[논문]그래핀 산화물/알지네이트 기반 그라파이트 섬유의 제조 및 특성

임나영; 심진태; 정용식

doi:10.12772/tse.2018.55.407

그래핀 산화물/알지네이트 기반 그라파이트 섬유의 제조 및 특성
Fabrication and Characterization of Graphene Oxide/Alginate-based Graphite Fibers

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.55 no.6, 2018년, pp.407 - 414

임나영 (전북대학교 유기소재파이버공학과) , 심진태 (전북대학교 유기소재파이버공학과) , 정용식 (전북대학교 유기소재파이버공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Graphene oxide can be prepared from graphene by introducing hydrophilic functional groups to facilitate dispersion in water. This process has attracted significant attention for production of fillers for polymer composite materials. Alginate is a natural polymer that can be used as a composite fiber matrix that is industrially applicable and is currently being studied for the development of novel materials. Graphene oxide/alginate composite fibers were prepared with various graphene oxide contents by wet spinning in a calcium chloride coagulation solution. To improve thermal and electrical properties, the graphene oxide/alginate fibers were reduced using hydrogen iodide and acetic acid. After low temperature carbonization over a graphite nickel catalyst, the yield of the carbonized alginate precursor increased from 20.3% to 36.1% upon addition of graphene oxide. After reduction and carbonization, XRD analysis showed the presence of a $2{\theta}=26.4^{\circ}$ peak arising from the (002) plane of the graphite structure. In addition, electrical conductivity increased from 225 to 13575 S/m, indicating that the composite fibers successfully incorporated graphite.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Chemical structure of (a) cellulose, (b) alginate (m: guluronate units, n: mannuronate units).
그림 Figure 2. The tensile strength of the GO/Alg fibers.
그림 Figure 3. Principle of the thinky paste mixer.
그림 Figure 4. Schematic diagram of the wet-spinning process, (a) syringe pump, (b) coagulation bath, (c) washing and drawing baths, and (d) winding.
그림 Figure 5. TGA analysis of the alginate fibers and alginate-Ni catalyst treated GO/Alginate fibers.
그림 Figure 6. FT-IR spectrum of the GO/alginate, r(GO/Alg), and graphite fibers.
표 Table 1. Thermogravimetric analysis data of the alginate and GO/Alg composite fibers
그림 Figure 8. SEM images of the (a) alginate fibers, (b) GO/Alg fibers (10:90), and (c) GO/Alg fibers (20:80).
$Figure 7. (A) X-ray diffraction pattern of alginate and GO/alginate fibers, (B) r(GO/alginate) fibers, and (C) graphite fibers.$ 그림 Figure 7. (A) X-ray diffraction pattern of alginate and GO/alginate fibers, (B) r(GO/alginate) fibers, and (C) graphite fibers.
표 Table 2. XRD characteristics of the fibers with different graphite contents
그림 Figure 9. SEM images of the surface and cross section of (a) r(GO/Alg) fibers (10:90) and (b) r(GO/Alg) fibers (20:80), (c) graphite fibers (10:90), and (d) graphite fibers (20:80).
그림 Figure 10. Electrical resistance of the graphene oxide/alginate fibers after reduction and carbonization.
그림 Figure 11. Electrical conductivity of the GO/alginate fibers after reduction and carbonization.
표 Table 3. Electrical properties of the r(GO/Alg) and graphite fibers

AI 본문요약
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문제 정의

Xia와 Zhu은 2가 금속 이온이 알지네이트 섬유의 난연성, 열분해 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 그 결과 2가 금속이온과의 결합은 알지네이트의 난연성을 향상시키고 열분해 공정에서 기체 생성물을 감소시키며, 니켈이나 구리 이온을 도입하면 낮은 온도에서 알지네이트의 열분해 촉진할 수 있다[11−13].
따라서 본 논문에서는 석유기반 물질 대신 새로운 유형의 물질로써 그래핀 산화물과 알지네이트의 함량에 따라 복합섬유를 제조하여 기존에 연구결과와 비교하여 기계적 특성이 개선된(Figure 2) 탄소계 섬유로서 사용가능성을 검토하고, 환원 및 흑연화 촉매로 저온 탄화하여 전기적 특성이 향상된 그라파이트 섬유 제조실험을 진행하였다.

