Biomaterials Research (2012) 16(1) : 32-39

32

Biomaterials

Research

C The Korean Society for Biomaterials

유기실란처리 실리카를 이용한 에폭시 나노복합소재의 제조 및 분석

Preparation and Characterization of Epoxy Nanocomposites withOrganosilanized Fumed Silica

유태웅1·우지선

1·지종훈

2·이병민

1·김승수

1*

Tae Woong Yoo1, Ji Sun Woo1, Jonghun Ji2, Byung Min Lee1, and Sung Soo Kim1*

한국화학연구원 화학소재연구단1Korea Research Institute of Chemical Technology, P.O Box 107, Sinseongno 19, Yuseong-Gu, Daejeon 305-600, Korea2Daejeon St. Mary's Hospital, School of Medicine, The Catholic University of Korea, 520-2 Daeheung-dong, Jung-gu, Daejeon301-723, Korea(Received January 6, 2012/Acccepted February 1, 2012)

The effects of organo-silanized fumed silica to the thermal and mechanical properties of epoxy resin were studied. Theorgano-silanized fumed silica was prepared by the reaction of 3-aminopropyl triethoxysilane (APS) and 3-glyci-doxypropyl trimethoxisilane (GPS). The organo-silanized fumed silica were characterized with electron spectroscopyfor chemical analysis (ESCA), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and scanning electron microscopy (SEM),etc. The mixture of epoxy prepolymer and organo-silanized fumed silica suspended in methanol was polymerized toprepare nanocomposites. The glass transition temperature (Tg) and mechanical properties of epoxy nanocompositeswith the organo-silanized fumed silica were enhanced, compared to those of a control epoxy resin.

Key word: Fumed silica, epoxy resin, nanocomposite

서 론

폭시 수지는 1940년대에 상업적으로 생산되기 시작한

이래로 뛰어난 기계적 물성, 전기절연 특성, 내열성, 접

착성 등으로 인하여 코팅제, 접착제, 전기나 전자부품 재료, 섬

유강화 복합재료 등의 다양한 용도로 많은 양이 소비되고 있

는 매우 중요한 공업용 소재이다.1) 한편 생체의료분야에서는

치과용 접착제로 널리 사용되고 있고, 에폭시 수지를 바탕으로

한 탄소섬유강화 복합재료는 정형외과용 수술보조기구, 외고정

장치 등에 사용되고 있다.2-3) 또한 bone plate로 응용하기 위

한 연구도 행해지고 있다.4)

에폭시 수지는 열경화성 수지로서 그 사용목적에 따라 다양

한 경화제를 첨가하여 경화시킨 후 사용하는데, 경화 후 에폭

시수지의 열적/기계적 특성은 수지와 경화제의 화학구조와 관

능기 수, 혼합비 그리고 경화조건 등에 의존하며 경화 온도,

촉매 및 기타 첨가제의 영향을 받는다.5-9) 에폭시 수지의 최대

단점은 구조적으로 잘 깨지는 취성이다. 이에 CTBN (carboxyl

terminated acrylonitrile butadiene)과 같은 탄성체를 도입하거

나, 선형고분자를 사용하여 내충격성을 향상시키는 연구를 행

하였다.10,11) 최근에는 여러 연구자들에 의해 nano-layered

silicate, carbon nanotube, 실리카 나노입자와 같은 충전제를

첨가하여 나노복합체를 제조함으로써 유동성 개선 및 충격보

강 효과뿐만 아니라 각종 기능성을 부여하는 연구가 수행되고

있다.12-14)

본 연구에서는 불꽃가수분해 기술로 제조되어지는 실리카 나

노입자(fumed silica)를 에폭시수지에 도입하여 물성에 미치는

영향을 조사하였다. 이 실리카 나노입자는 치과용 충전제, 전

자부품, 페인트와 코팅소재의 점증제 등에 응용되고 있다.15,16)

