด ์์ ์ฑ๊ณผ ์น์ ์์ ์ฑ์ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๊ฐ์ ํ๊ณ ์ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋ ธํ๋ธ(multi-walled carbon nanotube, MWNTs)
์ ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ ์ค๋ฆฌ์นด(fused silica, SiO2) ์ ์๋ก๊ฐํํ์๋ค. ์ ๋จํผํฉ๊ณผ ์ด์ํ๊ธฐ๊ธฐ๋ง์ ์ด์ฉํ๋ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ๋ถ์ฐ์์ผ ์ํธ์ ์ ์ํ์๊ณ , ๋ ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ํธ์ ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ธฐ์ํด ์ธ์ฅ๊ฐ๋, ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ดํ์ฐ์จ์ ์ธก์ ํ์๋ค. ๋ํ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ(micromechanics models)์ ๋์ ํ์ฌ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋น๊ต ๊ณ ์ฐฐํ์์ผ๋ฉฐ, ์คํํ ์์ญ ๋ฐ์ ์ถฉ์ ์ ํจ๋ ์กฐ๊ฑด์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์์ธกํ์๋ค.
2. ์คํ๋ฐฉ๋ฒ ๋ฐ ๋ด์ฉ
2.1 ์ํธ ์ฌ๋ฃ
์ํธ ์ ์์ ์ฌ์ฉ๋ ์ํญ์ ์์ง(YDF-161, KukdoChemical, Co., Ltd.)๋ Bisphenol-Fํ์ผ๋ก 25oC์์ 5~7 Paยทs์ ์ ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ค. ์ถฉ์ ์ ์ธ ๋ค์ค๋ฒฝ ํ์๋๋ ธํ๋ธ(M90,Carbon nano-material Technology Co., Ltd.)๋ ์ง๋ฆ 5~20 nm, ๊ธธ์ด๋ 10 ยตm ์์ค์ด๋ฉฐ, ์ข ํก๋น(aspect ratio)๋ 500์ด์, ๋นํ๋ฉด์ ์ 100~700 m2/g์ด๋ค. ํํธ ๋ ๋ค๋ฅธ ์ถฉ์ ์ ์ธ ์ค๋ฆฌ์นด(SILON230, ABC Nanotech Co., Ltd.)๋ ๊ตฌํ ํ์ ์ผ๋ก ์ ์ ํฌ๊ธฐ๋ 1~3 ยตm์ด๋ค. ์ํญ์ ์์ง์ ์๋ฏผ๊ณ ๊ฒฝํ์ (Jeffamine D-230, Huntsman
International LLC.)์ ์ง๋ ๊ธฐ์ค ํผํฉ๋น๋ 3:1์ด๋ฉฐ, ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ์ฒ๋ฆฌ๊ณผ์ ์์ด ์ฌ์ฉ๋์๋ค.
2.2 ์ํธ ์ ์
๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ Fig. 1์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ณต์ ์์๋ฅผ ํตํด ์ ์๋์๋ค. ์ธ์ฅ์ํ ์ํธ์ ASTM D638-10 Type IV์ ์๊ฑฐํ์ฌ๊ธธ์ด 115 mm, ํญ 6 mm, ๋๊ป 4 mm์ ๋๊ทธ๋ณธ(dog-bone) ํํ๋ก ์ ์ํ์๊ณ , ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๋ฐ ์ดํ์ฐ์จ ์ํ์ฉ ์ํธ์๊ธธ์ด 50 mm, ํญ 12 mm, ๋๊ป 3 mm์ ๊ฐ๋ก 10 mm, ์ธ๋ก10 mm, ๋๊ป 3 mm์ ํ์์ผ๋ก ๊ฐ๊ฐ ์ ์ํ์๋ค. ์ํญ์ ์์ง์ ๊ธฐํฌ์ ๊ฑฐ์ (BYK-A 500, BYK-Chemie, Co.,
Ltd.)๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ ํ ์์ง ์์ฒด์ ํจ์ ๋์ด ์๋ ๊ธฐํฌ๋ฅผ ์ง๊ณต๋ฐ์์ผ์ดํฐ์์ 2์๊ฐ ๋์ ์ ๊ฑฐํ์๋ค. ๊ธฐํฌ๋ฅผ ์ ๊ฑฐํ ์ํญ์ ์์ง์ MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ ํ ์ ๋จํผํฉ๊ธฐ(PDM-300 Paste mixer, Daewha Tech Co., Ltd.)๋ก ๊ฐ๊ฐ 500 ๋ฐ1,000 rpm ์๋์์ 20๋ถ์ฉ ์์ฐจ์ ์ผ๋ก ์ ๋จํผํฉ ํ์๋ค.์ ๋จํผํฉ์ ๊ฑฐ์น ์ํญ์/MWNTs ํผํฉ๋ฌผ์ ์ด์ํ ์ฅ๋น(WUC-A03H, Daihan scientific Co., Ltd.)๋ฅผ ํตํด 30๋ถ ๋์์ฒ๋ฆฌํ์๊ณ , ๊ฐ์ ์กฐ๊ฑด์ผ๋ก ์ ๋จํผํฉ๊ณผ ์ด์ํ ์ฒ๋ฆฌ๋ฅผ ๋ฐ๋ณตํ์๋ค. ์ฌ๊ธฐ์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ์ฌ 500 ๋ฐ 1,000rpm ์๋์์ 30๋ถ์ฉ ์์ฐจ์ ์ผ๋ก ์ ๋จํผํฉ ํ์์ผ๋ฉฐ, ์ด์ํ ์ฒ๋ฆฌํ ํ์ ๋ค์ ๋์ผํ ๊ณผ์ ์ ๋ฐ๋ณตํ์๋ค. ๋ค์ ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ฒฝํ์ ๋ฅผ ํผํฉํ๊ณ , 10๋ถ๊ฐ ํ๊ธฐ(degassing)ํ ํ ์ค๋ฆฌ์ฝ ๋ชฐ๋์ ๋ถ์ด ๋ฃ๋๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ 3๊ธฐ์ ์ํ์ ๊ฐ์์ฉ๊ธฐ์์ 48์๊ฐ ์์จ ๊ฒฝํํ ๋ค์ 80oC์ ์ค๋ธ์์ 6์๊ฐ ๋์ ์ถ๊ฐ๋ก ๊ฒฝํ์์ผ ์ํธ์ ์ ์ํ์๋ค.
308 Yun Oh, Byeong Il You, Ji Ho Ahn, Gyo Woo Lee
์ถฉ์ ์ ํจ๋์ ์์ง์ ๊ฒฝํ์ ๋ฅผ ํฉ์น ์ง๋์ ๋ํ ๋ฐฑ๋ถ์จ๋ก ํ์ํ์๋ค. ์๋ฅผ ๋ค๋ฉด MWNTs ํจ๋ 0.6 wt%์ SiO2
ํจ๋ 30 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์์ง์ ๊ฒฝํ์ (ํผํฉ ์ค๋๋น๋ 3:1) ์ง๋ ๋๋น 0.6%์30%์ MWNTs์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ๊ฐ ํฌํจ๋์์์ ์๋ฏธํ๋ค.
