본 연구에서는 습식초지법을 이용하여 탄소나노튜브 버키페이퍼를 제조하고 고강도, 고강성 그리고 유연성을 증대시키기 위하여 폴리우레탄(PU)의 점도를 조절하여 코팅제조한 후 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. Raman, TGA, PL, SEM, TEM 그리고 Tensile test을 이용하여 SWNTs, SWNTs-buckypaper(SWNTs-BP), 그리고 SWNTs-BP/PU 나노복합필름에 대한 구조 및 물성을 평가하였으며 복합필름단면은 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 관찰한 후 물성증대원인을 해석하였다. 특히, 5 wt%의 PU 용액으로 코팅할 때 튜브간의 계면 접착력 증가로 최종 물성향상에 기여하였다. 최종적으로 이러한 구조적인 특성을 이용할 경우 초경량, 고강도 나노복합소재를 제조하는데 기여할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 습식초지법을 이용하여 탄소나노튜브 버키페이퍼를 제조하고 고강도, 고강성 그리고 유연성을 증대시키기 위하여 폴리우레탄(PU)의 점도를 조절하여 코팅제조한 후 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. Raman, TGA, PL, SEM, TEM 그리고 Tensile test을 이용하여 SWNTs, SWNTs-buckypaper(SWNTs-BP), 그리고 SWNTs-BP/PU 나노복합필름에 대한 구조 및 물성을 평가하였으며 복합필름단면은 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 관찰한 후 물성증대원인을 해석하였다. 특히, 5 wt%의 PU 용액으로 코팅할 때 튜브간의 계면 접착력 증가로 최종 물성향상에 기여하였다. 최종적으로 이러한 구조적인 특성을 이용할 경우 초경량, 고강도 나노복합소재를 제조하는데 기여할 것으로 기대된다.
Carbon nanotube buckypaper (CNTs-BP)/thermoplastic polyurethane (PU) elastomer composites were successfully fabricated. The CNTs-BP/PU nanocomposites exhibited simultaneous improvements in both tensile modulus and strength by 1360 and 430%, respectively, as compared to pure PU. Possible reinforcing ...
Carbon nanotube buckypaper (CNTs-BP)/thermoplastic polyurethane (PU) elastomer composites were successfully fabricated. The CNTs-BP/PU nanocomposites exhibited simultaneous improvements in both tensile modulus and strength by 1360 and 430%, respectively, as compared to pure PU. Possible reinforcing mechanisms were evidenced by SEM analyses and tensile tests. The CNTs-BP/PU nanocomposites can be potentially used as an inter-reinforcing agent in ultra-lightweight, high-strength aircraft, carbon-fiber-reinforced plastics, etc.
Carbon nanotube buckypaper (CNTs-BP)/thermoplastic polyurethane (PU) elastomer composites were successfully fabricated. The CNTs-BP/PU nanocomposites exhibited simultaneous improvements in both tensile modulus and strength by 1360 and 430%, respectively, as compared to pure PU. Possible reinforcing mechanisms were evidenced by SEM analyses and tensile tests. The CNTs-BP/PU nanocomposites can be potentially used as an inter-reinforcing agent in ultra-lightweight, high-strength aircraft, carbon-fiber-reinforced plastics, etc.
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문제 정의
본 연구에서는 종래의 나노필러를 고분자 내에 첨가하는 방식으로 제조하는 나노복합체가 아닌, CNTs를 서로 엮어 얇은 시트(버키페이퍼, buckypaper)를 제조한 후 폴리우레탄(PU) 용액을 필터링 또는 침지법으로 CNTs-BP/PU 나노복합필름을 제조하고, 이렇게 제조된 나노복합필름의 제조 조건에 따른 구조적 특성과, 기계적 물성등을 확인하여 최종적으로 고강도, 유연한 탄소나노복합필름을 제조하고자 한다.
제안 방법
25 × 15 mm의 내부공간을 갖는 프레임을 제작하고 이 프레임에 앞서 제작한시편을 에폭시 접착제를 이용하여 양 끝을 부착하여 고정시킨 후 측정하였다.
PU의 코팅방법을 달리하여 제조된 SWNTs-BP/PU 나노복합필름의 역학적 특성을 알아보기 위하여 인장시험을 하였다(Fig. 3). Fig.
SWNTs 및 SWNTs-BP/PU의 모폴로지를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM, Nova SEM)을 사용하였으며, 시료는 백금 코팅 후 10 kV 전압 하에서 측정하였다.
