Tough and Transparent Electrospun Nanofiber-reinforced Composites: Fabrication, Properties, and Modeling

Abstract

본 논문에서는 UV 경화형 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA), 폴리(비닐알코올)(PVA), 에폭시 수지와 같은 고분자 매트릭스 강화를 위한 고분자 전기방사 나노섬유의 활용과 관련된 연구를 다루고 있다. 연속적이고 무작위로 정렬된 전기방사 나노섬유는 이중 나노-마이크로 특성으로 인해 광범위한 응용 분야에서 관심을 받고 있다. 또한, 다양한 응용 분야에 고유한 이점을 제공할 수 있는 초미세 크기, 높은 기계적 강도 및 초고표면적을 가지고 있기 때문에 고분자 복합 재료의 강화 능력과 관련해 널리 연구되고 있다. 폴리케톤 및 나일론 6(N6) 전기방사 나노섬유는 우수한 기계적 특성을 가지고 있어 고분자 복합재료의 강화에 용이한 재료이다. 본 연구에서는 전기방사 나노섬유 강화 복합재료 제조를 위한 보강재로 낮은 하중과 높은 하중의 나노섬유를 사용하였다. 전기방사 나노섬유 강화 복합재료는 다양한 제조 기술로 제조되었으며 기계적, 열적, 광학적 특성, 젖음성 및 유연성을 연구하였다. 전기방사 나노섬유 강화 복합재료의 인장강도와 영률을 예측하고 검증하기 위해 분석 및 수치적 모델이 사용되었다. 본 논문에서는 1장에서 서론 그리고 2장에서 연구와 관련된 여러 문헌, 3장에서 5장 까지는 본 논문을 위해 수행한 상세한 실험 작업을 설명하였다. 3장에서는 UV 경화형 PUA 매트릭스의 강화재로 전기방사된 폴리케톤 및 나일론 6(N6) 나노섬유의 매우 낮은 하중을 도입했다. 매우 유연하고 투명한 복합 필름 및 코팅을 제작했으며 이러한 특성은 코팅, 전기방사, UV 경화 공정에서 기인한다. 1부에서는 PUA 매트릭스에 전기방사된 폴리케톤 나노섬유가 PUA의 유연성을 소실시키지 않고 기계적, 열적, 광학적 특성에서 시너지 효과를 제공한다고 설명하였다. 2부에서는 사전 코팅된 금속(PCM)을 위한 UV 경화형 나일론 6(N6) 나노섬유 강화 PUA 나노복합체 코팅의 개발에 대해 설명하였다. 복합재의 제조를 위해 초고속 습윤성, PU와의 동시 계면 상호작용을 고려하여 오버코팅 방법을 사용하였다. 나일론 6(N6) 나노섬유의 뛰어난 특성은 복합재료 개발을 위한 강화재로서 극소량의 나노섬유를 사용하였다. 나일론 6(N6) 나노 섬유는 우레탄 매트릭스 시스템과 강한 수소 결합을 형성하고 강력한 계면 상호 작용을 실현하여 기계적 특성이 크게 향상되었다. 4장에서는 용액 함침 및 용액 여과 방법에 의한 PVA 및 에폭시 매트릭스의 강화를 위해 전기방사 나일론 6(N6) 나노섬유 매트릭스를 사용하였다. Part 1에서는 N6/PVA 복합 필름을 각각의 방법으로 설명하였고 순수 PVA에 비해 인장 강도에서 상당한 향상되었음을 확인할 수 있었다. 섬유의 습윤성은 복합 재료의 기계적 특성뿐만 아니라 광학적 특성에 상당히 다양한 영향을 미쳤다. 2부에서는 나일론 6(N6) 나노섬유 강화 에폭시 매트릭스 복합 재료의 제조를 위한 나일론 6(N6) 나노섬유의 추가 사용에 대해 설명하였다. 나일론 6(N6) 나노섬유가 계면 결합에 미치는 영향을 조사하기 위해 세 가지 유형의 에폭시 수지 매트릭스를 사용하여 진공 침투 기술을 통해 복합재를 제조하였다. 결과는 에폭시 매트릭스에 함유되어 있는 나일론 6(N6) 나노섬유의 강화로 인해 기계적, 열적 및 광학적 특성에서 상당하게 향상됐음을 알 수 있었다. 5장에서는 전기방사된 나노섬유 강화 복합재료의 인장강도 및 영률 예측을 위한 해석 모델을 설명하였다. 무작위로 분산된 연속 폴리머 나노섬유를 포함하는 나노복합체 모델들은 나노섬유의 종횡비, 나노섬유 네트워크의 부피분율, 계면 파라메타 및 나노섬유의 모듈러스 등을 변수로 활용한다. Pukanszky 모델과 Nicolais-Narkis 모델을 사용하여 예측된 이론적 값은 나노섬유 강화 나노복합체의 인장강도 실험값과 거의 일치함을 나타냈다. 또한 수정된 Halpin-Tsai 모델을 사용하여 예측된 이론적 값은 영률의 실험값과 거의 일치함을 보여준다. 6장에서는 본 논문의 결론과 향후 전망을 제시한다. 이 논문은 플렉서블 디스플레이, 생체의학 분야, 치과용 복합재 응용, 센서, 인공 피부, 에너지 저장 배터리, 이식형 생체 전자공학과 같은 다양한 응용 분야를 넓힐 수 있는 전기방사 나노섬유 강화 복합 재료의 제작에 관한 새로운 방식을 제공한다. 또한, 본 연구는 전기방사 나노섬유 강화 고분자 복합 재료의 도전과 문제에 대한 관점을 나타낸다.

