박리된 육방 질소화 붕소 나노편 강화 폴리프로필렌 복합재료의 성능 연구

1. 소개

이 글은 마이크로사류균질기 응용전문에 소속되여있으며 전문은 도합 1만 1500자로서 열독하는데 약 40분이 걸린다.

요약

본 연구는 미사류균질법제를 통해 박리형 육방질화붕소 나노필름(e-hBN)을 준비하고 용융압출기술을 이용해 폴리프로필렌(PP)과 복합했다.그 결과, e-hBN은 PP 기체에서의 균일한 분산이 관건이며, 복합재료의 여러 가지 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다: 균일 폴리PP (HP) 에서 e-hBN은 재료의 신장 강도와 근성을 동시에 강화한다;내충공중합PP (IP) 의 경우 기계적 성능 개선이 제한적이지만 모든 복합재료의 항산화 안정성은 e-hBN의 장벽 작용으로 크게 향상돼 열노화 후 카르보닐기 지수가 현저히 낮아졌다.또한 e-hBN의 첨가로 복합재료의 열전도율이 높아졌다.요약하면, e-hBN은 PP 복합 재료에 더 우수한 종합 성능을 효과적으로 부여 할 수있는 다기능 나노 충전재입니다.

키워드

육방질화붕소 박리;미사류 균질기;폴리프로필렌 복합재료;열전도성;기계적 성능;산화 안정성

2. 전체 프레임

용어 해석

3. 인용문

이 연구는 e-hBN 도입을 통해 폴리프로필렌 소재 고유의 낮은 열전도율, 낮은 항산화성과 기계적 강도 부족 등의 한계를 해결하기 위한 것이다.h-BN은 기존 충전재에 비해 높은 열전도성과 절연의 독특한 조합을 갖추고 있지만 중합체 기체에서의 분산성이 떨어지는 것이 관건이다.본 연구의 혁신적인 점은 박리 공정이 h-BN의 PP 기체에서의 분산 효과에 미치는 영향을 체계적으로 탐구하고, 이러한 e-hBN이 복합재료의 열, 기계 및 장기적인 항산화 성능에 대한 강화 작용을 중점적으로 평가함으로써 이 분야의 연구 공백을 메우는 데 있다.

4. 기본 절차

고리	핵심 단계	핵심 세부 사항 및 매개 변수
재료 준비	원자재	-h-BN: 일본 Denka -중합체: LyondellBasell에서 제공하는 PP(HP와IP） -용매와 분산제NMP, P4VP
h-BN 분리	액상 박리	1. 사전 분산: h-BN과 P4VP를 NMP에서 혼합하여 고속으로 잘라내기(5000rpm, 1h). 2. 미사류 균질화: 마이크로 송수신기 사용,190 MPa의하순환5차. 3. 후처리: 원심, 세탁, 냉동 건조e-hBN가루.
복합재료 제조	용융공혼	1. 사전 블렌드: 사용음향 공명 혼합기충전재를 PP 입자와 혼합한다. 2. 용융 압출: 사용더블 스크루 압출기용융 공혼을 진행하다. 3. 열압성형: 사용압정기열압은 표준 테스트 필름 재료가 된다.
표징 및 테스트	성능 평가	-구조와 형상: XRD, SEM, 3D XRM -열 성능: TGA, DSC (OIT),열전도율 -기계적 성능: 스트레치 테스트 -산화 안정성: FTIR(카르보닐 지수 CI)

5. 결과와 토론

h-BN 강화 PP 복합재료의 표징

이 연구는 체계적인 방법으로 h-BN 강화 폴리프로필렌 복합재료를 제조했다.먼저 미세 사류 균질화 기술을 통해 h-BN을 액상 박리하고, SEM과 XRD 표징은 공동으로 층 간격이 커지고 두께가 줄어드는 박리형 h-BN 나노필름을 획득하는 데 성공했다는 것을 확인했다.기체에서의 충전재의 리상적인 분산을 실현하기 위하여 연구는 공진음향학혼합기를 채용하여 e-hBN 나노필름을 사전에 PP립자의 표면에 포복한후 다시 용융압출을 통해 복합을 완성하였다.이 제조 전략은 분산 공정을 최적화함으로써 성능이 우수한 복합재료를 얻을 수 있는 기반을 마련했다.

h-BN 나노 조각의 효과적인 박리와 균일한 분산을 보장하고 마이크로 사류 균질기를 이용한 액상 박리 공정을 채택했다.이 방법은 강한 절단력과 고압을 가하여 본체 h-BN 층 사이의 강력한 판더화력을 효과적으로 극복했다.h-BN 부유액은 고속에서 좁은 간격을 통과하도록 강요되어 두꺼운 층을 얇은 나노 조각으로 분리하는 데 필요한 급류와 절단 응력을 발생시킨다.벗겨진 나노 조각은 안정적인 흰색 부유액을 보여 성공적인 박리를 직관적으로 입증했다.

