[go: up one dir, main page]

KR102295504B1 - Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof - Google Patents

Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102295504B1
KR102295504B1 KR1020190153628A KR20190153628A KR102295504B1 KR 102295504 B1 KR102295504 B1 KR 102295504B1 KR 1020190153628 A KR1020190153628 A KR 1020190153628A KR 20190153628 A KR20190153628 A KR 20190153628A KR 102295504 B1 KR102295504 B1 KR 102295504B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer
polymer composite
carbon
pvdf
carbon nanorods
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020190153628A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210064898A (en
KR102295504B9 (en
Inventor
김종학
한동석
이재훈
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020190153628A priority Critical patent/KR102295504B1/en
Publication of KR20210064898A publication Critical patent/KR20210064898A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102295504B1 publication Critical patent/KR102295504B1/en
Publication of KR102295504B9 publication Critical patent/KR102295504B9/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/005Reinforced macromolecular compounds with nanosized materials, e.g. nanoparticles, nanofibres, nanotubes, nanowires, nanorods or nanolayered materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • C08K3/046Carbon nanorods, nanowires, nanoplatelets or nanofibres
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L101/00Compositions of unspecified macromolecular compounds
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/0007Electro-spinning
    • D01D5/0015Electro-spinning characterised by the initial state of the material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00Specific properties of additives
    • C08K2201/002Physical properties
    • C08K2201/003Additives being defined by their diameter
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00Specific properties of additives
    • C08K2201/002Physical properties
    • C08K2201/004Additives being defined by their length

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소나노로드를 포함하여 고분자 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 고분자 복합재는 고분자 매트릭스 내에 탄소나노로드를 포함함으로써 우수한 내마모성 및 마찰 성능을 나타낼 수 있고, 탄소나노로드의 적절한 구조로 인해 고분자 매트릭스 내에서 3차원 구조를 형성하여 하중과 계면에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.The present invention relates to a polymer composite including carbon nanorods and a method for manufacturing the same, wherein the polymer composite can exhibit excellent wear resistance and friction performance by including carbon nanorods in a polymer matrix, and due to the appropriate structure of the carbon nanorods By forming a three-dimensional structure within the polymer matrix, it is possible to effectively dissipate the load and heat generated at the interface.

Description

탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재 및 이의 제조방법{Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof}Polymer composite containing carbon nanorod, and preparation method thereof

본 발명은 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재 및 이의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a polymer composite including carbon nanorods and a method for manufacturing the same.

뛰어난 기계적 및 화학적 특성으로 인해 복합 재료는 다양한 응용 분야에 널리 사용되어 왔다. 그 중 고분자 기반 복합 재료는 조율성, 제조 용이성, 낮은 마찰 및 우수한 자체 윤활 특성으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 따라서, 고분자 기반 복합 재료는 높은 기계적 강도 및 내마모성을 요구하는 마찰학적 적용을 위한 유망한 후보군으로 간주되며 일반적으로 고분자 매트릭스 및 무기 충전제로 구성된다. 적절한 고분자 매트릭스 및 무기 충전제를 선택하는 것은 중합 체계 복합체의 기계적 및 마찰학적 특성을 최적화하는데 중요하다.Due to their excellent mechanical and chemical properties, composite materials have been widely used in a variety of applications. Among them, polymer-based composite materials have attracted much attention due to their tunability, ease of manufacture, low friction, and excellent self-lubricating properties. Therefore, polymer-based composites are considered promising candidates for tribological applications requiring high mechanical strength and wear resistance, and are generally composed of polymer matrices and inorganic fillers. Selection of the appropriate polymer matrix and inorganic filler is important for optimizing the mechanical and tribological properties of the polymeric system composite.

에폭시계 수지, 폴리이미드, 폴리(에테르에테르케톤)(PEEK), 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)와 같은 다양한 고분자가 고분자 기반 복합재를 개발하기 위해 사용되어왔다. 불소 중합체는 우수한 기계적 및 화학적 안정성 및 내마모성을 나타내므로 거친 마모 조건을 견딜 수 있다. 많은 연구에서 낮은 마찰 계수와 우수한 내마모성으로 인해 PTFE 기반 복합 재료에 중점을 두고 있다. 그러나, 다양한 용매에서 PTFE의 용해성이 좋지 않으며 비용이 많이 들기 때문에 PTFE 기반 복합재의 적용은 제한되어 왔다.Various polymers such as epoxy-based resins, polyimides, poly(etheretherketone) (PEEK), poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) and poly(vinylidene fluoride) (PVDF) have been used to develop polymer-based composites. has been used Fluoropolymers exhibit excellent mechanical and chemical stability and abrasion resistance, so they can withstand harsh wear conditions. Many studies have focused on PTFE-based composites due to their low coefficient of friction and good wear resistance. However, the poor solubility of PTFE in various solvents and the high cost have limited the application of PTFE-based composites.

상기 문제를 해결하기 위해 더 나은 용해도와 용이한 가공성을 가지면서 저비용으로 제조할 수 있는 고분자 복합재에 대한 연구가 필요한 실정이다.In order to solve the above problems, there is a need for research on a polymer composite material that can be manufactured at low cost while having better solubility and easy processability.

J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13925-13931J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13925-13931

본 발명의 목적은 고분자 매트릭스 내에 탄소나노로드를 포함하여 고분자의 사슬 구조를 조절하여 마찰 성능을 향상시킨 고분자 복합재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a polymer composite material having improved friction performance by controlling the chain structure of a polymer including carbon nanorods in a polymer matrix, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 매트릭스; 및The present invention is from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly(ether ether ketone) (PEEK) and poly(tetrafluoroethylene) (PTFE). A polymer matrix comprising at least one selected; and

고분자 매트릭스 내에 분산된 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재를 제공한다Provided is a polymer composite comprising carbon nanorods dispersed in a polymer matrix

또한, 본 발명은 고분자 및 탄소나노로드를 혼합하여 고분자-탄소나노로드 복합체를 제조하는 단계; 및In addition, the present invention comprises the steps of preparing a polymer-carbon nanorod composite by mixing a polymer and carbon nanorods; and

상기 고분자-탄소나노로드 복합체에 압력을 가하여 고분자 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 고분자 복합재의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a polymer composite, comprising the step of preparing the polymer composite by applying pressure to the polymer-carbon nanorod composite.

본 발명에 따른 고분자 복합재는 고분자 매트릭스 내에 탄소나노로드를 포함함으로써 우수한 내마모성 및 마찰 성능을 나타낼 수 있고, 탄소나노로드의 적절한 구조로 인해 고분자 매트릭스 내에서 3차원 구조를 형성하여 하중과 계면에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.The polymer composite according to the present invention can exhibit excellent wear resistance and friction performance by including carbon nanorods in the polymer matrix, and forms a three-dimensional structure in the polymer matrix due to the appropriate structure of the carbon nanorods, which occurs at the load and interface It can dissipate heat effectively.

도 1은 본 발명에 따른 고분자 복합재의 제조방법을 도식화한 이미지이다.
도 2는 일실시예에서 제조한 고분자 복합재를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다:a는 탄소나노로드, b는 핫 프레싱 전 PVDF/CNR 복합체, c 및 d는 비교예의 PVDF 필름, e 및 f는 실시예 3의 고분자 복합재의 이미지이다.
도 3은 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 푸리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 그래프이다.
도 4는 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 시차주사열량분석법(DSC) 결과 그래프이다: a는 고분자 복합재의 용융 온도를 나타내고, b는 고분자 복합재의 재결정 온도를 나타낸다.
도 5는 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 X선 회절(XRD) 결과 그래프이다.
도 6은 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 X선 광전자 분광(XRD) 결과 그래프이다.
도 7은 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 열 중량 분석(TGA)한 결과 그래프이다.
도 8은 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 마찰 계수를 나타낸 그래프이다:a는 작동 시간에 따른 고분자 복합재 종류별의 마찰 계수를 나타내고, b은 탄소나노로드 함량에 따른 작동 시간별의 고분자 복합재의 마찰 계수를 나타낸다.
도 9는 일실시예에서 제조한 고분자 복합재의 특정 마모율(Specific wear rate)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 일실시예에서 제조한 고분자 복합재를 마모 시험 이후 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
1 is a schematic image of a method for manufacturing a polymer composite according to the present invention.
2 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of the polymer composite material prepared in Example: a is a carbon nanorod, b is a PVDF/CNR composite before hot pressing, c and d are a PVDF film of a comparative example, e and f is an image of the polymer composite of Example 3.
3 is a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) graph of the polymer composite prepared in Example.
4 is a graph showing the results of differential scanning calorimetry (DSC) of the polymer composite prepared in Example: a represents the melting temperature of the polymer composite, and b represents the recrystallization temperature of the polymer composite.
5 is a graph of X-ray diffraction (XRD) results of the polymer composite prepared in Example.
6 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XRD) of the polymer composite prepared in Example.
7 is a graph showing the result of thermogravimetric analysis (TGA) of the polymer composite prepared in Example.
8 is a graph showing the coefficient of friction of the polymer composite material prepared in Example: a is the friction coefficient of each type of polymer composite according to the operating time, b is the friction coefficient of the polymer composite according to the operating time according to the carbon nanorod content indicates
9 is a graph showing a specific wear rate of the polymer composite prepared in one embodiment.
10 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) after the abrasion test of the polymer composite material prepared in Example.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명은 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 탄소나노로드는 표면 특성을 변화시켜 고분자 복합재의 내마모성을 향상시키므로 유지 보수 비용을 절약할 수 있고, 고분자 복합재의 고분자 매트릭스 내에 탄소나노로드의 함량을 조절하여 적절한 내마모성 및 마찰 성능을 나타내고 계면에서 발생하는 열과 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있다.The present invention relates to a polymer composite material including carbon nanorods and a method for manufacturing the same, wherein the carbon nanorods improve the abrasion resistance of the polymer composite material by changing the surface properties, thereby saving maintenance costs, and within the polymer matrix of the polymer composite material By controlling the content of carbon nanorods, it is possible to exhibit proper wear resistance and friction performance, and to effectively disperse heat and load generated at the interface.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 고분자 매트릭스; 및The present invention relates to the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly(ether ether ketone) (PEEK) and poly(tetrafluoroethylene) (PTFE). A polymer matrix comprising at least one selected from; and

고분자 매트릭스 내에 분산된 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재를 제공한다.Provided is a polymer composite including carbon nanorods dispersed in a polymer matrix.

