[논문 리뷰] Multifunctional epoxy nanocomposites reinforced by two-dimensional materials: A review

Ming Dong, Han Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 08.

Conducting polymers and applications참고 문헌 212인용 수 12

한 줄 요약

이 리뷰는 에폭시 나노복합체에 이차원(2D) 재료인 그래핀, hexagonal 박리질화물, 전이금속 디칼코겐화합물 등을 통합하여 기계적 강도, 열안정성, 전기적 도핑성 및 차폐 성능을 포함한 다기능성 성능을 향상시키는 것을 탐구한다. 저자들은 제조 기술, 인터페이스 공학, 구조-성능 상관관계를 체계적으로 분석하여, 2D 필러가 낮은 함량에서도 여러 성능 지표에서 상호보완적인 향상을 가능하게 한다고 밝힌다.

ABSTRACT

Epoxy resins are thermosetting polymers with an extensive set of applications such as anticorrosive coatings, adhesives, matrices for fibre reinforced composites and elements of electronic systems for automotive, aerospace and construction industries.

연구 동기 및 목표

• 에폭시 나노복합체의 다기능성 성능 향상에 기여하는 이차원(2D) 재료의 역할을 종합적으로 분석하기.
• 2D 강화 에폭시 시스템의 분산, 인터페이스 부착 및 확장성 문제를 규명하기.
• 다양한 2D 필러에서 기계적, 열적, 전기적 및 차폐 성능 향상 정도를 평가하기.
• 최적의 강화를 위해 제조 방법 및 인터페이스 공학 전략을 비판적으로 평가하기.
• 향후 연구를 안내하기 위해 잠재력이 있는 2D 재료와 실용적 응용에서 해결되지 않은 기술적 장벽을 제시하기.

제안 방법

• 2010–2021년 사이의 2D 재료를 포함한 에폭시 매트릭스에 관한 최근 연구를 체계적으로 문헌 검토.
• 유형별 2D 재료 분류: 그래핀, 헥사곤형 질화붕소, 전이금속 디칼코겐화합물, MXene.
• 균일한 분산을 위한 처리 기술 분석: 용액 혼합, 초음파 처리, 현장 중합.
• 표면 기능화 및 공유결합/비공유결합을 통한 인터페이스 개선 전략 평가.
• 필러 형상, 함량 및 성능 결과 간의 상관관계 모델을 활용한 구조-성능 상관관계 분석.
• 기계적 시험, 열중량 분석, 동적 기계적 분석 및 전기 전도도 측정 결과를 종합하여 데이터 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 2D 재료(예: 그래핀, h-BN, MoS₂)는 에폭시 나노복합체의 기계적 및 열적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 2D 강화 에폭시 시스템에서 향상된 전기적 및 열적 도핑성의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 인터페이스 상호작용 및 표면 기능화가 분산성과 하중 전달 효율성에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 다기능성 성능 향상과 처리 복잡성 또는 비용 간의 주요 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 산업적 응용에서 2D-에폭시 나노복합체의 확장성 및 장기적 안정성에 대한 현재의 제약 사항은 무엇인가?

주요 결과

• 그래핀과 질화붕소 나노시트는 1–2 wt% 함량에서 인장 강도가 최대 40% 향상되며, 에폭시 복합체의 인장 강도와 열안정성을 크게 향상시킨다.
• 헥사곤형 질화붕소(h-BN)는 최대 30 W/mK의 뛰어난 열전도성과 전기적 절연성을 보이며, 전자 패키징 응용에 이상적이다.
• MXene 기반 에폭시 복합체는 낮은 필러 함량(<5 wt%)에서 전기 전도도가 최대 100 S/m에 이르며, 전자기간섭(EMI) 차폐 효과가 40 dB 이상을 기록한다.
• 2D 필러의 표면 기능화는 인터페이스 부착성을 향상시켜 인터페이스 탈락을 감소시키고 하중 전달 효율성을 높인다.
• 초음파 처리 및 계면활성제를 활용한 최적의 분산은 균일한 필러 분포를 이끌어내고 성능 향상을 극대화한다.
• 실리카, 탄소 나노튜브 등의 다른 나노물질과 2D 필러를 조합하면 상호보완적 효과를 발휘하여 다기능성 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.