폴리프로필렌(Polypropylene, PP)은 탄소와 수소로만 이뤄진 폴리올레핀계 (polyolefin) 반결정성(semi-crystalline) 고분자이다. 올레핀계 고분자 중에서 비교적 높은 결정성을 토대로 높은 기계적 성질과 내투과성, 내화학성 등의 장점을 가지며, 특히 플라스틱 중 가장 낮은 밀도를 바탕으로 소재의 경량화에 적합하다. 하지만 다른 범용 플라스틱에 비해 상대적으로 낮은 강성(stiffness)과 불에 취약한 가연성을 보이기 때문에 높은 강성과 난연성(flame retardancy)을 필요로 하는 환경에서 사용되는데 제한이 따르며 이를 개선할 필요가 있다.
본 연구에서는 강성과 강도가 높다고 알려져 있는 충전제를 이용한 복합재료 제작을 통해 PP의 강성과 강도를 향상시키는 강화(reinforcement)를 시도하였다. 충전제 표면에 난연제를 도입시키는 개질을 통해 기계적 성질과 난연성 향상을 동시에 유도하는 방법도 병행하였다. 또한 고분자 사출 성형물 표면에 거칠기를 도입하여 발수성과 코팅 접착력을 높이는 연구를 추가적으로 진행하였다.
복합재료에 사용된 첫 번째 충전제는 철보다 단단하다고 알려져 있는 그래핀옥사이드(graphene oxide, GO)를 사용하였다. GO 표면엔 소량으로도 난연성을 향상시킬 수 있는 인계 난연제를 도입하여 기계적 성질과 난연성을 동시에 향상시키고자 하였다. 기지재와 충전제 사이의 상용성을 개선시키고자 무수말레인산이 수식된 폴리프로필렌(maleic anhydride grafted PP, MAPP)을 상용화제로 사용하였다. 개질하기 전 GO를 첨가했을 때에 비해 난연제를 도입한 GO를 첨가했을 때 난연성이 보다 향상된 결과를 확인할 수 있었으며, 상용화제를 첨가하여 GO의 분산성을 높임으로써 한 단계 높은 난연성을 나타내었다. 기계적 성질에선 상용화제를 첨가하기 전보다 상용화제를 첨가했을 때 기지재와 충전제 사이의 계면 친화도를 높임으로써 강성과 강도가 모두 증가한 결과를 확인할 수 있었다.
두 번째 충전제로는 자연계 유기물로부터 추출되어 친환경적이며, 높은 결정성을 바탕으로 강한 강성을 보이는 셀룰로오스 나노크리스탈(cellulose nanocrystal, CNC)을 사용하였다. CNC는 표면에 존재하는 하이드록시기로 인해 소수성 고분자인 PP와 높은 극성차를 보이기 때문에 이를 극복하고자 MAPP를 상용화제로 사용하였다. CNC와 MAPP 사이의 반응 효율을 향상시키기 위해 CNC 표면에 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES)을 이용하여 아민기를 도입하였다. 아무 처리도 하지 않은 CNC입자가 개질과정을 거치고 상용화제를 첨가함에 따라 PP와의 계면 친화도가 증가하여 입자 크기가 점차적으로 감소하였으며, 그에 따라 굴곡 탄성율과 강도가 모두 증가하는 결과를 확인하였다.
추가적으로 고분자 사출 성형물 표면에 미세 구조물을 형성하여 거칠기를 증가시켜 표면 발수성과 코팅재의 접착력을 향상시키는 연구를 진행하였다. 고분자 표면에 거칠기를 도입하는 방법은 습식 식각을 통해 거칠어진 탄소강 형판의 표면을 열압착 방법으로 고분자 표면에 전사시켰다. 형판과 고분자 복제물 표면은 형태학과 평균거칠기를 통해 확인하였다. 고분자 복제물 표면의 발수성은 물방울을 이용해 접촉각을 측정함으로써 확인하였고, 코팅재와의 접착력을 확인하기 위해 아크릴계열 페인트를 코팅하여 스크래치 시험을 진행하였다. 이를 통해 거칠기가 발수성과 코팅재 접착력에 미치는 영향을 분석하였다.

Polypropylene (PP) is a polyolefin semi-crystalline polymer composed of carbon and hydrogen. It has the advantages of high mechanical properties, barrier property, and chemical resistance based on relatively high crystallinity among olefin polymers, and is particularly suitable for weight lightening of materials due to the lowest density among plastics. Despite these attractive properties, the rigidity and flame retardancy of PP is relatively low compared to other general-purpose plastics, and needs further improvement for use in wider applications.
In this study, reinforcement to improve the stiffness and strength of PP was attempted through the preparation of composite using fillers known to have high stiffness. A method of simultaneously improving mechanical properties and flame retardancy by introducing a flame retardant to the surface of the filler has also been carried out. A study was also conducted to increase the water repellency and adhesion strength with coating material by introducing roughness on the polymer surface
The first filler used in the composite material was graphene oxide (GO), which is known to stiffer and stronger than steel. It was intended to improve mechanical properties and flame retardancy at the same time by introducing a phosphorus-based flame retardant capable of improving flame retardancy even in a small amount on the GO surface. To improve the compatibility between the matrix and the filler, maleic anhydride-g-polypropylene (MAPP) was used as a compatibilizer. When the modified GO with the flame retardants was added, it was observed that the flame retardancy was improved compared to when the pristine GO was added. The dispersion state of the filler was improved by adding a compatibilizer, and the flame retardancy was further increased. In mechanical properties, stiffness and strength were increased by adding a compatibilizer with improved the interfacial affinity between the matrix and filler.
Eco-friendly cellulose nanocrystals (CNC) obtained from natural fibers by acid hydrolysis and exhibiting high stiffness due to high crystallinity were used as second attempt. Since CNC shows poor compatibility with the hydrophobic PP due to the hydroxy groups on the surface, MAPP was used as a compatibilizer. In order to improve the reaction efficiency between the CNC and the MAPP, an amine group was introduced using 3(aminopropyl) triethoxysilane (APTES) on the CNC surface. With the surface modification of CNC and the addition of compatibilizers, the particle size in the composite gradually decreased, and the flexural modulus and strength of the composite increased.
Finally, a study was conducted to improve the surface water repellency and adhesion strength with the coating material by increasing the surface roughness of the polymer. The surface of the roughened carbon steel template via wet etching was transferred to the polymer surface by hot pressing. The water repellency of the polymer replica surface was analyzed by measuring the contact angle using water droplets, and the adhesion strength between polymer replica and coating material was investigated through a scratch test after coating with acrylic paint.