In this dissertation, we have presented research affiliated with the utilization of polymeric electrospun nanofibers for the reinforcement of polymer matrices, such as UV-curable polyurethane acrylate (PUA), poly (vinyl alcohol) (PVA), and Epoxy resins. Electrospun nanofibers have been widely researched for their reinforcing ability in polymer composites because of their ultrafine size, high mechanical strength, and ultrahigh surface area that can provide unique advantages for a various applications. Continuous and randomly aligned electrospun nanofibers attract special interest and are considered for a wide range of applications interest due to their dual nano-micro nature ability to bridge scales. Polyketone and Nylon 6 (N6) electrospun nanofibers are excellent candidates for reinforcement of the polymer composites as they possess excellent mechanical properties. In this study, very low loading of nanofibers and high loading of nanofibers was used for the reinforcement for the fabricating electrospun nanofiber-reinforced composites. Electrospun nanofiber-reinforced composites were fabricated by various fabrication techniques and investigated the mechanical, thermal, and optical properties, wettability, and flexibility. For the first time, analytical and numerical models were employed and validated for predicting the tensile strength and Young’s modulus of the electrospun nanofiber-reinforced composites. In this dissertation, a general introduction and a detailed literature survey of the works were covered in Chapters 1 and 2, and the detailed experimental work carried out for this dissertation were described in Chapters 3 to 5. In chapter 3, very low loading of electrospun polyketone and N6 nanofibers were introduced as reinforcement for the UV-curable PUA matrix. We fabricated highly flexible and transparent composite films and coatings attributed to the casting, electrospinning, and UV-curing processes. Part-1 described the embedment of polyketone nanofibers in the matrix PUA provided synergistic effects in the mechanical, thermal, and optical properties without sacrificing the flexibility of PUA films. Part-2 described the development of the UV-curable N6 nanofiber-reinforced PUA nanocomposite coatings for the pre-coated metals (PCM). For the fabrication of composite, an over-coating method was used because of ultrafast wettability and in-situ interfacial interaction with PUA. The outstanding characteristics of N6 nanofibers propose the application of a marginal quantity of nanofibers as reinforcement for the development of composites. N6 nanofibers formed strong hydrogen bonding with the urethane matrix systems and realized strong interfacial interactions, which approved a substantial enhancement in the mechanical performance. In Chapter 4, electrospun N6 nanofibrous mats were accustomed for the reinforcement of PVA and epoxy matrix by solution impregnation and solution filtration method. Part 1 described the N6/PVA composite films by each method displayed substantial improvement in tensile strength compared to the neat PVA. The wettability of fiber led to significantly diverse impacts on the optical as well as mechanical properties of the composites. Part-2 discusses the further use of N6 nanofibers for the fabrication of the N6 nanofiber reinforced epoxy matrix composites. Three different types of epoxy resin matrices were used to investigate the effects of N6 nanofibers on interfacial bonding. In this study, a vacuum infiltration technique was employed to fabricate the composites. The results indicated that the reinforcement of N6 nanofibers in epoxy matrices showed significant improvement in the mechanical, thermal, and optical properties. For this study, analytical and numerical models were employed and validated for tensile strength and Young’s modulus of the nanofiber-reinforced composites. Chapter 5 described the analytical models for the prediction of the tensile strength and Young’s modulus of the electrospun nanofiber-reinforced composites with the low volume fraction of nanofibers and high volume fraction of the nanofibers. These models for nanocomposites containing randomly dispersed continuous polymer nanofibers utilize the aspect ratio of nanofibers, volume fraction of the nanofiber network, interfacial parameter, and the modulus of the nanofibers. It shows that the theoretical values predicted using the Pukanszky model and Nicolais-Narkis model are in close agreement with the tensile strength experimental values of the nanofiber-reinforced nanocomposites. Additionally, theoretical values predicted using the modified Halpin-Tsai model show close agreement with the available experimental values of Young’s modulus. Chapter 6 presents the conclusion and future perspectives of this dissertation. This dissertation can give an emerging trend in the fabrication of electrospun nanofiber-reinforced composites that might be open a wide variety of applications such as flexible displays, biomedical fields, dental composite applications, sensors, artificial skins, energy storage batteries, implantable bioelectronics, pre-coated metal coatings, anticorrosive coatings, solar cells, and self-cleaning and self-healing coatings, etc. It also manifests a perspective on the challenges and problems in electrospun nanofiber-reinforced polymer composites.