Table 1์์๋ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ์ฌ๋ฌ ๋ฌธํ์ ํตํด ์๋ ค์ ธ ์๋ ์ํญ์ ์์ง, ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ, MWNTs, SiO2 ๊ฐ๊ฐ์ ๋ฌผ์ฑ๋ค๊ณผ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ๋ค์์ ์ฌ์ฉ๋๋ ๋ฌผ์ฑ์น๋ฅผ ํ๊ธฐํ์๋ค.
2.2 ์ํํธ ์ธก์
์ถฉ์ ์ ์ ๋ถ์ฐ ์ํ๋ฅผ ์ ๋์ ์ผ๋ก ํ๋จํ๊ณ , ์ ์ํ ์ํธ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ์์๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ง๋ฅ์ฌ๋ฃ์ํ๊ธฐ(Unitech-T RB301, R&B Inc.)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ์ธก์ ํ์๋ค. ์คํํ ์ํ๋ฅผ ๊ตฌํํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ณ์ ์๋(cross-head speed)๋ 0.5 mm/min์ ์์ ๊ฐ์ ์ฌ์ฉํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ฐ ์ผ์ด์ค๋ณ ๋ค์ฏ ๊ฐ์ ์ํธ์ด ์ธก์ ๋์๋ค.์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ์ธก์ ์ ์คํธ๋ ์ธ ์ธ๋์ผ์ดํฐ(P3, Vishay
intertechnology, Inc.)๋ก ์ธก์ ๋ ์จ๋๋ณํ์ ๋ํ ์ํธ์ ์ด๋ณํ๋ฅ (thermal strain)์ ์ธก์ ํ์ฌ ๊ณ์ฐํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ฐ ์ผ์ด์ค๋ณ ์ธ ๊ฐ์ ์ํธ์ด ์ธก์ ๋์๋ค. ์น์จ์ ์ค์จ์์๋ถํฐ 65oC๊น์ง ์งํ๋์์ผ๋ฉฐ, ์น์จ ์๋๋ 3oC/min๋ก ์ค์ ํ์ฌ ์ํธ๋ด๋ถ์ ๊ท ์ผํ ์จ๋๋ถํฌ๋ฅผ ๋๋ชจํ์๋ค. ์ด ๋ณํ๋ฅ ์ ์ธก์ ํ๊ธฐ ์ํด ์ํธ์ ์คํธ๋ ์ธ ๊ฒ์ด์ง(N2A-13T004N-350,Micro-Measurements, Inc.)๋ฅผ ๋ถ์ฐฉํ์์ผ๋ฉฐ, ์ค๋ธ์ ์ํธ์๋ฃ๊ณ 50oC๊น์ง ์จ๋๋ฅผ ์ฌ๋ฆฌ๊ณ , ๋ค์ ์ค์จ์ผ๋ก ๋๊ฐํ๋ ์
์ด ๊ณผ์ ์ ์ธ ๋ฒ์ ๊ฑธ์ณ ์ค์ํ์ฌ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ์ธก์ ์ ๋ฐฉํด๊ฐ ๋ ์ ์๋ ์๋ฅ์๋ ฅ์ ์ ๊ฑฐํ์๋ค. ์ด ๊ณผ์ ์ ๊ฑฐ์น ๋ค๋ค์ ์ํธ์ ์ค๋ธ์ ๋ฃ๊ณ , ์คํธ๋ ์ธ ์ธ๋์ผ์ดํฐ์ ํํ ๋ธ๋ฆฌ์ง(half bridge)์ ์ฐ๊ฒฐํ์ฌ ์ด ๋ณํ๋ฅ ์ ์ธก์ ํ์๋ค. ์ด๋ ์ธก์ ๋ ์ด ๋ณํ๋ฅ ์ ์คํธ๋ ์ธ ๊ฒ์ด์ง ์์ฒด์ ์ด ๋ณํ๋ํฌํจ๋๊ณ ์์ด ์ด์ ๋ํ ์ํฅ์ ์ ๊ฑฐํ๊ธฐ ์ํด ์์์ ๊ฒ์ด์ง๋ฅผ ๋ถ์ฐฉํด ๋๋ฏธ(dummy) ๊ฒ์ด์ง๋ก ํ์ฉํ์๋ค.์ดํ์ฐ์จ์ ๋ ์ด์ ์ฌ๊ด๋ฒ(laser flach method)์ ์ด์ฉํ์ด๋ถ์๊ธฐ(LFA 467 HyperFlash, NETZSCH Analyzing &Testing)๋ฅผ ์ฌ์ฉํด ์ธก์ ํ์๋ค. ์ด๋ ์ดํ์ฐ์จ์ ๋ ์ด์ ์ฌ๊ด์ ์ํธ ์ ๋ฉด์ ์กฐ์ฌํ์ฌ ํก์๋ ์ด์ด ์ํธ ๋๊ป ๋ฐฉํฅ์ผ๋ก ์ด๋ํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ํธ ๋ท๋ฉด์ ์จ๋๋ฅผ ์์น์ํค๋๋ฐ ์ต๋๊ฐ ๋๋ ์๊ฐ์ ํํ ํ์(half-time)์ ์ธก์ ํ์ฌ ๊ตฌํ์์ผ๋ฉฐ, ๊ฐ ์คํ ๋น ๋ ๊ฐ์ ์ํธ์ด ์ฌ์ฉ๋์๋ค. ์ด์ ๋๋๋ ์ธก์ ๋ ๊ฐ ์ํธ์ ํ๊ท ์ดํ์ฐ์จ๊ณผ ๋ฐ๋, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ๋น์ด์ ๊ณฑํ์ฌ ๊ตฌํ์๋ค.
2.3 ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ
์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์์ ๋น๊ต ๊ณ ์ฐฐ ๋ฐ ์คํํ ์์ญ ๋ฐ์ ์ถฉ์ ์ ํจ๋ ์กฐ๊ฑด์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์์ธกํ๊ณ ์ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์ ์ด์ฉํ์๋ค. ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ ๋ ์ข ๋ฅ ์ด์์ ์ถฉ์ ์ ๊ฐ์ฒจ๊ฐ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ํธ์ ์ ํจ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ด๋ก ์ ์ผ๋ก์์ธกํ๊ธฐ ์ํด์๋ ์ (1)์ ์ด์ฉํ์ฌ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ์ถฉ์ ์ (mixed filler)์ ์ฒด์ ๋ถ์จ์ ๊ณ์ฐํ์ฌ์ผ ํ๋ค. ์ฌ๊ธฐ์์ V๋ ์ฒด์ ๋ถ์จ, m์ ์ง๋, ฯ๋ ๋ฐ๋์ด๋ฉฐ, ์๋ ์ฒจ์๋ก ์ฌ์ฉ๋ m์ ๋ชจ์ฌ, f1์ MWNTs, f2๋ SiO2 ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ ์๋ฏธํ๋ค.
