Multi-functional Carbon Nanotube Reinforced Coating for De-icing of Road Systems Seung-Jun Lee

Abstract

Multi-functional Carbon Nanotube Reinforced Coating for De-icing of Road Systems Seungjun Lee Dept. of Civil and Environmental Engineering Graduate School Hanyang University This dissertation investigates the electrical and physical behaviors of carbon nanotubes (CNT)/epoxy (EP) composites coating for detecting and removing ice on the road system. Compared with traditional de-icing systems, this coating exhibits the ability to be easily made into any shape, high temperature sensing and heating performance, and high durability of abrasion and therefore has a wide application in road system monitoring and de-icing at a low-cost. The scope of this study covers the coating fabrication, experimental investigation of the temperature sensitivity, temperature heating performance, wear-characterization, and development of the CNT/EP coating application system. CNT/EP coatings were fabricated using a solution casting method. Different concentrations of CNT were well mixed in the pre-polymer matrix. Using a scanning electron microscope, the morphology of CNTs in the EP was investigated. For temperature sensing and heating applications, the electrical properties including electrical conductivity and a percolation threshold of the CNT/EP coating at different concentrations were investigated. Mechanical properties of CNT/EP coatings were also investigated. The addition of CNTs increased up to 40 % of the wear resistance of the coatings, but excessive CNT addition slightly reduced their wear resistance. This is because an increase in CNT concentration leads to an increase in voids within the coating due to agglomeration. To investigate the temperature sensing functionality of CNT/EP coatings, not only static and cyclic experiments but also temperature multi- sensing experiments were conducted to assess their sensing capabilities. The experimental results showed that the CNT/EP coatings exhibited a linear negative temperature coefficient and a fast response time in accordance with temperature changes. Cyclic experiments showed that a maximum of 0.2% drift occurred over 50 cycles, indicating high repeatability. Through multi-sensing experiments, the applicability of CNT/EP coatings was examined. The experiments involved measuring the resistance changes in the coating when temperature variations were applied to a portion of the CNT/EP coating. The results demonstrated an accurate and rapid response specifically to the temperature changes, thereby validating the temperature sensing functionality of the CNT/EP coatings. Next, the heating performance of CNT/EP coatings was investigated. The surface temperature of the coating increased up to 175 ℃ at room temperature, depending on the CNT concentration. The influence of ambient temperature, which is the temperature at which icing occurs in the road system, on the heating performance of the coatings was examined. This allows for determining the specifications of the coatings based on the installation environment. The effect of abrasion damage on the heating performance of the CNT/EP coatings was investigated. The experimental results