KR101181791B1 - Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite - Google Patents

Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite Download PDF

Info

Publication number
KR101181791B1
KR101181791B1 KR1020100046911A KR20100046911A KR101181791B1 KR 101181791 B1 KR101181791 B1 KR 101181791B1 KR 1020100046911 A KR1020100046911 A KR 1020100046911A KR 20100046911 A KR20100046911 A KR 20100046911A KR 101181791 B1 KR101181791 B1 KR 101181791B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
epoxy
silanized
cnt
composite material
Prior art date
Application number
KR1020100046911A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20110127433A (en
Inventor
이지훈
이경엽
Original Assignee
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경희대학교 산학협력단 filed Critical 경희대학교 산학협력단
Priority to KR1020100046911A priority Critical patent/KR101181791B1/en
Publication of KR20110127433A publication Critical patent/KR20110127433A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101181791B1 publication Critical patent/KR101181791B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • C08J5/0405Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/12Layered products comprising a layer of synthetic resin next to a fibrous or filamentary layer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/041Carbon nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/02Fibres or whiskers
    • C08K7/04Fibres or whiskers inorganic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L63/00Compositions of epoxy resins; Compositions of derivatives of epoxy resins
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2363/00Characterised by the use of epoxy resins; Derivatives of epoxy resins
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00Specific properties of additives
    • C08K2201/011Nanostructured additives

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 실란화하여 제조하며 물리적 특성이 우수한 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재에 관한 것이다.
본 발명에 따라 실란화 탄소나노튜브를 사용하여 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조하면, 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성이 우수한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있다.
The present invention relates to a carbon / silanized carbon nanotube / epoxy three-phase composite material prepared by silanizing carbon nanotubes and having excellent physical properties.
According to the present invention, when the carbon / carbon nanotube / epoxy three-phase composite material is prepared using silanized carbon nanotubes, a carbon / carbon nanotube / epoxy three-phase composite material having excellent mechanical properties, temperature characteristics, and electrical properties is prepared. can do.

Description

탄소, 실란화 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재{Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite}Carbon, silanized carbon nanotubes and epoxy three-phase composites

본 발명은 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시로 이루어진 복합소재에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 탄소나노튜브를 실란화하여 제조하며 물리적 특성이 우수한 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재에 관한 것이다.The present invention relates to a composite material consisting of carbon, carbon nanotubes and epoxy, and more particularly, to a carbon / silanated carbon nanotube / epoxy three-phase composite material prepared by silanizing carbon nanotubes and having excellent physical properties. .

탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)는 우수한 기계적, 열적 및 전기적 특성을 갖고 있으며, 폴리머 메트릭스의 보강재로 널리 사용되고 있다. 탄소/CNT/폴리머 소재가 탄소/폴리머 소재보다 물질 특성이 좋기 때문에, 최근 들어 CNT로 보강된 탄소/폴리머 하이브리드 소재가 주목받고 있고, 이러한 이유로 최근에서야 몇몇 탄소/CNT/폴리머 소재에 대한 연구가 진행되고 있다.Carbon nanotubes (CNT) have excellent mechanical, thermal and electrical properties and are widely used as reinforcements for polymer matrices. Since carbon / CNT / polymer materials have better material properties than carbon / polymer materials, recently, carbon / polymer hybrid materials reinforced with CNT have attracted attention, and for this reason, some studies on carbon / CNT / polymer materials have recently been conducted. It is becoming.

지금까지 조사된 연구 결과를 살펴보면, Abot 등의 연구자들은 CNT와 탄소 직물이 적층된 소재(NRLC)를 제조하였고, 이 소재가 탄소 섬유 적층 소재(LC)보다 전단강도(shear strength)가 높다는 것을 확인하였으며, Yokozeki 등의 연구자들은 cup-stacked 탄소나노튜브(CSCNT)가 보강된 탄소/에폭시 적층재의 물질 특성을 연구한 결과, 강성도(stiffness), 강도(strength) 및 제I형, 제II형 적층 파괴 인성(interlaminar fracture toughness)이 CSCNT가 포함되지 않은 기존 탄소/에폭시 소재에 비해 개선된 것을 확인하였다. 또한, Cho 등의 연구자들은 탄소 섬유/에폭시 소재에 흑연 나노분자를 분산시켰을 때 탄소/에폭시 소재의 압축력(compressive strength)과 평면내 전단강도(in-plane shear property)가 증가한다는 것을 확인하였다.The results of the investigation so far investigated, Abot et al. Produced a material (NRLC) laminated with CNT and carbon fabric, and found that the material has a higher shear strength than carbon fiber laminated material (LC). Researchers at Yokozeki et al. Studied the material properties of cup-stacked carbon nanotube (CSCNT) reinforced carbon / epoxy laminates and found that stiffness, strength, and type I and type II stacking failures. It was found that the toughness (interlaminar fracture toughness) was improved compared to the existing carbon / epoxy material without CSCNT. In addition, Cho et al. Have found that the compressive strength and in-plane shear property of carbon / epoxy materials increase when the graphite nanomolecules are dispersed in the carbon fiber / epoxy material.

CNT 보강 소재의 제조에서 가장 큰 문제는 CNT의 응집현상과 CNT와 메트릭스 사이의 계면 결합이 약하다는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 CNT를 균일하게 분산시키기 위한 방법과 폴리머 메트릭스에서 계면결합을 강화하기 위한 효과적인 방법을 연구해왔다.
The biggest problem in the fabrication of CNT reinforcing materials is that the cohesion of CNTs and the interfacial bonds between CNTs and the matrix are weak. To address this problem, many researchers have studied how to uniformly disperse CNTs and effective ways to enhance interfacial bonds in polymer matrices.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하여 물리적 특성이 높은 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재를 제조하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 탄소나노튜브를 실란화하여 3상의 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재를 제조할 경우, 기존에 비해 기계적, 열적 및 전기적 특성이 향상된 복합소재를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
Accordingly, the present inventors have diligently solved the above problems to produce a carbon / carbon nanotube / epoxy composite material with high physical properties, and as a result, by silanizing carbon nanotubes, three-phase carbon / carbon nanotube / epoxy When manufacturing a composite material, it was confirmed that the composite can be improved in mechanical, thermal and electrical properties compared to the existing and completed the present invention.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 물리적 특성이 향상된 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
Therefore, the main object of the present invention is to provide a carbon / carbon nanotube / epoxy three-phase composite material and its manufacturing method with improved physical properties.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 실란화한 탄소나노튜브가 포함된 에폭시 수지가 탄소 섬유에 분산 및 경화되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재를 제공한다.According to one aspect of the invention, the present invention provides a carbon, carbon nanotubes and epoxy three-phase composite material characterized in that the epoxy resin containing the silanized carbon nanotubes is dispersed and cured in the carbon fiber.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 실란화한 탄소나노튜브가 혼합된 에폭시 수지를 탄소 섬유에 함침하고 경화하는 것을 특징으로 하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing carbon, carbon nanotubes and epoxy three-phase composite material, characterized in that the carbon fiber impregnated and cured epoxy resin mixed with silanized carbon nanotubes do.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 a) 탄소나노튜브를 산화하여 산화 탄소나노튜브를 제조하는 단계; b) 상기 산화 탄소나노튜브를 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 및 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 군 중에서 선택된 실란화 유도체로 실란화하여 실란화 탄소나노튜브를 제조하는 단계; c) 에폭시 수지, 경화제 및 상기 실란화 탄소나노튜브를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; d) 탄소 섬유에 상기 혼합물을 함침하고 경화하는 단계를 포함하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the invention, the present invention comprises the steps of: a) preparing carbon nanotubes by oxidizing carbon nanotubes; b) silanizing the carbon oxide oxide with a silanated derivative selected from the group consisting of 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and 3-isocyanatopropyltrimethoxysilane Preparing silanated carbon nanotubes; c) mixing an epoxy resin, a curing agent and the silanized carbon nanotubes to prepare a mixture; d) It provides a method for producing carbon, carbon nanotubes and epoxy three-phase composite material comprising the step of impregnating and curing the mixture to the carbon fiber.