Fig. 1. A schematic diagram of the fabrication process for rein-forced composite specimens
Table 1. Properties of Epoxy resin, epoxy composite, multi-walledcarbon nanotubes and silica particles used in this study
Epoxy Resin, Epoxy composite
(Resin + Hardener)MWNTs SiO2
Tensile Strength (MPa) 5.2~97*
(69.2**) 30,000* 110*
Young's Modulus (GPa) 0.0037~215*
(1.04**) 600* 73*
Coefficient of ThermalExpansion (10-6/K)
20~86*
(33.38**) 16* 0.4*
Thermal Conductivity(W/mยทK) 0.14~1.28* 3,000* 1.4*
Density (g/cm3) 1.17*
(1.12 **) 1.0* 2.2*
Specific Heat (kJ/kgยทK) 1.3* 0.7* 0.7*
Poisson's Ratio 0.34* 0.06* 0.17*
*www.matweb.com, www.azom.com**Obtained from measurements
Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite Reinforced with Multi-Walled Carbon... 309
(1)
ํผํฉ ๋ฒ์น(rule of mixture, ROM) ๋ชจ๋ธ์ธ ์ (2)๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๋ ๋ชจ์ฌ์ ์ถฉ์ ์ ์ ์ฒด์ ๋ถ์จ ๋ฐ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฒฐํฉ์ผ๋ก ์์์ ๋ฌผ์ฑ์น๋ฅผ ํ๊ฐํ๋ ๊ฐ์ฅ ๋จ์ํ๊ณ ๊ธฐ์ด์ ์ธ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. ์ด๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์(coefficient of thermal expansion, CTE, ฮฑc)๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ์ ์๋๋ค.
, (2)
๊ทธ๋ฌ๋ ROM ๋ชจ๋ธ์ ๊ตฌ์ฑ ์ฑ๋ถ์ ํ์๊ณผ ํผํฉ ๊ตฌ์กฐ ๋ฑ์๋ํ ๊ด๊ณ๋ฅผ ํฌํจํ์ง ์๊ธฐ์ ์ ํ๋๊ฐ ํ์ ํ ๋ฎ๊ฒ ๋๋ค.์ด๋ฅผ ๋ณด์ํ๊ธฐ ์ํด Kerner ๋ชจ๋ธ[7]์ธ ์ (3)์์๋ ๋ชจ์ฌ์์ถฉ์ ์ ์ฌ์ด์ ์กด์ฌํ๋ ๋ฏธ์ธ์๋ ฅ(micro-stress)๊ณผ ์ ๋จ์๋ ฅ(shear stress) ๋ฑ์ ๊ณ ๋ คํด ROM ๋ชจ๋ธ์ ๋ณด์ํ์๋ค. ์ (3)์์ ์ฌ์ฉ๋๋ ฮฝ๋ ํ์์ก๋น(Possion's ratio)์ด๋ฉฐ, G์ E๋๊ฐ๊ฐ ์ ๋จํ์ฑ๊ณ์(shear modulus)์ ์๋ฅ (Young's modulus)์ ์๋ฏธํ๋ค.
, (3)
ํํธ Wakashima-Tsukamoto ๋ชจ๋ธ[8]์ ์์ ๋ Eshelby'sequivalent inclusion ๋ฐฉ๋ฒ[9]๊ณผ Mori-Tanaka ๋ชจ๋ธ[10]์ ๊ฒฐํฉํ์ฌ ์ ๋๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์ถฉ์ ๋ ๊ณ ๋ถ์์ ๊ธฐ๊ณ์ ํน์ฑ๊ณผ ํจ๊ป์ ์ ๋ชจ์์ ์ํฅ์ ๊ณ ์ฐฐํ์๋ค. ๋ชจ์ฌ์ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ์ถฉ์ ์ ์ ์ฒด์ ํ์ฑ๊ณ์(bulk modulus, K) ๋ฐ ์ ๋จํ์ฑ๊ณ์๋ ์๋์ ๊ฐ์ด ํํ๋๋ฉฐ, ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋์ (4)๋ก ๋ํ๋ธ๋ค.
, ,
, ,
,
(4)
3. ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ํ ๋ก
3.1 ์ถฉ์ ์ ๋ถ์ฐ์ ๋ํ ์ ์ฑ์ ํ๊ฐ
์ถฉ์ ์ ์ ๋ถ์ฐ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฒฐ์ ํ๋ ์ฒ๋์ด๋ฉฐ, ๋ชจ์ฌ ๋ด์ ์ถฉ์ ์ ๊ฐ ๋ญ์ณ์์ง ์๊ณ ๋ถ์ฐ๋์ด ์๋ ์ ๋์ ๋ฐ๋ผ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ ์ฒด์ ์ธ ๋ฌผ์ฑ์ ์ํฅ์ ์ฃผ๊ธฐ ๋๋ฌธ์๋งค์ฐ ์ค์ํ๋ค.
Fig. 2์ 3์ ์ํธ ๋ด์์ MWNTs์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ์ ๋ถ์ฐ์ ์ ์ฑ์ ์ผ๋ก ํ๊ฐํ๊ธฐ ์ํด ์ํธ ํ๋จ๋ฉด์ ๋ฏธ์ธ๊ตฌ์กฐ๋ฅผ์ฃผ์ฌ์ ์ํ๋ฏธ๊ฒฝ(field emission-scanning electron microscopy,FE-SEM)์ผ๋ก ๊ด์ฐฐํ ์ฌ์ง์ด๋ค. Fig. 2์ (a)๋ MWNTs ํจ๋0.4 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ๋จ๋ฉด์, (b)์(c)๋ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ๋จ๋ฉด์ ์ ๋ฐฐ์จ๊ณผ ๊ณ ์จ๋ฐฐ๋ก ๊ฐ๊ฐ ์ดฌ์ํ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, (d)๋ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ๋จ๋ฉด์ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. ์์ง ๋ด์ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์์ง์ด ๊ฑฐ์๋ณด์ด์ง ์๋ Fig. 2์ (a)์ ๋ฌ๋ฆฌ (b)์ ๊ฒฝ์ฐ MWNTs ํจ๋์ด์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ฌ๋ฌ ๊ตฐ๋ฐ์์ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์์ง์ด ๋ฐ๊ฒฌ๋์๋ค. ์ด๋ ๊ณ ๋ฐฐ์จ๋ก ์ดฌ์ํ (c)์์ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์์ง์ ์ข๋ ๋ช ํํ ํ์ธ ํ ์ ์๋๋ฐ, MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%์์๋๋๋ ธํ๋ธ๊ฐ ์์ง ๋ด์ ์ ๋๋ก ๋ถ์ฐ๋์ง ๋ชปํ๊ณ ์๋ก ๋ค์์ผ์์์ ์ ์ ์๋ค. ํํธ (d)์ ๊ฒฝ์ฐ ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ธ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ ๋๋ ธํ๋ธ๋ณด๋ค ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์ด ํจ์ฌ ์ฉ์ดํ์๋ค.