상기 고분자 매트릭스는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 구체적으로, 상기 고분자 매트릭스는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 또는 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)일 수 있으며, 보다 구체적으로, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)일 수 있다.The polymer matrix is a group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly(ether ether ketone) (PEEK) and poly(tetrafluoroethylene) (PTFE). It may be at least one selected from, specifically, the polymer matrix is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly (ether) ether ketone) (PEEK) or poly(tetrafluoroethylene) (PTFE), and more specifically, polyvinylidene fluoride (PVDF).

또한, 상기 고분자 매트릭스는 결정상 중에서 975 cm-1, 854 cm-1, 796 cm-1, 763 cm-1 및 614 cm-1 중 어느 하나 이상의 위치에서 α-상의 밴드를 관찰할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 매트릭스는 결정상 중에서 β-상 강도는 감소하는 반면, α-상 강도는 증가할 수 있다. 이는 고분자 매트릭스의 α상의 결정상이 증가함으로써 고분자 매트릭스와 탄소나노로드의 2차 상호 작용을 감소시켜 고분자 복합재의 마찰 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, in the polymer matrix, a band of the α-phase may be observed at any one or more positions of 975 cm -1 , 854 cm -1 , 796 cm -1 , 763 cm -1 and 614 cm -1 in the crystal phase. Specifically, in the polymer matrix, the β-phase strength may decrease while the α-phase strength may increase in the crystalline phase. This can improve the friction performance of the polymer composite by reducing the secondary interaction between the polymer matrix and the carbon nanorods by increasing the crystalline phase of the α phase of the polymer matrix.

본 발명에 따른 고분자 복합재는 1 중량% 내지 20 중량%의 탄소나노로드를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노로드는 1 중량% 내지 15 중량%, 1 중량% 내지 10 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량% 또는 5 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함할 수 있다.The polymer composite according to the present invention may contain 1 wt% to 20 wt% of carbon nanorods. Specifically, the carbon nanorods are 1% to 15% by weight, 1% to 10% by weight, 5% to 20% by weight, 5% to 15% by weight or 5% to 10% by weight. may include

하나의 예로서, 상기 탄소나노로드는 평균 직경이 200nm 내지 900nm이고, 평균 길이는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노로드는 평균 직경이 200nm 내지 800nm, 200nm 내지 600nm, 300nm 내지 900nm 또는 300nm 내지 700nm, 400nm 내지 900nm, 400nm 내지 700nm 또는 400nm 내지 600nm이고, 평균 길이는 3㎛ 내지 15㎛, 3㎛ 내지 13㎛, 3㎛ 내지 10㎛, 5㎛ 내지 15㎛, 5㎛ 내지 13㎛ 또는 5㎛ 내지 10㎛일 수 있다.As an example, the carbon nanorods may have an average diameter of 200 nm to 900 nm, and an average length of 3 μm to 15 μm. Specifically, the carbon nanorods have an average diameter of 200 nm to 800 nm, 200 nm to 600 nm, 300 nm to 900 nm or 300 nm to 700 nm, 400 nm to 900 nm, 400 nm to 700 nm or 400 nm to 600 nm, and an average length of 3 μm to 15 μm, 3 μm to 13 μm, 3 μm to 10 μm, 5 μm to 15 μm, 5 μm to 13 μm, or 5 μm to 10 μm.

상기와 같은 탄소나로드를 고분자 매트릭스 내에 포함함으로써 본 발명에 따른 고분자 복합재는 우수한 마찰 성능 및 내마모성을 나타낼 수 있다. By including the carbon or rod as described above in the polymer matrix, the polymer composite material according to the present invention can exhibit excellent friction performance and wear resistance.

본 발명에 따른 고분자 복합재는 고분자 매트릭스 내부에 탄소나노로드가 분산된 구조로서, 고분자 복합재의 표면에는 고분자 매트릭스만 존재하고 탄소나노로드는 고분자 매트릭스 내부에만 포함할 수 있다. 구체적으로, 고분자 복합재의 표면으로부터 수십 나노미터까지는 고분자 매트릭스로만 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고분자 복합재의 표면으로부터 10nm 내지 100nm 두께는 고분자 매트릭스로만 이루어질 수 있다. The polymer composite material according to the present invention has a structure in which carbon nanorods are dispersed inside a polymer matrix, and only the polymer matrix exists on the surface of the polymer composite material, and the carbon nanorods may be included only in the polymer matrix. Specifically, from the surface of the polymer composite material to several tens of nanometers may be formed of only the polymer matrix. For example, a thickness of 10 nm to 100 nm from the surface of the polymer composite may be formed of only the polymer matrix.

또한, 상기 고분자 복합재의 두께는 1㎜ 내지 100㎜일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 복합재의 두께는 1㎜ 내지 80㎜, 1㎜ 내지 60㎜, 1㎜ 내지 20㎜, 1㎜ 내지 10㎜ 또는 1㎜ 내지 5㎜일 수 있다.In addition, the thickness of the polymer composite material may be 1 mm to 100 mm. Specifically, the thickness of the polymer composite may be 1 mm to 80 mm, 1 mm to 60 mm, 1 mm to 20 mm, 1 mm to 10 mm, or 1 mm to 5 mm.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 고분자 복합재는 왕복 모드 마찰 시험하는 경우 240분 이후의 마찰 계수가 0.01 내지 0.4일 수 있다. 구체적으로, 상기 마찰 계수가 0.01 내지 0.4, 0.01 내지 0.35, 0.01 내지 0.3, 0.01 내지 0.2 또는 0.01 내지 0.1일 수 있다.As an example, the polymer composite material according to the present invention may have a coefficient of friction of 0.01 to 0.4 after 240 minutes when the reciprocating mode friction test is performed. Specifically, the friction coefficient may be 0.01 to 0.4, 0.01 to 0.35, 0.01 to 0.3, 0.01 to 0.2, or 0.01 to 0.1.

또한, 본 발명에 따른 고분자 복합재의 마모율은 1X10-5mm3/N·m 내지 7X10-5mm3/N·m일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 복합재의 마모율은 1X10-5mm3/N·m 내지 6X10-5mm3/N·m, 1X10-5mm3/N·m 내지 4X10-5mm3/N·m 또는 2X10-5mm3/N·m 내지 5X10-5mm3/N·m일 수 있다.In addition, the wear rate of a polymeric composite material according to the present invention may be 1X10 -5 mm 3 / N · m to about 7X10 -5 mm 3 / N · m . Specifically, the wear rate of the polymer composite material is 1X10 -5 mm 3 / N · m to about 6X10 -5 mm 3 / N · m , 1X10 -5 mm 3 / N · m to about 4X10 -5 mm 3 / N · m or 2X10 -5 mm 3 /N·m to 5X10 -5 mm 3 /N·m.

또한, 고분자 및 탄소나노로드를 혼합하여 고분자-탄소나노로드 복합체를 제조하는 단계; 및In addition, mixing a polymer and carbon nanorods to prepare a polymer-carbon nanorod composite; and

상기 고분자-탄소나노로드 복합체에 압력을 가하여 고분자 복합재를 제조하는 단계를 포함하는 고분자 복합재의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a polymer composite, comprising the step of preparing the polymer composite by applying pressure to the polymer-carbon nanorod composite.

본 발명에 따른 고분자 복합재의 제조방법은 도 1에 도시한 바와 같이 폴리아크릴로니트릴을 포함하는 수용액을 기판 상에 전기방사하여 나노섬유를 제조하고, 제조한 나노섬유를 열분해시킨 결과물을 막자사발로 갈아 탄소나노로드 파우더를 제조한다. 그런 다음, 고분자와 상기 제조한 탄소나노로드를 일정 비율로 혼합하여 용해시킨 혼합용액을 24시간 동안 교반하고 원심분리하여 침전시킨 침전물을 제조한다. 얻은 침전물은 스테인리스 강 몰드에 넣은 다음 고온 및 고압에서 핫 프레싱하여 고분자 복합재를 제조한다.As shown in FIG. 1, in the method for manufacturing a polymer composite according to the present invention, nanofibers are prepared by electrospinning an aqueous solution containing polyacrylonitrile on a substrate, and the result of thermally decomposing the prepared nanofibers is used in a mortar. Grind to prepare carbon nanorod powder. Then, the polymer and the carbon nanorods prepared above are mixed in a certain ratio and the mixed solution dissolved therein is stirred for 24 hours and centrifuged to prepare a precipitated precipitate. The obtained precipitate is placed in a stainless steel mold and then hot pressed at high temperature and high pressure to prepare a polymer composite.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 고분자 복합재의 제조방법은 전기방사를 통해 탄소나노로드를 제조하는 단계; 고분자 및 탄소나노로드를 혼합하여 고분자-탄소나노로드 복합체를 제조하는 단계; 및 상기 고분자-탄소나노로드 복합체에 압력을 가하여 고분자 복합재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.As an example, the method for manufacturing a polymer composite according to the present invention comprises the steps of: preparing carbon nanorods through electrospinning; preparing a polymer-carbon nanorod composite by mixing a polymer and carbon nanorods; and applying pressure to the polymer-carbon nanorod composite to prepare a polymer composite.

