미세 중공 실리카 입자가 함유된 실리콘 단열 복합재의 열적 기계적 특성에 실란 커플링제가 미치는 영향

[카리]

폴리 디메틸 실록산(PDMS)은 높은 투명성, 가스 투과성, 우수한 전기 절연성, 낮은 표면 자유 에너지, 우수한 내후성 및 낮은 독성과 같은 독특한 특성으로 인해 상당한 주목을 받고 있는 폴리머입니다. PDMS 복합재는 실란트, 접착제, 마감 처리제, 코팅제, 마이크로 및 나노 유체, 멤브레인 등과 같은 많은 분야에서 널리 응용되고 있습니다. 순수한 PDMS는 열 안정성이 우수하지만 PDMS 체인 사이의 고유한 약한 상호 작용으로 인해 여전히 기계적 특성이 약하다.
PDMS의 기계적 특성을 향상시키기 위해 카본 블랙, 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브, 실리카 등과 같은 다양한 보강 충진제가 사용되었다. 하지만 실리카의 경우 표면의 Silanol group에 의해서 강한 친수성을 뛰며, 이러한 친수성에 의해 PDMS 매트릭스에 분산되는 것이 쉽지 않다. 또한 강한 친수성에 의해 실리카 입자끼리의 뭉침 현상이 발생한다. 실리카 입자의 뭉침 현상으로 인해 복합재의 기계적 성질 또한 감소하는 것으로 나타났다.이러한 문제를 해결하기 위해서 유기-무기 하이브리드 재료가 대안 방안으로 부상했다.
유기-무기 하이브리드 재료는 무기 및 유기 성분이 분자 수준에서 결합된 새로운 유형의 복합 재료이다. 유기-무기 하이브리드 재료를 만드는 대표적인 방법으로는 실란 커플링제를 사용하는 것이다. 실란 커플링는 유기 매트릭스와 무기 실리카 표면 사이의 상용성을 향상시키는 것으로 널리 알려져 있다. 상용성의 향상으로 인해 상분리 및 입자의 응집이 최소화되며 PDMS 매트릭스 안에서 실리카 입자의 분산력이 향상 된다. 또한 커플링제는 PDMS 매트릭스 와 실리카가 반응 할 수 있는 작용기를 함유한다. 이러한 방식으로 PDMS-실리카 결합이 증가되고 결과적으로 실리카의 보강 효과가 향상 된다.
본 연구에서는 미세 중공 실리카 입자(H25)가 함유된 폴리 디메틸 실록산 (poly dimethyl siloxane, PDMS) 매트릭스 내에 실리카 입자와 폴리 디메틸 실로산(poly dimethyl siloxane, PDMS) 매트릭스 사이의 공유결합을 도입하기 위해서 실란 커플링제인 트리메톡시실란(trimethoxysilane)을 사용하여 실리카 표면을 코팅 하였다. 실란 커플링제에 의해 코팅된 실리카(SH25)의 표면상에 Si-CH=CH2기 형성을 적외선 분광광도계 (transform infrared spectroscopy, FT-IR)를 통해 확인하였다. 밀도 측정 결과 미세 중공 실리카 입자의 함량 증가에 따라 모든 복합재의 밀도(<1 g/cm3)가 감소했다. 복합재 매트릭스내의 미세 중공 입자의 함량의 증가와 분산 정도를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 통해 시각적으로 확인 하였다. 미세 중공 실리카 복합재의 단열 성능은 열전도(k)로 평가 했으며 입자 함량이 증가함에 따라 복합재의 단열을 향상시킬 수 있었다. 실란 커플링제의 실리카 표면 처리 전◦후 같은 입자 함량을 가지는 복합재의 단열 성능 비교 시 0.001~0.007 W/m*k으로 비슷한 결과를 보이고 있다. 복합재의 기계적 특성은 인장 시험을 통해 확인 하였다. 인장 시험을 위해 재료만능시험기 (universal testing machine, UTM)를 이용하였으며, 순수한 폴리 디메틸 실록산 (poly dimethyl siloxane, PDMS) 매트릭스에 미세 중공 입자가 함유된 후 탄성 모듈러스가 증가 하였으며, 실란 커플링제의 실리카 표면 처리 전◦후 같은 입자 함량을 가지는 복합재의 탄성 모듈러스 비교 시 9~170%의 큰 변화로 인장 강도가 향상 되었음을 확인할 수 있었다. 복합재의 열적◦기계적 특성을 평가하기 위해서 동역학적 분석기 (Dynamic mechanical analyzer, DMA)를 이용하였고, 분석을 통해 얻은 E’(Storage modulus) 및 E”(Loss modulus)로 계산해 유리 전이 온도를 구할 수 있었다.

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