Fig. 3์ (a)๋ MWNTs ํจ๋ 0.4 wt%์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ๋จ๋ฉด์ด๋ฉฐ, (b)๋MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ๋จ๋ฉด์ด๋ค. Fig. 2์ (b)์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก Fig. 3์ (b)์์๋ ์์ง ๋ด์ ๋๋ ธํ๋ธ๊ฐ ๊ท ์ผํ๊ฒ๋ถ์ฐ๋์ง ๋ชปํด ๋ง์ด ์์ง๋์ด ์์์ ์ ์ ์์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ ์ ๋จํผํฉ๊ณผ ์ด์ํ๊ธฐ๊ธฐ๋ง์ ์ด์ฉํ๋ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ๋ถ์ฐ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋ถ์ฐ์ ํ๊ณ๊ฐ ์์์ ๊ฐ์ ์ ์ผ๋ก์๋ฏธํ๋ค.
3.2 ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ ์ธก์ ๋ฐ ๋ถ์ฐ์ ์ ๋์ ํ๊ฐ
Fig. 4๋ MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. MWNTs์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํจ๋ 0.6 wt%์์ ์ต๋ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ๋ํ๋ด๊ณ , ํจ๋ 0.8 wt% ์ด์๋ถํฐ๋ ์คํ๋ ค ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋๊ฐ ๊ฐ์ํ์๋ค. ์ด๋ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%
Vfmix
mf1/ฯf1( ) mf2/ฯf2( )+
mm/ฯm( ) mf1/ฯf1( ) mf2/ฯf2( )+ +
-------------------------------------------------------------------------=
Vm 1 Vfmixโ=
ฮฑc Vmฮฑm Vfmixฮฑfmix
+= ฮฑfmix
Vf1ฮฑf1 Vf2ฮฑf2+
Vfmix
---------------------------------=
ฮฑc Vmฮฑm Vfmixฮฑfmix
VmVfmixฮฑm ฮฑfmix
โ( )
1Em------
1Efmix
---------โ
Vfmix
Em---------
Vm
Efmix
---------3
4Gm----------+ +
---------------------------------------โ+=
GmEm
2 1 ฮฝm+( )---------------------= Efmix
Vf1Ef1 Vf2Ef2+
Vfmix
--------------------------------=
KmEm
3 1 2ฮฝmโ( )------------------------= Kf
Ef
3 1 2ฮฝfโ( )----------------------= Kfmix
Vf1Kf1 Vf2Kf2+
Vfmix
---------------------------------=
GmEm
2 1 ฮฝm+( )---------------------= Gf
Ef
2 1 ฮฝf+( )-------------------= Gfmix
Vf1Gf1 Vf2Gf2+
Vfmix
----------------------------------=
Kc Km
aVfmixKm Kfmix
Kmโ( )
VmKfmixaVfmix
Km+
----------------------------------------------+= aKfmix
3Km 4Gm+( )
Km 3Kfmix4Gm+( )
---------------------------------------=
ฮฑfmix
Vf1ฮฑf1 Vf2ฮฑf2+
Vfmix
----------------------------------=
ฮฑc
1Kc-----
1Km-------โ
1Kfmix
---------1
Km-------โ
--------------------- ฮฑfmixฮฑmโ( ) ฮฑm+=
310 Yun Oh, Byeong Il You, Ji Ho Ahn, Gyo Woo Lee
์ด์๋ถํฐ ์ด์ ์ ์ํธ๋ณด๋ค ๋๋ ธํ๋ธ๊ฐ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์๊ณ ๋ฅด๊ฒ ๋ถ์ฐ๋์ง ๋ชปํ๊ณ , ์๋ก ์์ง๋จ์ผ๋ก ์ธํด ์ํธ์ ๋ถ๊ณผ๋๋ ์๋ ฅ์ด ํจ์จ์ ์ผ๋ก ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ ๋ฌ๋์ง ๋ชปํ๊ธฐ ๋
๋ฌธ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. ๋๋ ธํ๋ธ์ ์์ง์ Fig. 2์ 3์ FE-SEM์ฌ์ง์ผ๋ก๋ ์ ์ฑ์ ์ผ๋ก ํ์ธํ ์ฌํญ์ด๋ค.์ํธ์ ๊ฐ๋์ ๋ฏธ์น๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ํฅ์ ํ์ธํ Fig. 4์ ๋ฌ๋ฆฌ Fig. 5์์๋ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์ ์ํฅ์ ๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ SiO2
์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์ MWNTsํจ๋ 0.6 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ง๊ฒฝ์ด ์์ญ ๋๋ ธ๋ฏธํฐ์ด๊ณ ์ข ํก๋น๊ฐ ๋งค์ฐ ํฐ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋นํด ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ธ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์ด ํจ์ฌ ์ฉ์ดํ๋ฏ๋ก, SiO2 ํจ๋ 50 wt%์์๋ ์ ์ ํ ๋ถ์ฐ ๋ฐ ๊ณ๋ฉด ๊ฒฐํฉ์ด ์ ์ง๋์ด ๊ธฐ๊ณ์ ๊ฐ๋๋ ๊ฐ์ ๋์๋ค. ํ์ง๋ง SiO2 ํจ๋ 70 wt%์ด์์์๋ ๊ธ์ํ ๊ฒฝํ๋ก ์ธํด ์ฌ๋ฐ๋ฅธ ์ํธ ์ ์์ ์ด๋ ค์์ด ์์ด ์ํํธ ๋ชฉ๋ก์์ ์ ์ธํ์๋ค. ์ํญ์ ์์ง์ ๋นํด ๊ฐ๋๊ฐ ํฐ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ฅผ ๋์์ ์ฒจ๊ฐํจ์ผ๋ก์จ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ํฅ์๋์๋๋ฐ, ์คํํ ๋ฒ์ ๋ด์์๋MWNTs ํจ๋ 0.6 wt%์ SiO2 ํจ๋ 50 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๊ฐ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ(Baseline) ์ํธ ๋๋น ์ฝ 11%์ ์ฆ๊ฐ๋ฅผ ๋ณด์ฌ ๊ฐ์ฅ ์ข์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด๊ณ ์๋ค. ๋ํ ๋ ๊ทธ๋ฆผ์ ์ค์ฐจ ๋ง๋๋ก ํ์๋ ํ์คํธ์ฐจ๋ ๋์ผ ์กฐ๊ฑด ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ ์ํธ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ธก์ ํธ์ฐจ๊ฐํฌ์ง ์์์ ์ ์ ์๋๋ฐ, ์ด๋ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉ๋ ์ํธ์ ์ ๋ฐฉ๋ฒ์ด ์ถฉ๋ถํ ์ผ๊ด์ฑ ์๊ณ ์ฌํ ๊ฐ๋ฅํ ๊ฒ์์ ๋ณด์ฌ์ฃผ๋ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค.
