폴리케톤/그래핀 나노플레이트 복합재의 기계적 성질과 투과도 연구

Abstract

폴리케톤 (PK)은 차세대 엔지니어링 플라스틱으로서 반결정성 고분자이며 탁월한 내충격성, 내마모성, 내화학성 및 내투과성을 가진다. 본 연구에서는 폴리케톤을 기반으로 한 복합재가 제조되었으며 보강재로는 그래핀 나노플레이트 (GNP)가 사용되었다. 폴리케톤 나노복합재는 용액 주조법을 통하여 제조되었으며 그래핀은 기능화된 파이렌과의 비공유 결합법을 통하여 개질된 것을 사용하였다. 그래핀은 큰 aspect ratio를 가지기 때문에 수분 또는 기체의 투과경로를 크게 늘리는 역할을 하며 고분자 매트릭스 내 분산성이 고를 경우 복합재의 내투과성을 더욱 크게 향상 시키는 역할을 한다. 매트릭스 내 그래핀의 응집을 막기 위하여 그래핀과 파이렌의 π-π 결합을 통해 그래핀을 개질 하였다. 기능화된 파이렌은 그래핀의 표면에 흡착되어 그래핀의 박리를 도울 뿐만 아니라 매트릭스와의 계면친화성을 향상시켜 분산성을 향상시키고 하중 전달 (load transfer)을 효과적으로 하는 역할을 한다. 파이렌의 말단 부분에 존재하는 작용 그룹에 따라 그래핀의 개질에 영향을 미치며 이는 매트릭스와의 계면친화성뿐만 아니라 결과적으로 복합재의 내투과성에 영향을 미치게 된다. 1-aminopyrene (Apy)의 경우, 그래핀의 구조와 같은 pyrenyl 그룹을 가지며 아민 그룹을 동시에 가지고 있어 폴리케톤 매트릭스 내에서 그래핀의 분산성을 크게 향상시킬 수 있다. 이는 극성 아민 그룹과 폴리케톤의 카르보닐 그룹의 수소결합에 기인한다. 이와 같은 거동은 동적 기계분석기 (DMA)에서 Tg 값의 상승을 통해서도 확인할 수 있다. 결과적으로 2 wt%의 그래핀 함량의 PK/GNP/Apy는 PK/GNP/Py 보다 20 % 낮은 수치를 보였으며 PK/GNP 보다 57 % 낮은 수치를 보인 것을 확인 하였다. 또한 PK/GNP/Apy 복합재에서 향상된 영탄성율, 인장강도, 파단신율을 확인 하였으며 1 wt%의 최적함량을 확인하였다.