스캔 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 그림 2b와 같이 벗겨지는 과정을 더욱 검증했습니다.이미지에 따르면 블록 형태의 h-BN은 두꺼운 스택으로 구성되어 있으며 분리 된 h-BN 나노 조각은 두께를 크게 줄이고 가로 크기를 증가시킵니다.이러한 형태 전환은 h-BN 나노 조각의 표면적을 강화하고 PP 기체와의 더 나은 인터페이스 상호 작용을 촉진하며 복합 재료의 성능 개선에 도움이됩니다.X선 회절 (XRD) 분석은 각질 제거에 성공했다는 추가 증거를 제공합니다 (그림 2c).블록형 h-BN의 XRD 스펙트럼은 26.8, 41.7, 43.9, 50.2 및 55.2 °의 2 × 값에서 특징 연사봉을 나타내며, 각각 육방상 h-BN의 (002), (100), (101), (102), (004) 평면에 대응하여 (002) 봉의 강도가 현저하게 낮아지고 봉의 너비가 동반되는 것을 관찰한다.이러한 변화는 C 축을 따라 레이어 스택이 약해졌음을 나타내며 h-BN 레이어의 분리를 확인합니다.또한 (002) 피크는 26.3 ° 로 오프셋되고 간격 (d002) 은 0.35 nm로 층간 분리가 증가했음을 나타내며 박리된 h-BN 나노 필름의 성공적인 생산을 검증했다.

박리된 h-BN (e-hBN) 나노칩으로 강화된 폴리프로필렌 (PP) 복합재료의 제조는 그림 3과 같이 두 가지 핵심 단계와 관련된다.첫 번째 단계에서는 공명 음향 혼합기를 사용하여 e-hBN 나노 조각을 PP 입자에 균일하게 코팅합니다 (그림 3a).음향 혼합기에서 발생하는 고주파 음파는 e-hBN 나노 조각이 균일하게 분산되어 PP 입자 표면에 효과적으로 접착될 수 있도록 빠른 진동을 일으킨다.이 단계는 나노 조각이 후속 가공 과정에서 폴리머 기체 내에 균일하게 분포되도록 보장하여 복합 재료의 전반적인 균일성과 성능을 향상시킬 수 있기 때문에 매우 중요합니다.두 번째 단계에서는 h-BN 코팅된 PP 입자를 용융하여 압출하는 공정을 진행합니다 (그림 3b).이 과정에서 혼합물은 PP를 녹이기 위해 가열되어 나노칩과 폴리머 기질의 혼합을 촉진한다.이 방법은 e-hBN의 균일한 혼합을 보장 할 뿐만 아니라 충전재와 폴리머 간의 견고한 인터페이스 결합을 촉진합니다.

h-BN, PP 복합재료의 역학적 성능 강화

순수 HP는 내충성 공중합체 PP(IP) 대비 우수한 인장 강도(30.42±1.5MPa)를 보였는데, 이는 더 높은 결정도 덕분이다.그러나 HP는 낮은 신장률과 근성을 보여 강도를 부각시켰지만 연전성은 낮아졌다.스태킹 h-BN (hBN-HP) 의 추가는 주로 스트레칭 강도와 근성을 감소시킵니다.h-BN 입자의 집합으로 인해, h-BN 입자는 응력 집중기 역할을 하며 응력 전달을 방해한다。

반면 벗겨진 h-BN(e-hBN-HP)의 도핑은 인장강도(32.88±0.45MPa, 14.3% 크게 향상됐다.p = 0.03)과 근성(1MPa±11.73, 11.6% 향상;p = 0.07）。이들강화는 e-hBN 나노필름이 중합체 기질에서 고르게 분산되어 효율적인 응력 전달을 실현한 데 기인한다XRM 이미징이 확인한 것처럼 (그림 S1)

이에 비해 기체 속 고무형 에틸렌 구조역 때문에 HP에 비해 IP 시료는 높은 신장률과 근성을 보였다.그러나 스택 h-BN (hBN-IP) 의 혼합은 충전재의 분산성이 낮고 충전재-베이스 인터페이스의 상호 작용이 약하기 때문에 신장률과 근성을 크게 낮춥니다.벗겨진 h-BN (e-hBN-IP) 의 혼합도 IP 샘플의 신장률과 근성을 떨어뜨린다. 비록 쌓인 h-BN에 비해 이런 감소는 그다지 뚜렷하지 않지만.이러한 관찰 결과는 e-hBN-IP 복합재료의 역학적 성능의 제한된 개선이 IP 기체와 h-BN 나노칩 사이의 인터페이스 상호작용 미흡과 IP 기체의 고유 이질성에서 비롯되었음을 보여준다.이 추세는 Chan 등이 보고한 연구 결과와 일치하며, 10%, 15%, 20% h-BN을 추가한 후 기계 성능의 변화를 무시할 수 있다는 것을 관찰했다.

