The composite materials also called composition materials are materials made from two or moreconstituent materials with significantly different physical and chemical properties that, when combined,produce a material with characteristics different from the individual components. Ultrafine compositefibers have attracted so much attentions because they were expected to be used for high performanceapplications. Among the numerous preparation methods of ultrafine composite fibers, electrospinningtechnique is one of the most common and efficient procedure to continuously prepare nanoscale fiberswith high performance from polymer solutions,because it is simple and economic.Among the many nanoscale particle fillers of composite materials, Carbon Blacks (CBs) are kinds offascinating materials which have not only engaged the attention of that who are concerned with thetechnology and applications of this material but has also inspired large numbers of fundamentalinvestigations in scientific laboratories of universities and research institutes around the world [1]. Uptill now carbon blacks had been widely used in polymer composite materials as reinforcing filler,conductive agent, electric, thermal conductive components and so on [2-3]. Especially, CBs-filledpolymer composites in film form have been investigated for a lot of applications, like sensors [4],electrodes [5] and electromagnetic interference shielding [6]. Because fiber structure can provideflexibility to otherwise stiff materials and the fiber network can provide structural strength [7]. However, for all preparation methods of CBs/polymer composite materials, dispersion properties of nanoscalecarbon blacks and interfacial interaction between CBs and polymer matrix play important roles inCarbon Blacks/Polymer blends. Hence, to improve CBs powders’ dispersibility in various media, manysurface treatments have been studied, for instance, surfactant surface adsorption [8], encapsulation [9],surface chemical grafting [10], surface oxidation [11] etc. Nevertheless, most of the approachesmentioned above were conducted in aqueous condition, which would lead the environmental pollutionand require considerable energy for post treatments such as drying. Plasma treatment has been developedrapidly in the past few years because of the advantages in shorter reaction time, nonpolluting processing,and providing a wide range of different functional groups [12]. The application of plasma technologycan greatly reduced the consumption of water, steam, energy and chemicals. As an environmentalfriendlyprocess, it has been widely used in many applications such as improving the wettability,printability or dyeability of polymeric materials, enhancing adhesion between fibers and matrices, andpromoting biocompatibility of implanting parts.In this study, the nanoscale CBs were treated by oxygen gas and nitrogen gas plasma which wasgenerated from Radio Frequency- Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition for studying of themechanical property in CBs complex nanofibers. Series of PVDF-HFP nanofibers with untreated CBsand plasma treated CBs were prepared by electrospinning technique. The dispersion state of variety CBsin complex nanofibers have been characterized using scanning electron microscopy. Energy DispersiveX-ray spectrometer was applied to analyze the composition and distribution of CBs and PVDF-HFP.Mechanical behavior was examined by means of stress–strain curve. Fourier-transform infraredspectroscopy indicated some molecular interactions took place between CBs and PVDF-HFP. All theseresults showed that plasma treatment can be tentatively proposed as a suitable method to improve themechanical property of electrospun CBs complex nanofibers by means of improving the CBs dispersionin complex nanofibers or enhancing intermolecular force between CBs and matrix.
