Carbon nanotubes (CNTs) have attracted much attention during past decade because of their unique mechanical, chemical, and electrical properties. Thus CNTs open a new area with high driving force to develop multi-functional nanocomposites. CNTs enhance electrical conductivity and mechanical properties of polymer as reinforcement in polymer matrix composites. Also, CNT/Polymer nanocomposite has been expected to apply for electrostatic discharge materials and electromagnetic interference materials because of their high electrical conductivity. However, dispersion of CNTs in polymer matrix is difficult and the adhesion between CNTs and polymer matrix is poor. Also, as increasing contents of CNTs, elongation of composite decreases sharply while tensile strength of composite increases. It is very important to improve dispersion of CNTs to increase electrical conductivity and mechanical properties of CNT/polymer nanocomposites.
In this study, PVA coated CNT reinforced polycarbonate (PVA-CNT/PC) nanocomposite was fabricated by melt blending process using Brabender mixer. PVA was coated on the surface of CNTs by milling process. PVA coated CNT/PC nanocomposite show that the morphology of CNTs is homogeneously dispersed and the surface of CNTs is well coated with PVA. CNTs, which are coated with PVA, showed improved dispersion behavior in polycarbonate matrix.
PVA-CNT and PC powders were mixed by melt blending process. The mechanical properties of PVA-CNT/PC nanocomposites increased with increasing volume fraction of adding CNTs. Young’s modulus of PVA-CNT/PC nanocomposite was increased from 489.1MPa to 564.3MPa by increasing the content of carbon nanotube from 0wt% to 5wt%. Tensile strength of PVA-CNT/PC nanocomposite was increased from 63.37MPa to 66.99MPa. The elongation of 5wt% PVA-CNT/PC nanocomposite showed very high elongation of 75%.
In PVA-CNT/PC nanocomposite, conductive mechanism of PVA-CNT/PC nanocomposites was controlled by quantum tunneling mechanism. Percolation threshold of CNT/PC nanocomposite was shown in the range of 0.2wt% to 0.6wt% of CNTs, while that of PVA-CNT/PC nanocomposite was shown in the range of 1wt% to 2wt% of CNTs. This is attributed to the role of PVA which prevents electrons from tunneling. Electrical conductivity of 5wt% PVA-CNT/PC nanocomposite was about 2.0E-02 S/cm, which was almost same value of 5wt% CNT/PC nanocomposite.
From above results, PVA-CNT/PC nanocomposite can be a good candidate material as advanced electronic materials such as ESD and EMI shielding materials having high electrical conductivity, strength, modulus, and elongation. Also homogeneously distributed PVA-CNT/PC nanocomposites fabricated by melt blending process have economical advantage for mass production.
탄소나노튜브는 매우 우수한 물리적, 기계적, 전기적, 열적 그리고 광학적 물성을 가지고 있어 최근 화학, 물리, 재료공학 그리고 전기전자 공학 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 이러한 우수한 물성과 함께 작은 크기, 높은 종횡비를 가지고 있어 복합재료의 강화재로 많은 관심을 받고 있다. 이런 특성을 가지고 있는 탄소나노튜브는 폴리머복합재료의 전기전도도 향상 및 기계적 강도 강화에 매우 우수한 특성을 갖기 때문에 폴리머 복합재료의 강화재로 가장 각광받고 있다. 또한 이는 정전기방지제나 전자파차폐제등 전자재료분야에서 이용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. 그러나 폴리머 내의 탄소나노튜브의 균질 분산과 폴리머기지와 탄소나노튜브의 계면접합이 우수하지 않는다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이런 탄소나노튜브의 균질분산과 계면결합을 위해 많은 연구들이 진행되고 있지만, 이는 아직까지 우수한 결과를 낳지 못하는 상황에 이르렀다
본 연구에서는 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료를 브라벤더 믹서를 이용한 용융혼합 방법으로 제조하였다. 우선 볼밀링 공정을 통해 폴리비닐알코올을 탄소나노튜브위에 코팅을 시킨 후, 이를 용융혼합 방법 중 하나인 브라벤더 믹서로 혼합시켰을 때, 미세조직을 통하여서 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료가 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료에 비해 매우 균질 분산되어있는 것을 확인하였다. 폴리카보네이트 내에 균질분산 된 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브는 복합재료의 기계적, 전기적 성질을 향상 시켰다.
용융혼합공정 중에 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브분말과 폴리카보네이트 분말은 서로 섞이게 된다. 이렇게 제조된 복합재료의 기계적강도는 탄소나노튜브의 양이 늘어날수록 증가하였다. 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 복합재료의 탄성계수는 탄소나노튜브의 무게비가 0부터 5까지 증가함에 따라 489.1MPa 에서 564.3MPa 로 증가하였다. 그리고 인장강도는 63.37MPa 에서 66.99MPa로 증가하였다. 그리고 무엇보다도 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료의 연신율은 75%로 매우 높은 값을 가졌다.
또한, 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료의 Percolation threshold는 탄소나노튜브의 무게비가 0.2에서 0.6사이에서 일어났지만, 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 복합재료의 Percolation threshold는 탄소나노튜브의 무게비가 1에서 2사이에서 일어난 것을 볼 수 있었다. 이는 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료에서는 폴리비닐알코올의 계면이 있기 때문에 전자가 터널링 일어나는 것을 방해하기 때문이다. 하지만 탄소나노튜브의 무게비가 5일 때 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료의 전기 전도도는 2.0E-02 S/cm 로 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료의 전기 전도도와 매우 흡사한 값을 가졌다. 이는 탄소나노튜브의 부피비가 늘어나면서 전도체인 탄소나노튜브가 서로 접할 확률이 높아지고 이는 전자가 터널링 할 수 있는 충분한 거리가 되기 때문이다.
높은 전기전도도, 인장강도 및 연신율을 갖는 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료는 정전기방지와 전자파차폐로 쓰일 매우 유망한 재료이다. 무엇보다도 용융혼합 공정으로 제조된 폴리비닐알코올 코팅된 탄소나노튜브/폴리카보네이트 나노복합재료는 대량생산이 용이 할 것으로 전망된다.
