In this study, industrial grade multiwalled carbon nanotubes (MWNTs, Nanocyl 7000) were incorporated in various polymers, such as polyamide 6 (PA6), polyamide 11 (PA11), polyamide 12 (PA12), high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), and polycarbonate (PC), by simple melt mixing process. The main interest of this research is to investigate the effect of molecular weight of the polymer matrix and the effect of interaction between MWNTs and polymers on the dispersion of the MWNTs and various physical properties, such as electrical, rheological, thermal, and mechanical properties, etc. Another focus is to come up with a universal empirical equation which can simply, but also accurately explain the electrical property of various polymer/MWNT nanocomposites.
In Chapter 2, the effect of molecular weight of the polymer matrix on the dispersion of MWNTs has been investigated for HDPE/MWNT and PC/MWNT nanocomposite materials. The dispersion of MWNTs in the polymer matrix showed strong correlations with the melt viscosity of the polymer matrix, in other words, the molecular weight of the polymer material. In order to investigate the effect on the dispersion of the MWNTs and various physical properties of the composites, several experimental methods, such as 4-point probe, SEM and ARES, have been employed. From the results it is interpretable that, using high melt viscosity polymer as the matrix material restricted the mobility of the MWNTs, and also hindered the dispersion of MWNTs due to the high entanglement density of the polymer matrix.
In Chapter 3, the effect of interaction, especially the van der Waals force interaction, between the MWNT and the polymer material has been investigated using three different kinds of polyamides (PAs): PA6, PA11 and PA12. By comparing the dispersion of MWNTs in PAs and various physical properties measured by using 4-pin probe, SEM, ARES, DSC, TGA, DMTA and XRD, it can be concluded that interaction between MWNTs and PAs is the most important factor in determining the property of the nanocomposite material. Nanocomposite with pronounced interaction showed better dispersion of MWNTs and correspondingly, better physical properties in every occasion.
Finally, in Chapter 4, an empirical equation proposed by our research group has been fitted to the electrical property results obtained by several experiments. All of the experimental data fitted very well with the proposed empirical equation, and it has been proven that each parameter composing the empirical equation is a function of the reduction in surface resistivity with the addition of MWNTs. In order to comprehend the electrical property trend result, Hansen solubility parameter (HSP) was suggested for the first time by our research group, where the result is shown in three dimensional graphs and also in tabulated data.
본 연구에서는 산업용 다중벽 탄소나노튜브와 여러 종류의 고분자, 예를 들어 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 11, 폴리아마이드 12, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 그리고 폴리카보네이트를 용융 혼합하였다. 본 실험의 주요 목적은, 첫 째, 고분자의 분자량 변화에 따른 탄소나노튜브의 분산 및 고분자 복합체의 물리적 특성 변화에 대해 연구하고, 둘 째, 고분자 내에 메틸렌 작용기 수의 변화에 따른 탄소나노튜브의 분산 및 고분자 복합체의 물리적 특성 변화에 대한 연구를 하며, 셋 째, 간단하면서도 다양한 고분자/탄소나노튜브 복합체 시스템에 적용이 될 수 있는 새로운 경험식의 고안에 있다.
제 2장에서는 고밀도 폴리에틸렌/탄소나노튜브 복합체와 폴리카보네이트/탄소나노튜브 복합체를 이용하여, 고분자 분자량의 변화에 따른 탄소나노튜브의 분산 및 고분자 복합체의 물리적 특성 변화에 대한 연구를 하였다. 실험 결과 탄소나노튜브의 분산은 고분자 용융체의 점도, 즉 고분자 분자량과 깊은 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있었다. 탄소나노튜브 분산 및 고분자 복합체의 물리적 특성 변화를 정량적으로 측정하기 위해서, 면저항 측정기 (4-point probe), 주사전자현미경 (SEM), 점탄성 측정기 (ARES)를 사용하였다. 실험 결과 분자량이 높은 고분자를 사용할 경우 탄소나노튜브의 이동성을 저해할 뿐만 아니라, 높은 얽힘 밀도로 인해서 분산이 원활하게 이루어 지지 않는 다는 것을 확인하였다.
제 3장에서는 서로 다른 수의 메틸렌 작용기를 가지고 있는 여러 종류의 폴리아마이드/탄소나노튜브 복합체를 이용하여 메틸렌 작용기 수의 변화에 따른 탄소나노튜브 분산 및 복합체의 물리적 특성 변화에 대한 연구를 하였다. 정량적인 실험을 위해 면저항 측정기 (4-point probe), 주사전자현미경 (SEM), 점탄성 측정기 (ARES), 시차주사열량계 (DSC), 열중량 분석기 (TGA), 동적기계 분석기 (DMTA)와 X선 회절 분석기 (XRD)를 사용하였다. 실험 결과 메틸렌 작용기의 수가 많은 폴리아마이드가 탄소나노튜브와 보다 좋은 결합력을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 이로 인해 향상된 물리적 특성을 가지게 된다는 것을 확인하였다.
마지막으로 제 4장에서는 본 연구실에서 고안한 새로운 경험식을 이용하여 지금까지 획득한 여러 고분자/탄소나노튜브 복합체 시스템의 실험 데이터들에 적용해 보았다. 그 결과, 본 연구실에서 새롭게 고안해낸 경험식은 지금까지 살펴본 모든 고분자/탄소나노튜브 복합체 시스템에 적용이 가능함을 알 수 있었으며, 경험식을 구성하는 인자들은 탄소나노튜브의 첨가에 의한 복합체 표면 저항의 감소와 깊은 상관관계를 가지고 있음을 유추해 내었다. 뿐만 아니라, 본 연구실에서 처음으로 한센 (Hansen) 용해도 인자를 이용하여 고분자와 탄소나노튜브의 상용성에 대해 연구를 하였으며, 그 결과 역시 실험적 데이터와 일치한다는 사실을 확인하였다.