Fig. 3. Fracture surface images for specimens containing 0.4 (a)and 0.8 wt% (b) carbon nanotubes filler. Both specimensalso are containing the other filler, 30 wt% silica
Fig. 2. Fracture surface images for specimens incorporating0.4 wt% (a) and 0.8 wt% (b and c) MWNTs filler showingsome agglomerations (arrow marked), and with SiO2
30 wt% filler (d)
Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite Reinforced with Multi-Walled Carbon... 311
3.3 ์ด์ ๋ฌผ์ฑ
3.3.1 ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ์ธก์ ๋ฐ ํ๊ฐFig. 6์ MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. Baseline์ํธ๊ณผ MWNTs ํจ๋ 0.2 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋น๊ตํ๋ฉด MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ ๋ชจ์ฌ๋ณด๋ค ์ดํฝ์ฐฝ์ด ์์ผ๋ฏ๋ก ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ์ด ์ค์ด๋ฆ์ด ํ๋นํ๋ค๊ณ ์๊ฐ๋๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ดํ์ MWNTs ํจ๋ 0.4, 0.6,0.8 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํธ์์๋ ์ด๋ฌํ ๊ฒฝํฅ์ด ๊ฑฐ์ ์๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ ๋ณด์ธ๋ค. ์ด ๊ฒฐ๊ณผ์ ์์ธ์ผ๋ก๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋์ ์ด์ ๋๋๋ก ์ธํด ์ธ๋ถ์ ์ด์ด ์ํธ ๋ด๋ถ์ ์ ์ ๋ฌ๋์ด ์ํธ์์ดํฝ์ฐฝ์ ๋์์ ์ค ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค[11,12]. ์ฆ, MWNTs ์ถฉ์ ์ ๊ฐ ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ์ ๋ฏธ์น๋ ์ํฅ์ ํฝ์ฐฝ ์ต์ ์ ์ฅ๋ ค์ ๋ ๊ฐ์ง ์์ธ์ด ๋ชจ๋ ์์ฉํ ๊ฒ์ด๋ผ๊ณ ๋ณผ ์ ์๋ค.์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ์ ๋ฏธ์น๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ํฅ์ ํ์ธํ Fig.
6๊ณผ๋ ๋ฌ๋ฆฌ Fig. 7์์๋ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์ ์ํฅ์ ๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ SiO2 ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์MWNTs ํจ๋ 0.6 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค. SiO2 ์ถฉ์ ์ ๋
์ํญ์ ์์ง์ ๋นํด ์ฝ 1/80 ์์ค์ ๋งค์ฐ ๋ฎ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์
๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ฒฐ๊ณผ์์ ๋ณด๋ฏ์ด SiO2 ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ์ ์ง์ ์ผ๋ก ์ค์ด๋ค์์ผ๋ฉฐ,์ด๋ก ์ธํด ์ํธ์ ์ด ๋ณํ์ด ๊ฐ์ํ๋ฉด์ ์ด ์์ ์ฑ๋ ๊ฐ์ ๋์๋ค. ํนํ SiO2 ํจ๋ 50 wt%์์๋ Baseline ์ํธ ๋๋น ์ฝ36%์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ฐ์๋ฅผ ๋ณด์๋ค.
Fig. 6๊ณผ 7์์ ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ดํด๋ณด๋ฉด ์ดํฝ์ฐฝ์ด ์ ์ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์ ์ํด Baseline ์ํธ ๋๋น ์ด ์์ ์ฑ์ ๊ฐ์ ๋์์ผ๋, ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ํด ์ธ๋ถ์์ ์ํธ ๋ด๋ถ๋ก์ ์ด์ ๋ฌ์ด ์ฆ๋๋์ด ์ดํฝ์ฐฝ์ด ๋ค์ ์ฆ๊ฐํ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
3.3.2 ์ด์ ๋๋ ์ธก์ ๋ฐ ํ๊ฐ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ด์ ๋๋๋ ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋๋ฐ ์ข ํก๋น, ๋ชจ์ฌ์ ์ถฉ์ ์ ์ฌ์ด์ ๋ถ์ฐ ๋ฐ ๊ณ๋ฉด ๊ฒฐํฉ ๋ฑ์์ํฅ์ ๋ฐ๋๋ค[13-15]. Fig. 8์ MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ด์ ๋๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. MWNTs ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐ๋จ์ ๋ฐ๋ผ ๋๋ ธํ๋ธ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ด์ ๋๋๋ ์ฆ๊ฐํ์๊ณ , ์ด๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ํฐ ์ข ํก๋น์ ๋์ ์ด์ ๋๋์์ ๊ธฐ์ธํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก MWNTs ํจ๋ 0.6 wt% ์ํธ์์ Baseline
Fig. 6. Thermal expansions of the composite specimens withMWNTs contents
Fig. 7. Thermal expansions of the composite specimens withSiO2 contents
Fig. 5. Tensile strengths of the composite specimens with SiO2
contents
Fig. 4. Tensile strengths of the composite specimens withMWNTs contents
312 Yun Oh, Byeong Il You, Ji Ho Ahn, Gyo Woo Lee
๋๋น ์ฝ 14%์ ์ด์ ๋๋ ์ฆ๊ฐ๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค.์ํธ์ ์ด์ ๋๋์ ๋ฏธ์น๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ํฅ์ ํ์ธํ Fig.
8๊ณผ๋ ๋ฌ๋ฆฌ Fig. 9์์๋ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์ ์ํฅ์ ๋ณด๊ธฐ ์ํ์ฌ SiO2 ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ ์ฌ๊ธฐ์MWNTs 0.6 wt%๋ฅผ ์ถ๊ฐ๋ก ์ฒจ๊ฐํ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ด์ ๋๋ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ธ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋นํ์ฌ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์ด ์ํํ์ฌ SiO2 ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ด์ ๋๋๋ ๋น๊ต์ ํฐ ํญ์ผ๋ก ์ฆ๊ฐํ์๋ค. ์ด๋ SiO2 ํจ๋ 50 wt%์ ์ฒจ๊ฐํ ์ํธ์ ์ด์ ๋๋๋ Baseline ๋๋น ์ฝ 72% ์ฆ๊ฐํ์๋ค.์ด์ ๋๋ ์ธก๋ฉด์์ ํจ๊ณผ๊ฐ ๋๋ ทํ SiO2 ์ถฉ์ ์ ์๋ ๋ฌ๋ฆฌ
MWNTs ์ถฉ์ ์ ์ ๊ฒฝ์ฐ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐ๋์ด๋ ๊ทธ ํจ๊ณผ๋ ๋ฏธ๋ฏธํ๊ฒ ๋ํ๋๊ณ ์๋๋ฐ, ์ด๋ ์ฒจ๊ฐ๋ ํจ๋ ์์ฒด๊ฐ 1 wt% ๋ฏธ๋ง์ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ฉฐ, ๋ชจ์ฌ์ ์ถฉ์ ์ ๊ฐ ์ง์ ์ ์ดํ๋ ๊ณ๋ฉด ๋ฉด์ ์ ํฌ๊ฒ ์ข์ฐ๋๋ ์ธ์ฅ๊ฐ๋ ๋ฑ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๋นํ์ฌ ์ด์ ๋ฌผ์ฑ์ ์ถฉ์ ์ ์ ์ฒด์ ์ฆ, ์ด์ฉ๋์๋ ์ํฅ์ ๋ง์ด ๋ฐ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ์๊ฐ๋๋ค.
