PURPOSES : The purpose of this study is to experimentally analyze the flexural strength characteristics of cement mortar mixtures simultaneously incorporated with graphene oxide (GO) and polyvinyl alcohol (PVA) fibers, and to understand the composite effect of those on enhancing resistance against the initiation and progression of micro-cracks, as well as the control of macro-cracks in flexural behavior. METHODS : Cement mortar(w/c=0.5) specimens for flexural strength test, mixing 6 mm and 12 mm PVA fibers at 1% and 2% volume ratios, were fabricated. Additionally, specimens incorporating GO at a cement weight ratio of 0.05% were prepared for each mixture to analyze the effect of GO. Therefore total eight types of mixture were prepared. The fabricated specimens were subjected to flexural strength tests after curing in waterbath for 7 and 28 days. Concurrently, digital images for analyzing deformation in accordance with loading history were obtained at a rate of 20 Hz using the DIC technique. Through displacement and strain calculation via DIC, the flexural behavior characteristics of the mixtures combined with GO and PVA fibers were precisely analyzed. Furthermore, the composite effect on flexural behavior characteristics when GO and PVA fibers are incorporated was discussed. RESULTS : For the PVA fiber-reinforced cement mortar mixture, the incorporation of 0.05% GO increased the crack initiation load by up to 23%, and the maximum resistive load after cracking by up to 24%. Moreover, introducing GO into the PVA fiber-reinforced mixture increased the flexural strain just before cracking by approximately 30 to 50%, while the maximum resistive load after cracking exhibited similar strain levels with or without GO incorporation. Therefore, under flexural behavior, the integration of GO might delay crack initiation by increasing the strain concurrent with the rise in flexural stress before crack occurrence. It also seems to contribute to reducing crack expansion by synergistically interacting with PVA fibers after crack occurrence. CONCLUSIONS : It was experimentally examined that the flexural strength of PVA fiber reinforced cement mortar is improved by incorporating GO. Moreover, GO enhances resistance of crack occurrance and reduces crack propagation in combination with PVA fibers. This study suggests that simultaneous incorporation of GO and PVA fibers can synergistically improve the performance of cement composites.

본 연구에서는 고분자인 polyacrylonitrile (PAN) 고분자에 산화 그래핀(Graphene Oxide, GO)을 첨가하여 전기방사법을 통해 나노섬유 복합막(GO-PAN)을 제조하였으며, 과량의 GO를 첨가하기 위해 표면개질 전략을 사용하였다. 계면활성제를 사용하여 GO의 표면을 간단히 변형하면 GO의 안정성 및 분산도 증가로 인해 최종적으로 분리막에 필러의 함량을 3wt%까지 증가시켰다. 이렇게 변형된 GO(mGO)의 PAN 나노섬유막으로의 도입은 원래의 PAN 나노섬유막과 GO-PAN 막에 비해 향상된 친수성과 기계적 강도를 가진다. 따라서 나노필러의 표면 개질은 최종 복합막의 성능에 영향을 미치며 이는 GO의 분산도와 상관관계가 있는 것으로 보인다.

PEBAX[poly(ether-block-amide)]는 기체 투과 시 높은 투과성을 가지는 동시에 우수한 기계적 강도와 기체 선택성을 가지는 열가소성 고분자이다. GO(Graphene oxide)는 흑연을 화학처리하여 박리시킨 물질로 표면에는 에폭사이드와 히드록실기를 함유하고 가장자리에 카르복실기를 가져 용매 내 용해성은 향상되었으나 흑연만의 독특한 구조(sp2)를 유지하고, 기체선택성이 매우 뛰어나 최근 기체투과 연구 뿐 아니라 배터리 및 커패시터 연구 등 다양한 분야에서 적용하고 있다. 본 연구에서는 합성된 GO의 조성을 달리하여 PEBAX 기반의 복합막을 제조하였고, 제조된 복합막의 기체투과특성과 물리화학적 특성을 연구하였다.

PTMSP[poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)]는 구조적으로 trimethylsilyl의 크기와 큰 자유부피를 인하여 기체의 투과도가 매우 우수한 장점을 가지고 있으나, 선택도가 낮은 단점이 있다. GO(Graphene oxide)는 흑연으로부터 제조하여 재료의 습득이 용이하고, 단일막 제조시, 기체투과에 선택적 배리어로서 작용한다. 본 연구에서는 PTMSP-GO 복합막을 제조하여 물리화학적 특성을 분석하고, 기체투과도를 측정하여 상대적 선택도를 도출하는 연구를 실행하였다.

PEBAX[poly(ether-block-amide)는 열가소성인 탄소체로 부드럽고 유연한 폴리에테르와 단단한 폴리아마이드의 블록으로 이루어졌다. 두 compounds는 기체 분리막에 있어 필수적인 특성을 가지고 있다. 폴리에테르는 높은 투과도를 제공하고 폴리아마이드는 기계적 강도가 좋고 기체 선택성도 우수하다. GO(Graphene oxide)는 흑연으로부터 제조하여 재료의 습득이 용이할 뿐 아니라 기체투과에 선택적 배리어로서 작용한다. 본 연구에서는 GO에 열을 가한 뒤, 함량을 달리한 PEBAX-GO 복합막을 제조하고, 제조된 막의 물리화학적 특성, 기체투과도, 선택성에 대해 연구하였다.

PEBAX[poly(ether-block-amide)는 soft flexible polyether부분과 hard rigid polyamide 부분으로 이루어진 열가소성 탄소체이다. 부드러운 polyether 부분은 기체투과에 있어 높은 투과도를 제공하고 단단한 polyamide 부분은 기계적 강도가 좋고 기체 선택성 또한 우수하다. GO(Graphene oxide)는 자연계에 널리 존재하는 흑연으로부터 제조되는데 기체투과에 있어 선택적 배리어로서 작용할 수 있다. 본 연구에서는 PEBAX-GO 복합막을 GO 함량을 달리하여 제조하고 제조된 막의 물리화학적 특성, 기체투과도, 선택성에 대해 연구하였다.