본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 a)단계를 수행하기 위해 탄소나노튜브를 40 내지 60℃의 산 용액에 분산시키고 10 내지 30시간 동안 환류시킨 다음, 산 용액이 pH 6 내지 7이 될 때까지 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.In the carbon, carbon nanotube and epoxy three-phase composite material manufacturing method of the present invention, in order to perform step a), the carbon nanotubes are dispersed in an acid solution of 40 to 60 ℃ and refluxed for 10 to 30 hours It is preferable to use the method of filtering with water and acetone until the acid solution reaches pH 6-7, and drying at 70-90 degreeC for 10 to 14 hours.

본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 b)단계를 수행하기 위해 90 내지 99%(v/v)의 에탄올 및 1 내지 3%(v/v)의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 포함하는 용액에 상기 산화 탄소나노튜브를 분산시키고 60 내지 80℃에서 3 내지 5시간 동안 교반한 다음, 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.In the carbon, carbon nanotube and epoxy three-phase composite material manufacturing method of the present invention, 90 to 99% (v / v) of ethanol and 1 to 3% (v / v) to perform step b) The carbon nanotubes were dispersed in a solution containing 3-aminopropyltriethoxysilane and stirred at 60 to 80 ° C. for 3 to 5 hours, then filtered through water and acetone, and 10 to 14 at 70 to 90 ° C. Preference is given to using a method of time drying.

본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 c)단계를 수행하기 위해 에폭시 수지와 경화제를 1:1 내지 3:1의 비율(v/v)로 혼합하고, 상기 실란화 탄소나노튜브를 1%(w/v) 첨가하여 혼합하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.In the carbon, carbon nanotube and epoxy three-phase composite material manufacturing method of the present invention, in order to perform the step c), the epoxy resin and the curing agent are mixed in a ratio of 1: 1 to 3: 1 (v / v) It is preferable to use a method of adding and mixing 1% (w / v) of the silanized carbon nanotubes.

본 발명의 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법에 있어서, 상기 d)단계를 수행하기 위해 탄소 섬유 및 상기 혼합물을 적층하고 2 내지 4kgf/㎠의 압력으로 120 내지 140℃에서 1 내지 3시간 동안 경화하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
In the carbon, carbon nanotube and epoxy three-phase composite material manufacturing method of the present invention, in order to perform the step d), the carbon fiber and the mixture is laminated and 1 to 120 to 140 ℃ at a pressure of 2 to 4kgf / ㎠ Preference is given to using a method of curing for from 3 hours.

이하, 본 발명의 탄소, 탄소나노튜브(이하, CNT라고 한다) 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the carbon, carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT) and epoxy three-phase composite materials of the present invention will be described in more detail step by step.

본 발명은 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재에서 CNT를 실란화하여 복합소재의 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성을 높이는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized by increasing the mechanical, temperature and electrical properties of the composite material by silanizing the CNT in the carbon / CNT / epoxy three-phase composite material.

본 발명의 복합소재 제조를 위한 일실시예의 과정으로는 크게 산화 CNT 제조 단계, 실란화 CNT 제조 단계, 실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물 제조 단계, 탄소 섬유 함침 및 경화 단계가 있다.One embodiment of the present invention for producing a composite material of the present invention is largely a step for producing an oxide CNT, a step for producing a silanized CNT, a step for preparing a silanized CNT / epoxy / curing agent mixture, impregnating and curing the carbon fiber.

산화 CNT 제조 단계는 CNT를 산화하여 이후 실란화 단계에서 CNT에 실란기가 형성될 수 있도록 하기 위한 전처리 단계라고 할 수 있다. 이 단계에서는 CNT를 산 용액에 분산시켜 산화반응이 일어나도록 하고, 충분히 산화되었을 때 CNT를 세척 및 중화시키는 과정을 거친다. 이 때 산 용액은 질산과 황산의 혼합용액을 사용하는 것이 바람직하며, 질산과 황산의 비율은 2:3인 것이 더욱 바람직하고, 여과를 통해 CNT와 산 용액을 분리한 다음, CNT에 잔류하는 산 용액을 물로 충분히 세척하고 아세톤을 이용하여 중화시킬 필요가 있다. 또한, 건조를 통해 CNT에 잔존하는 물기를 충분히 제거할 필요가 있다. 이러한 과정을 거치는 것이 이후 실란화 단계에서 불필요한 반응을 줄이기 위해 바람직하다.Oxidation CNT manufacturing step may be referred to as a pre-treatment step to oxidize the CNT so that the silane group can be formed in the CNT in the subsequent silanization step. In this step, the CNTs are dispersed in an acid solution to cause an oxidation reaction, and when sufficiently oxidized, the CNTs are washed and neutralized. In this case, the acid solution is preferably a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid, the ratio of nitric acid and sulfuric acid is more preferably 2: 3, the CNT and the acid solution is separated by filtration, the acid remaining in the CNT The solution needs to be washed sufficiently with water and neutralized with acetone. In addition, it is necessary to sufficiently remove the water remaining in the CNT through drying. It is desirable to go through this process in order to reduce unnecessary reactions in subsequent silanization steps.

