Resole-type phenolic resin was mixed with carbon-based nanofillers, such as graphene oxide (GO) and multiwalled carbon nanotube (MWCNT), and the cell size, cell structure, and mechanical, thermal and acoustic properties of the phenolic foam were investigated. The closed hexagonal cell structure was observed for all foams and the cell size of MWCNT embedded phenolic foam was smaller than that of the unreinforced phenolic foam. The smaller cell resulted in the higher mechanical strength. The GO and MWCNT additions in the cell walls imparted a high resistance to brittle failure under flexural loading. The thermal conductivity of 0.1wt% of GO or MWCNT infiltrated phenolic foam increased more than two times. The transmission loss of the phenolic foam with a 0.1 wt% of GO and MWCNT was effective in the lower and higher frequency region. Among the nanofiller-contained phenolic foams, the phenolic foam with MWCNT showed the highest absorption coefficient over 500~4000 Hz region.

레졸형 페놀수지에 탄소계 나노필러인 그래핀 옥사이드(GO)와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 0.1 wt% 이하로 첨가하여 페놀수지 폼을 제조하였으며 셀 크기, 셀 구조, 기계적 성질, 열적 성질, 음향학적 성질에 미치는 영향을 고찰하였다. 제조된 모든 페놀수지 폼들은 육각형의 닫힌 셀 구조를 형성하였으며, GO와 MWCNT를 포함하는 페놀수지 폼들은 굴곡 하중에서 순수 페놀수지 폼(control)보다 취성 파괴에 대한 높은 저항성을 나타내었다. MWCNT를 포함하는 페놀수지 폼들은 필러를 첨가하지 않은 순수 페놀수지 폼보다 작은 셀을 형성하였으며 굴곡하중 하에서 향상된 취성을 가졌다. 0.1 wt%의 GO나 MWCNT를 포함하는 페놀수지 폼은 순수 페놀수지 폼보다 2배 이상의 높은 열전도도를 나타내었으며, 저주파음과 고주파음의 차단에 효과적이었다. 필러를 첨가한 페놀수지 폼 중에서 MWCNT를 포함하는 페놀수지 폼이 500~4000 Hz 영역에서 가장 높은 흡음계수를 보였다.

Keywords: phenolic foam, graphene oxide, multi-walled carbon nanotube, microstructure, acoustic property

페놀수지는 페놀과 포름알데히드가 반응하여 생성되며 촉매로 산과 염기에 각각 반응하며 촉매의 종류에 따라 노볼락(novolac)과 레졸(resole)형태의 수지가 만들어진다.
페놀수지는 반응하는 결합수를 많이 갖는 다관능형이며 자기소화 온도가 480 ℃로 매우 높고, 연소시 분해가스로 물과 이산화탄소가 주 생성물 이어서 연기발생량이 적고, 수지가 탄화되면서 불꽃을 차단하는 피막을 형성하여 난연제를 첨가하지 않아도 높은 난연성을 가지고 독성 가스의 발생이 적고 열 안정성도 우수한 장점이 있다.^1-4
이는 가연성인 폴리스티렌폼과 폴리우레탄폼에 비해 구분되는 성질이다. 이런 성질을 가지는 페놀수지로 제조한 페놀수지 폼은 난연성, 보온성, 경량성, 압축성, 기계적 성질 등이 우수하여 건자재, 항공기, 철도차량, 선박 등에 많이 적용되고 있다.² 하지만, 페놀수지 폼은 다른 고분자 수지 폼에 비하여 단단하고 깨지기 쉬운 성질 때문에 다루기 힘들고 작업중 분진을 발생시켜 적용에 한계가 있는 것으로 알려져 있다.⁵ 페놀수지 폼이 깨지기 쉬운 특성은 페놀수지의 취성에서 기인하며, 이를 개선시키기 위하여 페놀수지 폼을 충전제로 강화시켜 페놀수지 폼의 인성과 작업성을 향상시키는 연구들이 진행되어 왔다.^2,6,7
Shen 등은 유리섬유나 아라미드 단섬유를 포함하는 강화페놀수지 폼을 제조하여 순수 페놀수지 폼(control)과 비교하여 박리강도, 인장강도, 파단신율이 일부 향상된 결과를 보고 하였다.² Song 등은 페놀수지 폼의 기계적 성질과 열적 안정성을 개선시키기 위하여 탄소 나노입자를 첨가하였으며,⁷ Li등은 실리카 용액을 포함한 in-situ 중합으로 페놀수지 폼을 제조하여 기계적 강도를 향상시켰다.⁶
그래핀과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 탄소 원자로 이루어진 탄소 동소체들로 넓은 표면적을 가지며 기계적 강도, 열전도도, 전기전도도 등이 매우 우수하다. 흑연을 Hummers방법 등에 의해 염소산칼륨이나 질산으로 산화시켜 얻는 그래핀 옥사이드(GO)는 표면에 많은 -OH기, -COOH기, 에폭시기 등을 포함하고 있어 고분자 매트릭스와 화학적 결합을 가질 수 있다. 다중벽 탄소나노튜브는 1차원 구조로 높은 종횡비, 낮은 밀도, 우수한 열적, 전기적, 기계적 성질을 가지고 있으며 그래핀 옥사이드는 2차원의 시트 형태로 탄소나노튜브와 비슷한 수준의 물성을 가지고 있어, 이들 나노필러를 열가소성 수지에 적용하여 많은 연구들이 진행되어 왔다.^8,9 하지만, 열경화성 수지나 수지 폼에 탄소나노튜브나 그래핀 옥사이드를 적용한 연구는 제한적으로 진행되어 왔다. Si 등은 GO의 크기가 수지 폼 구조에 미치는 영향을 연구하였다.¹⁰ Yang 등은 폴리스티렌 폼에 전기전도성이 우수한 MWCNT를 투입하여 전자파 차폐 효과를 보고하였다.¹¹
본 연구에서는 페놀수지 폼의 단점인 취성을 개선시키고 나노필러가 페놀수지 폼의 제반 물성에 미치는 영향을 연구하기 위하여 레졸형 페놀수지를 사용하여 페놀수지 폼을 제조하고 탄소계 나노필러인 그래핀 옥사이드나 다중벽탄소나노튜브를 첨가시켜 이들 나노필러가 페놀수지 폼의 구조 형성에 미치는 영향과 기계적, 열적, 음향학적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 페놀수지 폼의 셀(cell) 구조, 셀 밀도 등이 페놀수지 폼의 기계적 성질, 열적 안정성, 열전도도, 차음 및 흡음 특성 등과 연관시켰다.