[논문 리뷰] Polyaniline and graphene nanocomposites for enhancing the interlaminar fracture toughness and thermo-mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Conducting polymers and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 폴리안린 코팅 그래핀 나노플레이트렛(PANI-GNP)을 폴리비닐피롤리돈(PVP)에 분산시켜 탄소섬유/에폭시 복합재의 다층간 균열 토성과 열기계적 성질을 향상시키는 것을 목적으로 한다. PVP에 5 wt%의 GNP를 함유한 복합재를 다층간 영역에 도포함으로써 모드-I 균열 토성은 79% 향상되었으며, 동적 기계 분석을 통해 향상된 저장율 모odulus가 확인되었다.

ABSTRACT

Delamination is one of the major concerns for carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. Improving fracture toughness reduces delamination and allows for the creation of multifunctional CFRP. In this study, polyaniline (PANI) coated graphene nanoplatelets (GNP) are introduced in the interlaminar region of CFRP pre-preg with the aid of environmentally friendly thermoplastic polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP). The GNP content is varied as 1, 3, and 5% by weight with respect to PVP. The improvements in the fracture toughness are investigated using a double cantilever beam test. An improvement of approximately 79% in mode-I fracture toughness is observed with the addition of 5 wt% GNP with respect to PVP. Dynamic mechanical analysis results confirmed the improvements in storage modulus but showed a decrease in glass transition temperature with the addition of nanofiller. Various spectroscopic analysis and imaging techniques were used to understand and evaluate the interactions of nanocomposites with CFRP pre-preg.

연구 동기 및 목표

• 탄소섬유/에폭시 복합재에서 주요 파손 메커니즘인 다층간 균열을 해결하기 위해.
• 환경적으로 우수한 PVP를 PANI-GNP 나노복합재의 기초 매트릭스로 사용하여 다기능성 다층간 인터페이스를 개발하기 위해.
• 기계 가공성에 영향을 주지 않으면서 다층간 균열 토성과 저장율 모odulus를 향상시키기 위해.
• GNP 함량(1, 3, 5 wt%)이 기계적 및 열적 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 현장 중합을 통해 폴리안린 코팅 그래핀 나노플레이트렛(PANI-GNP)의 합성.
• PANI-GNP를 1, 3, 5 wt% 농도로 PVP에 분산시어 열가소성 인터페이스를 형성.
• 확장 가능한 환경 친화적인 방법을 통해 PANI-GNP/PVP 복합재를 탄소섬유/에폭시 프리패그의 다층간 영역에 도포.
• 모드-I 하중 조건 하에서 이중 단면비틀림(가소성) 시험을 통해 균열 토성 평가.
• 동적 기계 분석(DMA)을 통해 저장율 모odulus와 유리 전이 온도(Tg) 변화 평가.
• 스펙트로스코픽 및 영상 분석 기법(예: SEM, FTIR)을 사용하여 인터페이스 상호작용과 분산 상태 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PANI-GNP/PVP 인터페이스의 도입은 탄소섬유/에폭시 복합재의 모드-I 다층간 균열 토성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 균열 토성과 열기계적 성능을 최대화하기 위해 PVP 내 최적의 GNP 함량(1, 3, 또는 5 wt%)은 무엇인가?
• RQ3 PANI-GNP/PVP 인터페이스는 복합재의 저장율 모odulus와 유리 전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관찰된 기계적 성능 향상의 원인이 되는 인터페이스 상호작용 및 분산 특성들은 무엇인가?

주요 결과

• 순수한 PVP로 강화된 복합재 대비 PVP에 5 wt% GNP를 함유한 복합재에서 모드-I 균열 토성이 79% 향상되었다.
• GNP 도입에 따라 복합재의 저장율 모odulus가 증가하여 다층간 영역의 강성 향상이 확인되었다.
• GNP 함량이 증가할수록 유리 전이 온도(Tg)가 감소하여 잠재적인 플라스티제이션 또는 인터페이스 리아케이션 효과를 시사한다.
• 스펙트로스코픽 및 영상 분석을 통해 PANI-GNP와 PVP 간 강한 인터페이스 상호작용과 최적 농도에서 균일한 분산이 확인되었다.
• PANI-GNP/PVP 시스템은 다층간 인터페이스를 효과적으로 브리지하여 균열 전파 중 에너지 소산을 촉진하였다.
• 이 방법은 기존 복합재의 가공 공정을 변경하지 않으면서도 다기능성 인터페이스 설계를 위한 확장 가능한 친환경적 접근법을 제공한다.