실란화 CNT 제조 단계는 산화된 CNT를 실란 유도체로 실란화하는 단계이다. 실란 유도체로는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane), 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glycidoxypropyltrimethoxysilane) 및 3-이소시아네이토프로필트리메톡시실란(3-isocyanatopropyltriethoxysilane)을 사용할 수 있고, 이중에서도 3-아미노프로필트리에톡시실란을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 산화 단계와 같이 실란화 반응을 유도한 다음, 여과하여 CNT와 실란 유도체 용액을 분리하고, 물과 아세톤으로 충분히 세척 및 중화하는 과정이 필요하며, 이후 건조 과정을 거쳐 CNT에 잔존하는 물기를 제거할 필요가 있다. 실란 유도체 용액을 제조할 때에는 순도가 높은 에탄올을 사용하는 것이 좋다.The silanized CNT preparation step is to silanize the oxidized CNT with a silane derivative. Silane derivatives include 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, and 3-isocyanatopropyltriethoxysilane. Among them, it is preferable to use 3-aminopropyltriethoxysilane among them, induce silanization reaction as in the oxidation step, and then filter to separate the CNT and silane derivative solution, and with water and acetone. It is necessary to sufficiently wash and neutralize the process, and then to remove water remaining in the CNT through a drying process. When preparing a silane derivative solution, it is preferable to use high purity ethanol.

실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물 제조 단계는 에폭시 수지와 경화제를 혼합하고, 상기 실란화 CNT를 첨가하여 혼합하는 단계로, 실란화 CNT를 약 1%(v/v) 정도의 농도가 되도록 하는 것이 바람직하며, 에폭시 수지 내에 실란화 CNT가 골고루 분포할 수 있도록 충분히 교반하는 것이 바람직하다.The preparing of the silanized CNT / epoxy / curing agent mixture is a step of mixing the epoxy resin and the curing agent and adding and mixing the silanized CNT, so that the concentration of the silanized CNT is about 1% (v / v). It is preferable to stir sufficiently so that the silanized CNTs can be evenly distributed in the epoxy resin.

마지막으로 탄소 섬유 함침 및 경화 단계는 실란화 CNT/에폭시/경화제 혼합물에 탄소 섬유를 함침하여 탄소 섬유 내에 혼합물이 잘 침투되도록 하고 에폭시가 경화되도록 하여 탄소 섬유에 실란화 CNT 및 에폭시가 잘 분포되어 결합될 수 있도록 하는 단계이다. 이때에는 진공을 걸어 CNT와 에폭시 수지가 탄소 섬유의 내부까지 골고루 분포하도록 하는 것이 바람직하며, 압력을 가하여 가열하면 에폭시 수지가 경화되어 본 발명의 탄소/실란화 CNT/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있게 된다.Finally, the carbon fiber impregnation and curing step impregnates the silanized CNT / epoxy / curing agent mixture with carbon fiber to allow the mixture to penetrate well into the carbon fiber and to cure the epoxy so that the silanized CNT and epoxy are well distributed and bonded to the carbon fiber. It is a step to make it possible. In this case, it is preferable to apply a vacuum to distribute the CNT and the epoxy resin evenly to the inside of the carbon fiber, and when heated under pressure, the epoxy resin is cured to prepare the carbon / silanated CNT / epoxy three-phase composite material of the present invention. It becomes possible.

본 발명자들은 상기와 같은 방법으로 복합소재를 제조한 다음, 제조된 복합소재의 물리적인 특성 및 전기적인 특성을 조사하였다. 이때에는 본 발명의 실란화 복합소재와 함께 별도의 표면처리를 수행하지 않은 CNT를 사용하여 제조한 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재 및 산화한 CNT를 사용하여 제조한 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재를 대상으로 하였다.The present inventors prepared the composite material in the same manner as above, and then investigated the physical and electrical properties of the composite material. In this case, the carbon / CNT / epoxy three-phase composite material prepared using CNT and the oxidized CNT prepared using CNT without any surface treatment together with the silanized composite material of the present invention. Composite materials were used.

먼저, 표면처리(미처리, 산화처리, 실란화처리)한 CNT를 퓨리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼으로 분석하였다(도 2 참조).First, CNTs surface-treated (untreated, oxidized, silanized) were analyzed by Fourier transform infrared (FTIR) spectra (see FIG. 2).

미처리한 CNT(도 2의 a 참조)는 3440㎝-1과 1048㎝-1에서 피크가 확인되었다. 이는 CNT의 표면이 세척 과정 중에 산화되거나 공기 중의 수분의 존재로 인해 형성되었을 것으로 생각되는 히드록실기(-OH)의 피크이다. 산화처리한 CNT(도 2의 b 참조)의 경우, 1716㎝-1에서 C=O, 1162㎝-1에서 C-O 피크가 확인되어 카르복실 그룹(-COOH)이 존재한다는 것을 확인하였다. 3440㎝-1의 피크는 표면의 OH 그룹을 나타내고, 1384㎝-1의 피크는 -COOH의 굴절된 OH에 따른 것이다. 이러한 결과는 CNT가 산화되었고, -OH 및 -COOH 그룹이 형성되었다는 것을 의미한다. 실란화된 CNT의 스펙트럼(도 2의 c 참조)에서 1070cm-1의 특징적인 흡수 피크는 Si-O의 진동에 의해 나타난 것이고, 803cm-1의 피크는 Si-OH로부터 나타난 것으로, 산화된 CNT와 3-아미노프로필트리에톡시실란이 반응한 것을 증명한다.Untreated CNTs (see a in FIG. 2) showed peaks at 3440 cm −1 and 1048 cm −1 . This is the peak of the hydroxyl group (-OH), which is believed to have formed on the surface of the CNTs during the cleaning process or due to the presence of moisture in the air. In the case of (see Fig. 2 b) the oxidation-treated CNT, in 1716㎝ -1 from C = O, 1162㎝ -1 CO peak is confirmed it was confirmed that the carboxyl group (-COOH) are present. Of 3440㎝ -1 peak represents the OH group on the surface, the 1384㎝ -1 peaks are in accordance with the refractive OH of -COOH. This result means that the CNTs were oxidized and -OH and -COOH groups were formed. The characteristic absorption peak of 1070 cm -1 in the spectrum of silanized CNTs (see c in FIG. 2) is shown by the vibration of Si-O, and the peak of 803 cm -1 is from Si-OH, with oxidized CNTs Prove that 3-aminopropyltriethoxysilane reacted.

다음으로, 각 복합소재의 인장강도 특성을 비교하였다.Next, the tensile strength characteristics of each composite material was compared.