Fig. 8๊ณผ 9์์ ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ํธ์ ์ด์ ๋๋๋ฅผ ์ดํด๋ณด๋ฉด ์ํญ์ ์์ง์ ๋นํด ์ด์ ๋๋๊ฐ ๋์ ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ์ฌ์ฉํจ์ผ๋ก์จ Baseline ์ํธ ๋๋น ์ด์ ๋๋๊ฐ ํฅ์๋ ๊ฒ์ ํ์ธ ํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๊ณผ SiO2 ํจ๋
30 wt%์ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์์ ์ ์ ์๋ฏ์ด MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%๊ฐ ์ฒจ๊ฐ๋ ๊ฒฝ์ฐ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋๋ ธํ๋ธ๊ฐ ์ ๋๋ก ๋ถ์ฐ๋์ง ๋ชปํ์ฌ ๋ชจ์ฌ์ ์ถฉ์ ์ ์ฌ์ด์ ๊ณ๋ฉด์ด ์ฆ๊ฐํ์๊ณ , ์ด๋ฌํ ๊ณ๋ฉด์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ๋ด์์ ์ด ์ ํญ์ผ๋ก ์์ฉํ์ฌ ์ด์ ์ ์ํธ๋ณด๋ค ์ด์ ๋๋๊ฐ ๊ฐ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค[16-20].
3.3.3 ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์ ํตํ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์ ๊ณ์ฐ์ํธ์ ์ด ์์ ์ฑ์ ๋ณด๋ค ๋์ ๋ฒ์์์ ๊ณ ์ฐฐํ๊ธฐ ์ํด์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ธก์ ํ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ๋ก ๋์ถํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋น๊ต ๊ณ ์ฐฐํ์์ผ๋ฉฐ, ์คํํ ์์ญ ๋ฐ๊น์ง ๋ ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ ํ๋ํ์ฌ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด๊ณ ์ ํ์๋ค. ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์์ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์ ๊ณ์ฐ ๊ฒฐ๊ณผ๋ Fig. 10๊ณผ 11์ ํจ๊ป ๋ํ๋์๋ค. Fig. 10์ SiO2 ํจ๋ 30 wt%์ MWNTs์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ ๋ณํ์ํจ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์์ด๋ฉฐ, Fig. 11์ MWNTs ํจ๋ 0.6 wt%์ SiO2 ์ถฉ์
์ ์ ํจ๋์ ๋ณํ์ํจ ๊ฒฝ์ฐ์ด๋ค.Fig. 10๊ณผ 11์์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ธก์ ํ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ๋ก ๊ณ์ฐํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋น๊ตํ๋ฉด ROM ๋ชจ๋ธ๊ณผ๋ ๋งค์ฐํฐ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด๋๋ฐ, ์ด๋ 2.3 ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์์ ์ธ๊ธํ ๋ฐ
Fig. 8. Thermal conductivities of the composite specimens withMWNTs contents
Fig. 9. Thermal conductivities of the composite specimens withSiO2 contents
Fig. 10. Measured and calculated thermal expansions of 30 wt% -SiO2 composite specimens reinforced with several con-tents of MWNTs
Fig. 11. Measured and calculated thermal expansions of 0.6 wt% -MWNTs composite specimens reinforced with severalcontents of SiO2
Investigation of Thermal Stability of Epoxy Composite Reinforced with Multi-Walled Carbon... 313
์ ๊ฐ์ด ROM ๋ชจ๋ธ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ ํจ ๋ฌผ์ฑ์ ํ๊ฐํ๋ ๊ฐ์ฅ ๋จ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ฉฐ, ์ด๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๋ ์ฑ๋ถ๋ค์ํ์๊ณผ ํผํฉ ๊ตฌ์กฐ ๋ฑ์ ํฌํจํ์ง ์์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ํ๋๊ฐ๋ฎ์ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ํํธ Kerner ๋ชจ๋ธ ๋ฐ Wakashima-Tsukamoto ๋ชจ๋ธ์ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ ๊ฐ ์์ฒด์ ๊ฐ์ํ๋ ๊ฒฝํฅ์ฑ๋๋ชจ๋ ์ ์ฌํ์๋๋ฐ, ์ด๋ ๋ชจ์ฌ์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ์ฌ์ด์ ์กด์ฌํ๋ ๋ฏธ์ธ์๋ ฅ๊ณผ ์ ๋จ์๋ ฅ, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ ์ ๋ชจ์์ ์ํฅ ๋ฑ์๊ณ ๋ คํด ROM ๋ชจ๋ธ์ ๋ณด์ํ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋น๊ต์ ์ ํ๋๊ฐ๋์ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค.์คํํ ์์ญ ๋ฐ๊น์ง ๋ ์ถฉ์ ์ ์ ํจ๋์ ํ๋ํ์ฌ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์์ธกํ ๊ฒฐ๊ณผ, ์๋ฅผ ๋ค์ด SiO2 ํจ๋ 30 wt%์MWNTs ํจ๋ 0.9 wt%, 1.0 wt%๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ ์ฒจ๊ฐํ์ ๋์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ฅผ ์ด๋ก ์ ์ผ๋ก ๊ณ์ฐํ๋ฉด ROM ๋ชจ๋ธ์์ 28.83,28.78(10-6/K), Wakashima-Tsukamoto ๋ชจ๋ธ์์ 27.14, 27.08(10-6/K), Kerner ๋ชจ๋ธ์์ 27.04, 26.98(10-6/K)์ ๊ฐ๊ฐ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ด์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก MWNTs ํจ๋ 0.6 wt%์ SiO2 ํจ
๋ 80 wt%, 100 wt%๋ก ๊ฐ๊ฐ ์ฒจ๊ฐํ์ ๋์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๋ROM ๋ชจ๋ธ์์ 23.83, 22.26(10-6/K), Wakashima-Tsukamoto๋ชจ๋ธ์์ 21.09, 19.35(10-6/K), Kerner ๋ชจ๋ธ์์ 20.94,19.18(10-6/K)์ ๊ฐ๊ฐ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ด์ฒ๋ผ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์์๋ MWNTs์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ๊ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธ ํ ์ ์์ผ๋ฉฐ, Fig. 10๊ณผ 11์์ ์์ ์๋ฏ์ด ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๊ณ์ฐ ๊ฒฐ๊ณผ์์ ์ฐจ์ด๊ฐ ํ๋๋จ์ ๋ณผ์ ์๋ค. ์ด๋ ๋ชจ์ฌ์ ์ถฉ์ ์ ๊ณ ์ ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ์ง๊ณ ์ด๋ก ์ ์ผ๋ก ์์ธกํ๋ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋ชจ์ฌ ๋ด์์ ์ถฉ์ ์ ์ ๋ถ์ฐ ๋ฐ ๊ณ๋ฉด ๊ฒฐํฉ์ด ์์ ํ๋ค๊ณ ๊ฐ์ ํ๊ธฐ์ ์ด์ ๊ฐ์์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด์ธ๋ค. ๊ทธ๋ฐ์ ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋ฌ๋ฆฌ ๋ฏธ์์ญํ ๋ชจ๋ธ์์๋ ์ด ์ ๋์ฑ์ ๊ณ ๋ คํ์ง ์์ ๋๋ ธํ๋ธ์ ํจ๋์ด ๋์ด๋ฌ์์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ๊ฐ์ํ ๊ฒ์ผ๋ก ์๊ฐ๋๋ค.
4. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ํฅ์์ํด๊ณผ ๋์์ ์๋์ ๋จ์ ์ผ๋ก ์ง์ ๋ ์ ์๋ ์ด ์์ ์ฑ๊ณผ ์น์ ์์ ์ฑ์ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๋ณด์ํ๊ณ ์ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ก ๊ฐํํ์๋ค. ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ ๋ณ๋์ ๊ฐ์ง ์์ด ์ ๋จํผํฉ๊ณผ ์ด์ํ๊ธฐ๊ธฐ๋ง์ ์ด์ฉํ๋ ๋ฌผ๋ฆฌ์ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์์ผ ์ํธ์ ์ ์ํ์์ผ๋ฉฐ, ๋ ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ ๋ฐ๋ผ ์ ์ํ ์ํธ์ ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ณ ๊ณ ์ฐฐํ์๋ค.์คํ ๊ฒฐ๊ณผ์ ๋ฐ๋ฅด๋ฉด MWNTs ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%์์ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ด ๊ฐ์ํ์๋ค. ์ด๋ ์ด์ ์ ์ํธ๋ณด๋ค ๋๋ ธํ๋ธ๊ฐ ์ํญ์ ์์ง๋ด์ ์ ๋๋ก ๋ถ์ฐ๋์ง ๋ชปํ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด์ด๋ฉฐ, ๋๋ ธํ๋ธ ๊ฐ์์์งํ์์ผ๋ก ์ธํด ์ํธ์ ๋ถ๊ณผ๋๋ ์๋ ฅ์ด ํจ์จ์ ์ผ๋ก ๋๋ ธํ๋ธ์ ์ ๋ฌ๋์ง ๋ชปํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค. ์ด๋ Fig. 2์
3์ FE-SEM ์ด๋ฏธ์ง ์์์๋ ์ ์ฑ์ ์ผ๋ก ํ์ธํ ์ฌํญ์ด๋ฉฐ, ๋ฌผ๋ฆฌ์ ๋ถ์ฐ ๋ฐฉ๋ฒ์ ์ํ ์ํธ ์ ์์ ์์ด MWNTs ํจ๋ 0.8 wt% ์ด์๋ถํฐ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋ถ์ฐ์ ํ๊ณ๊ฐ ์์์ ๋ณด์ฌ์ฃผ๊ณ ์๋ค. ์ด์ ๋ฌ๋ฆฌ ๋ง์ดํฌ๋ก๋ฏธํฐ ํฌ๊ธฐ์ธ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์๋ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋ถ์ฐ์ด ํจ์ฌ ์ฉ์ดํ์๊ณ , SiO2 ํจ๋
50 wt%์์๋ ์ ์ ํ ๋ถ์ฐ ๋ฐ ๊ณ๋ฉด ๊ฒฐํฉ์ด ์ ์ง๋์ด ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฐ์ ๋์๋ค. ํํธ MWNTs์ SiO2 ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ด๊ฐ๊ฐ 0.6 wt%์ 50 wt%์ธ ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์์๊ฐ์ฅ ์ข์ ์ธ์ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ๋ํ๋์ผ๋ฉฐ, ์ํญ์ ์์ง์ ๋นํด ๊ฐ๋๊ฐ ํฐ ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ฅผ ๋์์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ธฐ๊ณ์ ๋ฌผ์ฑ์ด ํฅ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ณด์ธ๋ค.์ํธ์ ์ด์ ๋ฌผ์ฑ์ ํ์ธํ ๊ฒฐ๊ณผ MWNTs ํจ๋ 0.2 wt%๋ก๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ Baseline ๋๋น ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ์ค์ด๋ค์์ง๋ง, ์ดํ์ ๋๋ ธํ๋ธ๋ฅผ ์ฒจ๊ฐํ ์ํธ์์๋ ์ดํฝ์ฐฝ์ด ๊ฑฐ์ ์๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ ๋ณด์ธ๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ SiO2 ์ถฉ์ ์
๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ SiO2 ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ์ ์ง์ ์ผ๋ก ์ค์ด๋ค์๊ณ , ์ด์ ๋ฐ๋ผ์ด ์์ ์ฑ๋ ๊ฐ์ ๋์๋ค. ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์ ์ํด ์ํธ์ ์ ์ฒด์ ์ธ ์ดํฝ์ฐฝ์ด ๊ฐ์๋์์ผ๋, ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋์ ์ด์ ๋๋๋ก ์ธํด ์ธ๋ถ ์ด์ด ์ํธ๋ด๋ถ๋ก ์ ์ ๋ฌ๋์ด ์ดํฝ์ฐฝ์ด ๋ค์ ์ฆ๊ฐํ ๊ฒ์ ์ ์ ์์๋ค. ์ด์ ๋๋ ์ธก๋ฉด์์๋ ์ถฉ์ ์ ํจ๋์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ํจ๊ณผ๊ฐ ๋๋ ทํ ์ค๋ฆฌ์นด ์ ์์๋ ๋ฌ๋ฆฌ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๊ฒฝ์ฐ ํจ๋
์์ฒด๊ฐ 1 wt% ๋ฏธ๋ง์ธ๋ฐ๋ค, ํนํ MWNTs ํจ๋ 0.8 wt%์์๋ ์ํญ์ ์์ง ๋ด์ ๋๋ ธํ๋ธ์ ๋ถ๊ท ์ผํ ๋ถ์ฐ์ผ๋ก MWNTsํจ๋ 0.6 wt%๋ก ๊ฐํ๋ ์ํญ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ๋ณด๋ค ์ด์ ๋๋๊ฐ ๊ฐ์ํ ๊ฒ์ ์ ์ ์์๋ค. ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ๊ฒฝ์ฐ ๋ ์ถฉ์ ์ ๋ก ๊ฐํํจ์ผ๋ก์จ ์ด์ ๋๋๊ฐ ํฅ์๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์๋๋ฐ, ์ด๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก MWNTs์ SiO2 ์ถฉ
์ ์ ๋ฅผ ํ์ฉํ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ๋ณด๊ฐํ๋ฉด ๋์ ์ด์ ๋๋ ๋ฐ ๋ฎ์ ์ดํฝ์ฐฝ๊ณ์๊ฐ ์๊ตฌ๋๋ ๋ฐฉ์ด์์ฌ ๋ฑ์ ์ ์ฉ ๊ฐ๋ฅํ ๊ฒ์ด๋ผ๊ณ ์ฌ๊ฒจ์ง๋ค. ์ด์์ ๋ด์ฉ์ ๋ฐํ์ผ๋ก ํฅํ์๋ ๋์ ๊ธฐ๊ณ๋ถ์ ๋ฐ ์ด์ ๋๋ ๋ฑ์ ํตํด ํ์ด๋ธ๋ฆฌ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ๊ธฐ๊ณ์ , ์ด์ ํน์ฑ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ๋ณด๊ฐํ ์์ ์ด๋ค.
