전단농화유체(shear thickening fluids, STF)는 낮은 전단속도에서는 액상의 형태로 존재하다가 높은 전단속도에서는 고상이 되는 유체를 의미하며, 전형적인 STF는 polyethylene glycol (PEG)에 실리카나노 입자가 분산된 형태로 제조된다. 이러한 전단농화 현상은 방탄복이나 보호재료에 주로 이용된다. 그러나 실리카의 낮은 기계적 물성은 실리카/PEG STF 자체의 방호 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 기계적 물성이 우수한 ...
전단농화유체(shear thickening fluids, STF)는 낮은 전단속도에서는 액상의 형태로 존재하다가 높은 전단속도에서는 고상이 되는 유체를 의미하며, 전형적인 STF는 polyethylene glycol (PEG)에 실리카나노 입자가 분산된 형태로 제조된다. 이러한 전단농화 현상은 방탄복이나 보호재료에 주로 이용된다. 그러나 실리카의 낮은 기계적 물성은 실리카/PEG STF 자체의 방호 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 기계적 물성이 우수한 carbon nanotube (CNT)를 나노 필러로 첨가하여 STF에 적용시켜 방호 성능을 향상시키고자 한 것이다. 그러나 CNT의 낮은 분산성으로 인해 STF로의 적용에 제한이 있으므로, CNT에 실리카를 코팅하여 전단농화 현상을 유지하면서도 방호 성능을 향상시켰다. 이를 위하여 실리카가 코팅된 multi-walled carbon nanotube (MWNT)를 제조하고 이를 STF에 적용하여 이들의 유변학적 특성을 연구하였다. MWNT 표면에 실리카 코팅을 효율적으로 하기 위하여 황산/질산 수용액에서 산처리를 한 후, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride와 N-hydroxysuccinimide를 촉매로 사용하여 ethylene diamine를 반응시켜 질소 원소 함량이 약 20 wt%인 MWNT를 얻었다. 이렇게 말단에 아민기가 도입된 MWNT 표면에 졸-겔 법을 이용하여 실리카를 코팅하였고, 이를 FE-SEM, TEM, EA 및 FTIR로 확인하였다. 또한 실리카가 코팅된 MWNT는 물과 PEG에서 높은 분산 안정성을 나타내는 것도 확인하였다. 이렇게 제조된 실리카가 코팅된 MWNT와 pristine MWNT를 각각 실리카/PEG STF에 첨가한 결과, 실리카가 코팅된 MWNT는 실리카/PEG와 유사하게 전단농화 현상이 나타났지만 pristine MWNT는 전단농화 현상이 나타나지 않았다. 또한 실리카가 코팅된 MWNT의 양을 증가시켜 가면서 전단농화 현상을 관찰한 결과, MWNT의 분율이 증가 할수록 더 낮은 전단속도에서 전단농화 현상의 시작점이 나타나는 것을 확인하였다.
전단농화유체(shear thickening fluids, STF)는 낮은 전단속도에서는 액상의 형태로 존재하다가 높은 전단속도에서는 고상이 되는 유체를 의미하며, 전형적인 STF는 polyethylene glycol (PEG)에 실리카 나노 입자가 분산된 형태로 제조된다. 이러한 전단농화 현상은 방탄복이나 보호재료에 주로 이용된다. 그러나 실리카의 낮은 기계적 물성은 실리카/PEG STF 자체의 방호 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 기계적 물성이 우수한 carbon nanotube (CNT)를 나노 필러로 첨가하여 STF에 적용시켜 방호 성능을 향상시키고자 한 것이다. 그러나 CNT의 낮은 분산성으로 인해 STF로의 적용에 제한이 있으므로, CNT에 실리카를 코팅하여 전단농화 현상을 유지하면서도 방호 성능을 향상시켰다. 이를 위하여 실리카가 코팅된 multi-walled carbon nanotube (MWNT)를 제조하고 이를 STF에 적용하여 이들의 유변학적 특성을 연구하였다. MWNT 표면에 실리카 코팅을 효율적으로 하기 위하여 황산/질산 수용액에서 산처리를 한 후, 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride와 N-hydroxysuccinimide를 촉매로 사용하여 ethylene diamine를 반응시켜 질소 원소 함량이 약 20 wt%인 MWNT를 얻었다. 이렇게 말단에 아민기가 도입된 MWNT 표면에 졸-겔 법을 이용하여 실리카를 코팅하였고, 이를 FE-SEM, TEM, EA 및 FTIR로 확인하였다. 또한 실리카가 코팅된 MWNT는 물과 PEG에서 높은 분산 안정성을 나타내는 것도 확인하였다. 이렇게 제조된 실리카가 코팅된 MWNT와 pristine MWNT를 각각 실리카/PEG STF에 첨가한 결과, 실리카가 코팅된 MWNT는 실리카/PEG와 유사하게 전단농화 현상이 나타났지만 pristine MWNT는 전단농화 현상이 나타나지 않았다. 또한 실리카가 코팅된 MWNT의 양을 증가시켜 가면서 전단농화 현상을 관찰한 결과, MWNT의 분율이 증가 할수록 더 낮은 전단속도에서 전단농화 현상의 시작점이 나타나는 것을 확인하였다.
