본 연구는 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자를 기반으로 하는 우수한 다양한 자극응답 형상기억 나노복합체의 개발을 목적으로 하였다. 형상기억 폴리우레탄공중합체의 특성 향상을 위하여 CNT의 기능화와 core-shell 구조의 전도성 나노섬유 제조라는 두 가지 접근방법이 이용되었다. CNT의 기능화에는 Cu(I) 촉매하에서의 Huisgen [3+2] cycloaddition click chemistry 방법 및 하이퍼브랜치 ...
본 연구는 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자를 기반으로 하는 우수한 다양한 자극응답 형상기억 나노복합체의 개발을 목적으로 하였다. 형상기억 폴리우레탄공중합체의 특성 향상을 위하여 CNT의 기능화와 core-shell 구조의 전도성 나노섬유 제조라는 두 가지 접근방법이 이용되었다. CNT의 기능화에는 Cu(I) 촉매하에서의 Huisgen [3+2] cycloaddition click chemistry 방법 및 하이퍼브랜치 고분자를 이용한 방법이 주로 도입되었다. 형상기억 폴리우레탄(SMPU)으로 기능화한 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)가 click chemistry 반응에 의하여 제조되었다. 이들 SMPU 나노복합체는 SWNT가 고분자 매트릭스 내에 잘 분산된 모습을 보였으며, 그 결과 우수한 열응답 및 전기응답 특성을 나타내었는데, 이는 SWNT와 SMPU 사이의 효과적인 공유결합에 기인한 것으로 보인다. 기능화한 SWNT의 함량이 4 wt%인 고분자 나노복합체의 경우 90% 이상의 우수한 형상고정률과 형상회복률을 각각 나타내었다. 또한 MWNT와 pyrrole의 click coupling에 의하여 core/shell 구조의 나노와이어를 제조하였다. 제조된 core/shell 나노와이어는 순수한 polypyrrole(PPy), MWNT 및 동시중합 MWNT/pyrrole 나노복합체에 비하여 우수한 가스 센서 특성을 보였다. 하이퍼브랜치 폴리우레탄(HBPU)과 MWNT의 동시중합에 의한 비공유 결합 CNT 기능화를 이용하여 열응답 및 전기응답 형상기억 나노복합체를 제조하였다. HBPU/MWNT 나노복합체에서 MWNT는 매우 우수한 분산 특성을 보였는데, 이는 열응답 및 전기응답 특성의 향상에 기여하는 것으로 나타났다. Poly(ethylene oxide)(PEO)를 친수성 그룹으로 사용한 물응답 형상기억 CNT 나노복합체가 제조되었다. 이들 나노복합체의 형상회복 효과는 상온의 물에서도 잘 나타났는데, 이는 물에 의한 PEO 결정의 용융에 의한 결과이다. 또한 고온의 물에서는 열역학적 및 물응답 형상기억 특성의 복합효과로 인하여 더욱 빠른 형상회복 거동을 나타내었다. 전도성 core-shell 형상기억 나노섬유가 전도성 고분자의 기상중합과 SMPU의 복합 전기방사 방법에 의하여 각각 제조되었다. Core-shell SMPU 나노섬유의 형상회복 거동은 SMPU 필름의 그것에 비하여 매우 빠른 속도로 나타났는데, 이는 나노섬유의 모폴로지 및 이의 나노크기 효과에 의한 것이다. 복합 전기방사에서 shell 부분을 MWNT/SMPU 복합체와 PPy 및 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)의 기상중합에 의한 전도성 고분자로 제조하여 core-shell 나노섬유를 얻을 수 있었다. P3HT로 코팅된 나노섬유웹은 PPy로 코팅된 나노섬유 웹에 비하여 보다 고른 전도성 고분자 코팅이 이루어졌으며, 그 결과 P3HT로 코팅된 나노섬유웹이 더 우수한 전기전도도와 전기응답 형상기억 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 CNT와 전도성 고분자 기반의 자극응답 형상기억 고분자 나노복합체를 필름뿐만 아니라 나노섬유 웹으로 제조할 수 있었는데, 외부의 환경 자극에 응답할 수 있는 지능형 소재로 이용될 수 있다. 즉 작동기, 전도성 섬유, 바이오 센서 등에의 응용이 기대된다.
