In this study, carbon nanotube polymer nanocomposites have been fabricated incorporating single walled carbon nantubes (SWNTs) or multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) in a thermosetting polymer matrix, epoxy resin. Nanoindentation measurements showed that elastic modulus of epoxy polymer matrix has changed from 3.5 GPa to 4.0 GPa (~ 15 % increase) only for 0.005 wt% single walled carbon nanotubes loading. The hardness of the single walled carbon nanotube incorporated epoxy nanocomposites remained nearly unchanged for 0.005 wt % nanotube loading. Multiwalled carbon nanotube incorporated epoxy nanocomposites showed deterioration of both the hardness, from 0.2 GPa to 0.08 GPa (~factor 2.5), and elastic modulus, from 3.5 GPa to 2.1 GPa (~ factor 1.6), for 0.02 wt % nanotube loading. Homogeneity study using continuous stiffness measurement (CSM) mode of indentation techniques revealed the lack in homogeneity of the fabricated nancomposite may be responsible for deteriorating mechanical properties. High resolution scanning electronic microscopic (SEM) images taken from cross section of carbon nanotubes incorporated epoxy nanocomposites showed several poorly attached thin layers of nanocomposites staked on each other which may be another cause of property deterioration.
Thermosetting 고분자와 에폭시 수지를 매트릭스로 하는 단일벽 탄소나노튜브 (single walled carbon nanotubes), 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled carbon nanotubes) 를 사용하여 탄소나노튜브 고분자 복합물질을 개발하였다. 나노인덴테이션 (nanoindentation) 방법을 사용하여 에폭시 고분자 매트릭스의 탄성 modulus를 측정한 결과 0.005wt%의 SWNT를 로딩하였을 때 탄성 modulus값이 3.5 GPa에서 4.0 GPa로 ~15%향상되었다. 0.005wt% 로딩 전/후에 hardness는 거의 변화가 없었다. 0.02 wt%의 MWNT를 로딩하였을 때는 hardness와 탄성 modulus가 각각 0.2 GPa에서 0.08 GPa (factor ~ 2.5), 3.5 GPa에서 2.1 GPa (factor ~1.6)으로 감소하였다. 개별적으로 격리된 SWNT는 물과 유기용매 양쪽 에서 재분산가능하다. 본 연구에서는 이러한 SWNT를 에폭시 매트릭스에 집어넣어 SWNT/에폭시 나노복합물질을 개발하였다. MWNT/에폭시 복합물질을 제조하기위하여 계면활성제 CTVB를 이용하여 MWNT를 수용액 상태로 분산시키고 분산된 즉시 MWNT를 에폭시 매트릭스에 집어넣었다. 상기한 SWNT와 MWNT의 두가지 경우 모두에 대하여 튜브를 용매 내에 잘 분산시키기 위하여 초음파가 가해졌다. 수용액 상에 분산되지않고 다발상태로 아직 남아있는 탄소나노튜브를 걸러내기위하여 ultra 원심분리 (SWNT의 경우)와 mild 원심분리(MWNT의 경우)를 실시하였다. 두 종류의 탄소나노튜브는 에폭시 수지/에탄올 용액과 균일하게 혼합되었다. 여기서 에탄올은 에폭시수지의 점성을 낮추는 역할을 한다. 에탄올과 물과 에폭시 수지로 이루어진 용매에 탄소나노튜브를 섞고 손으로 잘 혼합한 후 진공펌프를 이용하여 본 복합물질 내의 잔여 기포를 제거하였으며 고온에서 curing 과정을 거쳤다. 나노인덴테이션 기법에서 Continuous stiffness 측정 (CSM) 모드를 사용하여 두가지 나노복합물질의 균일성(homogeneity)를 분석한 결과 free pure 에폭시 나노복합물질이 에폭시 나노복합물질에 비해 더욱 우수한 균일성을 보여주었다. MWNT/에폭시 나노복합물질이 MWNT를 집어넣지않은 경우보다 더 낮은 기계적 강도는 보여주었던 것은 낮은 균일성에서 기인한다고 생각된다. 고해상도 스캐닝 전자현미경 (high resolution scanning electronic microscopy, SEM) 이용하여 탄소나노튜브/에폭시 복합물질의 단면을 측정하였다. SEM 이미지를 통하여 여러 층의 얇은 나노복합물질 레이어가 겹겹이 쌓여있음을 확인하였으며 이러한 구조가 나노복합물질의 기계적 강도를 약화시키는 또 다른 요인으로 생각된다.