상기 탄소나노로드를 제조하는 단계는 폴리아크릴로니트릴을 용매와 교반하여 수용액을 제조하고, 상기 수용액을 ITO 또는 FTO의 기판 상에 전기방사하여 나노섬유를 제조할 수 있다. 상기 나노섬유는 200℃ 내지 400℃에서 30분 내지 2시간 동안 안정화시킨 후 700℃ 이상 또는 800℃ 이상의 온도에서 30분 내지 2시간 동안 열분해하여 수행할 수 있다.In the manufacturing of the carbon nanorods, an aqueous solution is prepared by stirring polyacrylonitrile with a solvent, and the aqueous solution is electrospun on a substrate of ITO or FTO to prepare nanofibers. The nanofibers may be stabilized at 200° C. to 400° C. for 30 minutes to 2 hours and then thermally decomposed at a temperature of 700° C. or higher or 800° C. or higher for 30 minutes to 2 hours.

또 하나의 예로서, 상기 고분자 및 탄소나노로드를 혼합하여 고분자-탄소나노로드 복합체를 제조하는 단계는 고분자 및 탄소나노로드를 혼합한 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 원심분리하고 진공 오븐에서 건조시켜 잔류 용매를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 혼합용액을 원심분리하여 침전물을 얻은 후 오븐에서 건조시켜 잔류 용매를 제거할 수 있다. 상기 잔류 용매가 제거된 침전물은 고분자-탄소나노로드 복합체로서 가루로 분쇄하여 사용될 수 있다. 상기와 같이 제조한 고분자-탄소나노로드 복합체는 구 형태의 고분자가 탄소나노로드 표면에 부착된 형태일 수 있다.As another example, the step of preparing a polymer-carbon nanorod composite by mixing the polymer and carbon nanorods is to prepare a mixed solution in which the polymer and carbon nanorods are mixed, centrifuge the mixed solution and in a vacuum oven Residual solvent can be removed by drying. Specifically, the mixed solution may be centrifuged to obtain a precipitate and then dried in an oven to remove the residual solvent. The precipitate from which the residual solvent has been removed may be used by pulverizing it into a powder as a polymer-carbon nanorod composite. The polymer-carbon nanorod composite prepared as described above may have a form in which a spherical polymer is attached to the surface of the carbon nanorod.

상기 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 및 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 매트릭스는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 에폭시 수지, 폴리이미드, 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 또는 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE)일 수 있으며, 보다 구체적으로, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)일 수 있다.The polymer is selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly(ether ether ketone) (PEEK) and poly(tetrafluoroethylene) (PTFE). It may include one or more selected. Specifically, the polymer matrix is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride (PVDF), epoxy resin, polyimide, polyaryl ether ketone (PAEK), poly(ether ether ketone) (PEEK) or poly (tetrafluoroethylene) (PTFE), and more specifically, polyvinylidene fluoride (PVDF).

또한 상기 혼합용액에서 탄소나노로드는 1 중량% 내지 20 중량%로 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노로드는 1 중량% 내지 15 중량%, 1 중량% 내지 10 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량% 또는 5 중량% 내지 10 중량%로 혼합할 수 있다. 상기와 같은 함량으로 탄소나노로드를 혼합함으로써 본 발명에 따른 고분자 복합재의 마찰 계수 및 내마모율을 향상시킬 수 있다.In addition, in the mixed solution, the carbon nanorods may be mixed in an amount of 1 wt% to 20 wt%. Specifically, the carbon nanorods may be mixed at 1 wt% to 15 wt%, 1 wt% to 10 wt%, 5 wt% to 20 wt%, 5 wt% to 15 wt%, or 5 wt% to 10 wt% can By mixing the carbon nanorods in the same amount as described above, the coefficient of friction and the wear resistance of the polymer composite according to the present invention can be improved.

예를 들어, 상기 탄소나노로드는 평균 직경이 200nm 내지 900nm이고, 평균 길이는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노로드는 평균 직경이 200nm 내지 800nm, 200nm 내지 600nm, 300nm 내지 900nm 또는 300nm 내지 700nm, 400nm 내지 900nm, 400nm 내지 700nm 또는 400nm 내지 600nm이고, 평균 길이는 3㎛ 내지 15㎛, 3㎛ 내지 13㎛, 3㎛ 내지 10㎛, 5㎛ 내지 15㎛, 5㎛ 내지 13㎛ 또는 5㎛ 내지 10㎛일 수 있다.For example, the carbon nanorods may have an average diameter of 200 nm to 900 nm, and an average length of 3 μm to 15 μm. Specifically, the carbon nanorods have an average diameter of 200 nm to 800 nm, 200 nm to 600 nm, 300 nm to 900 nm or 300 nm to 700 nm, 400 nm to 900 nm, 400 nm to 700 nm or 400 nm to 600 nm, and an average length of 3 μm to 15 μm, 3 μm to 13 μm, 3 μm to 10 μm, 5 μm to 15 μm, 5 μm to 13 μm, or 5 μm to 10 μm.

하나의 예로서, 상기 고분자-탄소나노로드 복합체에 압력을 가하여 고분자 복합재를 제조하는 단계는 분말 형태의 고분자-탄소나노로드 복합체를 몰드에 넣고 150℃ 내지 250℃의 온도에서 10 내지 30 bar의 압력으로 핫 프레싱하여 고분자 복합재를 제조할 수 있다. 구체적으로, 분말 형태의 고분자-탄소나노로드 복합체를 몰드에 넣고 150℃ 내지 220℃, 150℃ 내지 200℃ 또는 170℃ 내지 220℃의 온도에서 10 내지 25 bar, 10 내지 20 bar 또는 15 내지 25 bar 의 압력으로 핫 프레싱하여 고분자 복합재를 제조할 수 있다. 상기와 같은 조건으로 핫 프레싱함으로써 본 발명에 고분자 복합재는 고분자 매트릭스 내부에 탄소나노로드가 캡슐화된 형태를 가질 수 있다.As an example, the step of preparing the polymer composite by applying pressure to the polymer-carbon nanorod composite is putting the polymer-carbon nanorod composite in powder form into a mold and at a temperature of 150° C. to 250° C., a pressure of 10 to 30 bar. It is possible to prepare a polymer composite material by hot pressing. Specifically, a polymer-carbon nanorod composite in powder form is placed in a mold and 10 to 25 bar, 10 to 20 bar, or 15 to 25 bar at a temperature of 150°C to 220°C, 150°C to 200°C, or 170°C to 220°C. A polymer composite can be prepared by hot pressing with a pressure of By hot pressing under the above conditions, the polymer composite material in the present invention may have a form in which carbon nanorods are encapsulated in a polymer matrix.

이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and the like according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the Examples presented below.

제조예manufacturing example

먼저, 1 g의 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)을 50℃에서 6 시간 동안 교반하여 10 mL의 디메틸포름아마이드(DMF)에 완전히 용해시켰다. 투명하고 균일한 상태가 되면 용액을 실온으로 냉각시켰다. 실온으로 냉각시킨 용액을 12mL 주사기로 취하여 고전압 직류 전원 공급 장치에 연결된 스테인레스 스틸 바늘을 통해 주입했다. 인가 전압 및 주입 속도는 각각 15kV 및 0.5mL/h의 조건으로 폴리아클릴로니트릴 나노섬유를 FTO 유리 기판 위에 전기방사 하였다. 전기 방사된 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 FTO 유리로부터 벗겨낸 후, 280℃에서 1시간 동안 안정화시킨 후 800℃에서 1 시간 동안 열분해시켰다. 결과물을 막자사발로 갈아 균일한 파우더 형태의 탄소나노로드(CNR) 제조하였다.First, 1 g of polyacrylonitrile (Polyacrylonitrile, PAN) was completely dissolved in 10 mL of dimethylformamide (DMF) by stirring at 50° C. for 6 hours. When it became clear and homogeneous, the solution was cooled to room temperature. The solution cooled to room temperature was taken with a 12 mL syringe and injected through a stainless steel needle connected to a high voltage DC power supply. The applied voltage and injection rate were electrospun polyacrylonitrile nanofibers on the FTO glass substrate under the conditions of 15 kV and 0.5 mL/h, respectively. After the electrospun polyacrylonitrile nanofibers were peeled off from the FTO glass, they were stabilized at 280°C for 1 hour and then pyrolyzed at 800°C for 1 hour. The resultant was grinded with a mortar to prepare carbon nanorods (CNR) in a uniform powder form.