본 연구는 탄소나노튜브(CNT)와 전도성 고분자를 기반으로 하는 우수한 다양한 자극응답 형상기억 나노복합체의 개발을 목적으로 하였다. 형상기억 폴리우레탄 공중합체의 특성 향상을 위하여 CNT의 기능화와 core-shell 구조의 전도성 나노섬유 제조라는 두 가지 접근방법이 이용되었다. CNT의 기능화에는 Cu(I) 촉매하에서의 Huisgen [3+2] cycloaddition click chemistry 방법 및 하이퍼브랜치 고분자를 이용한 방법이 주로 도입되었다. 형상기억 폴리우레탄(SMPU)으로 기능화한 단일벽 탄소나노튜브 (SWNT)가 click chemistry 반응에 의하여 제조되었다. 이들 SMPU 나노복합체는 SWNT가 고분자 매트릭스 내에 잘 분산된 모습을 보였으며, 그 결과 우수한 열응답 및 전기응답 특성을 나타내었는데, 이는 SWNT와 SMPU 사이의 효과적인 공유결합에 기인한 것으로 보인다. 기능화한 SWNT의 함량이 4 wt%인 고분자 나노복합체의 경우 90% 이상의 우수한 형상고정률과 형상회복률을 각각 나타내었다. 또한 MWNT와 pyrrole의 click coupling에 의하여 core/shell 구조의 나노와이어를 제조하였다. 제조된 core/shell 나노와이어는 순수한 polypyrrole(PPy), MWNT 및 동시중합 MWNT/pyrrole 나노복합체에 비하여 우수한 가스 센서 특성을 보였다. 하이퍼브랜치 폴리우레탄(HBPU)과 MWNT의 동시중합에 의한 비공유 결합 CNT 기능화를 이용하여 열응답 및 전기응답 형상기억 나노복합체를 제조하였다. HBPU/MWNT 나노복합체에서 MWNT는 매우 우수한 분산 특성을 보였는데, 이는 열응답 및 전기응답 특성의 향상에 기여하는 것으로 나타났다. Poly(ethylene oxide)(PEO)를 친수성 그룹으로 사용한 물응답 형상기억 CNT 나노복합체가 제조되었다. 이들 나노복합체의 형상회복 효과는 상온의 물에서도 잘 나타났는데, 이는 물에 의한 PEO 결정의 용융에 의한 결과이다. 또한 고온의 물에서는 열역학적 및 물응답 형상기억 특성의 복합효과로 인하여 더욱 빠른 형상회복 거동을 나타내었다. 전도성 core-shell 형상기억 나노섬유가 전도성 고분자의 기상중합과 SMPU의 복합 전기방사 방법에 의하여 각각 제조되었다. Core-shell SMPU 나노섬유의 형상회복 거동은 SMPU 필름의 그것에 비하여 매우 빠른 속도로 나타났는데, 이는 나노섬유의 모폴로지 및 이의 나노크기 효과에 의한 것이다. 복합 전기방사에서 shell 부분을 MWNT/SMPU 복합체와 PPy 및 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)의 기상중합에 의한 전도성 고분자로 제조하여 core-shell 나노섬유를 얻을 수 있었다. P3HT로 코팅된 나노섬유웹은 PPy로 코팅된 나노섬유 웹에 비하여 보다 고른 전도성 고분자 코팅이 이루어졌으며, 그 결과 P3HT로 코팅된 나노섬유웹이 더 우수한 전기전도도와 전기응답 형상기억 특성을 보인다는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 CNT와 전도성 고분자 기반의 자극응답 형상기억 고분자 나노복합체를 필름뿐만 아니라 나노섬유 웹으로 제조할 수 있었는데, 외부의 환경 자극에 응답할 수 있는 지능형 소재로 이용될 수 있다. 즉 작동기, 전도성 섬유, 바이오 센서 등에의 응용이 기대된다.
This work aims to develop novel different stimuli-responsive shape memory materials based on carbon nanotubes (CNTs) and conducting polymers. Two approaches of CNT functionalization and core-shell conducting nanofiber formation are dedicated to enhance performance of shape memory properties of polyu...
