탄소나노튜브의 공유관능화가 폴리페닐렌설파이드 복합재료의 열적 특성 및 비등온 결정화 거동에 미치는 영향

Abstract

본 연구에서는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 중 하나인 폴리페닐렌설파이드 (PPS)에 높은 열적 특성을 가지는 탄소나노튜브 및 질화알루미늄을 보강재로 이용하여 열전도성 고분자 복합재료를 제조하고 그 특성을 평가하였다. 탄소나노튜브 (MWCNTs)에 산, 과산화수소 및 실란커플링제의 화학적 처리를 통해 공유관능화를 실시하였고, 공유관능화 된 탄소나노튜브의 형태학적 변화는 라만 분광학 및 FE-SEM 이미지를 통해 관찰하였다. 탄소나노튜브 표면에 도입된 작용기에 대해 FT-IR와 XPS를 통해 정성 및 정량분석 하였고, 이를 통해 화학적 처리에 따른 탄소나노튜브의 공유관능화가 잘 이루어졌음을 확인하였다. 공유관능화 한 탄소나노튜브와 폴리페닐렌설파이드를 용융 블렌드 방법을 통해 폴리페닐렌설파이드/탄소나노튜브 복합재료를 제조하였다. 공유관능화에 따른 폴리페닐렌설파이드 매트릭스 위에서의 탄소나노튜브의 분산도의 향상을 FE-SEM을 통해 확인하였다. 분산도 향상에 따라 열전도도, 열적 안정성 및 녹는점 등과 같은 열적 특성이 향상되었다. 또한, 냉각속도에 따른 비등온 결정화 거동을 Modified Avrami 식, Avrami-Ozawa 식 및 Kissinger 식과 같은 동력학 모델에 적용하여 탄소나노튜브의 공유관능화에 따른 폴리페닐렌설파이드/탄소나노튜브 복합재료의 비등온 결정화 거동을 분석해본 결과, 탄소나노튜브의 공유관능화가 결정핵 생성 메커니즘에는 영향을 미치지 않지만, 관능기 도입에 따라 핵 생성 위치인 sp2 혼성 구조의 감소로 결정화가 느리게 일어나는 것을 확인하였다. 질화알루미늄 (AlN)은 세라믹 보강재 중 우수한 열적 특성을 가지는 비산화계 세라믹 물질로, 탄소나노튜브와 반응할 수 있는 관능기를 부여하기 위해 실란 커플링제로 표면 개질을 실시하였다. 질화알루미늄의 표면개질은 FT-IR와 XPS를 이용하여 정성 및 정량적으로 확인하였으며, 탄소나노튜브와 질화알루미늄 간 그래프팅 반응이 잘 이루어졌는지 UV-Vis와 FE-SEM을 이용하여 확인하였다. 탄소나노튜브와 질화알루미늄의 그래프팅에 따른 분산도 변화를 FE-SEM을 통해 확인한 결과 그래프팅 시킨 경우 질화알루미늄 입자가 응집 없이 균일하게 분산된 것을 확인하였다. 분산도 향상에 따라 열전도도, 열적 안정성 및 녹는점과 같은 열적 특성이 향상되었다. 마찬가지로 동력학 모델에 적용하여 비등온 결정화 거동을 분석해본 결과 탄소나노튜브와 질화알루미늄 간 그래프팅이 폴리페닐렌설파이드 결정핵 생성 메커니즘에는 영향을 미치지 않지만, 결정화 속도 차원에서는 PPSHP1AlN은 질화알루미늄 함량이 증가할수록 구형으로 응집되어 결정핵이 생성될 수 있는 표면적이 감소되어 결정화가 느리게 나타나며, PPSHP1sAlN은 탄소나노튜브 표면에 폴리페닐렌설파이드 결정핵이 생성될 수 있는 위치를 감소시키기 때문에 결정화 속도가 더욱 감소하였다.