실시예 1Example 1

그런 다음, 0.4 g의 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 분말을 실온에서 교반하여 10 mL의 디메틸포름아마이드(DMF)에 용해시켰다. 제조예에서 제조한 탄소나노로드(CNR) 분말 0.04 g을 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 용액에 첨가하였다. 균일한 혼합을 위해, 제조된 용액을 30 분 동안 초음파 처리한 다음 24시간 동안 교반하였다. 이어서, 생성된 혼합물을 100 mL의 에탄올에 첨가하여 침전시켰다. PVDF 분말을 침전된 용액에 첨가하여 PVDF/CNR 화합물의 총 중량을 4.0 g로 만들었다. 생성물을 원심분리와 진공 오븐에서 건조시켜 잔류 용매를 제거함으로써 PVDF/CNR 복합체를 수득하였다. 뭉쳐있는 PVDF/CNR 덩어리를 막자사발을 사용하여 미세 분말로 분쇄하였다. 상기 분쇄한 PVDF/CNR 분말을 정사각형 스테인리스 강 몰드에 넣은 다음 190℃ 및 20bar에서 2시간 동안 핫 프레싱하여 1 중량% 탄소나노로드를 갖는 고분자(PVDF/CNR) 복합재를 제조하였다.Then, 0.4 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) powder was stirred at room temperature and dissolved in 10 mL of dimethylformamide (DMF). 0.04 g of the carbon nanorod (CNR) powder prepared in Preparation Example was added to a polyvinylidene fluoride (PVDF) solution. For uniform mixing, the prepared solution was sonicated for 30 minutes and then stirred for 24 hours. Then, the resulting mixture was added to 100 mL of ethanol to precipitate. PVDF powder was added to the precipitated solution to bring the total weight of PVDF/CNR compound to 4.0 g. A PVDF/CNR composite was obtained by centrifugation and drying the product in a vacuum oven to remove residual solvent. The agglomerated PVDF/CNR mass was ground into a fine powder using a mortar. The pulverized PVDF/CNR powder was put into a square stainless steel mold and then hot-pressed at 190° C. and 20 bar for 2 hours to prepare a polymer (PVDF/CNR) composite having 1 wt% carbon nanorods.

실시예 2Example 2

제조예에서 제조한 탄소나노로드(CNR) 분말 0.2 g을 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 5 중량% CNR 로딩을 갖는 고분자 복합재를 제조하였다.A polymer composite having a CNR loading of 5 wt% was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.2 g of the carbon nanorod (CNR) powder prepared in Preparation Example was added to the polyvinylidene fluoride solution.

실시예 3Example 3

제조예에서 제조한 탄소나노로드(CNR) 분말 0.4 g을 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 10 중량% CNR 로딩을 갖는 고분자 복합재를 제조하였다.A polymer composite having 10 wt% CNR loading was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.4 g of the carbon nanorod (CNR) powder prepared in Preparation Example was added to the polyvinylidene fluoride solution.

실시예 4Example 4

제조예에서 제조한 탄소나노로드(CNR) 분말 0.6 g을 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 15 중량% CNR 로딩을 갖는 고분자 복합재를 제조하였다.A polymer composite having 15 wt% CNR loading was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.6 g of the carbon nanorod (CNR) powder prepared in Preparation Example was added to the polyvinylidene fluoride solution.

실시예 5Example 5

제조예에서 제조한 탄소나노로드(CNR) 분말 0.8 g을 폴리비닐리덴 플루오라이드 용액에 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 20 중량% CNR 로딩을 갖는 고분자 복합재를 제조하였다.A polymer composite having 20 wt% CNR loading was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.8 g of the carbon nanorod (CNR) powder prepared in Preparation Example was added to the polyvinylidene fluoride solution.

비교예 1Comparative Example 1

4.0 g의 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 분말을 정사각형 스테인리스 강 몰드에 넣은 다음 190℃ 및 20bar에서 2 시간 동안 핫 프레싱 하여 순수한 PVDF 필름을 제조하였다.4.0 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) powder was put into a square stainless steel mold and then hot-pressed at 190° C. and 20 bar for 2 hours to prepare a pure PVDF film.

실험예 1Experimental Example 1

본 발명에 따른 고분자 복합재의 형태를 확인하기 위해, 제조예에서 제조한 탄소나노로드, 실시예 3에서 제조한 고분자 복합재 및 비교예에서 제조한 PVDF 필름을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.In order to confirm the shape of the polymer composite material according to the present invention, the carbon nanorods prepared in Preparation Example, the polymer composite material prepared in Example 3, and the PVDF film prepared in Comparative Example were examined with a scanning electron microscope (SEM). was photographed, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2의 (a)는 제조예에서 제조한 탄소나노로드를 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이고, 도 2의 (b)는 실시예 3에서 핫 프레싱 하기 전 PVDF/CNR 복합체를 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이며, 도 2의 (c) 및 (d)는 비교예에서 제조한 PVDF 필름을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이고, 도 (e) 및 (f)는 실시예 3에서 제조한 고분자 복합재를 주사전자현미경으로 촬영한 이미지이다.Figure 2 (a) is an image taken with a scanning electron microscope of the carbon nanorods prepared in Preparation Example, Figure 2 (b) is a PVDF / CNR composite before hot pressing in Example 3 taken with a scanning electron microscope It is an image, and (c) and (d) of FIG. 2 are images taken with a scanning electron microscope of the PVDF film prepared in Comparative Example, and FIGS. (e) and (f) are the polymer composites prepared in Example 3 This is an image taken with a scanning electron microscope.

도 2를 살펴보면, 탄소나노로드(CNR)의 평균 직경은 약 500nm 이며, 길이는 5 내지 10㎛으로 관찰되었다. 프레스 전에, 마이크로 사이즈 이하의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 구체를 탄소나노로드의 표면에 물리적으로 부착시켰다. 190℃ 및 20 bar에서 2 시간 동안 프레싱한 후, PVDF 구의 표면은 도 2 (c) 및(d)에 도시 된 바와 같이 매끄러워졌다. 순수한 PVDF필름은 균열이 없는 구조와 균질한 형태를 보여 주었다. 도 2의 (e) 및 (f)는 탄소나노로드의 분포를 확인하기 위해, 실시예 3의 고분자 복합재를 수직으로 절단한 다음 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였고, 이를 살펴보면 탄소나노로드는 PVDF 매트릭스에 잘 분산되었고, 그 표면은 PVDF 매트릭스에 의해 캡슐화되었다. 분산된 탄소나노로드는 PVDF 매트릭스를 단단히 유지하기 위한 프레임 워크로서 작용하여 복합재의 내마모성을 향상시켰다. 더욱이 탄소나노로드의 2D 구조는 마찰 측정에서 생성된 마찰 유발 열을 효과적으로 전달할 수 있다. 계면 온도가 높으면 폴리머 기반 복합 재료의 기계적 강도와 경도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.Referring to FIG. 2 , the average diameter of the carbon nanorods (CNR) was about 500 nm, and the length was observed to be 5 to 10 μm. Before pressing, micro-sized polyvinylidene fluoride (PVDF) spheres were physically attached to the surface of the carbon nanorods. After pressing at 190 °C and 20 bar for 2 hours, the surface of the PVDF spheres became smooth as shown in Figs. 2(c) and (d). The pure PVDF film showed a crack-free structure and homogeneous morphology. (e) and (f) of Figure 2, in order to confirm the distribution of carbon nanorods, the polymer composite of Example 3 was cut vertically and then observed using a scanning electron microscope (SEM), looking at this, carbon nanorods were well dispersed in the PVDF matrix, and the surface was encapsulated by the PVDF matrix. The dispersed carbon nanorods acted as a framework for firmly holding the PVDF matrix, improving the wear resistance of the composite. Moreover, the 2D structure of carbon nanorods can effectively transfer friction-induced heat generated in friction measurements. High interfacial temperatures can negatively affect the mechanical strength and hardness of polymer-based composites.

실험예 2Experimental Example 2

본 발명에 따른 고분자 복합재의 물리적화학적 특성을 확인하기 위해, 실시예 1 내지 5에서 제조한 고분자 복합재와 비교예의 PVDF 필름을 대상으로 푸리에변환 적외선 분광분석(FT-IR), 시차주사열량 분석법(DSC), X선 회절 분석법(XRD), X선 광전자 분광분석(XPS) 및 열 중량 분석법(TGA) 실험을 수행하였으며, 그 결과는 도 3 내지 7 및 표 1에 나타내었다.In order to confirm the physical and chemical properties of the polymer composite according to the present invention, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), differential scanning calorimetry (DSC) for the polymer composites prepared in Examples 1 to 5 and PVDF films of Comparative Examples ), X-ray diffraction analysis (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and thermogravimetric analysis (TGA) experiments were performed, and the results are shown in FIGS. 3 to 7 and Table 1 .

