Dispersion of Carbon Nanotubes in Polymer Matrix by Modification and Processing Condition
- 주제(키워드) Carbon nanotube , melt mixing , nanocomposites
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이재욱
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 8
- 학위명 석사
- 학과 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045549
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
초록/요약
Carbon nanotubes (CNT) have been shown to be attractive filler for increasing mechanical properties and the electrical conductivity of polymers at relatively low CNT contents. However, the potential of using nanotuebs as polymer composites reinforcements has not been recognized mainly because of the difficulties in achievement of desirable nanostructure in the composites. For the effective role of nanotubes in the polymer matrix, dispersion property becomes important, since nanotubes tend to remain as entangled agglomerates. Here, we used surface modification of CNT and high intensity ultrasound during melt processing and found optimum condition by using large ratio extruder length to diameter. By combining high intensity ultrasound which causes chain scission of polycarbonate molecules and modified CNTs having double bonds at its ends, it was expected that radical species of polymers and nanotubes are generated. It would provide an important basis for the adhesion improvement mainly promoted by their mutual coupling. Formation of the Polycarbonate/CNTs composites improved in rheological properties and mechanical properties with increase pristine MWNT and modified MWNT loading owing to MWNTs has superior properties. In addition, uniform dispersed nanocomposites were developed by establishing optimum condition in melt extrusion without the addition of any solvents or additives. In this study, we use larger ratio extruder length to diameter than those of existing extruder. The results of this study demonstrated that mechanical, electrical properties and crystallization efficiency of nanocomposites mixed with optimum condition large ratio extruder length to diameter are more improved than nanocomposites mixed with the other condition. And also, we confirmed uniformly dispersed CNT in polypropylene matrix and successfully manufactured polypropyrene/CNT nanocompostie. It is suggested that optimum processing condition and large extruder length to diameter system can provide an effective route to diperse MWNT in polymer matrix during melt processing. Thus, preparation of nanocomposites by modification and sonication process is distinguished method to obtain well-dispersed MWNTs and give a better performance. And it was possible to provide diversity of industrial application since binding mechanism between polymer and vinyl-terminated MWNTs is applicable to other polymer system. And also, applying optimum condition to melting process present possibility of product improvement and cost reduction.
more초록/요약
탄소나노튜브는 우수한 전기적, 기계적 물성과 탄성률을 가지고 있어 고분자 복합재료에서 이상적인 충진제가 된다. 탄소나노튜브가 가지는 우수한 물성은 나노튜브가 독립적으로 분리되어 있을 때 가장 효과적으로 기여할 수 있으므로 탄소나노튜브가 갖는 고유의 응집현상은 복합체를 형성하는데 문제가 되고 있다. 본 실험에서는 분자내에 탄소나노튜브의 미세구조 제어를 통하여 고분자와 탄소나노튜브 복합체의 물리적 특성 제어하고 향상시키기 위해 탄소나노튜브의 표면처리와 초음파 공정이 미치는 영향과 용융혼련 공정상에서 최적공정조건을 수립하였다. 나노튜브의 표면처리는 공유결합과 비공유결합을 유도하는 방법이 있으며, 공유결합에 의한 방법이 나노튜브의 분산에 좀 더 효과적임은 입증된 바 있다. 탄소나노튜브 표면과 말단에 이중결합을 갖고 있는 기능기간의 공유결합을 도입한 후 고분자와 용융혼련공정을 거쳐 복합체를 제조하였다. 특히, 표면처리된 탄소나노튜브를 고분자 수지에 분산시키는데 있어 고강도 초음파를 사용하였다. 초음파는 화학 반응과 합성 등 많은 공정에서 사용되고 있으며, 나노복합체 제조에서 분산에 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 다중벽 탄소나노튜브 표면에 이중결합을 가진 화학 물질로 표면처리한 후 용융혼련과정 중 초음파를 가진 했을 때, 폴리카보네이트에 macroradical이 생성되는 반응과 이것이 탄소나노튜브 표면의 이중결합과 반응하여 폴리카보네이트와 탄소나노튜브간의 우수한 접촉상을 얻을 수 있었다. 이 결과물을 유변 물성 측정 장치와 열 분석장치를 통하여 물성이 크게 증가됨을 확인하였으며, 기계적 물성 또한 증가하는 결과를 얻었다. 이와 더불어, 기존 공정에서 분산성을 확보하기 위해 사용해온 표면처리 과정이나 첨가제 없이 최적 공정 조건을 수립한 용융혼련공정만으로 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 나노복합체를 성공적으로 제조하였다. 본 연구에서는 기존의 압출기에 비해 2~5배 큰 L/D를 갖는 압출기를 이용하여 폴리프로필렌/탄소나노튜브의 나노복합체를 제조하였으며, 이 공정에서 공정조건이 복합체 제조에 미치는 영향을 규명하였다. 그 결과, L/D가 큰 압출 공정에 의해 기존의 압출시스템보다 물리적으로 향상된 폴리프로필렌/탄소나노튜브 복합체를 얻을 수 있었으며, 최적 공정조건이 고분자 수지내의 탄소나노튜브의 분산 효과를 더욱 향상시키는 것을 확인하였다. 탄소나노튜브의 균일한 분산상이 복합체 물성에 미치는 영향을 유변 물성 측정 장치와 열 분석장치를 통해 물성의 향상으로 확인하였으며, 기계적 물성 또한 향상되는 결과를 얻었다. 또한 모폴로지 측정을 통해 균일성 향상을 가시적으로 확인하였다. 결국 기존의 분산 시스템과 차별화된 신 공정을 적용하여 새로운 형태의 나노복합재료를 제조하는 기술은 소량의 탄소나노튜브만으로 나노튜브를 균일하게 분산시켜 물리적 특성을 향상시킬 수 있으며 나노튜브와 고분자 간의 결합 메커니즘은 폴리카보네이트 뿐만 아니라 다른 고분자 복합체 제조에도 적용할 수 있는 시스템이므로 산업적 응용의 다양성을 제공 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 분산성이 확보된 최적공정 조건을 수립하면 생산과 응용 가능성을 상당히 넓힐 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로 품질 개선 및 원가 절감의 가능성을 제시 할 수 있다.
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