SWNTs 번들을 분리하기 위해 NMP 용매를 이용하여, horn type 초음파 처리기로 4o C에서 1시간과 Bath type 초음파 처리기에서 1시간을 각각 번갈아 가며 2번씩 처리하였다. 이렇게 얻어진 고립화된 (Isolated) SWNTs 분산용액은 습식침지법(필터링 법)으로 버키페이퍼를 제조하였고, schematic 1에서처럼 미리 준비된 1-10 wt% PU 용액을 버키페이퍼 위에 균일하게 코팅함으로써 최종적으로 나노복합필름을 제조하였다.
SWNTs-BP/PU의 기계적 특성을 고찰하고자 만능재료시험기 (UTM, Instron UTM 5567A)를 이용하여 ±100 N의 로드셀과 10 mm/min의 속도로 시험을 실시하였다.
SWNTs의 벽의 개수와 내부구조를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM, JEM-2010)을 사용하여 200 kV 전압 하에서 측정하였다. 투과전자현미경을 관찰하기 위하여 시편의 제조방법은 먼저 SWNTs의 경우 미량의 SWNTs 파우더를 초순수 에탄올에 분산시킨 뒤 약 10분간 초음파 처리한후 상층에 균일하게 분산된 용액를 채취하여 TEM 그리드 (grid) 위에 1-2방울 떨어뜨린 후 진공오븐에서 충분히 건조한 후 측정하였다.
SWNTs의 분광학적 특성을 고찰하고자 Raman(λ = 514 nm)을 이용하여 관찰하였다(Fig.
SWNTs의 표면 모폴로지와 직경 그리고 길이분포를 알고자 SEM과 TEM을 이용하여 관찰하였다(Fig. 1(c)와 (d)).
균일하게 분산된 용액으로부터 고립화된 SWNTs을 분리하기 위하여 초고속 원심분리기(Optima Max-XP, Beckman Coulter, 240,000 g, 4℃에서 1시간)를 사용하여 처리한 후 상층액(70%)만을 채취한 뒤 NIRPL(Fluorolog®-3 spectrofluorometer(HORIBA)을 사용하여 광발광 분광분석을 실시하였다.
이렇게 얻어진 고립화된 (Isolated) SWNTs 분산용액은 습식침지법(필터링 법)으로 버키페이퍼를 제조하였고, schematic 1에서처럼 미리 준비된 1-10 wt% PU 용액을 버키페이퍼 위에 균일하게 코팅함으로써 최종적으로 나노복합필름을 제조하였다. 또한 고분자와 SWNTs-BP의 구조를 한면 우레탄용액 캐스팅, 샌드위치 형태의 양면 용액 캐스팅 후 건조 방법으로 다양한 SWNTs-BP/PU 나노복합필름을 제조하였다.
본 연구에 사용된 SWNTs의 구조를 확인하기 위하여 비파괴 분석방법인 라만 분광분석기(Raman, Renishaw)을 사용하여 514 nm의 레이저 파장에서 시료를 분석하였다.
본 연구에서는 SWNTs를 이용하여 버키페이퍼를 제조시 NMP용매하에서 분산시킨 후 고압 필터링 기기를 이용하여습식 초지법으로 직경이 50 mm 내외인 원형의 SWNTs-BP 를 제조하였다.
본 연구에서는 탄소나노튜브를 유기용매 하에서 초음파와 원심분리기 처리를 통해 균일한 분산용액을 제조한 후이들을 습식초지법(필터링법)으로 튜브간 3차원 네트워크구조를 가지는 얇은 시트(buckypaper)를 성공적으로 제조할 수 있었다. 이때 분산 및 튜브간의 결합력을 증가시키기 위하여 PU을 코팅하여 기계적 물성을 향상시켰으며, 최종적으로 기존 소재(PU)대비 탄성계수는 1360%, 인장강도는 430% 이상 물성이 향상되는 결과를 보였다.
CNTs만을 이용하여 버키페이퍼를 제조하기 위해서는 용매 내에서 초음파 처리등과 같은 방법을 이용하여 균일하게 분산시킨 후, 습식초지법(필터링 법(filtering process))을이용하여 원하는 크기와 두께만큼 필터링을 하게되면 표면이 균일한 시료를 제조할 수 있다. 이때 버키페이버의 밀도와 표면 등이 균일한 시료를 제조하기 위해서는 나노튜브와 용매간의 극성차에 따른 분산도(용해도)가 매우 중요한데, Fig. 2에서 SWNTs(1 mg)를 Ethanol, DI water, DMF, 그리고 NMP의 각각 용매(10 ml)에 첨가한 후 10℃에서 1시간동안 초음파처리(UP50H, ca. 600 W/cm2 )를 한 후 용매에 따른 SWNTs의 분산도를 육안(6시간 동안)으로 관찰하였다.