제안 방법

2. 복합 섬유는 탄소계 섬유로 열적, 전기적 특성을 지니고 있어 TGA 분석을 통해 순수 알지네이트 섬유 및 그래핀 산화물/알지네이트 섬유의 열분해 거동을 확인하였다. 그래핀 산화물 환원을 통해 물성을 향상시키고, 탄화 공정 시 낮은 온도에서 열분해를 촉진시키는 니켈 흑연화 촉매를 첨가하여 복합섬유의 탄화 후 열적 안정성을 확인하였다.
복합 섬유는 탄소계 섬유로 열적, 전기적 특성을 지니고 있어 TGA 분석을 통해 순수 알지네이트 섬유 및 그래핀 산화물/알지네이트 섬유의 열분해 거동을 확인하였다. 그래핀 산화물 환원을 통해 물성을 향상시키고, 탄화 공정 시 낮은 온도에서 열분해를 촉진시키는 니켈 흑연화 촉매를 첨가하여 복합섬유의 탄화 후 열적 안정성을 확인하였다. 20.
)을 가지는 그래핀 산화물을 추가하여 제조하였다. 그래핀 산화물과 알지네이트(GO/Alg)를 조성비 wt%를 기준으로 10:90, 20:80으로 구성하여 방사원액을 제조하였다. 제조된 방사원액은 3시간동안 40^oC 미만의 온도에서 진공 0.
C/min 으로 총 2시간 35분 동안 열처리하였다. 두번째 단계는 승온 속도 3 ^o C/min으로 300 ^o C 부터 800^o C까지 진행했으며 최고 온도에서 1시간 유지시켜 탄화된 그래핀 산화물/알지네이트 복합섬유(graphite fiber)를 제조하였다.
제조된 복합섬유는 그래핀시트의 산소 작용기 포함 수많은 친수성 작용기들을 환원을 통해 제거하고 열적, 전기적 특성을 향상시켰다. 또한 nickel 촉매를 사용하여 낮은 온도에서 열분해를 촉진시켜 800 ^o C의 낮은 탄화 온도에서 그라파이트 섬유를 제조하였다. 제조한 섬유의 특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 낮은 온도에서 흑연화를 촉진하는 촉매로서 nickel 촉매[15]에 침지 후 탄화 공정을 진행하였다.
또한 제조된 섬유의 환원 및 탄화 전/후의 결정성을 분석하기 위해 X-ray 회절(XRD, PW 1700, Philips)을 이용하여 40 kV, 30 mA의 Cu Kα X-ray을조사하여 scan speed 2.4 o / min으로 5−50 o 의 범위를 측정하였다.
노즐을 통해 토출된 방사원액은 상온으로 유지되는 응고욕조 내의 염화칼슘 응고용액을 통과한 후 수세를 거쳐 섬유로 제조되었다. 얻어진 섬유는 12시간 자연건조하였다. Figure 4에 습식 방사 설비 계략도를 나타내었다.
그래핀 산화물/알지네이트 섬유를 탄소 섬유 전구체로 제조하기 위해서는 열처리 공정이 필요하다. 열처리 공정은 배치식 탄화장비(Atmosphere Box Furnace, C-A14P, HANTECH Co., Ltd., Korea)를 이용하여 진행하였다.
제조된 그래핀 산화물/알지네이트 복합섬유의 전기전도도를 측정하기 위해 1 cm의 섬유를 슬라이드글라스 위에 놓고 양 끝을 silver paste로 고정한 뒤, current sorce(Keithley Instruments Inc., model 2420)을 사용하여 측정하였다. 측정 결과 저항 값으로 아래의 계산식을 이용하여 복합섬유의 비저항 값을 구하여 역수로 취한 뒤 전기전도도 값을 구하였다.
물을 천연고분자인 알지네이트와 함께 복합 섬유로 제조하였다. 제조된 복합섬유는 그래핀시트의 산소 작용기 포함 수많은 친수성 작용기들을 환원을 통해 제거하고 열적, 전기적 특성을 향상시켰다. 또한 nickel 촉매를 사용하여 낮은 온도에서 열분해를 촉진시켜 800 ^o C의 낮은 탄화 온도에서 그라파이트 섬유를 제조하였다.
제조된 복합섬유의 환원 전/후 및 탄화 전/후의 구조적 변화를 살펴보기 위해 FT-IR(fourier transform infrared spectorscopy, Spectrum GX; Perkin Elmer Co., USA)을 측정하였다. FT-IR 결과를 Figure 6에 나타내었으며 알지네이 트 섬유의 스펙트럼은 3251 cm^-1에서 -OH stretching에 할당된 넓은 밴드, Ca^²+ 이온과 가교 결합으로 2850−2918 cm^-1에서 C-H stretching의 약한 흡수 피크, 1581 및 1413 cm^-1 에서 Carbonyl (C=O) asymmetric 및 symmetric stretching에 할당된 흡수 피크, 1023 cm^-1에서 C-O-C stretching 흡수 피크를 나타내고 있다.
제조된 섬유의 니켈 촉매 침지 및 그래핀 산화물 함량에 따른 열적 안정성을 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA N 1500, Sinco)을 통해 측정하였다. 승온속도는 10 ^oC/ min으로 질소 분위기하에 30−800 ^o C까지 측정하였으며 결과 값을 Figure 5와 Table 1에 나타내었다.
제조된 알지네이트 용액에 상이한 함량(37 mg ml - ¹, 20 mg ml - ¹)을 가지는 그래핀 산화물을 추가하여 제조하였다.
첫번째 단계는 질소 분위기에서 최종 온도 300 ^o C까지 안정화공정을 진행했으며 승온 속도는 상온에서 150 ^o C까지 5 ^o C/min, 260^o C까지 1 ^o C/min으로 300 ^o C까지는 2^o C/min 으로 총 2시간 35분 동안 열처리하였다. 두번째 단계는 승온 속도 3 ^o C/min으로 300 ^o C 부터 800^o C까지 진행했으며 최고 온도에서 1시간 유지시켜 탄화된 그래핀 산화물/알지네이트 복합섬유(graphite fiber)를 제조하였다.
, model 2420)을 사용하여 측정하였다. 측정 결과 저항 값으로 아래의 계산식을 이용하여 복합섬유의 비저항 값을 구하여 역수로 취한 뒤 전기전도도 값을 구하였다.