SampleSample Atomic contribution of element (%)Atomic contribution of element (%) TotalTotal C1sC1s F1sF1s O1sO1s 비교예comparative example 74.8874.88 14.5614.56 10.5610.56 100100 실시예 5Example 5 74.3274.32 16.316.3 9.389.38 100100

도 3는 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재와 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 고분자 복합재의 PVDF 매트릭스와 탄소나노로드 필러 사이의 상호작용을 알 수 있다. 구체적으로, 순수한 PVDF 필름은 트랜스 및 가슈(gauche) 연결과의 사슬 구조에 따라 3가지 상이한 결정상(α, β 및 γ)를 나타냈다. PVDF의 α-상은 체인 구조의 대칭 및 비극성 구성으로 인해 제로섬 쌍극자 모멘트를 갖는다. 대조적으로, PVDF의 β 및 γ-상은 분자의 비대칭 배열로 인해 강한 쌍극자 모멘트를 나타낸다. PVDF의 α-상은 마찰 과정에서 마찰이 발생하지 않는 PVDF 체인 사이에서 유도된 쌍극자-쌍극자 모멘트를 감소시키기 때문에 마찰학적 응용에 적합하다. 순수한 PVDF 필름에서, 기계적 변형 및 열 어닐링 공정 동안 형성된 극성 β-상에 상응하는 840 cm-1에서 강한 밴드가 관찰되었다. 고분자 복합재(PVDF/CNR)의 경우, β-상의 강도는 점차 감소하는 반면, α-상의 강도는 탄소나노로드(CNR)의 함량이 증가함에 따라 급격히 증가하였다. 이는 탄소나노로드가 PVDF 매트릭스에 잘 분산되어 있고, PVDF 체인과 얽혀 있음을 나타낸다. 이를 통해, 본 발명에 따른 고분자 복합재는 탄소나노로드가 PVDF의 체인 구조에 영향을 미치고, 탄소나노로드의 혼입으로 인해 PVDF 사슬의 배열이 변경되고 이들 사이의 2차 상호 작용을 감소시켜 고분자 복합재의 마찰 성능을 향상시키는 것을 알 수 있다.3 is a graph showing the results of Fourier transform infrared spectroscopy analysis of the polymer composite material prepared in Examples 1 to 5 and the PVDF film prepared in Comparative Examples. Referring to FIG. 3 , the interaction between the PVDF matrix of the polymer composite and the carbon nanorod filler can be seen. Specifically, the pure PVDF film exhibited three different crystalline phases (α, β and γ) depending on the chain structure with trans and gauche linkages. The α-phase of PVDF has a zero-sum dipole moment due to the symmetric and non-polar configuration of the chain structure. In contrast, the β and γ-phases of PVDF exhibit strong dipole moments due to the asymmetric arrangement of molecules. The α-phase of PVDF is suitable for tribological applications because it reduces the dipole-dipole moment induced between the PVDF chains where friction does not occur during the friction process. In the pure PVDF film, a strong band was observed at 840 cm −1 corresponding to the polar β-phase formed during the mechanical deformation and thermal annealing process. In the case of the polymer composite (PVDF/CNR), the strength of the β-phase gradually decreased, while the strength of the α-phase increased rapidly as the content of carbon nanorods (CNR) increased. This indicates that the carbon nanorods are well dispersed in the PVDF matrix and entangled with the PVDF chains. Through this, in the polymer composite according to the present invention, carbon nanorods affect the chain structure of PVDF, and the arrangement of PVDF chains is changed due to incorporation of carbon nanorods, and secondary interactions between them are reduced, so that the polymer composite material is It can be seen that the friction performance is improved.

도 4는 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재 및 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 시차주사열량분석법(DSC) 결과 그래프이고, (a)는 고분자 복합재 및 PVDF 필름의 녹는점을 나타내고, (b)는 고분자 복합재 및 PVDF 필름의 재결정 온도를 나타낸다. 도 4를 살펴보면, 모든 샘플은 상이한 용융 온도(Tm)를 나타냈다. 순수한 PVDF는 162℃의 용융 온도를 나타냈고, 고분자 복합재의 경우 탄소나노로드 함량이 증가함에 따라, 복합재의 용융 온도는 점차 감소하였다. 또한, 도 4의 (b)를 보면 고분자 복합재의 경우 탄소나노로드 함량이 증가할수록 재결정 온도는 증가하였다. 푸리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 분석에 의해 확인된 바와 같이 PVDF 사슬 구조의 구성은 PVDF 중합체 사슬과 탄소나노로드 사이의 상호 작용으로 인해 β-상에서 α-상으로 변화되었다. PVDF 체인의 비극성 구성과 무기 충전제(탄소나노로드)의 중단 효과로 인해 PVDF 매트릭스의 체인 패킹 정도가 감소하여 본 발명에 따른 고분자 복합재의 결정도가 감소하였다.4 is a differential scanning calorimetry (DSC) result graph of the polymer composite material prepared in Examples 1 to 5 and the PVDF film prepared in Comparative Example, (a) is the melting point of the polymer composite material and the PVDF film, (b) shows the recrystallization temperature of the polymer composite and PVDF film. Referring to FIG. 4 , all samples exhibited different melting temperatures (T m ). Pure PVDF showed a melting temperature of 162 °C, and in the case of the polymer composite, as the carbon nanorod content increased, the melting temperature of the composite material gradually decreased. In addition, referring to (b) of FIG. 4 , in the case of the polymer composite, the recrystallization temperature increased as the carbon nanorod content increased. As confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis, the configuration of the PVDF chain structure was changed from β-phase to α-phase due to the interaction between PVDF polymer chains and carbon nanorods. Due to the non-polar configuration of the PVDF chain and the stopping effect of the inorganic filler (carbon nanorods), the degree of chain packing of the PVDF matrix decreased, and thus the crystallinity of the polymer composite according to the present invention was reduced.

도 5는 제조예에서 제조한 탄소나노로드, 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재 및 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 X선 회절(XRD) 분석 결과 그래프이다. 도 5를 살펴보면, 순수한 PVDF 필름과 탄소나노로드(CNR) 및 고분자 복합재(PVDF/CNR)의 결정 특성을 알 수 있다. 탄소나노로드는 (002) 및 (101) 평면에 상응하는 2θ 값으로 25.0° 및 44.1°에서 넓은 피크를 나타냈다. 순수한 PVDF 필름은 (020) 및 (110) 평면에 상응하는 2θ 값으로 18.5° 및 20.3°에서 강한 결정질 피크를 나타냈다. 모든 고분자 복합재는 넓은 무정형 피크를 나타내어 PVDF 사슬이 비결정질임을 나타냈다. 그러나, 25.0°에서의 탄소나노로드의 넓은 피크는 높은 로딩(즉, 실시예 5)에서도 PVDF/CNR 복합체의 XRD 패턴에서 거의 관찰할 수 없었다. 또한, PVDF 매트릭스의 (020) 및 (110) 피크는 무시할만한 이동을 보여, 탄소나노로드와 PVDF 매트릭스 사이의 무시할만한 상호 작용을 암시한다. 상기 결과는 주사전자현미경 이미지, 푸리에 변환 적외선 분광 분석과 시차주사열량분석법(DSC) 결과와 일치하지 않는다. XRD 측정에 사용된 X선 빔의 침투 깊이가 충분하지 않기 때문에 이러한 무시할만한 변화가 관찰되는 것으로 보인다. 따라서 XRD 측정은 벌크 특성이 아니라 고분자 복합재 샘플의 표면 특성만 분석할 수 있고, 프레스 공정을 통해 PVDF 매트릭스는 주로 고분자 복합재의 표면에 존재하는 반면, 탄소나노로드는 고분자 복합재에 깊이 침투하여 고도로 얽힌 PVDF 체인에 의해 캡슐화되어 있음을 알 수 있다.5 is a graph showing the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of the carbon nanorods prepared in Preparation Examples, the polymer composite materials prepared in Examples 1 to 5, and the PVDF films prepared in Comparative Examples. Referring to FIG. 5 , the crystal properties of the pure PVDF film, carbon nanorods (CNR) and polymer composite (PVDF/CNR) can be seen. Carbon nanorods showed broad peaks at 25.0° and 44.1° with 2θ values corresponding to the (002) and (101) planes. The pure PVDF film showed strong crystalline peaks at 18.5° and 20.3° with 2θ values corresponding to the (020) and (110) planes. All polymer composites showed broad amorphous peaks, indicating that the PVDF chains were amorphous. However, the broad peak of carbon nanorods at 25.0° could hardly be observed in the XRD pattern of the PVDF/CNR composite even at high loading (ie, Example 5). In addition, the (020) and (110) peaks of the PVDF matrix show negligible shifts, suggesting a negligible interaction between the carbon nanorods and the PVDF matrix. The above results are inconsistent with scanning electron microscopy images, Fourier transform infrared spectroscopy, and differential scanning calorimetry (DSC) results. This negligible change seems to be observed because the penetration depth of the X-ray beam used for XRD measurements is not sufficient. Therefore, XRD measurement can only analyze the surface properties of the polymer composite sample, not the bulk properties. Through the pressing process, the PVDF matrix is mainly present on the surface of the polymer composite, whereas the carbon nanorods penetrate deeply into the polymer composite and become highly entangled PVDF. It can be seen that the chain is encapsulated.

