레이저 가열에 의한 PET/CNT 섬유의 광열 연신과 CNT 배향, 결정화 거동 및 역학적 성질 = Photothermal Drawing of PET/CNT Fibers by Laser Heating and CNT Alignment, Crystallization and Mechanical Properties
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 대학원 : 유기나노시스템공학과 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
38 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 조재환
UCI식별코드
I804:11004-000002217036
소장기관
탄소나노튜브(CNT)는 우수한 역학적, 열적, 전기적 및 광학적 특성으로 인하여 이상적인 고분자 충진재로 주목받고 있다. 그러나 CNT간의 서로 응집하는 성질에 의한 분산 및 복합체에서 배향의 어려움으로 인하여 충분한 복합체 물성을 발현하기가 어렵다. 특히 고분자 매트릭스에서의 CNT 배향은 고분자와 CNT의 엉킴으로 인하여 역학적인 연신에 의한 방법으로는 효율적으로 배향시키는 것이 매우 어렵다. 본 연구에서는 섬유에서 CNT의 효과적인 배향을 위하여 근적외선 레이저 조사에 따른 CNT의 표면 플라즈몬 공명에 의한 광열특성을 이용하여 poly(ethylene terephthalate) (PET)/multi-walled carbon nanotube (MWNT) 섬유를 레이저 가열에 의해 연신하는 광열 연신을 행하고 이때 광열 연신한 PET/MWNT 섬유에 대한 구조적 및 역학적 성질을 고찰하였다.
광열 연신은 일정한 응력을 가한 상태에서 근적외선 영역대의 파장을 가진 레이저를 복합섬유의 표면에 조사함으로써 시행되었으며, 이때 가해진 응력에 따라 연신 비를 조절하였다. SEM을 통한 표면의 모폴로지 관찰 결과 연신 비 4.0 이상에서는 변형 부분에서 뚜렷한 네킹이 관찰되었으며 이를 통해 연속적인 네킹 현상을 통해 연신이 일어난다는 것을 알 수 있었다. 그리고 연신 전의 거친 표면과는 달리 연신비 4.0 이상의 섬유에서는 균일한 섬유 표면이 관찰되었다. 인장강도와 탄성률은 기존의 열연신 방법으로 연신한 같은 연신비의 섬유보다 향상되었으며 편광 라만 분광분석을 통해 PET 분자 사슬과 CNT의 배향 모두 섬유 축 방향으로 효과적으로 배향되었음을 알 수 있었다. DSC와 WAXD 분석을 통해 PET의 결정화가 광열 연신 도중 충분히 일어났으며 결정의 배향과 또한 효과적으로 이루어 졌음을 확인하였다. 본 연구를 통해 광열 연신은 CNT와 그래핀 등 나노탄소를 포함한 복합섬유의 연신 방법으로, 내부 나노탄소의 배향을 효과적으로 이루어 역학적 성질 향상에 효과적인 방법이 될 수 있음을 제시하였다.
Carbon nanotubes (CNTs) can be used as an ideal filler material for high performance composites due to their superior mechanical, electrical, thermal and optical properties. However, they have some difficulties in dispersion and alignment in the polymer matrix. In particular, alignment of CNTs has been not achieved satisfactorily to enhance the mechanical properties of CNT/polymer composite fibers. This study investigates a novel photothermal drawing of the CNT composite fibers to enhance the CNT alignment and mechanical properties of the fibers. The photothermal drawing was carried out by heating the CNT/polymer fibers with irradiation of a near infrared laser during the fiber drawing. The multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) and poly(ethylene terephthalate) (PET) were used as the CNT and polymer matrix, respectively. The draw ratio was controlled by varying the applied stress necessary for the fiber drawing. The photothermal drawn fibers showed a clear necking during the fiber drawing, and the fiber surface became uniform as the draw ratio increases. The mechanical properties of photothermally drawn fibers such as breaking stress and modulus were significantly improved, compared to those of hot drawn fibers at the same draw ratio. The increased mechanical properties of the photothermally drawn fibers are ascribed to an increased orientation of MWNT as well as PET molecular chains and an increased PET crystallinity. The differential scanning calorimetry and X-ray diffraction measurements supported that the photothermal drawing induced the PET crystallization and orientation. From the measurement of polarized Raman spectroscopy, the MWNT orientation in photothermally drawn fibers was very dominant, compared to that of hot drawn fibers. The photothermal drawing in this study has a potential as a novel drawing method for enhancing the CNT alignment and resultant mechanical properties of the CNT-incorporating composite fibers.
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