이 입자는 수십 nm의 크기를 가지고 고분자에 첨가되어 입자

들이 고르게 분산될 경우 열안정성과 열전도도와 같은 열적 성

질과 강성과 인성과 같은 기계적 성질을 향상시키는 것으로 보

고되고 있다. 한 예로, Shoichiro Yano 팀은 polyvinyl acetate/

실리카 복합재료의 구조와 기계적 물성에 대하여 보고하였는데

무기 실리카 network와 분자수준의 matrix가 결합함에 따라 고

분자의 micro-Brownian 운동이 강하게 제약을 받아 실리카 함

량의 증가에 따라 기계적 강도가 증가한다고 보고하였다.16)

충전제로서 실리카는 그 크기와 표면적, 표면성질 등이 중요

한 인자이지만, 사용하는 실리카와 에폭시수지 간에 상용성이

좋아 분산이 잘 되는 것도 에폭시수지의 물성향상에 큰 영향

을 미친다. 즉, 실리카는 친수성으로 에폭시수지의 점도 조절

제로 사용되어 왔지만 표면에 silanol기를 가지고 있어 수소결

합으로 인한 실리카간의 응집으로 인해 분산 및 물성이 저하*책임연락저자: sskim@krict.re.kr

에

유기실란처리 실리카를 이용한 에폭시 나노복합소재의 제조 및 분석 33

Vol. 16, No. 1

되는 문제점이 있다.17)

이에 본 연구에서는 에폭시수지와의 친화력을 향상시키고 실

리카간의 응집을 막기 위해 실란 커플링제(silane coupling agent)

인 3-aminopropyl trimethoxysilane (APS)와 3-glycidoxypropyl

trimethoxisilane (GPS)로 실리카의 표면을 유기화시키고 이를

도입한 에폭시 나노복합소재의 열적 및 기계적 특성을 조사하

였다.

실 험

시약 및 재료

에폭시수지는 국도화학의 비스페놀 A형 에폭시수지(YD128)

및 아민경화제인 Jeffamine D230을 사용하여 에폭시수지를 중

합하였다. YD128은 에폭시 당량(epoxide equivalent weight,

EEW)이 186 g/mol이고 Jeffamine D230의 활성수소당량(active

hydrogen equivalent weight, AHEW)는 60 g/mol이었다. Fumed

silica, 3-aminopropyl trimethoxysilane (APS), 3-glycidoxypropyl

trimethoxysilane (GPS), 메탄올 등은 모두 Aldrich chemical

제를 사용했다.

실리카 표면처리

Scheme 1과 같이 표면처리된 유기실란화 실리카를 제조하였

다. APS가 표면에 도입된 실리카 (APS 처리 실리카, APS-

treated silica)를 제조하기 위하여 fumed silica 10 g을 메탄올

(90 ml)이 든 둥근 플라스크에 넣고, APS를 6 g 첨가한 후, 밀

봉하였다. 다음, 반응물을 상온에서 교반하며 8시간동안 반응시

켰다. 반응이 끝난 후, 3000 rpm에서 원심 분리시켜 상층액을

제거한 후, 메탄올을 다시 넣고 격렬히 교반한 후, 다시 원심

분리시키는 과정을 3회 실시하여 미반응물을 제거하였다. 정제

된 실리카는 진공오븐에서 건조한 후, 밀봉하여 보관하였다.

한편, GPS가 도입된 실리카 (GPS 처리 실리카, GPS-

treated silica)를 제조하기 위하여 상기와 동일한 방법을 사용하

였으나 촉매로서 진한 암모니아 2 방울을 가하여 반응시켰다.

즉 APS는 촉매작용을 하는 아민기를 가지고 있는 반면 GPS는

없으므로 암모니아를 첨가하였다.