응력-변형도 곡선(stress-strain curve)으로부터 탄성률과 인장강도를 결정하였다. 도 3은 미처리, 산화처리 및 실란처리된 CNT를 사용한 탄소/CNT/에폭시 소재의 특정 인장강도 응력-변형도 곡선을 나타내며, 도 3에 나타난 바와 같이, 인장 응력은 초기 단계에 변형도에 따라 선형으로 증가하였고, 모든 소재에서 비선형적인 특징이 발견되었다. 모든 소재가 CNT의 표면 변화에 관계없이 취성 인장 특성을 나타내었지만, 파면 변형은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 순서대로 감소하였다. 또한, 각 소재의 탄성률을 응력-변형도 곡선의 선형 부분에서 경사도를 측정하여 결정하였다. 도 4는 세 가지 소재의 탄성률을 나타내며, 도 4에 나타난 바와 같이, 실란화처리 복합소재의 탄성률이 미처리 및 산화처리 CNT 소재보다 각각 34% 및 18% 더 높은 것으로 나타나, CNT의 실란화가 탄소/CNT/에폭시 소재의 탄성률을 향상시키는 것으로 나타났다. 각 소재의 인장강도를 응력 변형력 곡선의 최대 응력으로 결정하였다. 도 5는 세 가지 소재들의 인장강도를 나타낸다. 실란화처리 복합소재의 인장강도가 미처리 및 산화처리 복합소재 보다 각각 8.4%, 15.8% 더 높은 것으로 나타나, CNT의 실란화로 인해 인장강도가 향상된 것으로 나타났다.Elastic modulus and tensile strength were determined from the stress-strain curve. FIG. 3 shows a specific tensile strength stress-strain curve of a carbon / CNT / epoxy material using untreated, oxidized and silane-treated CNTs, as shown in FIG. And nonlinear features were found in all materials. All materials showed brittle tensile properties regardless of the surface change of CNTs, but the wavefront deformation decreased in the order of untreated, oxidized and silanized composites. In addition, the elastic modulus of each material was determined by measuring the slope in the linear portion of the stress-strain curve. Figure 4 shows the modulus of the three materials, as shown in Figure 4, the modulus of the silanized composite material is 34% and 18% higher than the untreated and oxidized CNT material, respectively, so that the silanization of CNT is carbon / It has been shown to improve the modulus of elasticity of CNT / epoxy materials. The tensile strength of each material was determined as the maximum stress of the stress strain curve. 5 shows the tensile strength of three materials. Tensile strength of the silanized composites was 8.4% and 15.8% higher than untreated and oxidized composites, respectively, indicating that tensile strength was improved due to silanization of CNTs.

다음으로, 각 복합소재의 파면(fracture surface) 형태를 관찰하였다.Next, the fracture surface shape of each composite material was observed.

파손 메커니즘을 조사하기 위해, 소재의 파면(fracture surface)을 SEM으로 관찰하였고, 이 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6의 a는 미처리 복합소재의 파면을 나타낸 것이고, 도 6의 b는 도 5 a의 박스 부분을 확대한 것이다. 도 6의 a와 도 6의 b에 나타나 있듯이, 대부분의 탄소 섬유는 에폭시 메트릭스로부터 분리되어 있고, CNT는 부분적으로 응집되어 있는 상태로 에폭시에 골고루 분산되어 있지 못한 것으로 나타났다. 산화처리 복합소재의 경우, 도 6의 c와 d에 나타나 있듯이, 파면이 상대적으로 깔끔하며, 미처리 복합소재에 비해 메트릭스로부터 분리된 섬유가 감소한 것으로 나타났다. 또한 CNT의 경우, 확대 이미지(화살표 부분)에서 부분적으로 메트릭스로부터 풀아웃 된(떼어진) CNT가 관찰되기는 하지만, 대체로 에폭시에 잘 분산되어 있는 것으로 나타났다. 실란화처리 복합소재의 경우(도 6의 e와 f), 탄소 섬유는 에폭시 메트릭스와 잘 결합되어 있었고, CNT 또한 에폭시에 잘 분산되어 있었으며, 산화처리 복합소재에 비해 메트릭스로부터 풀아웃 된 CNT도 감소한 것으로 나타났다. 도 7의 a, b, c는 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 파면에서 탄소 섬유의 확대 이미지를 나타낸 것이다. 미처리 복합소재의 경우, 도 7의 a에 나타난 바와 같이, CNT와 에폭시 수지 사이의 계면 결합이 부족하고 뭉치는 현상으로 인해, 섬유 표면 상 전이율이 낮아 대부분의 탄소 섬유가 CNT 및 에폭시 수지에 결합되지 않은 깨끗한 단면을 나타냈다. 반면, 산화처리 복합소재(도 7의 b)와 실란화처리 복합소재(도 7의 c)의 경우 탄소 섬유에서 상대적으로 많은 양의 CNT가 함침된 에폭시 수지가 관찰되었다. 이렇게 탄소 섬유에서 CNT/에폭시가 많이 존재하는 부분이 발견된 것은, CNT와 에폭시 수지의 계면 결합 및 분산성이 향상되어 탄소 섬유와 균등하게 분포되었기 때문일 것이다. CNT의 실란화는 CNT와 에폭시 수지의 분산성 및 계면 결합력을 증가시켰을 뿐만 아니라, 탄소 섬유의 균등한 하중전달력을 부여하였다. 이러한 현상은 결과적으로 실란화처리 복합소재가 미처리 복합소재 보다 높은 인장력을 갖게 한다.In order to investigate the failure mechanism, the fracture surface of the material was observed by SEM, and the results are shown in FIG. 6. Figure 6a shows the wavefront of the untreated composite material, Figure 6b is an enlarged box portion of Figure 5a. As shown in Figs. 6A and 6B, most of the carbon fibers were separated from the epoxy matrix, and the CNTs were not evenly dispersed in the epoxy in a partially aggregated state. In the case of the oxidation-treated composite material, as shown in c and d of FIG. 6, the wavefront is relatively clean, and the fibers separated from the matrix were reduced compared to the untreated composite material. In addition, in the case of CNTs, the CNTs partially pulled out of the matrix are observed in the enlarged image (arrow part), but are generally dispersed well in the epoxy. In the case of silanized composites (e and f in Figure 6), the carbon fibers were well bonded with the epoxy matrix, the CNTs were also well dispersed in the epoxy, and the CNTs pulled out of the matrix were also reduced compared to the oxidized composites. Appeared. 7A, 7B and 7C show enlarged images of carbon fibers at the wavefront of the untreated, oxidized and silanized composites. In the case of the untreated composite material, as shown in FIG. 7A, due to the lack of interfacial bonding between the CNT and the epoxy resin and agglomeration, the transition rate on the fiber surface is low, so that most carbon fibers are bonded to the CNT and the epoxy resin. Not showing a clean cross section. On the other hand, in the case of the oxidation-treated composite material (b of FIG. 7) and the silanized composite material (c of FIG. 7), a relatively large amount of CNT-impregnated epoxy resin was observed in the carbon fiber. The reason why a large amount of CNT / epoxy is present in the carbon fiber may be found because the interfacial bonding and dispersibility of the CNT and the epoxy resin are improved and distributed evenly with the carbon fiber. Silaneization of CNTs not only increased the dispersibility and interfacial bond between CNTs and epoxy resins, but also imparted an equal load transfer capacity of carbon fibers. This phenomenon results in the silanized composites having a higher tensile force than the untreated composites.

