[논문 리뷰] Ultra-High Performance of Nano-Engineered Graphene-Based Natural Jute Fiber Composites

Forkan Sarker, Prasad Potluri외 4명|ePrints Soton (University of Southampton)|2019. 05. 02.

Natural Fiber Reinforced Composites참고 문헌 51인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 섬유를 평행으로 정렬하고 표면을 그래핀 유도체로 수정함으로써 기계적 성질을 향상시키는 새로운 섬유 구조(NFA)를 갖춘 나노공학적 그래핀 기반 천연 자코우 섬유 프리폼을 제시한다. 이 방법은 무처리 자코우 복합재에 비해 절연탄성모듈러스를 약 324% 향상시키고 인장강도를 약 110% 향상시키며, 합성 복합재의 대체로 고성능이며 지속 가능한 옵션을 제공한다.

ABSTRACT

Natural fibers composites are considered as sustainable alternative to synthetic composites due to their environmental and economic benefits. However, they suffer from poor mechanical and interfacial properties due to a random fiber orientation and weak fiber-matrix interface. Here we report nano-engineered graphene-based natural jute fiber preforms with a new fiber architecture (NFA) which significantly improves their properties and performances. Our graphene-based NFA of jute fiber perform enhances Young modulus of jute-epoxy composites by ~324% and tensile strength by ~110% more than untreated jute fiber composites, by arranging fibers in parallel direction through individualisation and nano surface engineering with graphene derivatives. This could potentially lead to manufacturing of high performance natural alternatives to synthetic composites in various stiffness driven high performance applications.

연구 동기 및 목표

• 향상된 기계적 성능을 갖춘 합성 섬유 복합재의 지속 가능한 대체재를 개발하기 위해.
• 자연계 자코우 섬유의 본질적 한계, 즉 열악한 기계적 성질과 약한 섬유-매트릭스 계면 강도를 해결하기 위해.
• 섬유 구조의 나노공학적 처리와 표면 개질을 통해 자코우-에폭시 복합재의 성능을 향상시키기 위해.
• 하중을 지탱하는 응용 분야에 적합한 고경도, 고성능 천연 섬유 복합재를 가능하게 하기 위해.
• 스케일업 가능한 수준에서 그래핀 유도체를 사용하여 천연 섬유 복합재를 최적화할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 개별화 기술을 활용해 자코우 섬유를 평행으로 정렬하는 새로운 섬유 구조(NFA)의 설계 및 제작.
• 에폭시 매트릭스와의 계면 접착력을 향상시키기 위해 그래핀 유도체로 자코우 섬유의 표면을 공학 처리.
• 기계적 가공을 통해 천연 자코우 섬유를 분리하고 재정렬하여 한방향성 프리폼 구조를 형성.
• 계면 결합 및 하중 전달 효율성을 향상시키기 위해 그래핀 기반 코ating을 적용.
• 기계적 시험를 위해 나노공학적 프리폼을 사용한 자코우-에폭시 복합재의 제조.
• 무처리 자코우 복합재와의 비교를 위해 인장 및 굽힘 시험을 통해 기계적 성질을 정량 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 섬유 구조가 천연 자코우 섬유 복합재의 기계적 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 그래핀 기반 표면 개질이 자코우-에폭시 복합재의 계면 접착력을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 개별화를 통한 섬유의 평행 정렬이 자코우 기반 복합재의 경도와 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 나노공학적 처리를 통해 천연 섬유 복합재가 합성 복합재 수준의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 나노공학적 자코우 프리폼을 사용할 경우 절연탄성모듈러스와 인장강도의 정량적 향상 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 나노공학적 그래핀 기반 자코우 섬유 프리폼은 무처리 자코우 복합재에 비해 절연탄성모듈러스를 약 324% 향상시켰다.
• 공학 처리된 복합재의 인장강도는 전통적인 무처리 자코우-에폭시 복합재에 비해 약 110% 향상되었다.
• 새로운 섬유 구조(NFA)는 자코우 섬유의 효과적인 평행 정렬을 가능하게 하여 하중 지속 능력을 크게 향상시켰다.
• 그래핀 유도체 표면 개질은 계면 접착력을 향상시켜 매트릭스에서 섬유로의 스트레스 전달 효율성을 높였다.
• 섬유 정렬과 나노코팅의 조합은 기계적 성능 향상에 상호보완적 효과를 나타냈다.
• 본 연구는 경도 기반 엔지니어링 응용 분야에 적합한 고성능이며 지속 가능한 복합재를 실현하는 가용한 길을 제시한다.