나노복합 에폭시수지의 제조

본 연구에 사용된 비스페놀 A형 에폭시수지는 점도가 높아

실리카 나노입자와의 혼합이 원활하지 않았다. 따라서 혼합을

원활하게 하기 위하여 실리카 나노입자를 메탄올에 10 wt% 농

도로 분산시킨 다음, 이를 비스페놀 A형 에폭시수지와 혼합하

였다. 이 때 혼합한 실리카 나노입자의 양은 적정농도로 보고된

에폭시수지 대비 2 wt%로 하였다.14) 이 에폭시수지에 동일 당

량의 경화제를 상온에서 30 분간 기계적으로 교반하여 혼합하

고 상온의 진공오븐에서 20 분간 진공을 가하여 에폭시수지에

서 발생하는 기포와 휘발물질을 어느 정도 제거시켰다. 다음, 이

에폭시수지를 실리콘 틀에 넣고 다시 상온의 진공오븐에서 90

분간 휘발물질과 기포를 완전히 제거한 후, 80oC 건조오븐에

서 3시간 반응시킨 후, 120oC에서 1시간 추가 경화를 행하였

다. 여기서 실리카 나노입자는 fumed silica, APS 처리 실리

카, GPS 처리 실리카를 사용하여 이들이 도입된 에폭시수지의

물성을 상호 비교하였다.

물리 및 화학적 특성분석

실리카 나노입자의 형태학적 분석을 위하여 SEM (Scanning

Electron Microscopy, VEGA-II/LSU, Tescan, Czech) 분석을 행

Scheme 1. Synthetic routes to APS-treated and GPS-treated silica.

34 유태웅·우지선·지종훈·이병민·김승수

Biomaterials Research 2012

했고, 입자 크기의 분포를 조사하기 위하여 입도분석기(Particle

size analyzer; BlueWAVE, Microtrac Inc, USA)를 사용하였다.

실리카 나노입자에 유기실란의 도입을 확인하기 위해 적외선

분광분석(Fourier transform infrared spectroscopy, ALPHA FT-

IR, Bruker, Germany)과 ESCA (Electron Spectroscopy for

Chemical Analysis; Nova Axis, Kratos, UK), EDS (energy dis-

persive spectroscopy, Brucer/Quantax 200) 분석을 행하였고

실리카 내의 유기물 함량을 조사하기 위해 TGA (Thermo

gravimetric analyzer, TGA Instruments Q500) 분석을 행하였다.

실리카의 에폭시수지 내에서 분산 상태를 조사하기 위하여 투

과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM, TECNAI

G2, FEI, USA) 분석을 행하였다. 나노복합 에폭시수지의 열적 특

성을 조사하기 위하여 DSC (Differential scanning calorimeter,

DSC Instruments Q1000)를 이용하여 조사하였다. 또한 내열

성을 조사하기 위하여 TGA (Thermo gravimetric analyzer,

TGA Instruments Q500) 분석을 행하였다. 이들 분석은 모두

질소 분위기 하에서 승온 속도 10oC/min으로 측정하였다.

나노복합 에폭시수지의 기계적 물성을 조사하기 위하여 만능

시험기(Automated Material Testing System, Series IX, Instron)

를 이용하여 인장강도와 신율을 측정했다. 이때, 너비 14 mm,

두께 2 mm의 아령형 시편을 사용하였고 크로스헤드 속도는

5.0 mm/min이었다. 기계적 물성치는 Student's t-test를 행하여

통계학적 분석을 행하였다. 이 때 유의수준(significance level,

p)은 5%로 하였다.

결과 및 고찰

실리카 나노입자 표면의 유기 실란화 반응을 확인하기 위하

여 FT-IR 분석을 행하였다(Figure 1). 그림에서 보는 바와 같이

세 시료 모두에서 나타난 1048 cm−1 부근과 528 cm−1

의 피크

는 Si-O-Si 결합의 피크이며, 3500 cm−1 부근과 800 cm−1에서

나타난 피크는 Si-OH 결합의 피크이고, 1700 cm−1 부근의 피

크는 Si-H2O 결합의 피크이다.18) APS 및 GPS 처리 실리카에

서만 나타난 2800 cm−1부근의 피크는 APS 및 GPS에서 유래된

알킬기 또는 Si-OCH3 결합의 피크로 추정되고 2900 cm−1과

1400 cm−1에서 나타난 피크는 Si-CH3 결합의 피크인 것으로 생

각된다.

