연구논문에서는 고분자 복합재료의 계면 특성을 이해하기 위해 고분자 매트릭스에 필러와 섬유를 사용하여 복합재료의 계면상호작용 및 접착력이 열적 특성과 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다.
보다 자세하게 첫번째로는 필러로 흑연 플레이크를 사용하여 현무암섬유 강화 복합재료에 보강하였다. 기존 현무암섬유 강화 복합재료 대비 열전도도 및 파괴인성이 2 배 이상 향상시켰으며, 내열성 및 열안정성 또한 매우 크게 향상되었다. 여기서 흑연 플레이크 입자가 에폭시 매트릭스와 현무암 섬유 사이의 계면 연동 역할을 수행하여 계면상호작용을 향상시켜 결과적으로 현무암섬유 강화 복합재료의 열적 및 기계적 특성을 향상시켰다.
두번째로 계층적 방식으로 나노 스케일의 필러와 마크로 스케일의 섬유를 통합하여 탄소섬유 강화 복합재료를 제작하고 복합재료의 파괴인성을 평가하였다. 나노 스케일의 필러의 경우, 카본블랙이 사용되었으며, 계면상호작용과 접착력을 개선시키기 위해 오존 표면처리를 진행하여 카본블랙 표면에 산소함유 관능기를 부착하였다. 결과는 오존 처리된 카본블랙의 최대 로딩이 5.0 wt.% 이며, 기존 탄소섬유 강화 복합재료 대비 파괴인성이 146.2%가 향상되었다. 이는 오존 처리된 카본블랙의 산소함유 관능기가 증가되면서 고분자 매트릭스와의 계면 상호작용 및 분산도가 향상되어 파괴인성이 크게 증가할 수 있었다.
세번째로 나노 스케일의 필러로 흑연나노섬유를 사용하여 에폭시 기반의 나노복합재료를 제작하였다. 여기서 흑연나노섬유는 에폭시 수지와의 계면상호작용이 매우 좋지 않기 때문에 산 처리와 아민 처리를 진행하여 아미노 그룹을 형성시켰다. 여기서 아민 처리는 테트라에틸렌펜타아민 (테파)을 사용하였고, 테파는 실제 에폭시 수지에 경화제로도 많이 사용된다. 표면처리 효과를 비교하기위해 세가지 유형 (기존 흑연나노섬유, 산 처리된 흑연나노섬유, 산 및 아민 처리된 흑연나노섬유)를 사용하여 에폭시 기반 나노복합재료를 제작하였고, 결과는 앞서 2 가지 유형의 필러는 최적 로딩이 0.50wt.%인 반면, 산 및 아민 처리된 흑연나노섬유의 최대 로딩은 0.75wt.% 이며, 이는 기존 복합재료 대비 파괴인성과 임계 변형 에너지 방출률이 약 402.0% 및 102.4% 향상되었다. 이는 산 및 아민 처리된 흑연나노섬유 표면에 아미노 관능기가 형성되면서 에폭시 매트릭스와의 계면상호작용 및 접착력이 향상되어 결과적으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.
네번째로 나노-나노 스케일의 필러를 통합하여 탄소섬유 강화 복합재료에 보강하였다. 나노 필러는 산화그래핀과 흑연나노섬유를 사용하여 나노하이브리드로 제작하고 제안된 필러의 효율성을 확인하기 위해 세가지 유형(기존 흑연나노섬유, 오존 처리된 흑연나노섬유, 산화그래핀-흑연나노섬유)를 제작하였고, 결과는 산화그래핀-흑연나노섬유로 보강된 복합재료에서 기존 탄소섬유 강화 복합재료 대비 층간전단강도 및 파괴인성이 각각 159.5% 및 102.8%로 향상되었다. 이는 흑연나노섬유에 프리즘 표면에 산화그래핀이 부착되어 극성성분에 관여되는 산소 함유 작용기가 대량으로 제공되기 때문에 고분자 매트릭스에 깊고 안정적으로 보강이 가능하며, 더욱이 탄소섬유강화 복합재료의 습윤성 및 계면상호작용이 크게 향상시켜 결과적으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.
마지막으로 고분자기반의 복합재료의 응용으로 나노-나노 스케일의 하이브리드 광촉매를 제작하여 오염물질 제거 특성을 분석하였다. 여기서 하이브리드 필러는 흑연질화탄소와 나노다이아몬드를 사용하여 수열합성을 통해 제작되었으며, 흑연질화탄소와 나노다이아몬드는 화학적 및 열적 안정성을 나타내며, 특히 유기오염물질의 분해에 대한 매우 우수한 촉매 활성을 나타낸다. 하이브리드 필러의 최대 로딩은 1.00wt.% 이며, 기존 흑연질화탄소 대비 유기오염물질 분해가 2 배 높은 광촉매 활성을 나타내었으며, 특히 실질적인 활성 손실 없이 4 회 재사용이 가능하였다. 이는 흑연질화탄소와 나노다이아몬드의 계면에서 전자-종공 쌍 재결합을 효율적으로 억제하고 전하 분리 효율을 향상시켜 결과적으로 광촉매의 광학적인 특성을 향상시킬 수 있었다.