도 6은 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재와 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 X선 광전자 분광(XPS) 분석 결과 그래프이고, 표 1은 그 결과 값을 나타낸 표이다. 도 6 및 표 1을 살펴보면, XPS 분석을 통해 순수한 PVDF 필름과 고분자 복합재의 표면 특성을 알 수 있다. 순수 PVDF 필름과 고분자 복합재(CNR 함량이 높은 복합재, CNR 20)의 C1s XPS 스펙트럼은 유의미한 차이를 나타내지 않았다. 실시예 5의 고분자 복합재에서 탄소(Cls)의 원자 기여도는 순수한 PVDF 필름의 원자 기여도와 유사했다. XPS 분석으로는 탄소나노로드의 존재를 거의 감지 할 수 없었다. 이것은 분광기의 짧은 침투 깊이(<10 nm) 때문이었다. XPS 결과는 XRD 분석과 일치하며 PVDF 중합체 사슬이 주로 고분자 복합재의 표면에 존재하고 탄소나노로드는 캡슐화됨을 알 수 있다.6 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of the polymer composite material prepared in Example 5 and the PVDF film prepared in Comparative Example, and Table 1 is a table showing the results. Referring to FIG. 6 and Table 1, the surface properties of the pure PVDF film and the polymer composite can be seen through XPS analysis. The C1s XPS spectrum of the pure PVDF film and the polymer composite (composite with high CNR content, CNR 20) did not show a significant difference. The atomic contribution of carbon (Cls) in the polymer composite of Example 5 was similar to that of the pure PVDF film. XPS analysis could hardly detect the presence of carbon nanorods. This was due to the short penetration depth (<10 nm) of the spectrometer. The XPS results are consistent with the XRD analysis, and it can be seen that the PVDF polymer chains are mainly present on the surface of the polymer composite and the carbon nanorods are encapsulated.

도 7은 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재 및 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 열 중량 분석(TGA)한 결과 그래프이다. 도 7을 살펴보면, 열 중량 분석(TGA)를 통해 순수 PVDF 필름과 고분자 복합재의 열 안정성을 확인할 수 있다. 구체적으로 순수한 PVDF 필름은 약 460°C에서 65%의 질량 감소를 동반하는 1차 열분해를 나타냈다. 고분자 복합재의 경우 탄소나노로드의 함량이 증가함에 따라 탄소나노로드의 높은 융점(3550℃)으로 인해 고분자 복합재의 분해 온도에서의 중량 손실이 점차 감소하였다. 또한, 균일하게 분산된 탄소나노로드는 2D 구조로 인해 열 확산에 의해 마찰에 의한 열을 감소시켰다. 탄소나노로드를 포함하지 않는 경우, PVDF의 낮은 열 전도성으로 인해 마찰 열이 PVDF 표면에 갇히게 된다. 마찰 슬라이딩 온도의 증가는 고분자 복합재의 경도 및 전단 강도와 같은 기계적 특성을 악화시킬 수 있다.7 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis (TGA) of the polymer composites prepared in Examples 1 to 5 and the PVDF films prepared in Comparative Examples. Referring to FIG. 7 , the thermal stability of the pure PVDF film and the polymer composite can be confirmed through thermogravimetric analysis (TGA). Specifically, the pure PVDF film exhibited primary pyrolysis accompanied by a mass loss of 65% at about 460 °C. In the case of the polymer composite, as the content of the carbon nanorods increased, the weight loss at the decomposition temperature of the polymer composite gradually decreased due to the high melting point (3550° C.) of the carbon nanorods. In addition, the uniformly dispersed carbon nanorods reduced heat due to friction by thermal diffusion due to the 2D structure. If carbon nanorods are not included, frictional heat is trapped on the PVDF surface due to the low thermal conductivity of PVDF. An increase in frictional sliding temperature can deteriorate mechanical properties such as hardness and shear strength of polymer composites.

이를 통해, 본 발명에 따른 고분자 복합재는 탄소나노로드를 포함함으로써 열 확산에 의해 고분자 복합재의 기계적 특성을 향상시키는 것을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the polymer composite material according to the present invention improves the mechanical properties of the polymer composite material by heat diffusion by including carbon nanorods.

실험예 3Experimental Example 3

본 발명에 따른 고분자 복합재의 마찰 특성, 내마모성, 장기안정성 등을 확인하기 위하여 실시예 1 내지 5의 고분자 복합재 및 비교예의 PVDF 필름을 대상으로 마찰 특성 실험을 진행하였으며, 그 결과는 도 8 내지 도 10 및 표 2에 나타내었다.In order to confirm the frictional properties, abrasion resistance, long-term stability, etc. of the polymer composite material according to the present invention, a frictional property test was conducted on the polymer composite materials of Examples 1 to 5 and the PVDF films of Comparative Examples, and the results are shown in FIGS. 8 to 10 and Table 2.

Initial friction coefficientInitial friction coefficient 60 min friction coefficient60 min friction coefficient Final friction coefficientFinal friction coefficient Wear rate
(10-5 mm3/N·m)
Wear rate
(10 -5 mm 3 /N m)
비교예comparative example 0.330.33 0.450.45 0.430.43 8.438.43 실시예 1Example 1 0.160.16 0.440.44 0.470.47 3.503.50 실시예 2Example 2 0.100.10 0.20.2 0.250.25 3.303.30 실시예 3Example 3 0.070.07 0.040.04 0.030.03 3.703.70 실시예 4Example 4 0.140.14 0.450.45 0.390.39 10.0810.08 실시예 5Example 5 0.200.20 0.430.43 0.390.39 11.9311.93

본 발명에 따른 고분자 복합재의 마찰 성능은 왕복 모드 마모 시험을 수행하여 평가하였고, 고분자 복합재의 기계적 특성 및 내구성은 마찰 계수에 의해 평가하였다.The friction performance of the polymer composite according to the present invention was evaluated by performing a reciprocating mode wear test, and the mechanical properties and durability of the polymer composite were evaluated by the coefficient of friction.

구체적으로, 고분자 복합재의 마찰 계수 및 마모율은 STM-MTT(Hanmi Industry Ltd., Korea)를 사용하여 측정되었다. 레시 프로 모드 방법을 사용하여 35℃에서 측정을 수행하였다. 적용된 모든 수직 힘은 모든 실험에서 3N이었다. 각 사이클의 스트로크 거리는 20mm이고 사이클 주파수는 0.5Hz이다. 마찰 계수 및 마모율 시험의 총 마찰 거리는 각각 300 및 900m이다.Specifically, the friction coefficient and wear rate of the polymer composite were measured using STM-MTT (Hanmi Industry Ltd., Korea). Measurements were performed at 35° C. using the Reci Pro mode method. All applied normal forces were 3N in all experiments. The stroke distance of each cycle is 20 mm and the cycle frequency is 0.5 Hz. The total friction distances of the friction coefficient and wear rate tests were 300 and 900 m, respectively.

도 8의 (a)는 작동 시간에 따른 실시예 1 내지 실시예 5의 고분자 복합재와 비교예의 PVDF 필름의 마찰 계수를 나타낸 그래프이고, 도 8의 (b) alc 표 2는 작동 시간별 탄소나노로드 함량에 따른 고분자 복합재의 마찰 계수를 나타낸 그래프이다. 실시예 1을 제외하고 고분자 복합재의 초기 마찰 계수는 작동 시간이 증가함에 따라 감소했습니다. 실시예 1과 같이 탄소나노로드 부하가 가장 낮은 고분자 복합재의 마찰 계수는 작동 시간이 증가함에 따라 증가했으며 실시예 1의 마찰 성능은 순수한 PVDF 필름의 마찰 성능과 유사한 것으로 나타났다. 본 발명에 따른 고분자 복합재에서, 1 wt%의 탄소나노로드를 포함하는 경우 마찰 시험 동안 낮은 마찰 계수를 유지하기에 충분하지 않았다. 탄소나노로드의 함량이 증가함에 따라, 고분자 복합재의 마찰 계수는 먼저 감소한 다음 급격히 증가 하였다. 10wt% 함량의 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재는 가장 낮은 마찰 계수(즉, 초기 마찰 계수 0.07 및 최종 마찰 계수 0.03)를 나타냈다. 이는 탄소나노로드의 혼입이 PVDF 기반 복합 재료의 마찰 성능을 향상시키는 효율적인 접근 방법임을 알 수 있다.Figure 8 (a) is a graph showing the friction coefficient of the polymer composite of Examples 1 to 5 and the PVDF film of the comparative example according to the operating time, (b) alc Table 2 of Figure 8 is the carbon nanorod content by operating time It is a graph showing the coefficient of friction of the polymer composite according to With the exception of Example 1, the initial coefficient of friction of the polymer composite decreased with increasing operating time. As in Example 1, the friction coefficient of the polymer composite having the lowest carbon nanorod load increased as the operating time increased, and the friction performance of Example 1 was found to be similar to that of the pure PVDF film. In the polymer composite according to the present invention, the inclusion of 1 wt% of carbon nanorods was not sufficient to maintain a low coefficient of friction during the friction test. As the content of carbon nanorods increased, the friction coefficient of the polymer composite material decreased first and then increased rapidly. The polymer composite including the carbon nanorods in the content of 10 wt% showed the lowest coefficient of friction (ie, the initial coefficient of friction of 0.07 and the final coefficient of friction of 0.03). It can be seen that the incorporation of carbon nanorods is an efficient approach to improve the friction performance of PVDF-based composite materials.