C에서 1시간과 Bath type 초음파 처리기에서 1시간을 각각 번갈아 가며 2번씩 처리하였다. 이렇게 얻어진 고립화된 (Isolated) SWNTs 분산용액은 습식침지법(필터링 법)으로 버키페이퍼를 제조하였고, schematic 1에서처럼 미리 준비된 1-10 wt% PU 용액을 버키페이퍼 위에 균일하게 코팅함으로써 최종적으로 나노복합필름을 제조하였다. 또한 고분자와 SWNTs-BP의 구조를 한면 우레탄용액 캐스팅, 샌드위치 형태의 양면 용액 캐스팅 후 건조 방법으로 다양한 SWNTs-BP/PU 나노복합필름을 제조하였다.
25 × 15 mm의 내부공간을 갖는 프레임을 제작하고 이 프레임에 앞서 제작한시편을 에폭시 접착제를 이용하여 양 끝을 부착하여 고정시킨 후 측정하였다. 인장시험은 각 샘플당 5회 이상 측정하고 평균값을 구하여 초기 탄성률과 인장강도 및 변형률을 평가하였다.
SWNTs의 벽의 개수와 내부구조를 확인하기 위하여 투과전자현미경(TEM, JEM-2010)을 사용하여 200 kV 전압 하에서 측정하였다. 투과전자현미경을 관찰하기 위하여 시편의 제조방법은 먼저 SWNTs의 경우 미량의 SWNTs 파우더를 초순수 에탄올에 분산시킨 뒤 약 10분간 초음파 처리한후 상층에 균일하게 분산된 용액를 채취하여 TEM 그리드 (grid) 위에 1-2방울 떨어뜨린 후 진공오븐에서 충분히 건조한 후 측정하였다.
한편, SWNTs-BP 내부에 PU이 균일하게 코팅된 시료와 비교하기 위하여 SWNTs-BP의 한쪽 면만 PU을 코팅하거나 양쪽 면을 각각 코팅한 후 80℃에서 건조한 후에 SWNTsBP/PU 나노복합 필름을 제조하여 기계적 물성을 각각 평가하였다(Fig. 3).
대상 데이터
TEM 이미지로부터는 본 연구에 사용된 SWNTs의 외벽의 개수가 1개 이내이고, 평균직경이 1.4-1.7 nm이며, 길이가 10-15 mm 내외인 고결정성 구조로 구성됨을 알 수 있다.
본 연구에서 사용된 단일벽 탄소나노튜브(Single Walled Nanotubes, SWNTs, SA210, 나노솔루션㈜)는 아크 방전(arcdischarge) 법으로 합성된 것으로 1.4~1.7 nm 직경과 5~20 um 길이를 가지며, 순도는 약 95% 이상으로 별도의 정제과정 없이 사용하였다.
습식초지법을 이용하여 제조된 SWNTs-BP의 형태안정성을 유지하고 고강도, 고강성 및 유연성등의 특성을 증대시키고자 바인더로 NMP 용매를 이용하여 1-10 wt%의 농도를 갖는 폴리우레탄를 용액을 제조/준비하였다.
SWNTs-BP/PU의 기계적 특성을 고찰하고자 만능재료시험기 (UTM, Instron UTM 5567A)를 이용하여 ±100 N의 로드셀과 10 mm/min의 속도로 시험을 실시하였다. 시편은 평행부에서 폭 3 mm, 길이 10 mm를 갖는 독본(Dog-bone) 타입을 이용하였으며, 시편의 크기와 동일한 틀에 시료를 올려놓고 펀칭하여 시편을 제작하였다. 25 × 15 mm의 내부공간을 갖는 프레임을 제작하고 이 프레임에 앞서 제작한시편을 에폭시 접착제를 이용하여 양 끝을 부착하여 고정시킨 후 측정하였다.
성능/효과
Fig. 4(a)는 SWNTs-BP 내부에 PU이 균일하게 코팅되어 튜브간의 계면접착력을 증가시켜, 시료를 수직방향으로 인장시 PU과 SWNTs이 강력한 지지력으로 높은 기계적 특성을 나타냈다. 이러한 구조적 특성으로 최종적으로 고강도, 고강성, 그리고 유연한 SWNTs-BP/PU 나노복합필름을 제조할 수 있었다.
Fig. 3으로부터 순수한 SWNTs-BP의 인장강도는 약 9.8 ± 0.6 MPa이고, 순수한 PU의 경우에는 탄성계수와 인장강도는 각각 5 ± 0.05 MPa와 20.5 ± 0.70 MPa이었다.
