[논문]폴리아크릴로니트릴 기반 3D 탄소나노섬유 스펀지의 제조 및 오일 흡착 특성

주혜원; 강진혁; 박종호; 고재경; 국윤수; 남창우; 김병석

doi:10.7234/composres.2023.36.3.217

[국내논문] 폴리아크릴로니트릴 기반 3D 탄소나노섬유 스펀지의 제조 및 오일 흡착 특성
Preparation and Oil Absorption Properties of PAN Based 3D Shaped Carbon Nanofiber Sponge 원문보기

Composites research = 복합재료, v.36 no.3, 2023년, pp.217 - 223

주혜원 (Research & Business Development Division, CAMTIC Advanced Mechatronics Technology Institute for Commercialization) , 강진혁 (Department of Organic Materials and Textile Engineering, Jeonbuk National University) , 박종호 (Research & Development Division, Korea Carbon Industry Promotion Agency) , 고재경 (Carbon Composite Energy Nanomaterials Research Center, Woosuk University) , 국윤수 (Research & Development Division, Korea Carbon Industry Promotion Agency) , 남창우 (Department of Organic Materials and Textile Engineering, Jeonbuk National University) , 김병석 (Department of Organic Materials and Textile Engineering, Jeonbuk National University)

초록
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본 연구에서는 폴리아크릴로니트릴계 탄소나노섬유 스펀지의 제조 및 오일 흡착 거동을 조사하였다. 제조된 탄소나노섬유 스펀지는 물과 기름의 혼합용액에서 우수한 선택적 오일 흡착 능력을 보였으며, 탄소나노섬유 스펀지의 재사용시 흡착 능력도 확인하였다. 또한, 흡착제 내부구조에 정렬된 채널을 형성함으로써, 모세관 현상에 의하여 빠른 오일 흡착 거동을 보이는 탄소나노섬유 스펀지를 제조할 수 있었다. 이후 사용 폐기된 탄소나노섬유 스펀지는 질소 분위기에서 800℃로 열처리하여, 4-아미노페놀의 전기화학적 검출을 위한 센서로의 가능성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the preparation and its oil adsorption behavior of polyacrylonitrile-based carbon nanofiber sponge were investigated. The prepared carbon sponges showed excellent selective oil adsorption in the mixture of water and oil, and the adsorption capacity of reused carbon nanofiber sponge was also investigated. Further, carbon nanofiber sponge adsorbent with internally structured channel showed fast oil adsorption behavior due to a capillary phenomenon. After use, sponge adsorbent was heat-treated at 800℃ under N2 and studied the possibility of a sensor for electrochemical detection of 4-aminophenol.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. FT-IR spectra of carbon nanofiber sponges without (top) and with (bottom) the PUD treatment
그림 Fig. 2. XPS spectra of the carbon nanofiber sponges without (a, bottom) and with (a, top) the polysiloxane treatment
그림 Fig. 3. FE-SEM images of (a) carbon nanofibers and (b, c) carbon nanofiber sponge. (d) Photograph of cube carbon nanofiber sponge
그림 Fig. 5. Reusability test for cyclic adsorption capacity of common oils (toluene, chloroform, and N-hexane) by the carbon nanofiber sponge
그림 Fig. 4. (a) Absorption of chloroform sank into the bottom of water by the carbon nanofiber sponge. (b) Absorption of diesel flowing on the water surface by the carbon nanofiber sponge
표 Table 1. Chemical information of toluene, chloroform and N-hexane
그림 Fig. 6. FE-SEM images showing (a) random pores and (b) aligned channels. Absorption and separation process of chloroform for the carbon nanofiber sponges with (c) random pore and (d) aligned channel structures
그림 Fig. 7. (a) Nitrogen adsorption and desorption isotherms and (b) Raman spectrum of the carbon nanofiber sponge (C-800) carbonized at 800ºC
그림 Fig. 8. (a) CVs and (b) EIS response of the bare electrode and carbon nanofiber sponge modified electrode in presence of 1 mM[Fe(CN)₆]^3-/4- as redox probe in 0.1 M KCl. (c) CVs recorded at scan rate of 10 mV s^-1 in the potential window between -0.2 to 0.4 V in presence of 100 μM of 4-aminophenol (phosphate buffer solution ~ pH 7.0). (d) CVs obtained at different scan rates from 10-100 mV s^-1 at the carbon nanofiber sponge modified electrode in 100 μM of 4-aminophenol
표 Table 2. Textural properties of the carbon nanofiber sponge (C-800) carbonized at 800ºC