실리콘 나노입자들의 화학적 성분을 조사하기 위하여 EDS

및 ESCA 분석을 행하였다. Table 1의 EDS 분석결과에서 보는

바와 같이 반응 전 출발물질인 fumed silica는 C, O, Si로만

구성되어 있다. 여기서 C은 fumed silica의 제조과정인 불꽃가

수분해 반응에서 불순물로 오염된 것으로 보인다. 반면 APS

처리 실리카에서는 N이 추가적으로 분석되어 아민기를 함유한

APS의 도입에 의한 것으로 추정되었다. 한편, GPS 처리 실리

카에서는 N이 분석되지 않았다. 이는 GPS는 아민기를 포함하

지 않고 에폭시기만 함유하고 있어 대조군인 fumed silica와

성분상의 차별화를 나타내지 않았다. 반면 C의 함량은 증가되

었는데 이는 도입된 GPS에 의한 것으로 사료된다.

ESCA 분석결과도 Table 1에 나타내었다. 표에서 보는 바와

같이 EDS와 ESCA 분석결과에서 정량적 차이가 다소 크게 나

타났는데, 이는 분석방법의 차이에 의한 측정오차로 여겨진다.

EDS 분석결과와 마찬가지로 fumed silica는 C, O, Si로만 구

성되어 있다. 또한 APS 처리 실리카에서도 동일하게 N이 나타

나 APS의 도입을 확인할 수 있었다. 한편, GPS 처리 실리카

에서는 N이 발견되지 않았고 반면 C의 함량이 EDS 분석에

비해 확연히 많이 나타났다. 따라서 GPS의 도입을 확인할 수

있었다. APS 및 GPS 처리 실리카를 상호 비교하였을 때,

GPS 처리 실리카에서 C의 함량이 많아 상대적으로 실란화가

더 많이 된 것으로 사료된다.

APS 및 GPS의 도입을 추가적으로 확인하기 위하여 TGA

분석을 행하였다. 즉 APS, GPS와 같이 유기물이 도입되면 고

온에서 열분해가 되어 질량손실이 일어나는 반면 fumed silica

는 거의 무기물로 구성되어 질량손실이 크게 나타나지 않는다.

Figure 2의 TGA 분석결과에서 보는 바와 같이 100oC 부근에

서 질량변화가 나타나는데, 이는 실리카의 표면이 히드록시기

로 되어 있어 물과 친화력이 높아 공기 중의 수분이 흡착되어Figure 1. FT-IR spectra of fumed silica, APS- and GPS-treated silica.

Table 1. Results of EDS and ESCA analyses of fumed silica and thosereacted with 3-aminopropyl trimethoxysilane (APS) and 3-glycidoxypropyltrimethoxisilane (GPS)

원소

원소 함량 (atomic %)

Fumed Silica APS-treated silica GPS-treated silica

EDS ESCA EDS ESCA EDS ESCA

C 2.18 4.16 3.22 15.40 3.86 30.73

N 0 0 5.98 2.70 0 0

O 73.40 65.77 67.93 54.51 71.76 46.57

Si 24.43 30.07 22.87 27.39 24.37 20.69

Table 2. Results of particle size analysis of fumed silica, APS- and GPS-treated silica

Materials Fumed silica APS-treated silica GPS-treated silica

Particle size (µm) 0.08 ± 0.03 10.58 ± 5.28 7.65 ± 3.16

유기실란처리 실리카를 이용한 에폭시 나노복합소재의 제조 및 분석 35

Vol. 16, No. 1

발생한 것으로 판단된다. 이렇게 수분이 흡착된 실리카를 고분

자에 도입했을 경우, 물 분자가 고분자 내에서 자유공간을 만

들어내는 저분자량의 가소제 역할을 할 수 있다. 또한 에폭시

수지의 경우 가교에 의한 망상구조를 만들 때 물과의 수소결합

으로 가교도가 떨어지는 현상이 일어나 물성 저하를 가져올 수

있다. TGA 분석결과에서 보면 fumed silica에 비해 GPS 처리

실리카가 100oC 부근에서의 질량변화가 상대적으로 적어 GPS

처리가 물과의 친화성을 낮추는 역할을 하는 것으로 추정된다.