따라서 박리된 h-BN 나노 조각을 첨가함으로써 특히 균합 PP에서 PP 복합 재료의 역학적 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.관찰된 인장강도와 근성의 증강은 벗겨진 h-BN이 실현한 균일한 분산과 효과적인 응력전달에 기인한다.분산 기술 최적화와 충전재-기체 상호작용 강화는 이들 복합재료의 기계적 성능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 특히 충격 공중합체 PP와 같은 더 복잡한 구조를 가진 기질에서 볼 수 있다. 본 연구에서 개발한 복합재료의 역학적 성능을 h-BN 강화 PP 복합재료의 문헌 보도와 비교하였다(표3).e-hBN은 HP 복합재료(e-hBN-HP)가 구현하는 인장 강도와 근성을 강화하는 데 경쟁력이 있어 복합재료의 성능을 높이는 데 박리 h-BN의 유효성을 입증했다.

h-BN, 폴리프로필렌 복합재료의 열성능 강화

열중량분석(TGA)과 파생열중분석(DTGA)으로 h-BN 강화 폴리프로필렌(PP) 복합재료의 열 안정성을 연구했다.그림 5a는 h-BN과 탈락한 h-BN (e-hBN) 의 TGA 곡선을 보여주며 h-BN 자체가 우수한 열 안정성을 가지고 있으며 무게 손실은 1% 미만임을 나타냅니다.

e-hBN 시료는 잔류 폴리(4-에틸피리딘)(P4VP)에 기인하는 비교적 작은 중량 손실을 나타내며, e-hBN 제조 과정에서 분산제로 사용된다.그러나 h-BN은 높은 열 안정성을 가지고 있지만 h-BN을 첨가 한 후 PP의 열 분해는 그림 5b, c와 같이 크게 개선되지 않았습니다.순수 HP, h-BN-HP 및 e-hBN-HP 샘플의 분해 온도는 약 450 °C이며 분해 속도는 비슷합니다.h-BN-IP 샘플에서 유사한 추세가 관찰되었으므로 그림 S2는 이러한 샘플의 TGA 및 DTGA 데이터를 제공합니다.이것은 h-BN의 첨가가 높은 온도에서 복합 재료의 구조적 무결성을 유지하는 데 도움이되는 h-BN의 존재에도 불구하고 PP 베이스의 열 분해 동작을 크게 변경하지 않는다는 것을 보여줍니다.

DSC 측정을 통해 PP 복합재료의 결정도와 용융 특성을 분석합니다.결정도 백분율의 계산 공식은 다음과 같습니다.그 중PP 샘플의 용융열입니다.순수결정 PP의 용융열(207J/g)이다.순수 HP와 IP의 결정도 비율은 각각 35.3% 와 31.5% 로 두 샘플의 용융봉은 모두 163 ° C에서 관찰되었다 (그림 6a).HP와 IP 사이의 결정도 차이는 HP가 높은 결정도를 가지고 더 높은 강도를 나타내는 기계적 성능과 관련이 있으며, IP의 낮은 결정도는 그 연전성을 강화하는 데 도움이 된다.PP 복합 재료에 h-BN이 추가되었지만 PP의 열 성능은 크게 개선되지 않았으며 표 3과 같이 h-BN 강화가 폴리머 기체의 결정도 또는 용융 특성에 큰 영향을 미치지 않았음을 나타냅니다.

PP 복합 재료의 산화열 안정성을 평가하기 위해 산소 유도 시간 (OIT) 을 측정합니다 (그림 S3).

OIT 값은 200 및 220 °C의 OIT 값이 1 min 미만이기 때문에 180 °C에서 측정됩니다.순수 HP 및 IP의 경우 OIT 값은 각각 4.6 분과 11 분입니다 (그림 6b).h-BN을 추가하면 h-BN-HP의 OIT가 9.67분으로, h-BN-IP의 OIT가 26분으로 증가합니다(그림 6c).탈락한 h-BN이 더 강화된 것으로 관찰되어 e-hBN-HP의 OIT 값은 13분, e-hBN-IP의 OIT 값은 34분 (그림 6d) 이다.이러한 결과는 육방질화붕소(h-BN), 특히 그 박리형태(e-hBN)를 첨가한 첨가가 폴리프로필렌(PP) 복합재료의 산화안정성과 열성능을 현저히 향상시켰음을 보여준다.h-BN과 e-hBN이 강화된 PP 시료에서 관찰된 산화유도시간(OIT)의 증가는 h-BN이 산소 확산의 효과적인 장벽임을 시사해 산화의 시작을 늦춘다.e-hBN이 PP 기질에서 더 잘 분산되어 이러한 보호 작용을 더욱 강화시켰는데, 벗겨지지 않은 샘플보다 e-hBN-HP 및 e-hBN-IP 샘플의 OIT 값이 더 높다는 것이 이를 증명한다. 이러한 산화 안정성의 향상은 부분적으로 h-BN의 높은 열전도성 때문에 복합재료의 열 방출 성능이 강화되었다.OIT 측정 외에도 열전도 계수 측정은 복합 재료의 열 성능에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.열전도 h-BN의 첨가는 PP 기체의 열전도성을 높여 열을 더 잘 방출하는 데 도움이 된다.e-hBN 강화 복합재료는 더 높은 열전도성을 나타낸다 (그림 7). 이는 e-hBN이 PP 기체에서 분산되어 복합재료의 열방출 성능을 강화했기 때문일 수 있다