다음으로, 각 소재의 열적 특성을 조사하였다.Next, the thermal properties of each material were investigated.

도 8의 a 및 b는 미처리, 산화처리, 실란화처리한 복합소재의 온도 대비 저장탄성률(storage modulus)과 손실률(tan δ)의 DMA도를 나타낸 것이다. 도 8의 a에서 저장탄성률은 점차 증가하는 초기 두 기울기의 교차점으로 결정하였고, 저장탄성률의 내림세는 폴리머 사슬의 협력 운동에 의한 에너지 소실에 따른 것이다. 도 8의 a에 나타난 바와 같이, 저장탄성률은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재 순으로 점차 증가하였다. 특히, 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 저장탄성률은 유리전이영역(glass transition region)의 범위에서 각각 4770, 6654, 7049 MPa이고, 반면, 고무평탄영역(rubbery plateau region)에서는 별다른 차이가 없었다. 도 8의 b에서, 미처리 복합소재를 제외하고는 손실률(tan δ)의 피크 높이는 별다른 변화가 없었지만, 손실률(tan δ) 피크의 위치에 따라 결정되는 유리전이온도(T g)는 이전 실험에서 조사된 바와 같이, 표면 처리에 따라 점차 증가하였다. 추가로, 유리질에서 고무탄성 단계로 되어 그 성질이 변하는 샘플과 같이 폴리머를 기초로 하는 소재들의 유리전이온도는 전이점과 일치한다. 본 조사에서, 이러한 유리전이온도의 차이는 에폭시의 교차결합 반응 정도에 따른 결과이며, 실란 분자가 CNT와 함께 미처리, 산화처리 샘플보다 더 많은 공유결합을 형성하여 높은 교차결합 네트웍을 형성하기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 실란화에 따라 강력한 계면 결합 및 분산력이 CNT 주위의 에폭시 분자의 운동성을 감소시키고, 이 결과로 온도 안정성이 증가한 것으로 생각된다.8A and 8B show DMA diagrams of storage modulus and loss ratio tan δ vs. temperature of a composite material which is untreated, oxidized, and silanized. In FIG. 8A, the storage modulus was determined as the intersection of the gradually increasing initial two slopes, and the decrease in storage modulus is due to the energy dissipation due to the cooperative movement of the polymer chain. As shown in a of FIG. 8, the storage modulus gradually increased in the order of untreated, oxidized, and silanized composites. In particular, the storage modulus of untreated, oxidized, and silanized composites is 4770, 6654, and 7049 MPa, respectively, in the range of glass transition regions, whereas the rubber plateau region differs significantly. There was no. In Figure 8b, except for the untreated composite material, the peak height of the loss rate (tan δ) did not change much, but the glass transition temperature ( T g ) determined by the position of the loss rate (tan δ) peak was investigated in the previous experiment. As it was, it gradually increased with the surface treatment. In addition, the glass transition temperature of polymer-based materials, such as samples from glassy to rubberelastic, whose properties change, coincides with the transition point. In this study, this difference in glass transition temperature is a result of the degree of crosslinking reaction of epoxy, and because the silane molecule forms more covalent bonds with CNTs than in untreated and oxidized samples to form a high crosslinking network. I think. It is also believed that the strong interfacial bonds and dispersing forces with silanization reduce the mobility of the epoxy molecules around the CNTs, resulting in increased temperature stability.

다음으로, 각 소재의 전기적 특성을 조사하였다.Next, the electrical properties of each material were investigated.

탄소/CNT/에폭시 소재의 체적 저항률(volume resistivity)은 에폭시 내의 CNT와 탄소 섬유 사이에서 CNT의 변화에 따른 전기적 시너지 효과를 확인하기 위하여 실시하였다. 도 9는 미처리, 산화처리, 실란화처리한 탄소/CNT/에폭시 소재의 체적 저항률을 나타낸다. 도 9에 나타난 바와 같이, 체적 저항률은 CNT의 변화에 따라 영향을 받았다. 체적 저항률은 미처리, 산화처리, 실란화처리 복합소재의 순서대로 점차 감소하였으며, 특히, 미처리, 산화처리, 실란화처리한 복합소재의 체적 저항률 수치는 각각 2.8, 1.5, 0.6 Ω/㎝로 나타났다. 실란화처리 복합소재의 낮은 체적 저항률은 아마도 탄소 섬유 사이 CNT의 균일한 분산성에 따른 연속적인 네트웍 구조가 형성된 결과일 것으로 생각된다(도 9의 박스 부분 참조). 이의 결과로, 실란화처리 복합소재는 미처리 또는 산화처리 복합소재 보다 전도성이 좋은 네티웍 구조를 갖는다. CNT의 변화에 따른 이러한 투과 경계 성질은 이전 CNT 보강 소재에 대한 연구 결과와 일치한다.Volume resistivity of the carbon / CNT / epoxy material was performed to confirm the electrical synergistic effect of the CNT change between CNT and carbon fiber in the epoxy. 9 shows the volume resistivity of untreated, oxidized and silanized carbon / CNT / epoxy materials. As shown in Figure 9, the volume resistivity was affected by the change in CNTs. The volume resistivity decreased gradually in the order of untreated, oxidized and silanized composites. In particular, the volume resistivity values of untreated, oxidized and silanized composites were 2.8, 1.5 and 0.6 Ω / cm, respectively. The low volume resistivity of the silanized composite is probably the result of the formation of a continuous network structure with uniform dispersion of CNTs between the carbon fibers (see box section in FIG. 9). As a result of this, the silanized composite has a more conductive network structure than the untreated or oxidized composite. This permeation boundary property with CNT changes is consistent with previous studies on CNT reinforcing materials.