showed that as the abrasion level on the coating increased up to 60%, the surface temperature and heating ratio in the abraded area increased. This is attributed to the increased resistance in the abraded area under the same voltage, resulting in enhanced heating performance. To validate the heating performance of the coatings, coatings considering the road width were installed on the road and their heating performance was examined. The experimental results showed that the coatings were able to rapidly reach temperatures above zero temperature, even at sub-zero temperatures. This showed that the coatings are applicable to road systems for de-icing purposes. This research led to the development of an application system for the novel sensor. Hardware and software were developed to apply CNT/EP coatings, and experiments were conducted on a laboratory scale. The experiments involved applying voltage to the coatings when the temperature dropped below a specific threshold, heating them, and then discontinuing the voltage application once the target temperature was reached. The operational performance of the system was evaluated. The experimental results confirmed that the set process operated successfully, indicating the feasibility of actively removing ice using the CNT/EP coatings in an active road system.|본 논문은 도로 시스템의 결빙을 탐지하고 제거하기 위한 탄소나노튜브 (CNT) / 에폭시 (EP) 복합 코팅의 전기적, 열적, 물리적 특성을 조사하였다. 기존의 제설 시스템과 비교하여 이 코팅은 어떤 모양으로도 쉽게 제작될 수 있으며, 높은 온도 감지 및 가열 성능을 가지고 있으며, 마모에 대한 높은 내구성을 가지고 있다. 따라서 이 코팅은 저비용으로 도로 시스템 모니터링 및 제설에 넓은 응용 가능성을 가지고 있다. 이 연구의 범위에는 코팅 제작, 온도 감지에 대한 실험적 조사, 코팅의 발열 성능, 마모 내구성 및 마모에 따른 발열 특성 분석, 그리고 CNT/EP 코팅 응용 시스템의 개발이 포함된다. CNT/EP 코팅 제작에는 용액 주조법을 사용하였고, 다양한 농도의 탄소나노튜브를 에폭시와 혼합하였다. 에폭시 내 탄소나노튜브의 미세구조는 주사 전자 현미경을 사용하여 관측하였고, 온도 감지 및 가열 응용을 위해 다른 농도의 CNT/EP 코팅의 침투 임계 값과 전기 전도도와 같은 전기적 특성을 조사하였다. CNT/EP 코팅의 내구성과 내마모성를 분석하였다. 실험결과 CNT 첨가에 따른 코팅의 내구성은 최대 과 내마모성이 크게 증가했지만 일정 이상의 CNT 첨가는 코팅의 내마모성을 미소하게 감소시켰다. 이러한 원인은 CNT 농도가 증가할수록 응집으로 인한 코팅 내 공극이 증가하기 때문이다. CNT/EP 코팅의 온도 감지 성능을 조사하기 위해 정적 및 동적 실험뿐만 아니라 온도 매핑 실험을 통해 그 센싱 능력을 평가하였다. 실험 결과 CNT/EP 코팅은 온도 변화에 따라 선형적인 온도 계수와 빠른 응답 시간을 나타내었다. 또한 CNT의 농도가 높을수록 반복성이 향상되었으며, 50회 반복에 대해 최대 0.2 % 드리프트를 나타내 높은 수준의 반복성을 보였다. 멀티 센싱 실험을 통해 CNT/EP 코팅의 적용 가능성을 조사하였다. 결과적으로, 온도 변화에 정확하고 빠른 응답을 나타내어 CNT/EP 코팅의 온도 감지 기능을 검증하였다. 다음으로 CNT/EP 코팅의 발열 성능을 조사하였다. 코팅은 CNT 함량에 따라 상온에서 최대 175 ℃까지 표면온도가 상승하였다. 우수한 코팅의 발열 성능은 높은 전기 전도도에 기인하며, 결빙이 발생하는 대기 온도가 코팅의 발열성능에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 결과, 영하 20 에서도 제빙이 가능한 온도로 발열이 가능하며 이를 통해 설치 환경에 따른 위한 코팅의 규격을 결정하는데 기여할 수 있을 것이다. 또한 도로 시스템 설치로 인한 마모 손상이 CNT/EP 코팅의 발열 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 결과, 코팅의 마모 수준이 60%까지 증가할수록 마모된 영역의 발열량과 발열 속도가 오히려 증가하였으며, 이것은 동일한 전압에서 마모된 영역의 저항이 증가함에 따라 줄-발열 성능이 증가하기 때문이다. 이러한 특성은 마모가 필연적으로 발생하는 도로 시스템에 적합하다고 볼 수 있다. 코팅의 발열 성능을 검증하기 위해 도로 폭을 고려한 코팅을 도로에 설치하여, 발열 성능을 평가하였다. 실험 결과 영하의 온도에서도 de-icing이 가능한 상온까지 빠르게 도달하였으며, 이는 코팅이 실제 운송시스템에 적용이 가능하다는 것을 나타낸다. 이 연구는 CNT/EP 코팅의 응용 시스템 개발로 이어진다. CNT/EP 코팅을 적용하기 위한 하드웨어와 소프트웨어를 개발하여 실험실 규모의 실험을 수행하였다. 실험은 특정 온도 이하로 온도 저하 시 코팅에 전압을 인가하여 발열시키고, 목표 온도 도달 시 전압인가를 중단하는 프로세스를 통해 시스템 작동 성능을 평가하였다. 실험 결과 설정된 프로세스를 정상작동 하는 것을 확인하였고, 이것은 CNT/EP 코팅을 활용한 능동적인 도로 시스템의 능동적인 결빙제거가 가능하다는 것을 보여준다.