AI 본문요약
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제안 방법

그 후 영하 80ºC 조건에서 3일간 동결건조를 실시하여 정렬된 채널을 갖는 탄소나노섬유 스펀지를 제조하였다.
10 mL 용량의 실린지에 제조된 폴리아크릴로니트릴/디메틸설폭사이드 용액을 주입하고, 15 kV의 전압을 인가하여 약 24시간 동안 전기방사를 실시하였다. 이후, 제조된 폴리아크릴로 니트릴 나노섬유에 열을 가하여 안정화 및 탄화 과정을 거쳐 탄소나노섬유를 제조하였다. 여기서, 안정화는 공기분위기에서 1ºC/분의 속도로 220ºC까지 온도를 올린 후 5시간을 유지하였고, 탄화는 질소분위기에서 5ºC/분의 속도로 1,100ºC까지 온도를 올린 후 0.
예비동결 과정에서 온도구배에 따른 얼음결정 성장 방향에 따라 결정되는 랜덤한 구조와 정렬된 채널을 볼 수 있다. 본 연구에서는 정렬된 채널을 형성하는 탄소나노섬유 스펀지를 제작하기 위한 방법으로 동판 위에 실리콘 몰드를 부착시킨 후 교반 된 용액을 실리콘 몰드 안에 넣고 액화질소가 충전된 박스 안에 동판을 넣어 용액이 빠른 속도로 동결될 수 있도록 하였다. 그 후 영하 80ºC 조건에서 3일간 동결건조를 실시하여 정렬된 채널을 갖는 탄소나노섬유 스펀지를 제조하였다.
제조된 탄소나노섬유 스펀지의 오일 흡착 특성은 톨루엔, 클로로포름, 노말헥산에 1분간 침지하여 무게 변화를 통해 흡착량을 측정하였다. 오일 흡착 성능과 시간을 알아보고자 플라스크에 Red O로 착색된 경유(Oil Red O)을 준비하였다.
정렬된 채널이 형성된 탄소나노섬유 스펀지와 랜덤 기공구조를 갖는 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 속도를 평가하기 위해 Oil Red O로 염색된 클로로포름 40 mL를 사각 유리 수조에 담아 준비하고, 두 샘플을 1초 동안 침지 후 제거하여 사각 유리 수조에 남은 클로로포름의 용량을 측정하여 평가하였다.
오일 흡착 특성은 탄소나노섬유 스펀지를 톨루엔, 클로로포름 그리고 노말헥산에 1분간 침지하여 무게 변화를 통해 흡착 능력을 측정하였고, 재사용성을 확인하기 위해 130ºC에서 24시간 건조 후 5회 반복 실험을 하였다
본 연구를 통해 제조된 탄소나노섬유와 3D 탄소나노섬유 스펀지의 형태를 전계방출주사전자현미경을 통해 관찰하였다. 동결건조가 완료된 탄소나노섬유 스펀지의 단면은 탄소나노섬유가 얽혀 거대한 벌집 모양의 구조를 나타내었다(Fig.
3(a-d)). 동결 건조 후 만들어진 탄소나노섬유 스펀지의 젖음성 특성을 확인하고자, 탄소나노섬유와 탄소나노섬유 스펀지 각각에 증류수 물방울을 낙하하여 접촉각 테스트를 진행하였다. 실험 결과 탄소나노섬유의 접촉각은 115 ± 1°였으며, 탄소나노섬유 스펀지의 접촉각은 135 ± 1°를 확인할 수 있었다.
6(a-b)). 정렬된 채널이 형성된 탄소나노섬유 스펀지와 랜덤 구조를 갖는 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 속도를 가시적으로 평가하기 위해 Oil Red O로 염색된 클로로포름 40 mL를 사각 유리 수조에 담아 그 결과를 평가하였다. 40 mL가 담긴 유리 수조에서 클로로포름의 높이는 30 mm이다.
최근 사회와 산업 발달로 인한 기름 유출 문제를 해결할 수 있는 방법의 하나로 폴리아크릴로니트릴(PAN) 기반 전기방사법과 동결 건조 기술을 사용하여 3D 구조를 가지는 탄소나노섬유 스펀지를 제조하였다. 적외선분광분석기, X-선 광전자분광법, 전계방출주사전자현미경 분석을 통해 탄소나노섬유 스펀지에 사용한 분산제, 바인더, 첨가제가 안정적으로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
적외선분광분석기, X-선 광전자분광법, 전계방출주사전자현미경 분석을 통해 탄소나노섬유 스펀지에 사용한 분산제, 바인더, 첨가제가 안정적으로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 또, 물과 기름이 혼합된 용액 안에서의 선택적 흡착 능력을 확인할 수 있었으며, 세 종류 유기용매의 흡착 능력과 재사용 시 흡착 능력을 확인하였다. 그 결과 최대 흡착 용량은 톨루엔 기준 46.