기계적 물성(인장강도 및 탄성계수)이 다소 부족한 CNTsBP에 고탄성율을 갖는 폴리우레탄을 코팅하여 크게 향상시켰으며, 특히 폴리우레탄의 코팅방법에 따라서 최종 CNTsBP/PU 나노복합필름의 물성 변화를 관찰할 수 있었다. 최종적으로 이러한 구조적인 특성을 이용할 경우 초경량, 고강도 나노복합소재를 제조하는데 기여할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 탄소나노튜브를 유기용매 하에서 초음파와 원심분리기 처리를 통해 균일한 분산용액을 제조한 후이들을 습식초지법(필터링법)으로 튜브간 3차원 네트워크구조를 가지는 얇은 시트(buckypaper)를 성공적으로 제조할 수 있었다. 이때 분산 및 튜브간의 결합력을 증가시키기 위하여 PU을 코팅하여 기계적 물성을 향상시켰으며, 최종적으로 기존 소재(PU)대비 탄성계수는 1360%, 인장강도는 430% 이상 물성이 향상되는 결과를 보였다.
4(a)는 SWNTs-BP 내부에 PU이 균일하게 코팅되어 튜브간의 계면접착력을 증가시켜, 시료를 수직방향으로 인장시 PU과 SWNTs이 강력한 지지력으로 높은 기계적 특성을 나타냈다. 이러한 구조적 특성으로 최종적으로 고강도, 고강성, 그리고 유연한 SWNTs-BP/PU 나노복합필름을 제조할 수 있었다. 반면 Fig.
즉, 초기 탄성계수와 인장강도는 SWNTs-BP의 물성에 영향을 받은 반면, 두 소재간 계면이 분리된 이후에는 PU의물성에 지배를 받아 순수한 SWNTs-BP 비해 신도가 증가한 것으로 해석할 수 있다.
2에서 볼 수 있듯이 물의 경우에는 수분 내에 SWNTs 의 재 응집 현상을 보임을 알 수 있으며, Ethanol 역시도 NMP 와 DMF에 비해 낮은 분산도를 보임을 알 수 있다. 특히12시간 이상 방치하였을 경우에는 NMP에 분산된 SWNTs 용액이 가장 안정적인 분산성을 보였다.
후속연구
기계적 물성(인장강도 및 탄성계수)이 다소 부족한 CNTsBP에 고탄성율을 갖는 폴리우레탄을 코팅하여 크게 향상시켰으며, 특히 폴리우레탄의 코팅방법에 따라서 최종 CNTsBP/PU 나노복합필름의 물성 변화를 관찰할 수 있었다. 최종적으로 이러한 구조적인 특성을 이용할 경우 초경량, 고강도 나노복합소재를 제조하는데 기여할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNTs의 한계점은?
한편, CNTs는 나노미터 정도의 크기를 갖기 때문에 표면적이 매우 넓고, 탄소로 이루어져 있어 열적으로도 매우 안정하며, 역학적 특성과 전기적 특성이 매우 우수함은 익히 알려져 있다. 그러나 나노입자 간의 응집력이 매우 강하기 때문에 용매 또는 고분자 내에서의 분산이 어려워 복합체를 제조할 경우 균일한 샘플과 물성을 얻기 힘들다는 문제가 있으며 이러한 점은 최종적으로 산업화에 높은 진입장벽으로 거론되고 있다.
CNTs buckypaper의 특징은?
CNTs buckypaper란 종이 형태의 거대 응집체로서 CNTs, Graphene, Reduced graphene oxide(RGO) 또는 이들의 하이브리드 형태로의 시트를 제조할 수 있고, 튜브간의 강한 반데르발스 힘(van der Waals force) 상호작용과 높은 표면적으로부터 네트워킹이 형성되어 쉽고 빠르게 제조할 수 있다[10-13].
CNTs buckypaper는 광학적 투명성, 유연성, 높은 열적·전기적 전도도, 큰 표면적과 균일한 표면형상 등의 성질로 광전자소자, 나노복합체, 에너지 변환 및 저장과 같은 다양한분야에 요소재로서 잠재성을 내포하고 있다.
탄소나노튜브를 유기용매 하에서 초음파와 원심분리기 처리로 균일한 분산용액을 제조한 후 어떤 방법으로 얇은 시트를 제조할 수 있는가?
본 연구에서는 탄소나노튜브를 유기용매 하에서 초음파와 원심분리기 처리를 통해 균일한 분산용액을 제조한 후이들을 습식초지법(필터링법)으로 튜브간 3차원 네트워크구조를 가지는 얇은 시트(buckypaper)를 성공적으로 제조할 수 있었다. 이때 분산 및 튜브간의 결합력을 증가시키기 위하여 PU을 코팅하여 기계적 물성을 향상시켰으며, 최종적으로 기존 소재(PU)대비 탄성계수는 1360%, 인장강도는 430% 이상 물성이 향상되는 결과를 보였다.
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