Carbon fiber/polymer (CF/polymer) composites have been received much attentions as light-weight structural materials with high mechanical properties by replacing the conventional structural materials based on heavy metals and ceramics. However, in the current technological level, anisotropic properties of CF/polymer composites between strong carbon fibers and weak polymer matrix and weak interfaces between them limit their mechanical properties for successful replacement of conventional structural materials. In the CF/polymer composites, cracks easily initiate and propagate along the laminar interfaces in various failure modes. It causes the decrease of mechanical properties such as interlaminar shear strength and fracture toughness.
Carbon nanotubes (CNTs) are the one-dimensional (1D) nanomaterials, which have superior mechanical properties compared to other conventional fillers. CNTs can improve the mechanical properties of polymer matrix and effectively enhance the delamination resistance in CF/polymer composites due to their outstanding strength and modulus with nanoscale dimension. However, CNTs are easily agglomerated in polymer matrix due to large van der Walls force between each rope of CNTs, and interfacial bonding between CNTs and polymer matrix is poor due to lack of functional groups on the surfaces of CNTs. These problems of CNTs and their composites must be solved prior to apply the CNTs into CF/polymer composites for successful enhancement of mechanical properties of CF/polymer composites.
In this study, new functionalization methods for CF/CNT/polymer nanocomposites were suggested. The functionalized CNTs were fabricated by simple ball milling process with poly(4-aminostryene) (PAS) as functional molecules. During the ball milling process, PAS were successfully attached on the surface of CNTs by non-covalent interaction between CNTs and PAS. The 1wt% CNT/epoxy nanocomposites fabricated by using PAS functionalized CNTs (PAS-CNT) showed 41 % enhancement of Young’s modulus and 34 % enhancement of tensile strength than pure epoxy. It is mainly due to homogeneous dispersion of CNTs and strong interfacial bonding between CNTs and epoxy matrix.
The CF/CNT/epoxy nanocomposites by using PAS-CNT/epoxy showed enhancement of Young’s modulus (~ 4%), tensile strength (~ 17%), interlaminar shear strength (~ 24%) and fracture toughness (~ 26%). It showed that addition of PAS-CNT can effectively enhance the mechanical properties of CF/CNT/polymer nanocomposites.
탄소 섬유/고분자 복합체 (CF/polymer composites)는 경량 구조재료로써 높은 기계적 성질을 가지고 있어, 중금속 및 세라믹을 기반으로 하는 기존의 구조 재료의 대체재로 최근 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 현재의 기술 수준에서는, 강한 탄소 섬유와 약한 고분자 재료 간 발생하는 탄소 섬유/고분자 복합체의 이방성 특성과 섬유와 고분자 간의 약한 계면 결합이 산업 구조 용 재료로써 쓰일 수 있을 만큼의 기계적 특성을 구현하지 못한다. 탄소 섬유/고분자 복합체에서는 crack이 쉽게 개시되고 다양한 고장 모드 (failure mode)에서 층간 계면을 다라 쉽게 전파된다. 이는 층간 전단 강도 및 파괴 인성 등의 기계적 성질의 감소를 발생시킨다.
탄소나노튜브 (carbon Nanotubes, CNTs)는 1차원 나노 물질로써, 다른 일반적인 강화재에 비해 매우 우수한 기계적 특성을 갖는다. 탄소나노튜브는 나노 수치에서 뛰어난 강도와 모듈러스를 바탕으로 고분자 수지의 기계적 특성을 강화시키고, 탄소 섬유/고분자 복합체의 박리 저항을 효율적으로 개선시킬 수 있다. 그러나, 탄소나노튜브는 각각의 rope 사이에 작용하는 큰 반 데르 발스 힘에 의해 폴리머 수지 안에서 쉽게 응집이 일어나고, 탄소나노튜브 표면에 작용기가 부족하여 폴리머와 탄소나노튜브 간의 계면 결합이 매우 약하다. 이러한 문제는 탄소 섬유/고분자 복합체의 기계적 성질 향상을 위해 복합체에 탄소나노튜브를 적용하기 전에 해결되어야 한다.
본 연구에서는 탄소섬유/탄소나노튜브/고분자 복합체에 적용 시킬 새로운 기능기화 방법을 제안하였다. 기능기화 된 탄소나노튜브는 poly(4-aminostreyene) (PAS) 를 기능기 물질로 하고, 간단한 볼 밀링 공정을 통해 제조하였다. 볼 밀링 공정 동안, PAS가 탄소나노튜브와 PAS 간의 비공유 상호 작용에 에 의해 성공적으로 부착되었다. PAS로 기능기화 된 탄소나노튜브 (PAS-CNT)를 이용하여 만든 1wt% 탄소나노튜브/에폭시 나노복합체는 순수 에폭시보다 탄성 계수가 41% 향상되었고, 인장 강도는 34% 증가하였다. 이는 탄소나노튜브가 에폭시 수지 내에 고르게 분산 된 것과 탄소나노튜브와 에폭시 간의 강한 계면 결합을 형성했기 때문이다.
위 과정에서 제조한 PAS-CNT/에폭시 나노복합체를 이용하여 탄소 섬유/탄소나노튜브/에폭시 나노복합체를 제조하였다. 순수 에폭시만을 사용한 탄소 섬유/에폭시 복합체와 비교한 결과, 탄성 계수 4%, 인장 강도 16%, 층간 전단 강도 24%, 그리고 파괴 인성 26% 정도 향상하였다. 이는 PAS-CNT의 첨가로 인해 탄소 섬유/탄소나노튜브/에폭시 나노복합체의 기계적 성질을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여준다.
탄소섬유/고분자 복합체에 강화재인 탄소나노튜브를 첨가할 경우 더 우수한 복합재료를 만들 수 있다. 이를 대량화 할 수 있는 공정만 확립이 된다면, 산업 구조 재료 및 다양한 산업에 쓰일 수 있을 것이다.
