The polymer materials are well known for their specific properties, such as lightweight, flexibility, chemical composition and cheap prices. Monolithic polymers generally lack the mechanical properties required of engineering materials. Researchers have overcome many of the mechanical limitations of monolithic polymers by blending them with fillers and/or reinforcing additives such as fibers, whiskers, particles, or nanoparticles.
Although many types of filler have been investigated, the emergence of two-dimensional (2D) materials or molecules spearheaded the development of polymer nanocomposites. 2D materials have unique mechanical, thermal, electrical, and optical properties and are particularly interesting as novel reinforcing fillers in polymer nanocomposites. However, when blended into a fluid polymer matrix, the large surface area of most 2D nanomaterials causes them to aggregate via van der Waals interactions. Achieving a stable, uniform dispersion of nanomaterial in the polymer matrix is vital to realizing the full potential of a given polymer nanocomposite.
In this research, graphene nanoplatelets (GNPs) and boron nitride nanoplatelets (BNNPs) were incorporated into an epoxy polymer matrix to yield a nanocomposite material with enhanced mechanical and thermal properties. Each of the nanomaterials underwent both covalent and non-covalent functionalization in order to minimize aggregation and maximize interfacial bonding between the nanomaterial and the polymer matrix. Functionalized GNP/epoxy nanocomposites exhibited a 94.3% increase in Young’s modulus, 140% increase in fracture toughness and a 894% increase in thermal conductivity. The BNNP/epoxy nanocomposites exhibited 84.2% increase in Young’s modulus, 170% increase in fracture toughness and a 10-fold enhancement in thermal conductivity.
The simple and scalable functionalization processes described herein facilitate the development of other 2D nanomaterial-based polymer nanocomposites with enhanced mechanical and thermal properties.
고분자 재료는 경량성, 유연성 및 다양한 화학적 조성과 저렴한 가격으로 잘 알려져있으며 실생활에서 유용하게 사용되는 재료다. 그러나 이러한 우수한 물성에도 불구하고, 고분자 소재 단독으로는 공업 분야에서 재료에 요구하는 기계적 물성을 달성하는 것이 매우 어렵다. 그렇기에 연구자들은 이러한 고분자 재료들의 물성 한계치를 극복하기 위해 섬유, 위스커, 입자 혹은 나노입자 등의 충전제와 섞거나 강화제를 더해 고분자 복합재료를 제조, 물성치를 향상시키는 연구를 진행하였고 실제로 주목할만한 결과를 도출하였다.
언급한것처럼 다양한 충전제들이 연구되어왔고 쓰여왔으나 최근 2차원 나노소재의 등장 이후로는 2차원 나노소재를 응용한 고분자 나노복합소재의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 2차원 나노소재의 특징은 현존하는 상용 재료와 비교해 탁월한 기계적, 열적, 전기적 그리고 광학적 특성을 가진다는 것으로 이러한 특성으로 인해 고분자 연구분야에서는 고분자 나노복합소재의 강화재역할로써 2차원 나노소재를 크게 주목하였다. 하지만 이들이 액상의 고분자 기지에 섞이게 되었을 때 이차원 나노소재들은 서로간의 반데르발스 힘에 의해 뭉치게 되어 이론예상치보다 매우 낮은 물성 향상이 이루어진다. 그렇기에 고분자 나노복합소재의 물성을 최적화하기 위해서는 고분자 기지 내에서의 나노소재의 균질분산의 달성이 핵심적인 요소이다.
본 연구에서는 그래핀 나노플레이트렛 (GNP)와 질화붕소 나노플레이트렛 (BNNP)를 에폭시 고분자 기지에 첨가해 나노복합소재를 제조하였으며, 동시에 기계적 및 열적 물성을 크게 향상시켰다. 각각의 나노소재들은 고분자 기지 내에서의 나노소재 간의 뭉침을 최소화하는 동시에 계면결합력을 최적화하기위해 공유 및 비공유 기능기화 공정을 도입하였다. 이렇게 제조된 GNP/에폭시 나노복합재료는 탄성계수 94.3%, 파괴 인성 140%, 열물성 894% 증가수치를 보였으며, BNNP/에폭시 나노복합재료는 탄성계수 84.2%, 파괴 인성 170%, 열물성 900% 증가수치를 보여 물성을 크게 향상시켰다.
이처럼 본 연구에서 개발한 간단하며 대량생산이 가능한 기능기화공정은 타 2차원 나노소재를 기반으로 한 고분자 나노복합소재의 제조를 용이하게 하는 동시에 이의 기계적 및 열적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 고분자 기지 내에서의 2차원 나노소재의 분산성과 계면 특성을 향상시킨 기능기화 공정을 통해 고분자 나노복합재료의 상용화를 앞당기는 데 새로운 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
