전자 피부 및 유연 센서와 같은 새로운 분야에서 경량, 고전도성 고분자 복합재료에 대한 수요가 증가함에 따라 연구자들은 혁신적인 솔루션을 모색하게 되었습니다. 뛰어난 전도성, 높은 종횡비, 경량 특성을 가진 탄소 나노튜브(CNT)는 고분자 기반 복합재료에 이상적인 충전재로 부상했습니다. 그러나 낮은 침투 임계값을 유지하면서 고분자 매트릭스에서 균일한 CNT 분산을 달성하는 과제는 여전히 중요한 연구 초점입니다.
CNT는 약 10³ S/m에 달하는 고유 전도성을 가진 놀라운 전기적 특성을 가지고 있습니다. CNT를 고분자 매트릭스에 통합하여 전도성 재료를 만드는 것은 센서, 웨어러블 장치에서 형상 기억 고분자, 자가 치유 재료, 에너지 저장 장치에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 보여주면서 널리 사용되는 기술이 되었습니다.
전기 침투 임계값(ϕc)은 전도성 네트워크 형성에 따라 복합재료의 전도성이 급격히 증가하는 임계 CNT 농도를 나타냅니다. 이론 연구에 따르면 CNT의 높은 종횡비는 매우 낮은 로딩(0.1 wt.% 미만)에서 ϕc를 달성할 수 있습니다. 그러나 열가소성 고분자의 높은 점도, CNT 간의 강한 반 데르 발스 힘, CNT와 고분자 간의 약한 계면 접착력과 같은 실제적인 과제는 최소 로딩에서 이상적인 ϕc를 달성하는 것을 방해했습니다.
열가소성 매트릭스 복합재료에서 ϕc는 일반적으로 0.2~15 wt.% CNT 함량 사이입니다. ϕc를 줄이기 위한 일반적인 전략에는 표면 개질 및 정제를 통해 CNT의 용해도/반응성을 향상시키는 것과 분산을 개선하기 위해 상용화제를 사용하는 것이 포함됩니다. 공정 방법 선택 또한 최적의 충전재 분포를 달성하는 데 매우 중요합니다.
다양한 용융 공정 기술은 코 회전 이축 압출기 및 집중 혼합기를 포함하여 잘 분산된 고분자/CNT 복합재료를 성공적으로 생산했습니다. 층상 구조 조립과 같은 덜 일반적인 접근 방식은 선택적 충전재 배치 및 향상된 분산을 통해 이점을 제공합니다.
강제 조립 다층 공압출은 베이커 변환을 기반으로 용융 흐름의 반복적인 스트레칭, 절단 및 적층을 통해 층상 구조를 생성하는 연속적이고 유연한 용융 공정 경로를 제공합니다. 일반적으로 두 개의 별도 고분자 용융물이 기존 공압출 피드블록에서 결합하여 초기 이중층 구조를 형성한 다음, 용융물을 분할하고 재결합하여 층 수를 점진적으로 증가시키는 층 증식 요소(LME)를 순차적으로 통과합니다.
이 고분자 층 제한은 향상된 기계적, 가스 차단, 광학적, 유전적 및 형상 기억 특성을 보여주었습니다. 층 두께는 주로 각 구성 요소의 출력과 형성된 층의 수에 따라 달라집니다. 연구 보고서에 따르면 다층 공압출을 통해 최대 16,384개의 층 수를 기록했으며, 층 두께는 마이크론에서 나노미터까지 다양합니다.
이 연구에서는 DentIncx 혼합 채널을 사용하여 소형 LME를 적용하여 베이커 변환을 적용하는 프로토타입 장치를 설계하고 제작했습니다. 이 접근 방식은 용융 압출 공정에 대한 효과를 유지하면서 더 간단한 제조 요구 사항을 제공합니다.
이 연구에서는 유연성, 내마모성 및 화학적 안정성을 위해 산업 등급 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 선택했습니다. 고순도 및 균일한 직경 분포를 가진 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)는 최적의 전기적 특성을 보장했습니다. 폴리프로필렌 글리콜(PPG)은 SWCNT 사전 분산제로 작용하여 CNT 분산을 용이하게 하기 위해 우수한 호환성과 낮은 점도를 제공했습니다.