TGA 분석결과에서 질량손실이 대체적으로 300-600oC 근처

에서 나타나 이 근처의 온도에서 유기물의 열분해가 일어나는

것으로 생각되어진다. Fumed silica, APS 및 GPS 처리 실리

카의 질량손실은 약 2.10, 6.02, 12.16%로 각각 나타났다. 이

는 ESCA나 EDS의 결과에서 나타난 것처럼 fumed silica에도

소량의 유기물이 존재하며 그 양은 APS 처리 실리카와 GPS

처리 실리카로 갈수록 늘어난다는 것을 보여준다. 따라서 실리

카와의 반응이 APS에 비해 GPS가 보다 많이 일어나는 것으로

추정되어진다. 또한 이 TGA 결과는 EDS 및 ESCA 분석 결과

에서 나타난 유기실란의 도입이 C의 함량에 미치는 변화와 일

치하는 경향을 나타내었다.

실리카 나노입자의 SEM 사진을 Figure 3에 나타내었다. 그림

에서 보는 바와 같이 fumed silica는 입자크기가 약 30-100

nm 사이에 존재하는 것으로 보인다. APS 및 GPS 처리 실리

카는 각각 약 50-100 및 40-90 nm 사이에 존재하는 것으로

보인다. 따라서 SEM 상으로는 입자크기가 상호간에 큰 차이를

나타내지 않았다.

실리카 나노입자의 입자크기 분포를 Figure 4에 나타내었다.

그림에서 보는 바와 같이 표면처리가 되지 않은 fumed silica

Figure 2. TGA thermograms of fumed silica, APS- and GPS-treatedsilica.

Figure 3. SEM images (× 50,000) of fumed silica (a), APS- (b) and GPS- (c) treated silica.

36 유태웅·우지선·지종훈·이병민·김승수

Biomaterials Research 2012

는 이중 분포를 나타내었고 평균 입자크기는 약 80 ± 28 nm이

었다. APS 및 GPS 처리 실리카는 각각 약 105 ± 53 및 77 ±

32 nm를 나타내었다. 결과에서 보는 바와 같이 APS 처리 실리

카가 입자크기가 커지는 경향을 나타내었다. 이는 APS의 아민

기에 의한 수소결합에 기인하여 입자 간에 흡착이 일어나기 때

문으로 사료된다.

Fumed silica를 에폭시수지에 복합화하여 예비적으로 나노복

합소재를 제조하였다. 그 결과, 실리카를 4 wt% 이상 도입하였

을 때는 수지의 점도가 너무 높아 취급하기 힘들었고 약 2-

3 wt%의 실리카를 복합화하였을 때 취급하기 적당한 점도를 나

타내었다. 따라서 본 연구에서는 2 wt%의 실리카를 도입하여

에폭시 나노복합소재를 제조하는 연구를 행하였다. Figure 5는

실리카 나노입자가 도입된 에폭시 나노복합소재의 TEM 사진이

다. 그림에서 보는 바와 같이 에폭시수지 내에서의 각 실리카

입자의 분산 상태를 볼 수 있었다. 먼저 Figure 5(a)의 fumed

silica를 보면 입자의 크기가 매우 작고 에폭시 수지 내에 대체

로 균일하게 분산되어 있지만 입자가 조금 뭉쳐 있는 모습을

볼 수 있다. 반면 Figure 5(b)의 APS 처리 실리카는 입자가

뭉치지 않고 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한

현상은 Figure 5(c)의 GPS 처리 실리카에서도 나타나는데, 많은

입자들이 뭉침 현상 없이 고르게 분산이 잘 되어 있음을 볼

수 있다. 이는 APS나 GPS와 같은 실란계 커플링제로 실리카

입자의 표면을 처리하여 유기물과의 친화력을 높였기 때문으로

판단된다.

Figure 6에 에폭시 나노복합소재의 DSC 차트를 나타내었다.

Figure 5. TEM images (× 29,000) of nanocomposites of epoxy resin / 2 wt% fumed silica (a), epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica (b), and epoxyresin / 2 wt% GPS-treated silica (c).

Figure 4. Particle size distribution of fumed silica, APS- and GPS-treated silica.

