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The Study on Development of Composites for Higher Barrier Properties and Interfacial Phenomena
고차단성 부여를 위한 고분자 복합재료 개발 및 계면 현상에 대한 연구

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Authors
김호연
Advisor
서용석
Issue Date
2019-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Compositeselectromagnetic shieldingX-ray shieldinggamma-ray shieldinginterfacial adhesionfracture mechanismmultilayered structuremagnetorheological fluid
Description
학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 재료공학부,2019. 8. 서용석.
Abstract
Composite materials are multiphase materials obtained through the artificial combination of different materials in order to attain properties that the individual components by themselves cannot attain. Composite materials can be tailored for various properties by appropriately choosing their components, their proportions, their distributions, their morphologies, their degrees of crystallinity, their crystallographic textures, as well as the structure and composition of the interface between components. Due to this strong tailorability, composite materials can be designed to satisfy the needs of technologies relating to the aerospace, automobile, electronics, construction, energy, biomedical and other industries.
The functional properties were given by the filler selection of the composite materials. Among them, the barrier (blocking) properties is an important in various industrial field and daily life. The barrier materials that protect people or objects from external sources protect the health of human body or allow to the product to operate properly. The most common barrier elements are moisture, various gases, etc. Furthermore, various external irradiations such as electromagnetic waves and radiation is an external source to be shielded.
In this study, composite materials with various barrier properties were fabricated by using light weight and ease of processing of polymer composite materials. The external sources focused on this experiment were ionizing radiation, microwaves, water vapor, and external force. In the case of radiation shielding composite materials, composites were made using bismuth, tin alloys and tungsten instead of lead. The multilayer structure was laminated to analyze radiation shielding characteristics. Through this process, X-ray and gamma ray could be effectively shielded. In addition, for the shielding of electromagnetic waves, a combination of carbon nanotubes and Sendust alloys made composite materials which are lighter than conventional shielding materials but have higher blocking efficiency. We have confirmed through various analysis that the change in electrical properties caused by the combination of the two materials is the cause of such improvement.
The study of bonding behaviors at the polymer interface has been carried out as a basic study for forming composite materials with various barrier properties into one multi-layer material. Adhesion between polymers that do not mix with each other is generally very weak. In order to overcome this problem, the adhesion between polymers was improved by adding in-situ compatibilizer or surface modification. In the process, we confirmed that the adhesive force varies with temperature and time and analyzed the cause of this behavior through additional mass analysis and surface analysis, suggesting a behavior that can reasonably understand the adhesion between polymers. In addition, the surface modification technique was used to improve the adhesion between composites and the metal oxide film. As a result, the laminates with high water vapor barrier properties were prepared.
Finally, a study on the magnetorheological fluid was carried out with the force interrupter. In order to improve the sedimentation stability of the MRF, a magnetic material coated carbon nanotubes was synthesized and succeeded in obtaining high sedimentation stability.
복합재료는 다른 형태의 재료를 조합하여 만든 multiphase 재료라고 볼 수 있다. 복합재료는 구성물질 각각의 특성으로부터 얻을 수 없는 여러 가지 다양한 성질은 갖는 특징이 있다. 복합재료의 조성, 분산, 형태, 결정화도, 결정구도 그리고 계면에서의 구조 등의 변화를 통해 성질을 조절할 수 있다. 이런 뛰어난 가공성형성(개질성) 때문에 복합재료는 항공, 자동차, 전자, 건설, 에너지, 생명과학 및 다른 여러 산업 분야에서 요구되는 특징을 만족시키기 위해 사용되고 있다. 복합재료의 필러 선택에 따라서 부여되는 특징 중 차단 특성은 여러 가지 산업분야 및 일상생활에서 중요한 요소다. 사람이나 물체를 외부로부터 보호하는 차폐재료는 인체를 상해로부터 지키거나, 제품이 올바르게 작동하도록 한다. 가장 일반적인 차단 요소는 수분이나 기체 등이 있으며, 또한 전자파, 방사선 등 강한 에너지를 같는 복사선도 차단해야 할 외부 요인 중 하나이다.
본 연구에서는 고분자 복합재료가 갖는 경량성, 가공용이성 등을 활용하여 다양한 차단성을 갖는 복합재료를 제조하였다. 이 연구에서는 외부차폐요소로서 이온화 방사선, 마이크로파, 수증기 및 외력에 초점을 두고 진행하였다. 방사선 차폐 복합재료의 경우, 납을 대신하여 비스무트, 주석 합금과 텅스텐을 사용하여 복합재료를 만들었다. 또한 이를 적층 하여 다층구조로 형성하여 방사선 차폐 특성을 분석하였다. 이러한 과정을 통해 엑스선과 감마선을 효율적으로 차폐할 수 있었다.
또한 전자파 차폐를 위해 유전물질인 탄소나노튜브와 자성물질인 센더스트 합금을 조합을 통해 기존 차폐재료보다 가벼우면서도 더 높은 차단효율을 갖는 복합재료를 제조하였다. 두 재료의 조합을 통해 발생하는 전기적 특성의 변화가 이러한 향상의 원인임을 여러 가지 분석방법을 통해 확인하였다.
추가적으로, 여러 가지 차단 특성을 갖는 복합재료를 하나의 다층재료로 성형하기 위한 기초 연구로 고분자 계면에서의 접착 거동에 대한 연구를 진행하였다. 서로 섞이지 않는 고분자 간의 접착력을 일반적으로 매우 낮다. 이를 극복하기 위해 in-situ 상용화제를 첨가하거나 표면처리를 진행함으로써 고분자 간의 접착력을 향상시킬 수 있었다. 그 과정에서 접착력이 온도와 시간에 따라 변화하는 것을 확인하였으며, 추가적인 질량분석 및 표면분석을 통해 이러한 거동이 발생하는 원인 분석하여, 고분자 간의 접착을 합리적으로 이해할 수 있는 거동을 제시하였다. 또한, 표면처리 기술을 도입해 고분자 복합체와 금속산화물 필름 간의 접착력을 향상시켰다. 이를 통해, 높은 수증기 차폐 특성을 갖는 라미네이트를 제작할 수 있었다.
마지막으로 동력 차단 재료로 자기응답성유체에 관한 연구를 진행하였다. 그 중에서도 자기응답성 유체의 침전 안정성을 개선하기 위해 탄소나노튜브에 자성물질을 코팅한 물질을 합성하고 이를 이용해 높은 안정성을 얻는데 성공하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/161971

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000156449
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Materials Science and Engineering (재료공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._재료공학부)
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