연구자들은 먼저 초음파 처리법을 통해 SWCNT를 PPG에 사전 분산시켜 균질한 현탁액을 만들었습니다. 그런 다음 180-200°C에서 50-100rpm의 스크류 속도로 이축 압출을 사용하여 TPU를 특정 비율로 SWCNT/PPG 현탁액과 혼합했습니다. 압출기 출구에 설치된 정적 혼합기는 CNT 분산을 향상시키기 위해 추가 혼합 및 전단을 제공했습니다.
이 공정은 용융 TPU/SWCNT 복합재료와 순수 TPU를 별도로 공압출 피드블록과 여러 LME를 포함하는 다층 공압출 장비에 공급했습니다. 피드블록에서 형성된 초기 이중층 구조는 LME를 통해 반복적인 층화, 스트레칭 및 재결합을 거쳐 궁극적으로 수백 또는 수천 개의 층을 가진 구조를 생성했습니다. 용융 유량 및 LME 수량을 조정하여 층 두께를 정밀하게 제어할 수 있었습니다.
주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)은 정적 혼합 및 다층 공압출 후 TPU 매트릭스에서 SWCNT 분산이 현저하게 개선되었으며 응집이 현저히 감소했음을 보여주었습니다. TEM 관찰은 TPU 층 내에서 균일한 SWCNT 분포 및 배향을 추가로 확인했습니다.
인장 시험은 TPU/SWCNT 복합재료가 순수 TPU보다 높은 인장 강도와 탄성 계수를 나타냈지만 파단 시 신율은 약간 감소했음을 보여주었습니다. 다층 공압출은 이방성 기계적 특성을 가진 복합재료를 생성하여 압출 방향을 따라 수직 배향에 비해 더 높은 인장 강도를 나타냈습니다.
4점 프로브 측정 결과 0.3 wt.% SWCNT 함량에서 전도성 임계값이 나타나 효과적인 전도성 네트워크 형성을 나타냈습니다. SWCNT 로딩이 높을수록 전도성은 계속 증가했습니다. 다층 공압출은 기존 용융 혼합 대응물보다 현저히 높은 전도성을 가진 복합재료를 생성했으며, 이는 우수한 SWCNT 분산 및 정렬에 기인합니다.
이 연구는 다층 공압출을 SWCNT 사전 분산 및 정적 혼합과 결합하여 TPU/SWCNT 복합재료의 전도성을 효과적으로 향상시킨다는 것을 보여줍니다. 사전 분산은 SWCNT 표면 에너지 및 응집 경향을 줄이는 반면, 정적 혼합은 철저한 용융 균질화 및 전단을 제공합니다. 다층 공압출은 제어된 층상 구조를 통해 SWCNT 분포를 최적화하여 낮은 CNT 함량에서 탁월한 전도성을 달성합니다.
관찰된 기계적 이방성은 TPU 층 내의 SWCNT 배향과 관련이 있습니다. 압출 방향을 따라 주로 정렬된 SWCNT는 인장 강도를 증가시키는 반면, 더 무작위적인 수직 배향은 더 낮은 강도를 나타냅니다.
이 연구는 다층 공압출을 성공적으로 사용하여 고성능 TPU/SWCNT 복합재료를 생산했습니다. SWCNT 사전 분산, 정적 혼합 및 다층 공압출을 통해 이 연구는 우수한 SWCNT 분산 및 정렬을 달성하여 낮은 CNT 함량에서 우수한 전도성을 얻는 동시에 유연성을 유지했습니다.
향후 연구 방향은 다음과 같습니다.
다층 공압출은 다양한 산업 분야에서 고성능, 다기능 재료에 대한 증가하는 요구를 충족할 것을 약속하면서 고급 고분자 복합재료 개발에 상당한 잠재력을 제시합니다.
담당자: Ms. Chen
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