[논문 리뷰] Novel Bismaleimide Resin/Silsesquioxane and Titania Nanocomposites by the Sol-Gel Process: the Preparation, Morphology, Thermal and Thermo-mechanical Properties

Guotao Lu, Ying Huang|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 01.

Silicone and Siloxane Chemistry인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 N-γ-트라이에톡시실릴프로필-마레아믹 산(TEPMA) 또는 테트라부틸티타네이트(TBT)를 원료로 사용하여 솔-젤 공정으로 합성한 실세스키옥사이드(SiO3/2) 및 툠타니아(TiO2) 나노입자를 포함하는 새로운 비스마레일라미드(BMI) 수지 나노복합체를 개발한다. 나노-SiO3/2의 도입은 유리전이온도(Tg), 열안정성 및 고온에서의 탄성모듈러스를 크게 향상시키지만, TiO2는 저온에서의 탄성모듈러스를 향상시키지만 열저항성을 감소시킨다.

ABSTRACT

Bismaleimide(BMI) resin/silsesquioxane or titania nanocomposites were synthesized from bismaleimide resin and SiO3/2 or TiO2 via the sol-gel process of N-γ-triethoxylsilylpropyl-maleamic acid (TESPMA) or tetrabutyltitanate (Ti(OnBu)4, TBT), respectively, in the presence of the AP-BMI prepolymers. These nanocomposite materials were characterized by FT-IR, FE-SEM, TGA and DMA. It was found that the nano-scale SiO3/2 or TiO2 particles were formed in the AP-BMI resin matrix and the average original particle size of the dispersed phase in the nanocomposites was less than 100nm, but the particle aggregates with bigger size existed. Obvious improvements of Tg and the heat resistance of the AP-BMI resin were achieved by introduction of the nano-sized SiO3/2 inorganic phase, and the modulus at high temperatures was improved too. The incorporation of nano-scale TiO2 particles into the AP-BMI resin improved the Tg of the polymer, but lowered the thermal resistance of the material, and improved the modulus of the material at lower temperatures, but lowered the modulus at higher temperatures.

연구 동기 및 목표

• 열적 및 기계적 성질이 향상된 고성능 비스마레일라미드(BMI) 수지 나노복합체의 개발.
• 나노크기의 실세스키옥사이드(SiO3/2) 및 툠타니아(TiO2) 입자가 BMI 수지의 열적 및 열기계적 거동에 미치는 영향 조사.
• BMI 기반 매트릭스 내에 균일하게 분산된 무기상태를 형성하기 위해 TESPMA 및 TBT를 원료로 사용한 솔-젤 공정의 탐색.
• 형성된 나노복합체의 형태학적 특성, 열안정성 및 기계적 성능 평가.

제안 방법

• 나노복합체 형성에 사용된 수상수지 프리폴리머(AP-BMI)는 BMI 수지 기반 매트릭스로 사용되었다.
• 나노-SiO3/2 입자의 현장 생성을 위해 N-γ-트라이에톡시실릴프로필-마레아믹 산(TESPMA)을 솔-젤 원료로 활용하였다.
• BMI 매트릭스 내에서 나노-TiO2 입자를 현장 생성하기 위해 테트라부틸티타네이트(TBT)를 솔-젤 원료로 사용하였다.
• 나노스케일에서 무기상태의 균일한 분산을 달성하기 위해 제어된 조건에서 솔-젤 반응을 수행하였다.
• FT-IR을 이용해 화학적 결합을 확인하고, FE-SEM으로 형태학적 특성을 분석하며, TGA로 열안정성을 평가하고, DMA로 열기계적 성질을 측정하였다.
• 성능 향상을 평가하기 위해 다양한 온도에서 유리전이온도(Tg), 열저항성 및 저장탄성모듈러스를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노-SiO3/2 입자의 현장 솔-젤 형성이 BMI 수지의 열적 및 기계적 성질에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ2 나노-TiO2의 도입이 BMI 기반 나노복합체의 유리전이온도(Tg) 및 열안정성에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 나노-SiO3/2 및 TiO2 입자가 BMI 수지의 고온에서의 탄성모듈러스를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 입자 크기와 응집 현상은 형성된 나노복합체의 형태학적 특성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 TESPMA 및 TBT가 BMI 매트릭스 내에서 무기상태의 균일한 분산을 이루는 데 기여하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 나노복합체 내에 분산된 SiO3/2 또는 TiO2 상의 평균 원래 입자 크기는 100 nm 이하이지만, 더 큰 군집이 존재하였다.
• 나노-SiO3/2의 도입은 AP-BMI 수지의 유리전이온도(Tg)를 크게 향상시키고 고온에서의 탄성모듈러스도 향상시켰다.
• 나노-SiO3/2의 첨가로 AP-BMI 수지의 열저항성이 뚜렷이 향상되어 열적 스트레스에 대한 안정성이 향상됨을 나타냈다.
• 나노-TiO2 입자는 저온에서의 탄성모듈러스를 증가시켰지만 고온에서는 탄성모듈러스를 감소시켜 열성능에 상충되는 영향을 미쳤다.
• TiO2의 첨가로 BMI 수지의 Tg는 향상되었지만, 순수 수지 및 SiO3/2 함유 복합체에 비해 전체적인 열안정성이 감소하였다.
• FT-IR 및 FE-SEM 분석을 통해 BMI 매트릭스 내에서 나노무기상태의 성공적인 현장 형성과 분산이 확인되었으며, 필러와 매트릭스 간의 화학적 상호작용의 증거도 발견되었다.