상기와 같은 조사결과를 종합하면, 탄소/CNT/에폭시 3상 복합소재에서 CNT의 표면 처리에 따른 인장, 온도, 전기적 특성 측면에서의 효과가 확인되었고, CNT의 실란화가 탄소/CNT/에폭시 소재의 인장 특성(탄성률 및 인장 강도)을 산화처리 복합소재 및 미처리 복합소재 보다 향상시켰다. 표면 처리는 또한 탄소/CNT/에폭시 복합소재의 열적 특성과 전기 전도율을 향상시켰다. 실란화처리 복합소재의 인장 특성, 열적 특성(저장탄성률과 손실률) 및 전기 전도율은 미처리 복합소재, 산화처리 복합소재 다음으로 우수한 것으로 나타났으며, 이는 결과적으로, 실란화처리 소재의 향상된 인장, 열적 및 전기적 특성은 탄소/에폭시 소재에서 실란화 CNT와 에폭시 사이의 분산성 및 계면 결합력이 증가했기 때문이다.
In conclusion, the effects of tensile strength, temperature, and electrical properties of the surface treatment of CNTs on carbon / CNT / epoxy three-phase composites were confirmed. Tensile properties (elastic modulus and tensile strength) are improved over oxidized composites and untreated composites. Surface treatment also improved the thermal properties and electrical conductivity of the carbon / CNT / epoxy composites. Tensile properties, thermal properties (storage modulus and loss rate) and electrical conductivity of silanized composites were superior to untreated composites and oxidized composites, which resulted in improved tensile and thermal properties of silanized composites. And electrical properties are due to the increased dispersibility and interfacial bonding between silanized CNT and epoxy in carbon / epoxy materials.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기계적 특성, 온도 특성 및 전기적 특성이 우수한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재를 제조할 수 있다.
As described above, according to the present invention, a carbon / carbon nanotube / epoxy three-phase composite material having excellent mechanical properties, temperature characteristics, and electrical properties can be manufactured.

도 1은 본 발명의 탄소/탄소나노튜브/에폭시 멀티스케일 복합소재의 제조과정에서 바람직한 일실시예를 도식화한 것이다.
도 2는 미처리(a), 산화처리(b), 실란화처리(c) 탄소나노튜브의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 인장력 시험 결과 응력-변형도 곡선(stress-strain curve)을 나타낸 그래프이다.
도 4는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 탄성률(elastic modulus)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 인장강도(tensile strength)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 미처리(a), 산화처리(c), 실란화처리(e) 소재 파면(fracture surface)의 FESEM 이미지와 확대한 이미지(미처리(b), 산화처리(d), 실란화처리(f))를 나타낸 사진이다.
도 7은 미처리(a), 산화처리(b), 실란화처리(c) 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재의 탄소 섬유 파면의 FESEM 확대 이미지를 나타낸 사진이다.
도 8은 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 저장률(a)(storage modulus) 및 손실률(b)(tan δ)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 미처리, 산화처리, 실란화처리 소재의 체적 저항률(volume resistivity)을 나타낸 그래프이다.
Figure 1 illustrates a preferred embodiment in the manufacturing process of the carbon / carbon nanotube / epoxy multi-scale composite material of the present invention.
2 is a graph showing FTIR spectra of untreated (a), oxidized (b) and silanized (c) carbon nanotubes.
3 is a graph showing a stress-strain curve of a tensile strength test result of an untreated, oxidized and silanized material.
4 is a graph showing elastic modulus of untreated, oxidized and silanized materials.
5 is a graph showing tensile strength of untreated, oxidized and silanized materials.
Fig. 6 shows FESEM images of untreated (a), oxidized (c) and silanized (e) fracture surfaces and enlarged images (untreated (b), oxidized (d) and silanized (f). ))
7 is a photograph showing an enlarged FESEM image of a carbon fiber wavefront of an untreated (a), an oxidized (b) and a silanized (c) carbon / carbon nanotube / epoxy composite material.
8 is a graph showing the storage modulus (a) and the loss ratio (b) (tan δ) of untreated, oxidized and silanized materials.
9 is a graph showing the volume resistivity of untreated, oxidized and silanized materials.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1. 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 제조Example 1 Preparation of Carbon / Silane Carbon Nanotubes / Epoxy Three-Phase Composites

1-1. 산화 탄소나노튜브 제조1-1. Carbon Nanotubes Manufacture

화학적 촉매 증기 석출(CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea) 방법으로 합성한 다중벽구조의 탄소나노튜브(MWCNTs, Multi-walled carbon nanotubes) 3.0g을 50℃의 300㎖ 산 용액에 분산시키고 20시간 동안 환류시킨 다음, pH 6 ~ 7이 될 때까지 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical)으로 용액을 여과하였다. 이후 80℃에서 12시간 동안 진공 건조하여 산화된 탄소나노튜브를 제조하였다.3.0 g of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) synthesized by chemical catalytic vapor deposition (CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea) were dispersed in a 300 ml acid solution at 50 ° C and refluxed for 20 hours. Then, the solution was filtered with distilled water (99.5%, Dae Jung Chemical, Korea) and acetone (99.5%, Dae Jung Chemical) until pH 6-7. After vacuum drying at 80 ℃ for 12 hours to prepare an oxidized carbon nanotubes.

상기 산 용액으로는 질산(60 ~ 62%, Junsei, Japan), 황산(95%, Junsei Chemical)을 2:3으로 혼합한 용액을 사용하였다.As the acid solution, a solution containing 2: 3 of nitric acid (60-62%, Junsei, Japan) and sulfuric acid (95%, Junsei Chemical) was used.

1-2. 실란화 탄소나노튜브 제조1-2. Silane Carbon Nanotube Manufacturing

300㎖의 에탄올(99.5%, Aldrich)-증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea) 용액(95:5 v/v)에 2%(v/v)가 되도록 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane)(순도 99%, Aldrich, USA)을 첨가하여 실란화 용액을 제조하였고, 여기에 상기 1-2의 산화 탄소나노튜브 1.8g을 분산시킨 다음, 70℃에서 4시간동안 교반하였다. 이후 증류수(99.5%, Dae Jung Chemical, Korea)와 아세톤(99.5%, Dae Jung Chemical)으로 여과하고, 80℃에서 12시간 동안 건조하여 실란화된 탄소나노튜브를 제조하였다.3-aminopropyltriethoxysilane was added to 300% of ethanol (99.5%, Aldrich) -distilled water (99.5%, Dae Jung Chemical, Korea) solution (95: 5 v / v) to 2% (v / v). 3-aminopropyltriethoxysilane) (purity 99%, Aldrich, USA) was added to prepare a silanized solution, and 1.8 g of carbon nanotubes 1-2 were dispersed therein, followed by stirring at 70 ° C. for 4 hours. Then, filtered through distilled water (99.5%, Dae Jung Chemical, Korea) and acetone (99.5%, Dae Jung Chemical), and dried at 80 ℃ for 12 hours to produce a silanized carbon nanotubes.

1-3. 탄소/실란화 탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재 제조1-3. Carbon / Silanated Carbon Nanotube / Epoxy 3-Phase Composite

비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(diglycidyl ether of bisphenol A)(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(polyamidoamine)(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 상기 1-2의 실란화 탄소나노튜브를 첨가하였다.In a 2: 1 (v / v) mixture of bisphenol A diglycidyl ether of bisphenol A (YD-115, Kukdo Chemical, Korea) and polyamidoamine (G-A0533, Kukdo Chemical) The silanized carbon nanotubes of 1-2 were added at a concentration of 1% by weight.

