탄소 나노튜브와 그래파이트 나노플레이틀릿의 시너지로 에폭시 복합체 전기 전도도 향상

초록

우리는 그래파이트 나노플레이틀릿(GNP), 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT), 그리고 이들의 하이브리드 조합의 다양한 농도에 따라 에폭시 기반 복합체의 전기 전도도 변화를 조사했습니다. 하이브리드 필러는 0.24 vol%로 고정한 채 MWCNT 로딩을 0.03-4 vol% 범위에서 변화시켰습니다. 혼합 전 GNP는 표면 활성을 높이기 위해 20분간 UV-오존 처리를 거쳤습니다. 저점도 수지 시스템에서 두 개의 뚜렷한 페르콜레이션 임계값이 나타났습니다: MWCNT 단독 복합체에서 0.13 vol%의 1차 전이와 하이브리드 블렌드에서 0.42 vol%의 2차 전이. 페르콜레이션 지점 이상에서 하이브리드 복합체는 단일 필러 복합체 대비 최대 20배의 시너지적 전도도 증가를 보였습니다. 전도성 체인 네트워크와 접촉 저항 모델링으로 이 행동을 설명했습니다: 하이브리드 구조가 폴리머 입자간 층을 감소시켜 입자간 저항을 낮추고 전도성 네트워크를 증폭시킵니다.

배경

다중 필러 동시 사용은 이제 복합체 특성 조절의 검증된 전략입니다. 탄소 섬유, 카본 블랙, 그래핀 같은 전도성 나노물질이 고분자 매트릭스 내에서 상호작용하면 상호연결된 네트워크를 형성하여 전기적, 열적 전도도와 기계적 성능을 극적으로 개선할 수 있습니다. 섬유상과 입자상 필러 결합 시 두 개의 뚜렷한 전도 경로가 형성되는 "이중 페르콜레이션" 현상이 관찰되어 뚜렷한 시너지 효과를 낳습니다.

고전적 페르콜레이션 이론은 절연체에서 도체로의 단일 급격한 전이를 예측합니다. 그러나 많은 실험 연구에서 입자 기하학, 분산 품질, 계면 효과로 인한 더 복잡한 다단계 전이를 보고합니다. 이러한 메커니즘 이해는 고성능 복합체 설계에 필수적입니다.

최근 하이브리드 나노필러 연구—특히 탄소 나노튜브(CNT)와 그래파이트 나노플레이틀릿(GNP) 조합—은 각 필러의 독특한 종횡비와 형태를 활용하여 더 효율적인 전도성 네트워크를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 본 연구에서는 소량의 GNP가 MWCNT 충전 에폭시 복합체의 페르콜레이션 거동에 미치는 영향을 정량화하고자 했습니다.

방법

재료

다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT, 순도 ≥90%)와 열팽창 흑연(TEG)을 사용해 GNP를 제조했습니다. GNP는 30시간 초음파 분산으로 물에서 박리하여 측면 치수 0.2-5 µm, 두께 5-55 nm(최대 28 nm) 입자를 얻었습니다. 종횡비는 ~40-900으로 높은 전기 전도도에 유리합니다.

에폭시 Larit 285(Lange Ritter GmbH)를 고분자 매트릭스로 사용했습니다(점도 600-900 mPa·s). 경화제 H285(점도 50-100 mPa·s)를 화학량론적 비율로 첨가해 수지를 경화시켰습니다.

복합체 제조

두 복합체 패밀리를 제조했습니다:

• 단일 복합체 재료(MCM): 에폭시 수지에 GNP 또는 MWCNT 단독 충전(0.03-4 vol%)
• 하이브리드 복합체 재료(HCM): 에폭시 수지에 MWCNT(0.03-4 vol%)와 고정 0.24 vol% GNP 충전

각 배치마다 필러를 아세톤에 분산시키고 에폭시 수지와 초음파 혼합(GNP 30분, MWCNT 60분)한 후 경화제를 첨가했습니다. 혼합물을 몰드에 붓고 실온에서 48-72시간 경화했습니다. 전도도 측정을 위해 시편(3.5×3.5×10 mm³)을 절단했습니다.

전기적 테스트

전도도는 10⁻¹²-10 S m⁻¹ 범위에서 4탐침법(저항 ≤10⁴ Ω 시료)과 테라옴미터(고저항 시료)로 측정했습니다. 측정 온도 범위는 6-300 K. 조성당 3개 시편을 테스트해 재현성을 보장했습니다.

결과 및 고찰

페르콜레이션 거동

그림 2에서 MCM과 HCM 모두 두 페르콜레이션 전이를 보입니다. MWCNT 단독 복합체에서 첫 전이는 0.13 vol%(σ > 10⁻⁶ S m⁻¹)에서 발생합니다. GNP 단독 복합체는 1.7 vol%에서 단일 임계값에 도달합니다. 0.24 vol% GNP를 포함한 하이브리드 복합체는 0.42 vol%에서 임계 농도를 보여 두 단일 필러 값 사이에 위치합니다.

초기 준-동적 전이는 수지가 경화되기 전 이동 가능한 고립된 CNT가 전도성 체인을 형성하기 때문으로 귀착됩니다. 후속 정적 전이는 σ ∝ (ϕ – ϕ_cr)ᵗ로 기술되는 고전적 페르콜레이션 이론을 따릅니다(t는 임계 지수).

시너지적 전도도 향상

페르콜레이션 임계값 이상에서 HCM은 극적인 전도도 증가를 보입니다—2 vol%에서 최대 20배, 4 vol%에서 10배로 해당 MCM 대비 향상됩니다. 이 시너지는 필러 입자 간 폴리머 층 두께 감소로 접촉 저항(R_k)을 낮추고 더 많은 전도성 체인을 가능하게 함에서 기인합니다.

입자 기하학과 패킹 인자 기반 유효 저항 모델이 이 효과를 정량적으로 포착합니다. 계산 결과 하이브리드 복합체가 최저 R_k(10⁶-10⁷ Ω)와 상당한 수의 중단 없는 체인(N*_chain)을 단일 필러 시스템 대비 달성함을 보입니다.

터널링 저항 시뮬레이션은 더 얇은 입자간 폴리머 층(하이브리드 δ ≈ 0.8-1.1 nm)이 R_k를 유의미하게 감소시키는 반면, GNP 단독 복합체의 더 큰 δ는 더 높은 저항을 초래함을 확인합니다.

결론

저점도 에폭시 나노복합체에서 두 페르콜레이션 임계값을 확인했습니다: 이동성 CNT에 의한 준-동적 전이와 고전적 페르콜레이션에 의한 정적 전이. 임계점 이상에서 하이브리드 복합체(MWCNT + GNP)는 뚜렷한 시너지적 전도도 향상을 보입니다. 이 효과는 더 얇은 폴리머 층과 증가된 전도성 경로에 기인한 접촉 저항 감소로 설명됩니다. 이 발견들은 전략적 필러 조합을 통한 고전도도 에폭시 복합체 설계의 명확한 경로를 제공합니다.