대상 데이터

물을 천연고분자인 알지네이트와 함께 복합 섬유로 제조하였다. 제조된 복합섬유는 그래핀시트의 산소 작용기 포함 수많은 친수성 작용기들을 환원을 통해 제거하고 열적, 전기적 특성을 향상시켰다.
실험에서 사용된 그래핀 산화물은 서울대학교 차세대 융합기술연구원에서 제공받아 사용하였고, 알지네이트는 흰색 분말상태의 제품(sodium alginate, 파이버엔텍, Korea)을 사용하였다. 습식 방사의 응고욕은 염화칼슘(calcium chloride anhydrous, DAEJUNG, Korea)을 사용하였고, 그래핀 산화물/알지네이트 섬유 환원을 위한 조제로 아세트산(Samchun Pure Chemical, Co., Ltd., Korea)과 요오드화수소(Yakuri Pure Chemical, Co., Ltd., Japan)를 사용하였다. 저온에서 흑연화 촉진 반응을 유도하기 위해 니켈(nickel(II) acetate tetrahydrate, Sigma Aldrich, Germany) 수용액을 사용하였다.
실험에서 사용된 그래핀 산화물은 서울대학교 차세대 융합기술연구원에서 제공받아 사용하였고, 알지네이트는 흰색 분말상태의 제품(sodium alginate, 파이버엔텍, Korea)을 사용하였다.
, Japan)를 사용하였다. 저온에서 흑연화 촉진 반응을 유도하기 위해 니켈(nickel(II) acetate tetrahydrate, Sigma Aldrich, Germany) 수용액을 사용하였다.
따라서 환원을 통해 작용기들을 제거하여 물성을 향상시킨다. 환원의 조제로는 요오드화수소와 아세트산[14] 하에서 진행하여 환원된 그래핀 산화물/알지네이트 복합섬유[r(GO/Alg)]를 제조하였다.