데이터처리

화학구조를 확인하기 위하여 적외선분광분석법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)과 X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하였다. 제조된 탄소나노섬유와 탄소나노섬유 스펀지의 표면 형태는 전계방출주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)으로 분석하였다. 탄소나노섬유 스펀지의 젖음성은 접촉각 측정기(contact angle goniometer, L2004A1, Ossila Ltd.
폴리실록산(polysiloxane)이 처리된 것을 확인하기 위해서 X-선 광전자분광 분석 비교를 진행했고, 데이터에서 Si 피크 발현을 통해 실록산이 전구체에 결합된 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2).

이론/모형

본 연구의 탄소나노섬유 스펀지를 만들기 위해, 먼저 전기방사법을 이용하여 탄소나노섬유를 제조하였다. 10 mL 용량의 실린지에 제조된 폴리아크릴로니트릴/디메틸설폭사이드 용액을 주입하고, 15 kV의 전압을 인가하여 약 24시간 동안 전기방사를 실시하였다.
화학구조를 확인하기 위하여 적외선분광분석법(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)과 X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하였다. 제조된 탄소나노섬유와 탄소나노섬유 스펀지의 표면 형태는 전계방출주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope, FE-SEM)으로 분석하였다.

성능/효과

실험 결과 탄소나노섬유의 접촉각은 115 ± 1°였으며, 탄소나노섬유 스펀지의 접촉각은 135 ± 1°를 확인할 수 있었다
실험 결과 탄소나노섬유의 접촉각은 115 ± 1°였으며, 탄소나노섬유 스펀지의 접촉각은 135 ± 1°를 확인할 수 있었다. 즉, 탄소나노섬유 스펀지를 구성하는 탄소나노섬유가 소수성인 폴리실록산 층으로 덮이게 되어 소수성이 발현된 것을 확인할 수 있었다.
증류수 300 mL 안에 Oil Red O로 염색된 클로로포름을 넣고 증류수 안에서 클로로포름의 선택적 흡수 성능을 확인하였다. 그 결과 증류수 300 mL로 채워진 비이커의 바닥으로부터 클로로포름을 빠르게 흡착하여 물이 아닌 유기 용매에 선택적 흡착성을 가짐을 확인할 수 있었다(Fig. 4(a)).
다음으로 동결 건조를 통해 얻은 탄소나노섬유 스펀지에 대하여 오일 흡착 특성을 보여준다. 플라스크에 Oil Red O로 염색된 경유의 흡착을 1초~8초까지 관찰하였고, 경유는 4초부터 관찰되지 않아 탄소나노섬유 스펀지 안으로 빠르게 흡착되었음을 알 수 있었다(Fig. 4(b)).
또, 흡착 후 탄소나노섬유 스펀지를 130ºC에서 24시간 건조 후 동일한 조건에서 5회 반복 흡착한 결과 클로로포름 기준으로 2회는 흡착 용량이 1회 흡착용량에 비해 30.21 g/g(54%)으로 감소하였지만, 그 후 흡착용량이 일정하게 유지되었으며 이는 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 효과가 후속 테스트에서 현저하게 변하지 않음을 나타내었다(Fig
탄소나노섬유 스펀지의 1회 흡착 용량은 톨루엔에서 46.04 g/g의 흡착용량을 나타내었고, 고비중 클로로포름의 경우 최대 흡착 용량인 55.69 g/g을 나타내었으며 저비중 노말헥산에서 최소 흡착 용량인 39.46 g/g을 나타내었다. 기름 흡착 용량은 유기 화학 물질의 밀도와 관련된 관계를 직접적으로 보여주었다.