도 8에 나타난 것과 같이 탄소나노로드의 함량이 증가함에 따라 고분자 복합재의 마찰 계수가 감소하는 것은 세 가지 주요 이유 때문일 수 있다. 먼저, 푸리에 변환 적외선 분광(FT-IR) 분석 및 시차주사열량분석법(DSC) 결과에 의해 확인된 바와 같이, PVDF 매트릭스의 비극성 α-상의 분율은 탄소나노로드 함량의 증가에 따라 증가하였고, 이로 인해 고분자 복합재의 구조적 배열이 변경되어 PVDF 체인 사이의 쌍극자 모멘트가 감소하여 계면 접착력에 영향을 미친다. 둘째, 연질 PVDF 매트릭스와 비교할 때, 단단한 탄소나노로드는 반대편 슬라이딩 바디와 복합재의 실제 접촉 면적을 감소시켰다. 접촉 면적이 작으면 고랑이 좁아지고 슬라이딩 바디 사이의 접착력이 감소한다. 셋째, 마찰 과정에서 탄소나노로드를 미세 흑연질 탄소 입자로 분쇄하여 우수한 윤활 특성을 나타냈다. 왕복 모드 마찰 시험의 반복으로, 흑연 탄소 입자는 계면에서 압축 및 얇은 윤활 층을 형성하여 복합재의 마찰 저항 및 마모 속도를 감소시켰다. 그러나, 탄소나노로드의 함량이 15 wt%를 초과하면 고분자 복합재의 마찰 계수가 급격히 상승하여 저 함량 조건과 유사하게 회복하였다. 높은 하중에서, 응집된 탄소나노로드 덩어리는 고분자 복합재의 표면에서 벗겨져 표면 사이에 추가적인 마찰을 일으켰다. 도 8의 (a)에서 알 수 있듯이, 실시예 4의 고분자 복합재(CNR 15wt%)의 마찰 계수는 탄소나노로드의 분리 및 시간에 따른 응력 농도의 감소로 인해 1 시간 동안 천천히 증가하였다.As shown in FIG. 8 , the friction coefficient of the polymer composite decreases as the content of carbon nanorods increases may be due to three main reasons. First, as confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis and differential scanning calorimetry (DSC) results, the fraction of the non-polar α-phase of the PVDF matrix increased with the increase of the carbon nanorod content, which resulted in The structural arrangement of the polymer composite is altered, resulting in a decrease in the dipole moment between the PVDF chains, which affects the interfacial adhesion. Second, compared with the soft PVDF matrix, the rigid carbon nanorods reduced the actual contact area of the composite with the opposite sliding body. A small contact area narrows the furrows and reduces the adhesion between the sliding bodies. Third, excellent lubrication properties were exhibited by pulverizing carbon nanorods into fine graphitic carbon particles during the friction process. With repetition of the reciprocating mode friction test, the graphite carbon particles compressed and formed a thin lubricating layer at the interface, reducing the frictional resistance and wear rate of the composite. However, when the content of the carbon nanorods exceeds 15 wt%, the friction coefficient of the polymer composite material rapidly increased, and recovered similarly to the low content condition. At high load, the aggregated carbon nanorods were peeled off the surface of the polymer composite, causing additional friction between the surfaces. As can be seen from (a) of Figure 8, the friction coefficient of the polymer composite (CNR 15wt%) of Example 4 slowly increased for 1 hour due to the separation of the carbon nanorods and the decrease in the stress concentration with time.

본 발명의 고분자 복합재의 마찰 특성의 장기 안정성은 240 분 동안 그들의 왕복 모드 마모 시험을 수행함으로써 평가되었다. 도 8의 (b)에서 알 수 있는 바와 같이, 탄소나노로드의 함량이 10 wt% 이하인 고분자 복합재의 경우, 60분(빨간색 선) 후의 마찰 계수는 240분(파란색 선) 이후의 마찰 계수보다 낮게 나타났다. 고함량(10wt% 이상)의 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재의 240분 후 마찰 계수는 60분 후의 고분자 복합재의 마찰 계수보다 높았다. 5wt% 이하의 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재의 마찰 계수는 시간이 지남에 따라 증가하였다. 일부 PVDF 파편은 복합 재료의 마찰 저항을 모으고 증가시켰다. 한편, 10 wt% 초과의 탄소나노로드를 포함하는 경우에서, 고분자 복합재의 마찰 계수는 시간에 따라 감소하여, 탄소나노로드가 우수한 윤활 특성을 나타냄을 나타낸다.The long-term stability of the friction properties of the polymer composites of the present invention was evaluated by performing their reciprocating mode wear tests for 240 minutes. As can be seen from (b) of Figure 8, in the case of a polymer composite having a carbon nanorod content of 10 wt% or less, the friction coefficient after 60 minutes (red line) is lower than the friction coefficient after 240 minutes (blue line) appear. The friction coefficient after 240 minutes of the polymer composite containing a high content (10wt% or more) of carbon nanorods was higher than that of the polymer composite after 60 minutes. The friction coefficient of the polymer composite containing 5 wt% or less of carbon nanorods increased over time. Some PVDF fragments aggregated and increased the frictional resistance of the composite material. On the other hand, in the case of including more than 10 wt% of carbon nanorods, the friction coefficient of the polymer composite decreases with time, indicating that the carbon nanorods exhibit excellent lubricating properties.

도 9는 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재와 비교예의 PVDF 필름의 특정 마모율을 나타내어 탄소나노로드 함량에 따른 고분자 복합재의 특정 마모율을 나타낸 그래프이다. 도 9 및 표 2를 살펴보면, 마모율은 마찰 계수에 의해 보여지는 것과 유사한 경향을 보였다. 순수한 PVDF 필름의 특정 마모율은 8.43 × 10-5 mm3/N·m이고, 1wt% 탄소나노로드를 포함하는 경우(실시예 1)의 특정 마모율은 3.50 × 10-5 mm3/N·m로 감소하였다. 소량의 탄소나노로드도 복합재의 내마모성을 효과적으로 증가시킬 수 있을 확인하였다. 최대 10 wt%의 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재는 3.3× 10-5 mm3/N·m 내지 3.70 × 10-5 mm3/N·m의 마모율을 나타내어 거의 동일한 마모율을 보였으며 매우 낮은 값을 가졌다. 고분자 복합재의 높은 내마모성은 탄소나노로드의 감소된 마찰 계수와 윤활 특성에서 비롯된다. 또한, 탄소나노로드의 2D 구조는 계면에서 마찰 유도열의 방출을 촉진시켰다. 탄소나노로드를 포함하지 않는 경우, 높은 슬라이딩 온도로 인해 고분자 복합재의 기계적 특성 및 내마모성을 악화시켰다. 탄소나노로드의 섬유형 구조는 연질 PVDF 중합체 대신에 적용된 하중을 지지하여 가해진 힘이 경질 탄소나노로드에 분산되었다. 이로 인해 고분자 복합재의 마모율이 감소되었다. 잘 분산된 탄소나노로드는 물리적 가교 네트워크 역할을 했으며, 적용된 하중의 대부분은 탄소나노로드로 전달되었다. 그러나, 15wt%보다 높은 탄소나노로드 함량에서, 고분자 복합재의 비마모율은 급격히 증가하였고 순수한 PVDF 필름보다 더 높게 나타났다. 과도한 탄소나노로드를 포함하는 경우 탄소나노로드와 PVDF가 서로 뭉쳐 덩어리를 형성하며 마찰 특성 측정 과정에서 고분자 복합재에서 박리되었다. 이러한 PVDF/CNR 덩어리는 복합재의 마찰 계수뿐만 아니라 마모율도 증가시켰다.9 is a graph showing the specific wear rate of the polymer composite material prepared in Examples 1 to 5 and the specific wear rate of the PVDF film of Comparative Example according to the carbon nanorod content. Referring to FIG. 9 and Table 2, the wear rate showed a similar trend to that shown by the coefficient of friction. The specific wear rate of the pure PVDF film is 8.43 × 10 -5 mm 3 /N m, and the specific wear rate in the case of including 1 wt% carbon nanorods (Example 1) is 3.50 × 10 -5 mm 3 /N m decreased. It was confirmed that even a small amount of carbon nanorods could effectively increase the wear resistance of the composite material. The polymer composite containing up to 10 wt % of carbon nanorods showed a wear rate of 3.3 × 10 -5 mm 3 /N·m to 3.70 × 10 -5 mm 3 /N·m, showing almost the same wear rate, and a very low value. had The high abrasion resistance of the polymer composite comes from the reduced coefficient of friction and lubricating properties of the carbon nanorods. In addition, the 2D structure of the carbon nanorods promoted the release of friction-induced heat at the interface. When carbon nanorods were not included, the mechanical properties and wear resistance of the polymer composite were deteriorated due to the high sliding temperature. The fibrous structure of the carbon nanorods supported the applied load instead of the soft PVDF polymer, and the applied force was dispersed in the hard carbon nanorods. Due to this, the wear rate of the polymer composite was reduced. The well-dispersed carbon nanorods acted as a physical cross-linking network, and most of the applied load was transferred to the carbon nanorods. However, at a carbon nanorod content higher than 15 wt%, the specific abrasion rate of the polymer composite increased rapidly and was higher than that of the pure PVDF film. In the case of including excessive carbon nanorods, the carbon nanorods and PVDF agglomerated with each other to form a lump, and were peeled off from the polymer composite in the process of measuring the friction properties. These PVDF/CNR lumps increased the wear rate as well as the coefficient of friction of the composite.

