육각형 질화붕소의 기능화 및 실란 개질이 실리콘 고무 나노복합체의 열적/기계적/형태학적 특성에 미치는 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11915(2023) 이 기사 인용

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육각형 질화붕소(h-BN) 나노입자는 실리콘 고무(SR)에 흥미로운 특성을 유도할 수 있지만, 약한 필러-매트릭스 계면 상호작용은 나노입자의 응집을 유발하고 나노복합체의 성능을 저하시킵니다. 이 연구에서, h-BN 나노입자는 다양한 농도의 VTMS(vinyltrimethoxysilane)를 사용하여 표면 개질되었습니다. 실란 개질 전에 h-BN 나노입자는 5몰 수산화나트륨을 사용하여 수산화되었습니다. 나노입자는 실란 그래프팅의 성공 여부를 평가하기 위해 특성화되었습니다. 순수하고 변형된 h-BN 나노입자는 HTV 실리콘 고무(SR)에 1, 3, 5 중량%로 적용되었습니다. 나노복합체의 경화, 열적, 기계적 및 형태학적 특성과 소수성을 평가했습니다. SR 나노복합체의 형태는 AFM 및 FE-SEM 분석을 사용하여 특성화되었습니다. h-BN 나노입자에 실란 그래프팅을 하면 가교 밀도는 향상되지만 SR 나노복합체(5wt% 로딩 함량)의 경화 속도 지수(CRI)는 각각 0.7(dNm) 및 3.5% 감소하는 것으로 나타났습니다. 또한 나노복합체의 물 접촉각이 97.5°에서 107°로 증가했습니다. 개선된 나노입자-고무 계면 상호작용은 SR 매트릭스(5wt%)에서 h-BN 나노입자의 더 나은 분산을 유발하여 파단 연신율, 300% 모듈러스 및 SR 나노복합물의 Tg를 향상시켰습니다.

오늘날 고분자 절연체는 가벼운 무게, 간단한 주조, 쉬운 운송/더 나은 취급, 부식 및 내마모성으로 인해 유리 및 도자기 재료를 대체하는 데 널리 사용됩니다. 이를 바탕으로 실리콘 고무(SR)는 전기 응용 분야에서 절연체로 광범위하게 사용됩니다1,2. 그러나 열 방출은 절연 응용 분야용 열 계면 물질(TIM)에서 중요한 낮은 열 전도성과 열 안정성으로 인해 실리콘 고무의 주요 문제입니다3,4. 지금까지 실리콘 고무의 열 전도성과 전기 절연성을 향상시키기 위해 알루미나(Al2O3), 질산알루미늄(AlN) 및 질화붕소(BN)와 같은 세라믹 필러가 사용되어 왔습니다5,6. 실리콘 고무에 사용되는 모든 마이크로 및 나노 필러 중에서 질화붕소는 높은 열 전도성(600 W/m·K)은 물론 파괴 강도, 낮은 유전 손실 및 유전율, 높은 열 안정성, 낮은 열팽창 및 흥미로운 이방성과 같은 독특한 특성을 가지고 있습니다. 레이어별 구조로 인해 7,8,9,10.

친수성 육각형 질화붕소(h-BN) 나노입자는 실리콘 고무 특성을 향상시킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있지만 필러-폴리머 계면 상호 작용이 낮기 때문에 폴리머에서 응집됩니다11,12,13. 이 문제는 주로 폴리머 내 h-BN의 분산에 영향을 미쳐 바람직하지 않은 기계적 및 열적/전기적 특성을 초래합니다. 표면 변형은 h-BN과 폴리머의 계면 상호 작용을 향상시킬 수 있습니다. 질화붕소 나노입자의 표면 개질에서 가장 어려운 부분은 높은 화학적 안정성(표면에 작용기가 없음)과 가장자리에도 결합 부위(예: 수산기 또는 아민 기)가 부족하다는 점입니다16. 이를 바탕으로 고농도 산 또는 염기성 용액으로 수산화되는 h-BN의 표면 변형 전에 추가 단계(즉, 기능화)가 필요합니다. 기능화 후에 커플링제는 표면에 접목될 수 있지만 주로 h-BN의 가장자리에 접목될 수 있는 것으로 밝혀졌습니다16,17,18.

한 분자에 유기 및 알콕시 관능기를 모두 갖는 양친매성 물질인 실란 커플링제는 관능화 후 무기 h-BN과 반응하여 필러-폴리머 계면 상호 작용을 향상시킬 수 있습니다.

실란 표면 개질된 h-BN은 지금까지 다양한 폴리머에 사용되어 왔습니다. Cheng et al.20은 실란 커플링제의 알콕시 측 사슬 크기가 h-BN의 열전도도에 강한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 비닐 트리에톡시실란(VTES) 및 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)와 같은 더 작은 유기 사슬을 가진 실란은 폴리비닐 알코올(PVA)의 TC를 증가시키는 반면 더 긴 사슬은 감소합니다. Wang 등은 실란화된 h-BN이 처리되지 않은 h-BN에 비해 파라핀에 오랫동안 분산되어 있을 수 있음을 확인했습니다. Seyhan et al.22은 비닐 트리메톡시 실란을 사용한 h-BN의 실란화가 폴리프로필렌 매트릭스의 열전도도에 긍정적인 영향을 미치는 h-BN의 화학적 박리를 도울 수 있음을 발견했습니다. Zhong et al.23은 박리된 h-BN의 표면을 아미노프로필트리에톡시실란(KH550)과 비닐트리메톡시실란(KH171)으로 변형했습니다. 그들은 변형된 h-BN을 실리콘 고무(SR)에 추가했습니다. 그들의 결과는 비닐 실란이 고무 매트릭스에 대한 계면 결합을 개선하고 SR 나노복합체의 열 안정성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.