직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 실란화 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 핸드레이업 공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).Four layers of woven carbon fiber (CF3327, Hankuk carbon, Korea) and the epoxy / hardener mixture to which the above-mentioned silanized carbon nanotubes were added were stacked up using a hand lay-up method, and then put into a vacuum bag, followed by an autoclave. ) Was processed at 130 ° C. for 2 hours at a pressure of 3 kgf / cm 2 (VARTM technique).

이러한 탄소/탄소나노튜브/에폭시 3상 복합소재의 제조 방법을 도 1에 나타내었다.
A method of manufacturing such carbon / carbon nanotubes / epoxy three-phase composite material is shown in FIG. 1.

비교예 1. 탄소/탄소나노튜브/에폭시 복합소재 제조Comparative Example 1. Preparation of Carbon / Carbon Nanotube / Epoxy Composite Material

비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 화학적 촉매 증기 석출 방법(CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea)으로 합성한 다중벽구조의 탄소나노튜브를 첨가하였다.Precipitating the chemical catalyst vapor at a concentration of 1% by weight in a 2: 1 (v / v) mixture of bisphenol A diglycidyl ether resin (YD-115, Kukdo Chemical, Korea) and polyamidoamine (G-A0533, Kukdo Chemical) Multi-walled carbon nanotubes synthesized by the method (CM-95, Hanhwa Nanotech, Korea) were added.

직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 수적층공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).
Four layers of woven carbon fiber (CF3327, Hankuk carbon, Korea) and the epoxy / curing agent mixture to which the carbon nanotubes were added were stacked using a water lamination method, and then placed in a vacuum bag and 3 kgf in an autoclave. Processing was carried out at 130 ° C. for 2 hours at a pressure of / cm 2 (VARTM technique).

비교예 2. 탄소/산화 탄소나노튜브/에폭시 복합소재 제조Comparative Example 2. Preparation of Carbon / Carbon Oxide Nanotubes / Epoxy Composite Materials

비스페놀 A 디글리시딜 에테르 레진(YD-115, KukdoChemical, Korea)과 폴리아미도아민(G-A0533, Kukdo Chemical)의 2:1(v/v) 혼합물에 1중량%의 농도로 상기 실시예 1-1의 산화 탄소나노튜브를 첨가하였다.Example 1 at a concentration of 1% by weight in a 2: 1 (v / v) mixture of bisphenol A diglycidyl ether resin (YD-115, Kukdo Chemical, Korea) and polyamidoamine (G-A0533, Kukdo Chemical) Carbon nanotubes of -1 were added.

직물형 탄소 섬유(CF3327, Hankuk carbon, Korea) 4겹과 상기 산화 탄소나노튜브가 첨가된 에폭시/경화제 혼합물을 핸드레이업 공법을 이용하여 쌓아 올린 다음, 이를 진공 백에 넣고, 오토클레이브(autoclave)에서 3kgf/㎠의 압력으로 130℃에서 2시간 동안 가공하였다(VARTM 기법).
Four layers of woven carbon fiber (CF3327, Hankuk carbon, Korea) and the epoxy / hardener mixture to which the carbon nanotubes were added were stacked using a hand lay-up method, and then placed in a vacuum bag, followed by an autoclave. It was processed at 130 ° C. for 2 hours at a pressure of 3 kgf / cm 2 at (VARTM technique).

실험예 1. 퓨리에 변환 적외선 스텍트럼 분석Experimental Example 1. Fourier transform infrared spectrum analysis

탄소나노튜브의 표면 기능기를 관찰하기 위해 미처리, 산화처리, 실란화처리된 탄소나노튜브의 퓨리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼을 분석하여 도 2에 나타내었다.In order to observe the surface functional groups of the carbon nanotubes, Fourier transform infrared (FTIR) spectra of untreated, oxidized and silanized carbon nanotubes were analyzed and shown in FIG. 2.

각 탄소나노튜브는 KBr 펠렛으로 제조하여 JASCO FTIR 스펙트로미터로 4㎝-1의 해상도에서 분석 및 기록하였다.
Each carbon nanotube was made of KBr pellets and analyzed and recorded at a resolution of 4 cm -1 with a JASCO FTIR spectrometer.

실험예 2. 인장력 시험Experimental Example 2. Tensile Force Test

인장강도 시험은 1㎜/min의 크로스헤드 비율로 ASTM D638에 따라 일반적인 시험 장치(Model: 8871, Instron,USA)를 이용하여 실시하였고, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 복합소재를 대상으로 하였다. 이의 결과를 도 3 내지 도 5에 나타내었다.Tensile strength test was carried out using a common test apparatus (Model: 8871, Instron, USA) according to ASTM D638 at a crosshead ratio of 1 mm / min, the composite material of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 Was targeted. The results are shown in FIGS. 3 to 5.

시험 결과의 신뢰도를 위해 각 경우 당 적어도 다섯 개의 표본을 시험하였다.
At least five samples were tested in each case to ensure the reliability of the test results.

실험예 3. 장방출 주사전사현미경 검사Experimental Example 3 Intestinal Release Scanning Microscopy

인장강도 시험 이후, 각 복합소재의 단 표면을 장방출 주사전자현미경(FESEM)(LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, Germany)으로 분석하였고, 이의 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
After the tensile strength test, the short surface of each composite material was analyzed by FESEM (LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, Germany), and the results are shown in FIGS. 6 and 7.

실험예 4. 열적 특성 시험Experimental Example 4. Thermal Properties Test

3상 복합소재에 대한 열적 특성을 위하여 싱글 켄틸레버 형식의 동적 기계 분석 장치(DMA, Q-800, TA Instrument, USA)를 사용하여 실시하였고, 이의 결과를 도 8에 나타내었다.For the thermal properties of the three-phase composite material was carried out using a single cantilever type dynamic mechanical analysis device (DMA, Q-800, TA Instrument, USA), the results are shown in FIG.

20㎛의 진폭 및 1Hz의 빈도수를 처리 조건으로 하였다.An amplitude of 20 µm and a frequency of 1 Hz were used as treatment conditions.

온도 범위는 25 ~ 250℃로 하였고, 공기 중에서 10℃/min으로 가열하였다.
The temperature range was 25-250 ° C. and heated at 10 ° C./min in air.

실험예 5. 전기적 특성 시험Experimental Example 5. Electrical Properties Test

3상 복합소재에 대한 전기적 특성은 임피던스 미터(MCP-T610, Mitsubishi, Japan)를 사용하여 분석하였고, 이의 결과를 도 9에 나타내었다.Electrical characteristics of the three-phase composite material were analyzed using an impedance meter (MCP-T610, Mitsubishi, Japan), the results are shown in FIG.