유기실란처리 실리카를 이용한 에폭시 나노복합소재의 제조 및 분석 37

Vol. 16, No. 1

그림에서 보는 바와 같이 순수 에폭시수지에 비해 실리카 나

노입자를 도입한 에폭시 수지의 유리전이온도(glass transition

temperature, Tg)가 상승하였다. 또한 fumed silica를 포함한

에폭시수지에 비해 APS 및 GPS 처리 실리카를 포함하는 나노

복합소재의 유리전이온도가 상대적으로 높게 나타났다. 이와 같

이 유리전이온도가 상승하는 이유는 도입된 실리카가 고분자 사

슬의 움직임을 방해하기 때문으로 생각되어진다.19) APS 및

GPS 처리 실리카가 fumed silica에 비해 상대적으로 Tg 상승

이 큰 이유는 APS 및 GPS는 에폭시수지와 반응할 수 있는

아민과 에폭시기를 포함하고 있어 수지 매트릭스와 반응하여 고

분자 사슬의 움직임을 방해하기 때문으로 사료된다.

Figure 7에 에폭시수지와 에폭시수지에 2 wt% fumed silica,

APS 및 GPS 처리 실리카를 각각 도입한 나노복합소재의 TGA

thermogram을 나타내었다. 순수 에폭시수지의 열분해는 약

325oC 부근에서 시작되었고 실리카 나노입자들을 도입한 나노

복합소재는 340oC 부근에서부터 발생하기 시작하였다. 이 결

과로부터 순수 에폭시수지에 비해 실리카를 도입한 나노복합소

재의 열 안정성이 향상되었다고 판단된다. 이는 고분자 재료가

열분해될 때 표면에 형성된 숯은 표면 아래 부분에 있는 재료

를 보호하고 열분해될 때 발생되는 휘발성 물질들의 방출을 느

리게 함으로써 복합재료의 열안정성을 향상시키는 것으로 생각

된다.14)

적절한 실리카 나노입자의 도입량을 정하기 위하여 fumed

silica를 0, 0.5, 1, 2, 3, 5 wt%로 변화시키며 도입하여 인장강

도를 측정하였다(Figure 8). 그림에서 보는 바와 같이 3 wt%까

지는 fumed silica의 양이 늘어날수록 인장강도가 증가하는 경

향을 나타내었으나 5 wt%에서는 오히려 감소하는 것을 확인할

수 있었다. 이는 fumed silica의 양이 늘어날수록 점도가 증가

하여 분산이 어렵고 균일하게 분산되지 않아 계를 불균일하게

만들어 물성의 저하를 가져 오는 것으로 보인다. 점도 측면에서

실리카 도입량이 2-3 wt%까지는 적정한 것으로 보이나 2 wt%

에서 보다 취급하기 수월하여 에폭시 나노복합소재의 기계적

물성을 이 농도에서 측정하였다.

Figure 9에 에폭시 수지에 2 wt%의 fumed silica, APS 및

GPS 처리 실리카를 도입한 나노복합소재의 인장강도를 나타내

었다. 그림에서 보는 바와 같이 실리카를 첨가한 나노복합재료

의 인장강도가 순수 에폭시 수지의 인장강도에 비해 크게 증

가하였다. 이를 Student's t-test로 비교분석한 결과, 서로 유의

한 수준의 차이를 나타내었다(p < 0.05). 그리고 APS 및 GPS

처리 실리카를 도입한 나노복합소재는 fumed silica를 도입한

것보다 인장강도가 증가하였다. 이 또한 Student's t-test로 비

Figure 7. TGA charts of epoxy resin and nanocomposites of epoxyresin / 2 wt% fumed silica, epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica, andepoxy resin / 2 wt% GPS-treated silica.

Figure 6. DSC charts of epoxy resin and nanocomposites of epoxyresin / 2 wt% fumed silica (a), epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica(b), and epoxy resin/2 wt% GPS-treated silica (c).

Figure 8. Change of tensile strength of epoxy resin with differentamounts of fumed silica.