Shear thickening fluids (STFs), flowable at low shear rates, become macroscopically rigid at high shear rates. A typical STF is silica suspension in polyethylene glycol (PEG). It can be used for protective materials at a high shear rate such as a bulletproof vest. However, the brittleness and low re...
Shear thickening fluids (STFs), flowable at low shear rates, become macroscopically rigid at high shear rates. A typical STF is silica suspension in polyethylene glycol (PEG). It can be used for protective materials at a high shear rate such as a bulletproof vest. However, the brittleness and low resistance to mechanical stress of silica reduced the performance of the silica/PEG STF. To enhance protective performance of the silica/PEG STF, carbon nanotubes (CNTs) would be used as additional nanofillers. However, the effects of the CNT addition are not expected to be good due to the low dispersibility of CNT in the silica/PEG STF. In order to increase the dispersibility of CNT, silica-coated multi-walled carbon nanotubes (Si-MWNTs) through covalent bonding were prepared and characterized. The effect of the Si-MWNT addition to silica/PEG suspension on the rheological property was also investigated. Amino group-introduced MWNT (MWNT-NH2) with a nitrogen atom content up to 20 wt% was prepared first by reacting acid-treated MWNT and ethylene diamine using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropy l)carbodiimide hydrochloride and N-hydroxysuccinimide as catalysts, then various amount of silica was formed on the surface of MWNT initiating from the amino groups by using a sol-gel method. The silica formation on the MWNT surface was confirmed by FE-SEM, TEM, EA, and FTIR. The Si-MWNT exhibited good dispersion stability in water and PEG because of the increased hydrophilicity. When 3 wt% of pristine MWNT was added to the silica/PEG suspension, the shear thickening property was not observed and the MWNT was not dispersed well in the suspension. On the other hand, the suspension containing 3 wt% of Si-MWNT showed similar shear thickening behavior to that of simple silica/PEG. The critical shear-thickening point of silica/Si-MWNT suspension in PEG moved to a lower shear rate with increasing Si-MWNT content.
Shear thickening fluids (STFs), flowable at low shear rates, become macroscopically rigid at high shear rates. A typical STF is silica suspension in polyethylene glycol (PEG). It can be used for protective materials at a high shear rate such as a bulletproof vest. However, the brittleness and low resistance to mechanical stress of silica reduced the performance of the silica/PEG STF. To enhance protective performance of the silica/PEG STF, carbon nanotubes (CNTs) would be used as additional nanofillers. However, the effects of the CNT addition are not expected to be good due to the low dispersibility of CNT in the silica/PEG STF. In order to increase the dispersibility of CNT, silica-coated multi-walled carbon nanotubes (Si-MWNTs) through covalent bonding were prepared and characterized. The effect of the Si-MWNT addition to silica/PEG suspension on the rheological property was also investigated. Amino group-introduced MWNT (MWNT-NH2) with a nitrogen atom content up to 20 wt% was prepared first by reacting acid-treated MWNT and ethylene diamine using 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropy l)carbodiimide hydrochloride and N-hydroxysuccinimide as catalysts, then various amount of silica was formed on the surface of MWNT initiating from the amino groups by using a sol-gel method. The silica formation on the MWNT surface was confirmed by FE-SEM, TEM, EA, and FTIR. The Si-MWNT exhibited good dispersion stability in water and PEG because of the increased hydrophilicity. When 3 wt% of pristine MWNT was added to the silica/PEG suspension, the shear thickening property was not observed and the MWNT was not dispersed well in the suspension. On the other hand, the suspension containing 3 wt% of Si-MWNT showed similar shear thickening behavior to that of simple silica/PEG. The critical shear-thickening point of silica/Si-MWNT suspension in PEG moved to a lower shear rate with increasing Si-MWNT content.
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