도 10은 마모 시험 후 실시예 1 내지 실시예 5에서 제조한 고분자 복합재와 비교예에서 제조한 PVDF 필름의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다. 도 10을 살펴보면 대응 샘플의 반복된 스트로크로 인해 모든 샘플에서 수직 고랑이 관찰되었다. 탄소나노로드가 1 내지 10wt%인 고분자 복합재(실시예 1 내지 3)은 순수한 PVDF 필름과 비교하여 비교적 매끄럽고 균일한 표면을 나타냈다. 이는 마찰 계수 및 마모율 결과와 일치한다. 그러나, 실시예 4(CNR 15) 및 실시예 5(CNR 20)의 고분자 복합재는 거칠고 비균질한 표면을 가지고 미크론 크기의 응집된 파편이 관찰되었다. 탄소나노로드의 기계적 강도가 PVDF 매트릭스의 기계적 강도보다 높기 때문에 인가된 응력은 탄소나노로드-매트릭스 계면에서 집중되었기 때문에 응집된 파편이 관찰되었다. 미세 균열은 응집 덩어리를 따라 전파되어 고분자 복합재에서 큰 부피 손실을 일으켜 고분자 복합재의 마모율을 증가시켰다.10 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of the surface of the polymer composite prepared in Examples 1 to 5 and the PVDF film prepared in Comparative Example after the abrasion test. Referring to FIG. 10 , vertical furrows were observed in all samples due to repeated strokes of the corresponding samples. Polymer composites having 1 to 10 wt% of carbon nanorods (Examples 1 to 3) exhibited a relatively smooth and uniform surface compared to the pure PVDF film. This is consistent with the friction coefficient and wear rate results. However, the polymer composites of Examples 4 (CNR 15) and Example 5 (CNR 20) had rough and inhomogeneous surfaces and micron-sized aggregated fragments were observed. Because the mechanical strength of the carbon nanorods was higher than that of the PVDF matrix, the applied stress was concentrated at the carbon nanorods-matrix interface, so that aggregated fragments were observed. The microcracks propagate along the agglomerate mass and cause large volume loss in the polymer composite, increasing the wear rate of the polymer composite.

Claims (5)

폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)인 고분자 매트릭스; 및
고분자 매트릭스 내에 분산된 탄소나노로드를 포함하는 고분자 복합재:
상기 탄소나노로드는 고분자 복합재의 표면으로부터 10nm 내지 100nm 두께는 고분자 매트릭스로만 이루어지고,
탄소나노로드는 고분자 복합재 총량을 기준으로, 5 중량% 내지 15 중량%로 함유되며,
탄소나노로드의 평균 직경은 400nm 내지 600nm이고,
탄소나노로드의 평균 길이는 4㎛ 내지 11㎛이다.
a polymer matrix that is polyvinylidene fluoride (PVDF); and
A polymer composite comprising carbon nanorods dispersed in a polymer matrix:
The carbon nanorods are made of only a polymer matrix having a thickness of 10 nm to 100 nm from the surface of the polymer composite,
Carbon nanorods are contained in an amount of 5% to 15% by weight based on the total amount of the polymer composite,
The average diameter of the carbon nanorods is 400 nm to 600 nm,
The average length of the carbon nanorods is 4 μm to 11 μm.
전기방사를 통해 탄소나노로드를 제조하는 단계;
고분자 및 탄소나노로드를 혼합하여 고분자-탄소나노로드 복합체를 제조하는 단계; 및
상기 고분자-탄소나노로드 복합체에 압력 및 온도를 가하여 고분자 복합재를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 탄소나노로드를 제조하는 단계에서,
전기방사는 12kV 내지 17kV의 인가전압, 및
0.3mL/h 내지 0.7mL/h의 주입 속도로 실시하며,
상기 고분자 복합재를 제조하는 단계에서,
180℃ 내지 200℃의 온도, 및
18bar 내지 22bar의 압력에서 2시간 동안 압력 및 온도를 가하는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 따른 고분자 복합재의 제조방법.
manufacturing carbon nanorods through electrospinning;
preparing a polymer-carbon nanorod composite by mixing a polymer and carbon nanorods; and
Comprising the step of preparing a polymer composite by applying pressure and temperature to the polymer-carbon nanorod composite,
In the step of preparing the carbon nanorods,
Electrospinning is an applied voltage of 12 kV to 17 kV, and
It is carried out at an injection rate of 0.3 mL / h to 0.7 mL / h,
In the step of preparing the polymer composite,
a temperature of 180° C. to 200° C., and
The method for producing a polymer composite according to claim 1, characterized in that the pressure and temperature are applied at a pressure of 18 bar to 22 bar for 2 hours.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020190153628A 2019-11-26 2019-11-26 Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof Active KR102295504B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190153628A KR102295504B1 (en) 2019-11-26 2019-11-26 Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190153628A KR102295504B1 (en) 2019-11-26 2019-11-26 Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20210064898A KR20210064898A (en) 2021-06-03
KR102295504B1 true KR102295504B1 (en) 2021-08-30
KR102295504B9 KR102295504B9 (en) 2023-05-11

Family

ID=76396667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190153628A Active KR102295504B1 (en) 2019-11-26 2019-11-26 Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102295504B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118440399B (en) * 2024-07-08 2024-09-03 季华实验室 A method for preparing molybdenum disulfide-carbon rod, molybdenum disulfide-carbon rod doped modified PEEK material and preparation method thereof

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100986929B1 (en) * 2008-02-27 2010-10-08 재단법인서울대학교산학협력재단 Manufacturing method of carbon nanotube-polymer composite molding
KR20150090831A (en) * 2014-01-29 2015-08-06 한국과학기술원 Carbon nanomaterial, carbon nanomaterial-polymer composite material, carbon fiber-carbon nanomaterial-polymer composite material, and preparing methods thereof
KR101598902B1 (en) * 2014-07-04 2016-03-02 재단법인대구경북과학기술원 Preparation method for nitrogen-doped carbon nanostructure using electospinning, and the nitrogen-doped carbon nanostructure thereby
KR101733268B1 (en) * 2014-09-30 2017-05-08 주식회사 엘지화학 Establishment method for contents of carbonaceous additive in composite

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210064898A (en) 2021-06-03
KR102295504B9 (en) 2023-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Enhanced dielectric permittivity in surface-modified graphene/PVDF composites prepared by an electrospinning-hot pressing method
Zhang et al. A facile method to prepare flexible boron nitride/poly (vinyl alcohol) composites with enhanced thermal conductivity
Chen et al. MoS2 nanosheets-decorated carbon fiber hybrid for improving the friction and wear properties of polyimide composite
Golchin et al. Tribological behavior of carbon-filled PPS composites in water lubricated contacts
DE102015223238A1 (en) Plastic component with carbon filler
US20170154703A1 (en) Method for Preparing an Electrically Conductive Stratified Composite Structure
Wang et al. Electroactive shape memory cyanate/polybutadiene epoxy composites filled with carbon black
Yang et al. Significant improvement of thermal oxidative mechanical properties in phthalonitrile GFRP composites by introducing microsilica as complementary reinforcement
Tang et al. Comparation of barium titanate and multi-walled carbon nanotubes modified PVDF composites: A perspective of dielectric, crystalline, rheological and mechanical properties
WO2008094698A1 (en) Methods for continuous processing polytetrafluoroethylene (ptfe) resin
Zhao et al. Enhanced dielectric performance of polyvinylidene fluoride composites with an all-carbon hybrid architecture: vertically aligned carbon nanotube arrays on graphite nanoplatelets
Xue et al. Highly conductive Poly (L-lactic acid) composites obtained via in situ expansion of graphite
KR102295504B1 (en) Polymer composite containing carbon nanorod, and Preparation method thereof
US20200219634A1 (en) Method for preparation an electrically conductive stratified composite structure
CN1059687C (en) Abrasion resistant, nanometre particle filling material and its preparation method
Zhang et al. High dielectric performance composites with a hybrid BaTiO3/graphene as filler and poly (vinylidene fluoride) as matrix
CN114084875B (en) A kind of inorganic-inorganic core-shell particle and its preparation method and application, high-performance polymer matrix composite material
Wang et al. Enhanced dielectric thermal stability and permittivity of flexible composite films based on BaTiO3 nanoparticles highly filled PVDF/PAN blend nanofibrous membranes
CN105924862A (en) Method for preparing composite polytetrafluoroethene conductive material
Lin et al. Preparation and characterization of BMI resin/graphite oxide nanocomposites
Shan et al. Polydopamine coating grown on the surface of fluorinated polymer to enhance the self-lubricating properties of lignin-cellulose based composites
Vaisakh et al. MAX phase ternary carbide derived 2-D ceramic nanostructures [CDCN] as chemically interactive functional fillers for damage tolerant epoxy polymer nanocomposites
JP2008308543A (en) Carbon fiber composite sheet and its manufacturing method
CN109370220A (en) A kind of graphene modified polyphenylene sulfide composite material and preparation method thereof
CN104987633A (en) Preparation method for halloysite, ultrafine inorganic powder and PTFE micro-nano composite material

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20191126

PA0201 Request for examination
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20210217

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20210819

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20210824

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20210825

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]
PG1701 Publication of correction

Patent event code: PG17011E01I

Patent event date: 20230508

Comment text: Request for Publication of Correction

Publication date: 20230511

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240801

Start annual number: 4

End annual number: 4