38 유태웅·우지선·지종훈·이병민·김승수

Biomaterials Research 2012

교분석한 결과, 서로 유의한 수준의 차이를 나타내었다(p <

0.05). 이와 같이 인장강도가 증가하는 이유는 Tg가 향상되는

현상과 마찬가지로 도입된 실리카가 고분자 사슬의 움직임을

방해하기 때문으로 생각되어진다.19) 또한 APS 및 GPS 처리

실리카를 도입했을 때, fumed silica에 비해 상대적으로 높은

인장강도를 나타내는 이유는 APS 및 GPS는 아민과 에폭시기

를 포함하고 있어 에폭시 수지의 매트릭스와 반응하여 고분자

사슬의 움직임을 보다 효과적으로 방해 하여 일어나는 현상으

로 사료된다.

Figure 10에 에폭시 수지에 2 wt%의 fumed silica, APS

및 GPS 처리 실리카를 도입한 나노복합소재의 탄성률을 나타

내었다. 그림에서 보는 바와 같이 실리카를 첨가한 나노복합재

료의 탄성률이 순수 에폭시 수지에 비해 인장강도가 크게 증

가하였다. 이는 Student's t-test로 비교분석한 결과, 서로 유의

한 수준의 차이를 나타내었다(p < 0.05). 그리고 APS 및 GPS

처리 실리카를 도입한 나노복합소재는 fumed silica를 도입한

것보다 탄성률이 증가하였다. 그러나 Student's t-test로 비교분

석한 결과, 이 경우에는 서로 유의한 수준의 차이를 나타내지

않았다. 탄성률이 증가하는 현상은 인장강도 향상과 마찬가지

로 도입된 실리카가 고분자 사슬의 움직임을 방해하기 때문으

로 생각되어진다.

Figure 11에 에폭시 수지에 2 wt%의 fumed silica, APS

및 GPS 처리 실리카를 도입한 나노복합소재의 신율을 나타내

었다. 그림에서 보는 바와 같이 APS 및 GPS 처리 실리카를

첨가한 나노복합소재의 신율은 에폭시수지나 fumed silica를 첨

가한 소재에 비해 떨어지는 것을 볼 수 있었다. 이는 APS 및

GPS 처리 실리카와 에폭시수지가 상호 반응하여 고분자 사슬

의 움직임을 제어함으로써 소재의 stiffness를 증가시키고 이에

따라 신율이 감소하는 것으로 판단되어진다.

결 론

APS 및 GPS로 표면처리된 실리카 나노입자를 합성하고 이

를 에폭시 수지에 도입하여 나노복합소재를 제조하였다. 제조

한 복합소재를 순수 에폭시 수지, fumed silica를 도입한 에폭

시 수지와 함께 열적 특성 및 기계적 물성을 비교하였다. 실리

카의 도입에 따라 에폭시수지의 Tg가 각각 변하고 열적 안정

성이 향상되었으며 기계적 물성이 향상되는 현상이 일어났다.

그러나 입자의 함량이 높아질수록 점도가 높아져 분산성과 가

Figure 11. Elongation of epoxy resin and nanocomposites of epoxyresin / 2 wt% fumed silica, epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica, andepoxy resin / 2 wt% GPS-treated silica.

Figure 10. Young's moduli of epoxy resin and nanocomposites of epoxyresin / 2 wt% fumed silica, epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica, andepoxy resin / 2 wt% GPS-treated silica (*the observed differences bet-ween groups were statistically significant according to Student's t-test(p < 0.05)).

Figure 9. Tensile strength of epoxy resin and nanocomposites of epoxyresin / 2 wt% fumed silica, epoxy resin / 2 wt% APS-treated silica, andepoxy resin / 2 wt% GPS-treated silica (*the observed differencesbetween groups were statistically significant according to Student's t-test(p < 0.05)).

유기실란처리 실리카를 이용한 에폭시 나노복합소재의 제조 및 분석 39

Vol. 16, No. 1

공성이 떨어지는 문제점이 발견되어 추가적인 연구가 필요한

것으로 생각되어진다.

감사의 글

본 연구는 보건복지부 보건의료연구개발사업 (A100451)에 의

하여 수행되어 이에 감사드립니다.

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