복합재료(Composite Materials) 또는 조성재료(Materials construction)란 두 개 이상 물질로 만들어진 재료로서 단일재료와는 다른 특별한 물리적 화학적인 특성을 가지고 있다. 특히, 나노섬유 복합재료(Nano fiber composite materials)는 복합재료 중에 고성능의 특징을 만히 가지고 있기l때문에 다양한 분야에 응용할 수 있기때문에 연구자들에게 주목받는 재료이다. 나노섬유 복합재료는 여러 방법으로 제조가 가능하다. 전기방사 기술(Electrospun technology)은 비교적 간단하고 저렴하게 제작할 수 있는 방법으로서 직경이 수 나노미터(nm)인 장섬유 제조에 많이 쓰고 있다. 따라서 전기방사 기술을 활용한 응용 연구가 다 방면으로 시도되고 있다. 복합재료의 분말입자인 카본 블랙(Carbon Black; CB)은 단가가 저렴하여 색소 등의 충전재로 많이 사용되고 있으며 기타 고분자 복합재료에 응용할 수 있는 다양한 용도로 사용된다. 카본 블랙은 신소재의 성능향상과 응용에 큰 관심을 갖는 물질이다. 따라서 많은 연구자들에 의해서 카본 블랙을 적용한 첨단 소재의 개발 등이 이루어지고 있다. 카본 블랙은 고분자 복합재료로 제조할 강화 충전제, 도전재료, 전기전도 부품, 열전도 부품 등으로 이미 광범위하게 사용되고 있으며, 특히 필름 형태의 CBs(Carbon Black Sheet)는 고분자 복합체의 여러 분야에 적용 가능함을 보여주고 있다. 센서, 전극 및 전자기 차폐장치 등이 그 예이다. 이것은 섬유 구조가 다른 강성이 강한 소재에 유연성과 강도를 향상시킬 수 있는 장점이 있기 때문이다. 하지만, 카본 블랙을 복합재료로 다양한 용도로 사용하기에는 분산(Dispersion) 문제를 해결해야 하는 어려운 난제가 있다. 카본 블랙 분말이 다른 분말 물질이나 액상으로 혼합하면 특히 나노 입자의 분말이 표면장력 등으로 인해서 입자들이 서로 엉키거나 결합(aggeregation)하여 균일한 분포의 분말을 생성하기 어려운 난점이 있다. 지금까지 이 분산문제를 해결하기 위해서 다양한 방법과 연구가 진행되어왔다. 예컨대, 표면 활성제의 흡착, 재료 봉합, 표면화학 원자단 접목, 표면 산소화 등의 처리방법이다. 이러한 대부분의 처리방법은 액상 속에 진행되기 때문에 후속 건조처리 할 때 환경오염도 심하고 많은 에너지가 소모된다. 본 연구에서는 이러한 분산문제를 해결하기 위해서 플라즈마 처리방법을 적용하였다. 이 방법은 반응시간의 단축, 무 오염 및 다양한 기능 원자단 제공 등의 장점이 있기때문에 지난 몇 년 동안 급속도로 발전되었다. 플라즈마 기술의 적용은 물, 증기, 에너지 및 화학 물질의 소모량을 크게 줄일 수 있기 때문에 친환경 공정으로 처리할 수 있다. 고분자 재료의 습윤성, 인쇄성과 염색성능을 향상시킬 수 있고 섬유와 매트릭스 사이의 접착성 향상 및 임플란트 구성 요소의 생체 적합성 촉진을 촉진 시킬 수 있는 특징이 있다. 따라서 본 연구에서는 CBs 복합 나노섬유의 기계적 성질을 연구하기 위해CBs 분말을 먼저 RFPECVD를 이용해서 산소와 질소 플라즈마로 처리하였다. 그리고 전기방사 공정을 사용하여 CBs/고분자 복합 재료를 제조했다. 나노 복합 섬유에서 CBs의 분산 상태는 SEM 및 분산Analyzer를 통해서 Morphology와 입자크기를 확인할 수 있었다. 전기방사 된 나노 섬유의 화학적 특성은 EDX 및 XRD를 통해서 분석하였다. 기계적 물성특성으로 전기방사된 CBs 첨가 나노섬유를 Sheet 형상으로 제작하여 인장시험을 실시하여 응력-변형률 곡선(Stress-Strain diagram)을 얻고 기계적 물성값을 비교분석하였다. 또한 FT-IR로 CBs 표면과 PVDF-HFP 사이의 분자 간 상호작용을 분석하였다. 이러한 결과에서 본 연구에서 수행한 플라즈마 처리된 CBs복합 나노섬유의 기계적 성질이 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 이 결과는 플라즈마로 잘 처리된 CBs가 균일한 분산을 이루어졌고, 이 결과롤 CBs 와 매트릭스 사이에 결합이 향상된 것으로 판단되어진다.