ํ ๊ธฐ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ 2011๋ ์ ๋ถ(๊ต์ก๊ณผํ๊ธฐ์ ๋ถ)์ ์ฌ์์ผ๋ก ํ๊ตญ์ฐ๊ตฌ์ฌ๋จ์ ์ง์์ ๋ฐ์ ์ํ๋ ๊ธฐ์ด์ฐ๊ตฌ์ฌ์ (NRF-2011-0009109)์ด๋ฉฐ, ๋ํ 2015๋ ํ๊ตญ์ฐ์ ๊ธฐ์ ํ๊ฐ์์ ๊ธ๋ก๋ฒ์ ๋ฌธ๊ธฐ์ ๊ฐ๋ฐ์ฌ์ (10052476)์ ์ง์์ ๋ฐ์.
REFERENCES
1. Matejka, L., Dukh, O., and Kolarik, J., โReinforcement of Cross-linked Rubbery Epoxies by In-situ Formed Silica,โ Polymer, Vol.
314 Yun Oh, Byeong Il You, Ji Ho Ahn, Gyo Woo Lee
41, 2000, pp. 1449-1459.2. Cha, J.M., Jin, S.H., Shim, J.H., Park, C.S., Ryu, H.J., and Hong,
S.H., โFunctionalization of Carbon Nanotubes for Fabricationof CNT/epoxy Nanocomposites,โ Materials & Design, Vol. 95,2016, pp. 1-8.
3. Wang, J.G., Fang, Z.P., Gu, A.J., Xu, L.H., and Liu, F., โEffects ofAmino-functionalization of Multi-wall Carbon Nanotubes onDispersion with Epoxy Resin Matrix,โ Journal of Applied Poly-mer Science, Vol. 48, 2010, pp. 592-603.
4. Kim, S., Kim, J.K., Lee, S.H., Park, S.J., and Kang, K.H., โTher-mophysical Properties of Multiwalled Carbon Nanotube-rein-forced Polypropylene Composites,โ International Journal ofThermophysics, Vol. 27, 2006, pp. 152-160.
5. Xia, J., Li, J., Zhang, G., Zeng, X., Niu, F., Yang, H., Sun, R., andWong, C.P., โHighly Mechanical Strength and Thermally Con-ductive Bismaleimide-triazine Composites Reinforced byAl2O3@polyimide Hybrid Fiber,โ Composites: Part A, Vol. 80,2016, pp. 21-27.
6. Zeng, X., Yu, S., Sun, R., and Xu, J.B., โMechanical Reinforce-ment While Remaining Electrical Insulation of Glass Fibre/polymer Composites using core-shell CNT@SiO2 Hybrids asFillers,โ Composites: Part A, Vol. 73, 2015, pp. 260-268.
7. Kerner, E.H., โThe Elastic and Thermo-elastic Properties ofComposite Media,โ Proceeding of the Physical Society Section B,Vol. 69, 1956, pp. 808-813.
8. Wakashima, K., and Tsukamoto, H., โMean-field Microme-chanics Model and Its Application to the Analysis of Thermo-mechanical Behaviour of Composite Materials,โ MaterialsScience Engineering: A, Vol. 146, 1991, pp. 291-316.
9. Eshelby, J.D., โThe Determination of the Elastic Field of anEllipsoidal Inclusion, and Related Problems,โ Proceeding of theRoyal Society A, Vol. 241, Issue 1226, 1957.
10. Mori, T., and Tanaka, K., โAverage Stress in Matrix and AverageElastic Energy of Materials,โ Acta Metallurgica, Vol. 21, 1973,pp. 571-574.
11. Lavorgna, M., Romeo, V., Marton, A., Zarrelli, M., Giordano,M., and Buonocore, G.G., โSilanization and Silica Enrichmentof Multiwalled Carbon Nanotubes: Synergistic Effects on theThermal-mechanical Properties of Epoxy Nanocomposites,โ
European Polymer Journal, Vol. 49, 2013, pp. 428-438.12. Chung, E.H., Chen, L.M., Wang, W.H., Lai, Y., Yang, P.F., and
Lin, H.P., โEffects of Mesoporous Silica Coated Multi-wall Car-bon Nanotubes on the Mechanical and Thermal Properties ofEpoxy Nanocomposites,โ Journal of the Taiwan Institute ofChemical Engineers, Vol. 45, 2014, pp. 2813-2819.
13. Cui, W., Du, F., Zhao, J., Zhang, W., Yang, Y., Xie, X., and Mai,Y.W., โImproving Thermal Conductivity While Retaining HighElectrical Resistivity of Epoxy Composites by Incorporating Sil-ica-coated Multi-walled Carbon Nanotubes,โ Carbon, Vol. 49,2011, pp. 495-500.
14. Shenogin, S., Xue, L.P., Ozisik, P., Keblinski, P., and Cahill, D.G.,โRole of Thermal Boundary Resistance on the Heat Flow inCarbon-nanotube Composites,โ Journal of Applied Physics, Vol.95, 2004, pp. 8136-8144.
15. Yang, S.Y., Ma, C.C.M., Teng, C.C., Huang, Y.W., Liao, S.H., andHuang, Y.L., โEffect of Functionalized Carbon Nanotubes onthe Thermal Conductivity of Epoxy Composites,โ Carbon, Vol.48, 2010, pp. 592-603.
16. Gojnya, F., Wichmanna, M., Fiedlera, B., Kinlochb, I.,Bauhofere, W., Windleb, A., and Schultea, K., โEvaluation andIdentification of Electrical and Thermal Conduction Mecha-nisms in Carbon Nanotube/epoxy Composites,โ Polymer, Vol.47, 2006, pp. 2036-2045.
17. Xu, Y., Ray, G., and Abdel-Magid, B., โThermal Behavior ofSingle-walled Carbon Nanotube Polymer-matrix Composites,โComposites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 37,2006, pp. 114-121.
18. Xu, Y., Chung, D.D.L., and Mroz, C., โThermally ConductingAluminum Nitride Polymer-Matrix Composites,โ CompositesPart A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 32, pp. 2001,1749-1757.
19. Seo, M.K., Lee, J.R., and Park, S.J., โCrystallization Kinetics andInterfacial Behaviors of Polypropylene Composites Reinforcedwith Multi-walled Carbon Nanotubes,โ Materials Science andEngineering A, Vol. 404, 2005, pp. 79-84.
20. Chung, D.D.L., โElectromagnetic Interference Shielding Effec-tiveness of Carbon Materials,โ Carbon, Vol. 39, 2001, pp. 279-285.