탄소나노섬유 스펀지를 1초 동안 침지 후 제거하여 플라스크에 남은 클로로포름의 용량을 측정하였다. 그 결과 클로로포름 흡착 후 남은 용액의 높이는 랜덤 구조를 갖는 탄소나노섬유 스펀지에서 29 mm를 확인하였고, 정렬된 채널을 가진 탄소나노섬유 스펀지에서 26 mm를 가시적으로 확인할 수 있었다. 흡착제 내부 기공구조의 채널이 정렬된 경우, 내부 굴곡률이 감소하여 모세관 현상 강화를 통해 빠른 기름 흡착이 가능했다(Fig.
즉, 800ºC에서 열처리한 탄소나노섬유 스펀지는 순환전압전류곡선 곡선을 통해 4-아미노페놀의 우수한 센싱 특성을 나타내어, 전기화학 센서로서 사용될 수 있음을 확인하였다.
최근 사회와 산업 발달로 인한 기름 유출 문제를 해결할 수 있는 방법의 하나로 폴리아크릴로니트릴(PAN) 기반 전기방사법과 동결 건조 기술을 사용하여 3D 구조를 가지는 탄소나노섬유 스펀지를 제조하였다. 적외선분광분석기, X-선 광전자분광법, 전계방출주사전자현미경 분석을 통해 탄소나노섬유 스펀지에 사용한 분산제, 바인더, 첨가제가 안정적으로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 또, 물과 기름이 혼합된 용액 안에서의 선택적 흡착 능력을 확인할 수 있었으며, 세 종류 유기용매의 흡착 능력과 재사용 시 흡착 능력을 확인하였다.
또, 물과 기름이 혼합된 용액 안에서의 선택적 흡착 능력을 확인할 수 있었으며, 세 종류 유기용매의 흡착 능력과 재사용 시 흡착 능력을 확인하였다. 그 결과 최대 흡착 용량은 톨루엔 기준 46.06 g/g이었으며 2회 흡착 시 흡착 용량이 64%로 감소했지만 3회부터 5회까지는 흡착 용량이 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 랜덤 구조와 정렬된 구조를 갖는 각각의 흡착제 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 속도를 측정하였으며, 특히 내부 구조의 채널을 정렬된 경우 내부 굴곡률이 감소하여 모세관 현상 강화를 통해 빠른 흡착이 가능하다고 판단되었다.
06 g/g이었으며 2회 흡착 시 흡착 용량이 64%로 감소했지만 3회부터 5회까지는 흡착 용량이 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 랜덤 구조와 정렬된 구조를 갖는 각각의 흡착제 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 속도를 측정하였으며, 특히 내부 구조의 채널을 정렬된 경우 내부 굴곡률이 감소하여 모세관 현상 강화를 통해 빠른 흡착이 가능하다고 판단되었다. 환경과 재활용 측면에서 흡착 테스트 후 탄소나노섬유 스펀지를 폐기하지 않고, 전기화학 소재로 재활용 할 수 있는 가능성을 확인하였다.
랜덤 구조와 정렬된 구조를 갖는 각각의 흡착제 탄소나노섬유 스펀지의 흡착 속도를 측정하였으며, 특히 내부 구조의 채널을 정렬된 경우 내부 굴곡률이 감소하여 모세관 현상 강화를 통해 빠른 흡착이 가능하다고 판단되었다. 환경과 재활용 측면에서 흡착 테스트 후 탄소나노섬유 스펀지를 폐기하지 않고, 전기화학 소재로 재활용 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 즉, 800ºC에서 열처리한 탄소나노섬유 스펀지는 순환전압전류곡선 곡선을 통해 4-아미노페놀의 우수한 센싱 특성을 나타내어, 전기화학 센서로서 사용될 수 있음을 확인하였다.

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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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