열노화연구를 통해 복합재료의 항산화성을 평가하는데 그중 HP와 IP견본은 모두 120°C에서 250과 500h를 배치하여 장기적인 열노출을 모의한다.산화물 형성, 특히 카르보닐기(-C═O) 기단을 모니터링하기 위해 푸리엽 변환적외선(FTIR) 스펙트럼을 사용한다.

FTIR 스펙트럼 (그림 8a) 은 1700 – 1780에서 카르보닐 기반 표시영역의 특징은 폴리머가 산화한다는 것을 나타내는 흡수봉입니다.카르보닐기 지수(CI)는 폴리머 샘플의 산화 정도를 평가하는 효과적인 지표로, 카르보닐기봉(1700~1780)으로 계산된다.)의 강도와 비교봉 (2730)의 강도 비율입니다.예상대로 순수 HP와 IP 샘플의 열노화로 카르보닐기봉 강도가 눈에 띄게 증가해 카르보닐기지수(CI)가 눈에 띄게 상승한 것으로 나타났다.HP 시료의 경우 CI 값이 250h 이후 0.12(순)에서 1.14로, 500h 노화 후 1.17로 증가하면 다량의 산화를 나타낸다.마찬가지로 IP 샘플의 경우 CI 값이 250h 이후 0.18(순)에서 1.0으로, 500h 이후 1.25에서 1.25로 증가해 시간이 지남에 따라 상당한 산화가 일어났음을 보여준다.그러나 PP 기질에 h-BN 나노칩을 첨가하면 항산화성이 크게 향상되며, h-BN이 없는 열노화 시료에 비해 h-BN과 박리된 h-BN(e-hBN)이 강화된 HP와 IP 시료의 CI 값이 낮다.FTIR 결과는 H-BN 나노필름을 첨가해 비박락이든 박리든 PP 복합재료의 항산화성을 강화했다는 OIT 연구 결과를 더욱 뒷받침했다.h-BN이 함유되지 않은 열노화 PP 샘플에 비해 h-BN 강화 샘플의 CI 값이 낮아 산화도가 낮아졌음을 나타낸다.이는 h-BN 나노필름, 특히 벗겨진 나노필름의 투입이 열노화 조건에서의 재료의 항산화성을 높였음을 보여준다.

6. 결론

이 연구는 성공적으로 입증되었습니다.박리된 육방질화붕소(e-hBN)고성능 나노 충전재로서 폴리프로필렌 (PP) 복합재료의 종합적인 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.핵심 결론은 다음과 같습니다.

1. 제조와 분산이 관건이다: 채택미사류 균질법e-hBN 제조 성공 및 통과음향학 혼합과 용융 압출결합된 공정은 e-hBN이 PP 기체에서의균등 분산성능 향상의 토대가 됩니다.

2. 기계적 성능이 크게 향상되었습니다(특히 HP의 경우).: 에서균일 폴리PP(HP)중, e-hBN 가입 실현강도와 근성의 동시 강화. 반면 임피던스 공중합체 PP(IP)에서는 기체 자체의 구조가 복잡해 기계적 성능 개선이 제한적이다.

3. 열산화 안정성이 대폭 향상되다.: e-hBN의 첨가로 재료의산화유도시간(OIT)열노화 후의카르보닐 지수(CI). 이는 e-hBN이 물리적 장벽으로서 산소 확산을 효과적으로 저해하고 PP의 산화 강하를 늦출 수 있음을 시사한다.

4. 열전도성이 개선되다: e-hBN은 PP 기체에서 더욱 효과적인 열전도 통로를 형성하여 복합재료의열전도율이 향상되다。

5. 열분해 행위는 뚜렷한 영향을 받지 않는다: 충전재의 첨가는 PP 자체의열분해온도이는 주로 중합물의 화학적 분해 기전을 바꾸는 것이 아니라 물리적 작용을 통해 안정성을 높이는 것임을 보여준다.

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