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나노물질 적용에 따른 분체 도막의 구조 : 성능 상관성 연구

Structure-Performance Correlations in Powder Coatings Incorporation Nanomaterials

  • 왕현웅 (아주대학교 공학대학원)

초록/요약

본 연구에서는 에폭시 및 폴리에스터 기반 분체도막을 대상으로, 구조적 특성 이 상이한 세 종류의 나노 필러—탄소나노튜브 (CNT, 1D 구조), 그래핀 (Graphene, 2D 구조), 나노 클레이 (Nanoclay, 층상 실리케이트 구조)를 도입하 여 필러의 분산 상태와 구조적 배향이 도막의 전기화학적 안정성, 내식성, 음 극박리 저항성 및 열전달 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 각 나노 필러에 대해 제조 공정별 평가를 진행하고, 첨가량 변화에 따른 미세구 조적·전기화학적 변화 양상을 정량적으로 비교함으로써 나노 필러 기반 복합 분체도막의 구조–성능 상관관계를 규명하고자 하였다. CNT는 저함량 (≈0.05wt%)에서는 도막 내 미세 공극을 일부 충진하여 초기 barrier 성능을 제공하였으나, 농도가 증가하면 카보나노튜브 간 전기적 연결 (percolation network)이 발달하여 전하 이동 및 수소 발생이 촉진되고, 이에 따라 음극박리 및 장기 내식성이 급격히 저하되는 비선형적 거동이 관찰되었 다. Graphene은 CNT보다 우수한 분산성과 2D lamellar 구조를 바탕으로 저함량에 서 안정적인 barrier 성능을 유지하였으며, 특히 도막 내부에서 연속적 열전달 경로를 형성함으로써 방열 특성이 향상된 점을 학인 할 수 있었다. 다만 1.5wt% 이상의 고함량에서는 π–π stacking 기반 응집과 표면 불균일성이 증 가하여 열전도도 및 내식성이 오히려 저하되는 비선형적 농도 거동을 보였다. Nanoclay는 세 필러 중 가장 선명한 barrier 개선 효과를 나타냈으며, 특히 Polyester–HAA 매트릭스에서 1wt% 수준의 저함량 조건에서 고분자 사슬의 intercalation을 통해 다층 장벽구조(tortuous multilayer barrier)가 형성되어 염 수분무 시험에서 부식 확산이 크게 감소하였다. 반면 3–5wt% 고함량에서는 tactoid 응집, 정전기 불균일성, 계면 박리 등으로 인해 외관 및 기계적·내식 성능이 동시에 저하되는 경향을 보였다. Epoxy 기반에서는 높은 가교도로 인 해 층간 삽입 및 exfoliation이 제한되어 barrier 발현이 상대적으로 미약하였 다. 종합적으로, 세 나노 필러는 구조적 특성이 다름에도 불구하고 모두 저함 량·균일 분산 조건에서만 기능이 효과적으로 발현되며, 고함량에서는 응집·전 도성 네트워크·계면 결함 등으로 성능이 비선형적으로 저하되는 공통된 구조– 성능 관계를 보였다. 특히 Graphene은 열전달 성능 측면에서, Nanoclay는 장 기 내식성 측면에서 가장 우수한 잠재성을 나타냈으며, CNT는 고전도성 특성 으로 인해 극저함량 조건에서 제한적 barrier 개선 효과만을 보였다. 본 연구 는 나노 필러 기반 분체도막의 설계에 있어 필러 종류의 선택보다 분산 구조 제어, 매트릭스 상용성 확보, 첨가량 최적화가 성능을 좌우하는 핵심 요인임을 제시하며, 향후 고기능성 산업용 분체도료 개발을 위한 구조 기반 설계 전략 을 제공한다. 핵심 주제어 : 분체 도료, 나노 물질, CNT, Graphene, Nanoclay

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목차

Ⅰ. 서론 1
A. 연구배경 1
B. 관련연구 2
Ⅱ. 재료 및 평가 방법 7
A. 재료 7
B. 평가 방법 10
Ⅲ. 결과 및 고찰 12
A. 에폭시-CNT 시스템 12
B. Graphene 기반 도막의 전기화학적·내식·방열 특성 분석 20
C. Nanoclay 기반 복합 도막의 내식성 및 구조적 거동 평가 27
Ⅳ. 종합 고찰 33
Ⅴ. 결론 34
참고문헌 36

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