성능/효과

1. 물을 용매로 그래핀 산화물과 알지네이트를 혼합하여 그래핀 산화물:알지네이트 함량비가 10:90, 20:80인 방사원액을 만들어 습식방사를 통해 기존 알지네이트에 비해 그래핀 산화물 첨가로 향상된 280 MPa의 인장강도 값을 얻었다.
그래핀 산화물 환원을 통해 물성을 향상시키고, 탄화 공정 시 낮은 온도에서 열분해를 촉진시키는 니켈 흑연화 촉매를 첨가하여 복합섬유의 탄화 후 열적 안정성을 확인하였다. 20.3%의 탄화 수율을 보이는 알지네이트 프리커서는 그래핀 산화물이 첨가됨으로써 36.1%까지 증가하였다.
3. 제조된 복합섬유는 FT-IR 측정을 통해 환원과 탄화 후 그래핀 산화물의 친수성 작용기가 제거된 것을 확인하였고, X-ray 회절을 통해 탄화 후, 복합섬유의 2θ=26.4 o 로 peak가 성장하여 흑연구조를 나타내는 것을 확인하였다.
4. 환원 처리 전에는 전기 저항이 높아 측정되지 않았지만 환원 이후 저항 측정에서 전기전도성은 최대 225 S/m, 탄화 후 13575 S/m로 현저하게 향상된 전기 전도도값을 확인할 수 있었다.
5. 알지네이트 섬유에 그래핀 산화물의 함량이 증가할수록, 열적 안정성, 전기적 특성이 향상되고, 환원 및 탄화를 통해 전기적 특성이 뛰어나 센서로 응용할 수 있는 그라파이트 섬유를 제조하였다.
그 결과 2가 금속이온과의 결합은 알지네이트의 난연성을 향상시키고 열분해 공정에서 기체 생성물을 감소시키며, 니켈이나 구리 이온을 도입하면 낮은 온도에서 알지네이트의 열분해 촉진할 수 있다[11−13].
또한 알지네이트섬유에 그래핀산화물의 함량이 증가될수록 2θ=21.3 o 의 피크가 나타나 비정질 탄소구조가 형성되었음을 나타냈다.
환원전 전기 저항 측정에서 저항이 너무 높아 복합섬유의 저항 측정이 불가하였으나, 환원 후의 복합섬유의 전기 저항 값은 42194 Ωhm으로 측정되었고, 탄화 후의 저항 값은 그래핀 함량이 더 많은 20:80에서 732 Ωhm으로 더 낮게 측정되었다. 전기적 특성이 뛰어난 그라파이트 섬유를 제조하기 위해 탄화 공정을 거친 복합섬유의 저항을 측정한 결과 탄화 전과 비교 시 낮은 전기 저항 값이 측정되었다. 이것은 탄화 이후 산소를 포함한 많은 작용기들이 제거되고 sp² 구조가 생성되어 뛰어난 전기적 특성이 향상된 것으로 판단된다.
환원전 전기 저항 측정에서 저항이 너무 높아 복합섬유의 저항 측정이 불가하였으나, 환원 후의 복합섬유의 전기 저항 값은 42194 Ωhm으로 측정되었고, 탄화 후의 저항 값은 그래핀 함량이 더 많은 20:80에서 732 Ωhm으로 더 낮게 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀은 어떤 형태를 가지고 있는가?	최근 몇 년 동안, 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀은 차세대 신소재로 기술개발이 본격화되고 있으며, 이를 플랫폼으로 하는 산업 생태계를 구축하여 새로운 가치 창출의 경 쟁이 치열해지고있다. 이 중 그래핀은 가장 매력적인 탄소 기반 소재로 수십 마이크로미터에서 서브밀리미터까지 확장된 측면 크기를 갖는 2D 탄소 단결정 형태로 이루고 있으며, 탄소 섬유의 그라파이트 구조에 있는 하위 구조의 크기(20 nm 이하)보다 훨씬 큰 형태를 띠고 있다. 일반적으로 그라파이트 결정 크기의 조정은 섬유의 결합 성능을 향상시키는 것으로 알려져 있으며, 거시적인 섬유에 그래핀 삽입을 통하여 매우 큰 장 범위의 공유 결합된 결정을 형성할 수 있으며, 측면방향의 결정 입계를 제거하여 기존 탄소계 섬유의 한계에서 돌파구를 가져올 수 있다[1].
	천연 중합체 중 알지네이트의 특징은 무엇인가?	그 중 알지네이트(alginate, Alg)는 천연 다당류 고분자로 독성이 없어 약물, 화장품, 창상 드레싱제 등에 널리 쓰이며, 수용성인 소듐 알지네이트 형태로 주로 이용된다. Figure 1에 셀룰로스와 알지네이트의 화학구조식을 나타내었다.
	탄소 섬유는 어떤 물질인가?	4차 산업 혁명에 따라 새로운 산업시장 형성이 빠른 속도로 촉진되고 그 변화의 흐름 속에서 다양한 양상으로 진화중이다. 탄소 섬유는 탄소물질로서 흑연 결정 구조를 가 지며, 뛰어난 열적·전기적·기계적 성질을 가지고 있기 때문에 다양한 첨단 기술 분야에 활용할 수 있는 신소재이다. 일반적으로 PAN, pitch, 셀룰로스 등이 탄소 섬유의 주 프 리커서로 사용되고 있으며, 중합 및 방사 공정을 통하여 프리커서를 제조한 후 고온의 탄화 및 흑연화 공정을 통해 제조된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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