The surface morphology of polymers and polymer composites is an important issue for the electrical conductance through electrically conducting composites and adhesively bonded composite structures. Therefore, in this thesis, a surface modification technique for polymers and polymer composites was developed, which could be applied to the various industrial fields such as carbon fiber/epoxy composite bipolar plates and glass fiber/epoxy composite bonding structures. The purposes of surface modification are to generate grooves at the surface for the increase of surface roughness as well as to change the surface components, which improves the electrical conductance or bonding reliability of polymer composites without degradation of polymer or fiber damages of composites. Therefore, an effective surface modification technique is needed for the reliable composite products with high performance. In this thesis, the surface modification technique which could generate nano-scale grooves by thermal decomposition with change of surface components of polymers was developed with microwave heating of carbon particles.
In order to generate grooves on the surface of polymer and polymer composite, nano-scale carbon black and CNT (carbon nanotube) mixed with quartz particles were heated by microwave with high rate of temperature increase on the surface of specimens. A high temperature region could be generated around carbon particles, which could induce the generation of grooves by thermal decomposition in few seconds. The heat generation and penetration depth of microwave were investigated to examine the heating phenomenon of carbon mixture. Also, the finite element model for heat transfer was constructed to investigate the generation of grooves at the surface of specimens. The process for the surface modification was designed based on the investigation. In the process, quartz particles were used as spacers between carbon particles to avoid aggregation of carbon particles rather than conventional binding materials for uniform surface modification. A cavitation mixing method was developed for fabricating uniform mixture of nano-scale carbon-quartz mixture. The developed surface modification technique was applied to improve the electrical conductance and adhesive bonding strength of composites. Finally, the effectiveness of the developed surface modification technique was experimentally compared with that of conventional surface modification techniques.
본 연구에서는 탄소 입자와 마이크로웨이브를 이용한 고분자 재료의 표면 처리 방법을 개발하였다. 기존의 표면 처리 방법은 고분자 또는 고분자 복합 재료에 적용 시, 재료의 물성 저하, 섬유 손상 또는 오염에 민감한 단점이 있으나, 이를 개선하기 위하여 기존과 다른 개념의 표면 처리 방법을 연구 하였다.
탄소 입자를 고분자 재료의 표면에 밀착한 뒤, 밀착 상태를 유지하고 마이크로웨이브를 가하면, 탄소 입자는 마이크로웨이브 에너지를 흡수하여 가열되고 발열 에너지에 의해 고분자 재료의 표면 온도가 상승한다. 본 연구에서는 구 (spherical)형상을 가진 탄소 입자를 이용하여 고분자 재료와 입자 간의 점접촉 (point contact)점으로부터 방사 (radial) 형태의 열전달에 의한 재료의 열분해 (thermal decomposition)를 통해 굴곡이 형성되도록 하였다. 이 때, 재료의 열분해 온도에서 표면 처리가 이루어지므로 고분자 재료의 표면 조성이 개질되는 현상이 동시에 일어남을 실험적으로 규명하였다. 표면 처리의 균일도를 향상 시키기 위하여 탄소 입자와 쿼츠 (quartz)입자를 혼합하여 탄소 입자 간의 응집 (aggregation)을 방지하였으며, 균일한 탄소-쿼츠 혼합물을 제조하기 위하여 케비테이션 혼합 (cavitation mixing) 방법을 고안하였다. 실험 결과, 본 연구에서 개발한 마이크로웨이브-탄소 표면 처리 방법은 고분자 재료의 표면에 수십 nm의 굴곡을 균일하게 생성시킬 수 있으며, 동시에 표면의 조성 변화를 유도하여 고분자 복합 재료의 전기 전도도 및 접착 성능을 향상 시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 마이크로웨이브-탄소 표면 처리 방법을 탄소 섬유/고분자 복합 재료 분리판 (carbon fiber/epoxy composite bipolar plate)과 유리 섬유/고분자 복합 재료 접착 구조 (glass fiber/epoxy composite bonding structure)에 적용한 결과, 전기 전도도와 접착 성능이 각각 134%, 230% 향상 되었다. 또한 마이크로웨이브-탄소 표면 처리 과정에서 재료의 물성 저하나 섬유의 손상이 발생하지 않음을 실험적으로 확인하였으며, 표면 오염에 의한 표면 처리 균일도 저하를 방지하기 위하여 펄스 (pulse) 형태의 마이크로웨이브 발열 공정을 개발하였다.