This work aims to develop novel different stimuli-responsive shape memory materials based on carbon nanotubes (CNTs) and conducting polymers. Two approaches of CNT functionalization and core-shell conducting nanofiber formation are dedicated to enhance performance of shape memory properties of polyurethane block copolymer (SMPU). Specially, CNT functionalization focuses on Cu(I)-catalyzed Huisgen [3+2] dipolar cycloaddition click chemistry and hyperbranched polymer-aided CNT functionalization. SMPU-functionalized single-walled carbon nanotube (SWNT) nanocomposites were synthesized using click chemistry. The nanocomposites showed excellent SWNT dispersion in the polyurethane matrix with good electro-active and thermo-responsive shape memory properties due to the effective covalent bonding between SWNT and SMPU. More than 90% of shape recovery and shape retention was observed for the nanocomposites containing 4 wt% functionalized SWNTs. Clicked core/shell nanowires were also synthesized by covalent functionalization of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) with polypyrrole (PPy). Interestingly, core/shell nanowire showed outstanding gas sensing behavior compared to pure PPy, pristine MWNTs, and MWNT/PPy hybrids prepared via in-situ polymerization. A novel non-covalent CNT functionalization concept was purposed to prepare the thermo- and electro-active shape memory nanocomposites by in-situ polymerization of hyperbranched polyurethane (HBPU) in the presence of MWNTs. The MWNT/HBPU nanocomposites showed excellent dispersion of MWNTs, which is useful to improve the thermo- and electro-active shape recovery properties of nanocomposites. Water-triggered shape memory CNT nanocomposites could be also achieved using poly(ethylene oxide) (PEO) as hydrophilic component in the hyperbranched polyurethane. The MWNT/HBPU nanocomposites represented a shape recovery behavior in water at room temperature, which originates from the melting of PEO crystals. Due to the synergistic effect of thermo-mechanical and water-triggered shape memory properties, the fast shape recovery in water at high temperature was obtained. The conducting core-shell shape memory nanofibers were obtained by vapor phase polymerization of conducting polymers as well as co-electrospinning using SMPU as the core. The core-shell SMPU nanofibers gave faster shape memory response than the SMPU film due to effects of nanofiber morphology and nanometer sized nanofibers. In the co-electrospinning, MWNT/SMPU composites were used as a shell part material, whereas PPy and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) were formed in the shell part by the vapor phase polymerization. A perfect smooth surface morphology was observed for the P3HT coated nanofibers compared to PPy nanofibers, which is useful for reaching higher conductivity for the P3HT nanofiber webs, and useful to achieve good electro-active shape memory properties. In consequence, the stimuli-responsive shape memory polymer nanocomposites based on CNTs and conducting polymers are sensitive to the environmental stimuli, such as temperature, electrical, pH, gas, etc. The stimuli-responsive shape memory materials open the new window for preparing the actuators, conducting textiles, biosensors, bioprobes, etc.
This work aims to develop novel different stimuli-responsive shape memory materials based on carbon nanotubes (CNTs) and conducting polymers. Two approaches of CNT functionalization and core-shell conducting nanofiber formation are dedicated to enhance performance of shape memory properties of polyurethane block copolymer (SMPU). Specially, CNT functionalization focuses on Cu(I)-catalyzed Huisgen [3+2] dipolar cycloaddition click chemistry and hyperbranched polymer-aided CNT functionalization. SMPU-functionalized single-walled carbon nanotube (SWNT) nanocomposites were synthesized using click chemistry. The nanocomposites showed excellent SWNT dispersion in the polyurethane matrix with good electro-active and thermo-responsive shape memory properties due to the effective covalent bonding between SWNT and SMPU. More than 90% of shape recovery and shape retention was observed for the nanocomposites containing 4 wt% functionalized SWNTs. Clicked core/shell nanowires were also synthesized by covalent functionalization of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) with polypyrrole (PPy). Interestingly, core/shell nanowire showed outstanding gas sensing behavior compared to pure PPy, pristine MWNTs, and MWNT/PPy hybrids prepared via in-situ polymerization. A novel non-covalent CNT functionalization concept was purposed to prepare the thermo- and electro-active shape memory nanocomposites by in-situ polymerization of hyperbranched polyurethane (HBPU) in the presence of MWNTs. The MWNT/HBPU nanocomposites showed excellent dispersion of MWNTs, which is useful to improve the thermo- and electro-active shape recovery properties of nanocomposites. Water-triggered shape memory CNT nanocomposites could be also achieved using poly(ethylene oxide) (PEO) as hydrophilic component in the hyperbranched polyurethane. The MWNT/HBPU nanocomposites represented a shape recovery behavior in water at room temperature, which originates from the melting of PEO crystals. Due to the synergistic effect of thermo-mechanical and water-triggered shape memory properties, the fast shape recovery in water at high temperature was obtained. The conducting core-shell shape memory nanofibers were obtained by vapor phase polymerization of conducting polymers as well as co-electrospinning using SMPU as the core. The core-shell SMPU nanofibers gave faster shape memory response than the SMPU film due to effects of nanofiber morphology and nanometer sized nanofibers. In the co-electrospinning, MWNT/SMPU composites were used as a shell part material, whereas PPy and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) were formed in the shell part by the vapor phase polymerization. A perfect smooth surface morphology was observed for the P3HT coated nanofibers compared to PPy nanofibers, which is useful for reaching higher conductivity for the P3HT nanofiber webs, and useful to achieve good electro-active shape memory properties. In consequence, the stimuli-responsive shape memory polymer nanocomposites based on CNTs and conducting polymers are sensitive to the environmental stimuli, such as temperature, electrical, pH, gas, etc. The stimuli-responsive shape memory materials open the new window for preparing the actuators, conducting textiles, biosensors, bioprobes, etc.
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