Claims (7)

삭제delete 삭제delete a) 탄소나노튜브를 40 내지 60℃의 산 용액에 분산시키고 10 내지 30시간 동안 환류시킨 다음, 산 용액이 pH 6 내지 7이 될 때까지 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하여 산화 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
b) 90 내지 99%(v/v)의 에탄올 및 1 내지 3%(v/v)의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 포함하는 용액에 상기 산화 탄소나노튜브를 분산시키고 60 내지 80℃에서 3 내지 5시간 동안 교반한 다음, 물 및 아세톤으로 여과하고, 70 내지 90℃에서 10 내지 14시간 건조하여 실란화 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
c) 에폭시 수지와 경화제를 1:1 내지 3:1의 비율(v/v)로 혼합하고, 상기 실란화 탄소나노튜브를 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
d) 탄소 섬유 및 상기 혼합물을 적층하고 2 내지 4kgf/㎠의 압력으로 120 내지 140℃에서 1 내지 3시간 동안 경화하는 단계;를 포함하는 탄소, 탄소나노튜브 및 에폭시 3상 복합소재의 제조 방법.
a) The carbon nanotubes are dispersed in an acid solution at 40 to 60 ° C. and refluxed for 10 to 30 hours, and then filtered with water and acetone until the acid solution is pH 6 to 7, and at 10 to 70 ° C. at 90 ° C. Drying for 14 hours to produce carbon nanotubes;
b) dispersing the carbon nanotubes in a solution containing 90 to 99% (v / v) ethanol and 1 to 3% (v / v) 3-aminopropyltriethoxysilane and at 60 to 80 ° C. Stirring for 3 to 5 hours, filtering with water and acetone, and drying at 70 to 90 ° C. for 10 to 14 hours to produce silanated carbon nanotubes;
c) mixing an epoxy resin and a curing agent in a ratio (v / v) of 1: 1 to 3: 1, and preparing a mixture by adding the silanized carbon nanotubes; And
d) stacking the carbon fibers and the mixture and curing at 120 to 140 ° C. for 1 to 3 hours at a pressure of 2 to 4 kgf / cm 2.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020100046911A 2010-05-19 2010-05-19 Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite KR101181791B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100046911A KR101181791B1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100046911A KR101181791B1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110127433A KR20110127433A (en) 2011-11-25
KR101181791B1 true KR101181791B1 (en) 2012-09-11

Family

ID=45396076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100046911A KR101181791B1 (en) 2010-05-19 2010-05-19 Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101181791B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101967871B1 (en) * 2017-11-27 2019-04-10 울산과학기술원 Method of manufacturing carbon nano composites using silane material and carbon nano composites using the same
KR102071820B1 (en) * 2019-04-02 2020-01-30 한국철도기술연구원 Manufacture Method of Activated Carbon Fiber with Antibacterial and Antiviral
CN111778714B (en) * 2020-06-08 2023-12-05 安徽安赛新材料有限公司 Preparation process of high-performance fiber three-phase composite material

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060155376A1 (en) 2005-01-13 2006-07-13 Blue Membranes Gmbh Composite materials containing carbon nanoparticles
JP2007502246A (en) * 2003-07-28 2007-02-08 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Side wall functionalization of carbon nanotubes with organosilanes to obtain polymer composites
WO2010007163A1 (en) * 2008-07-17 2010-01-21 Nanocyl S.A. Method for the preparation of a reinforced thermoset polymer composite

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007502246A (en) * 2003-07-28 2007-02-08 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Side wall functionalization of carbon nanotubes with organosilanes to obtain polymer composites
US20060155376A1 (en) 2005-01-13 2006-07-13 Blue Membranes Gmbh Composite materials containing carbon nanoparticles
WO2010007163A1 (en) * 2008-07-17 2010-01-21 Nanocyl S.A. Method for the preparation of a reinforced thermoset polymer composite

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110127433A (en) 2011-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Chemical modification of carbon fiber with diethylenetriaminepentaacetic acid/halloysite nanotube as a multifunctional interfacial reinforcement for silicone resin composites
Lee et al. Silane modification of carbon nanotubes and its effects on the material properties of carbon/CNT/epoxy three-phase composites
Ashori et al. Preparation and characterization of functionalized graphene oxide/carbon fiber/epoxy nanocomposites
Zhao et al. Layer-by-layer grafting CNTs onto carbon fibers surface for enhancing the interfacial properties of epoxy resin composites
Yang et al. Grafting of a novel hyperbranched polymer onto carbon fiber for interfacial enhancement of carbon fiber reinforced epoxy composites
Kathi et al. Effect of chemical functionalization of multi-walled carbon nanotubes with 3-aminopropyltriethoxysilane on mechanical and morphological properties of epoxy nanocomposites
Wu et al. Interfacial properties and impact toughness of methylphenylsilicone resin composites by chemically grafting POSS and tetraethylenepentamine onto carbon fibers
Njuguna et al. Epoxy‐based fibre reinforced nanocomposites
Martinez-Rubi et al. Toughening of epoxy matrices with reduced single-walled carbon nanotubes
Halder et al. Epoxy/glass fiber laminated composites integrated with amino functionalized ZrO2 for advanced structural applications
Lee et al. The tensile and thermal properties of modified CNT-reinforced basalt/epoxy composites
Tseng et al. Functionalizing carbon nanotubes by plasma modification for the preparation of covalent-integrated epoxy composites
EP2067741B1 (en) Polymer composites comprising silane-functionalized carbon nanotubes.
EP2368932B1 (en) Fabrication of carbon nanotube reinforced polymer composites
Huang et al. Simultaneous reinforcement and toughening of carbon nanotube/cellulose conductive nanocomposite films by interfacial hydrogen bonding
Sapiai et al. Mechanical properties of functionalised CNT filled kenaf reinforced epoxy composites
Deka et al. Controlled growth of CuO nanowires on woven carbon fibers and effects on the mechanical properties of woven carbon fiber/polyester composites
Lee et al. Effects of moisture absorption and surface modification using 3-aminopropyltriethoxysilane on the tensile and fracture characteristics of MWCNT/epoxy nanocomposites
Kim et al. Synergistic interfacial reinforcement of carbon fiber/polyamide 6 composites using carbon-nanotube-modified silane coating on ZnO-nanorod-grown carbon fiber
Kim et al. Flexural behavior of carbon nanotube-modified epoxy/basalt composites
Wang et al. One-step generation of silica particles onto graphene oxide sheets for superior mechanical properties of epoxy composite and scale application
Das et al. Assessing damage mitigation by silanized milled graphite nanoparticles in hybrid GFRP laminated composites
KR20080050735A (en) A method for preparation of silicone rubber/carbon nanotube composites with electrical insulating properties
Jamshaid et al. Tactical tuning of mechanical and thermo-mechanical properties of glass fiber/epoxy multi-scale composites by incorporating N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyl trimethoxysilane functionalized carbon nanotubes
KR101181791B1 (en) Carbon/silanized carbon nanotube/epoxy three-phase composite

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150817

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160823

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee