KR101384815B1 - Carbon Nano Structure with High Electrical Conductivity And Dispersibility, Method For Preparing The Same And Polymer Composite Containing The Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전기전도성 및 고분산성 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)의 상기 아미노기에 폴리페닐아민이 결합되고, 이 결합된 폴리페닐아민이 상기 탄소나노튜브를 덮고 있는 고전기전도성 및 고분산성 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 폴리아닐린을 탄소나노튜브와 공유결합시켜 전기전도도, 분산성 및 용해도 등이 크게 향상된 탄소 나노 구조체 및 폴리페닐아민을 덮은 탄소나노구조체 등을 제공하는 효과가 있다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high-conductivity and highly-dispersible carbon nanostructure, a method for producing the same, and a polymer composite comprising the same. More particularly, the present invention relates to a carbon nanotube having an amino group substituted with N- (aminoaryl) The present invention relates to a high-conductivity and high-dispersibility carbon nanostructure in which a polyphenylamine is bonded and the bound polyphenylamine covers the carbon nanotube, a production method thereof, and a polymer composite containing the same.
According to the present invention, there is provided an effect of covalently bonding polyaniline to a carbon nanotube to provide a carbon nanostructure having greatly improved electrical conductivity, dispersibility, and solubility, and a carbon nanostructure covering polyphenylamine.

Figure R1020130049979
Figure R1020130049979

Description

고전기전도성 및 고분산성 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체{Carbon Nano Structure with High Electrical Conductivity And Dispersibility, Method For Preparing The Same And Polymer Composite Containing The Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-conductivity and high-dispersity carbon nanostructure, a method for producing the same, and a polymer composite containing the same,

본 발명은 고전기전도성 및 고분산성 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리아닐린을 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes; 이하 'CNT'라고 한다)와 공유결합시켜 전기전도도, 분산성 및 용해도 등이 크게 향상된 탄소 나노 구조체 및 폴리페닐아민을 덮은 탄소나노구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a high electroconductive and highly dispersible carbon nanostructure, a method for preparing the same, and a polymer composite including the same. More specifically, the polyaniline is covalently bonded with carbon nanotubes (hereinafter referred to as 'CNT') to provide electricity. The present invention relates to a carbon nanostructure and a carbon nanostructure covering a polyphenylamine, a method of preparing the same, and a polymer composite including the same, having significantly improved conductivity, dispersibility, and solubility.

폴리아닐린(Polyaniline; PANI)은 가공성, 안정성, 경제성, 기계적 물성, 전도성이 우수하여 다양한 분야로 응용 가능성이 큰 후보 물질로 인식되었다(Cardillo, L.; wift, D.; Meritt, J. J Imaging Sci Technol 1998, 42,300. 및 Travers, J. P. Synth Met 1990, 35, 159. 참조). Polyaniline (PANI) was recognized as a candidate substance having a high applicability in various fields due to its excellent processability, stability, economical efficiency, mechanical properties and conductivity (Cardillo, L .; Wift, D .; Meritt, J. J Imaging Sci Technol 1998, 42, 300 and Travers, JP Synth Met 1990, 35, 159.).

상기 폴리아닐린은 고분자 합성 과정에서 산화 상태에 따라 다양한 분자구조를 갖게 되며, 중간 정도의 산화 상태를 갖는 에머랄딘 염기(EB)에 양성자산을 도핑함으로써 전기전도도가 증가하게 된다. 이때 양성자산이 도핑되어 생성되는 에머랄딘 염(ES)의 구조는 금속에서 전도성을 설명하는 자유전자 혹은 홀의 개념이 아니라 부분적으로 하전을 띤 입자들(라디칼 양이온)이 분자 내 공액 구조 사슬을 통해 비편재화 되는 1차원적인 전기전도도 메카니즘을 갖는다(J. M. Ginder, A. F. Richter, A. G. MacDiamid, and A. J. Epstein, SolidStateCommun. 참조). 하지만 금속 수준의 전기전도도 구현에는 한계가 있다.The polyaniline has a variety of molecular structures depending on the oxidation state during the synthesis of the polymer, and the electric conductivity is increased by doping a positive property to the emeraldine base (EB) having a medium oxidation state. The structure of the emeraldine salt (ES) formed by doping the amorphous material is not a concept of free electrons or holes, which explains the conductivity in metal, but the partially charged particles (radical cation) (JM Ginder, AF Richter, AG MacDiamid, and AJ Epstein, SolidStateCommun.). However, there are limits to the implementation of metal-level electrical conductivity.

상기와 같은 문제점을 보완하고자 직선형의 높은 분자량을 가지는 고분자를 합성하기 위하여 낮은 온도의 반응조건과 산화제 첨가시간의 조절을 통하여 더 높은 전기전도도를 가지는 폴리아닐린의 합성방법을 개시하고 있으나, 이와 같은 방법으로 합성하여도 금속 또는 금속적인 성질을 갖는 탄소나노튜브 수준의 전기전도도 구현에는 한계가 있다.In order to overcome the above problems, a method of synthesizing polyaniline having higher electrical conductivity through controlling the reaction conditions at a low temperature and the addition time of the oxidant to synthesize a linear high molecular weight polymer has been disclosed. However, There is a limitation in realizing the electrical conductivity at the level of carbon nanotubes having metal or metal properties even when synthesized.

또한, 상기 탄소나노튜브는 전기적, 열적, 기계적으로 매우 우수한 성질을 가지고 있으나, 미세분말 상태인 구조적인 특징으로 가공성, 분산성 등이 열악하여(Breuer, O.; Sundararaj, U. Polymer Composites 2004, 25, 630-645. Dalton, A. B.; Stephan, C.; Coleman, J. N.; McCarthy, B.; Ajayan, P. M.; Lefrant, S.; Bernier, P.; Blau, W. J.; Byrne, H. J. The Journal of Physical Chemistry B 2000, 104, 10012-10016. 참조) 그 자체로 사용되기 어려운 문제가 있다.Although the carbon nanotubes have excellent properties in terms of electrical, thermal and mechanical properties, they are inferior in processability and dispersibility due to their structural characteristics in a fine powder state (Breuer, O., Sundararaj, U. Polymer Composites 2004, 25 , 630-645. Blau, WJ; Byrne, HJ The Journal of Physical Chemistry < RTI ID = 0.0 > B 2000, 104 , 10012-10016.) There is a problem that is difficult to use by itself.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 폴리아닐린을 탄소나노튜브와 공유결합시켜 전기전도도, 분산성 및 용해도 등이 크게 향상된 고전기전도성 및 고분산성의 탄소 나노 구조체 및 폴리페닐아민을 덮은 탄소나노구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is covalently bonded to polyaniline with carbon nanotubes, the carbon covering the high conductivity and high dispersibility carbon nanostructures and polyphenylamines greatly improved electrical conductivity, dispersibility and solubility, etc. An object of the present invention is to provide a nanostructure, a method for preparing the same, and a polymer composite including the same.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.These and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described below.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 N-(아미노아릴) 아마이드기로 치환된 탄소나노튜브 (Carbon Nanotubes)의 상기 아미노기에 폴리페닐아민이 결합되고, 이 결합된 폴리페닐아민이 상기 탄소나노튜브를 덮고 있는 것을 특징으로 하는 고전기전도성 및 고분산성의 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a polyphenylamine is bonded to the amino group of the carbon nanotubes (Carbon Nanotubes) substituted with an N- (aminoaryl) amide group, the bonded polyphenylamine is a carbon nanotube It provides a high-conductivity and highly dispersible carbon nanostructure, a method for producing the same, and a polymer composite comprising the same.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 폴리아닐린을 탄소나노튜브와 공유결합시켜 전기전도도, 분산성, 가공성 및 용해도 등이 크게 향상된 고전기전도성 및 고분산성의 탄소 나노 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고분자 복합체를 제공하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the polyaniline is covalently bonded with carbon nanotubes, and thus, the high conductivity and high dispersibility of the carbon nanostructures having greatly improved electric conductivity, dispersibility, processability, and solubility, a method for preparing the same, and a polymer comprising the same It has the effect of providing a complex.

도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노 구조체의 제조 절차도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폴리페닐아민 염과 염기의 구조도이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진이다.
도 5는 실시예 5에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진이다.
도 6은 실시예 6에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진이다.
도 8은 비교예 2에서 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진이다.
도 9는 비교예 3에서 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진이다.
도 10은 비교예 4에서 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진이다.
도 11은 실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체를 물과 에탄올 각각에 분산시킨 다음, 안정화에 필요한 소정 시간 경과 후 촬영한 사진이다.
도 12는 실시예 2에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI 탄소 나노 구조체를 물과 에탄올 각각에 분산시킨 다음, 안정화에 필요한 소정 시간 경과 후 촬영한 사진이다.
도 13은 실시예 3에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI-에머랄딘 염(ES) 탄소 나노 구조체를 물과 에탄올 각각에 분산시킨 다음, 안정화에 필요한 소정 시간 경과 후 촬영한 사진이다.
도 14는 실시예 4에서 제조된 본 발명에 따른 CNT-PANI-에머랄딘 염(ES) 탄소 나노 구조체를 물과 에탄올 각각에 분산시킨 다음, 안정화에 필요한 소정 시간 경과 후 촬영한 사진이다.
1 is a flow chart of a process for producing a carbon nanostructure according to the present invention.
2 is a structural view of a polyphenylamine salt and a base according to the present invention.
3 is a TEM photograph of a CNT-PANI carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 1. FIG.
4 is a TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 2. FIG.
5 is a TEM photograph of a CNT-PANI carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 5. FIG.
Figure 6 is a TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructures according to the present invention prepared in Example 6.
7 is a TEM photograph of the CNT / PANI composite prepared in Comparative Example 1.
8 is a TEM photograph of the CNT / PANI complex prepared in Comparative Example 2.
9 is a TEM photograph of the CNT / PANI composite prepared in Comparative Example 3. FIG.
10 is a TEM photograph of the CNT / PANI composite prepared in Comparative Example 4.
11 is a photograph of CNT-PANI carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 1 dispersed in water and ethanol, and then taken after a predetermined time required for stabilization.
Figure 12 is a CNT-PANI carbon nanostructures according to the present invention prepared in Example 2 is dispersed in each of water and ethanol, and then taken after a predetermined time required for stabilization.
FIG. 13 is a photograph of CNT-PANI-emeraldine salt (ES) carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 3 dispersed in water and ethanol, and then taken after a predetermined time required for stabilization.
14 is a photograph of CNT-PANI-emeraldine salt (ES) carbon nanostructure according to the present invention prepared in Example 4 dispersed in water and ethanol, and then taken after a predetermined time required for stabilization.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 고전기전도성 및 고분산성 탄소 나노 구조체는 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)의 상기 아미노기에 폴리페닐아민이 결합되고, 이 결합된 폴리페닐아민이 상기 탄소나노튜브를 덥고 있는 것을 특징으로 한다.The high electroconductive and highly dispersible carbon nanostructure of the present invention is a polyphenylamine is bonded to the amino group of carbon nanotubes substituted with N- (aminoaryl) amide groups, and the polyphenylamine is bonded to the carbon nano It is characterized by warming the tube.

상기 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브는 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것일 수 있고, 바람직하게는 정적영속길이(static bending persistence)가 100 내지 800㎚인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것이다.The carbon nanotubes substituted with the N- (aminoaryl) amide group may be carbon nanotubes including a form of a rigid random coil having a static bending persistence of 800 nm or less, preferably It is a carbon nanotube including a rigid random coil form having a static bending persistence of 100 to 800 nm.

상기 N-(아미노아릴)아마이드기는 N-(4-아미노페닐)아마이드기인 것이 바람직한데, 이 경우 페닐아민과의 중합이 용이하고, 연결되는 폴리페닐아민이 탄소나노튜브의 표면을 잘 감싸게 되는 효과가 있다. It is preferable that the N- (aminoaryl) amide group is an N- (4-aminophenyl) amide group. In this case, polymerization with the phenylamine is facilitated and the polyphenylamine to be connected wraps the surface of the carbon nanotube well .

상기 폴리페닐아민은 폴리아닐린인 것이 바람직한데, 이 경우 제조되는 탄소 나노 구조체가 가공성, 기계적 물성, 전도성 및 분산성 등이 우수한 효과가 있다.The polyphenylamine is preferably polyaniline. In this case, the carbon nanostructure produced has excellent processability, mechanical properties, conductivity and dispersibility.

상기 N-(아미노아릴)아마이드기는 탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 6 내지 8중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 이 경우 폴리페닐아민이 탄소나노튜브의 표면을 잘 감싸게 되는 효과가 있다.The N- (aminoaryl) amide group is preferably included in 6 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon nanotubes, in which case the polyphenylamine has an effect of covering the surface of the carbon nanotubes well.

상기 폴리페닐아민은 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 45 내지 180중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 이 범위 내에서 전기전도도가 증가하는 효과가 있다.The polyphenylamine is preferably included in an amount of 45 to 180 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon nanotubes substituted with an N- (aminoaryl) amide group. There is an effect of increasing electrical conductivity within this range.

상기 탄소 나노 구조체는 폴리페닐아민 염(ES) 형태로, 염기로 처리하게 되면 염기(EB) 형태인 것을 만들 수 있다.The carbon nanostructure may be in the form of a polyphenylamine salt (ES), and treated with a base to form a base (EB).

상기 염기는 암모니아수인 것이 바람직한데, 이 경우 폴리페닐아민 염의 양성자를 도핑하여 폴리페닐아민 염기(EB)로 만드는 효과가 있다.The base is preferably ammonia water, in which case it is effective to dope the protons of the polyphenylamine salt into a polyphenylamine base (EB).

상기 염 형태의 탄소 나노 구조체는 CNT-PANI-에머랄딘 염(ES)인 것이 바람직할 수 있다.It is preferable that the salt-type carbon nanostructure is CNT-PANI-emeraldine salt (ES).

하기 도 2에 상기 에머랄딘 염기(EB)와 에머랄딘 염(ES)의 관계(반응식)를 구체적으로 도시하였다.FIG. 2 specifically shows the relationship (reaction formula) between the emeraldine base (EB) and the emeraldine salt (ES).

상기 탄소 나노 구조체는 기존 폴리아닐린이 갖는 전기전도도의 한계를 극복하여 다양한 산업분야에 응용될 수 있다.The carbon nanostructures can be applied to various industrial fields by overcoming the limitations of the electrical conductivity of the existing polyaniline.

본 발명의 탄소 나노 구조체의 제조방법은 a) 프리스틴(pristine)-탄소나노튜브를 질산으로 처리하여 카르복실산기와 알코올기가 치환된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; b) 상기 탄소나노튜브의 카르복실산기를 아실할라이드로 전환시킨 다음, 이를 아릴디아민과 반응시켜 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)를 제조하는 단계; 및 c) 상기 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브(Multiwalled Carbon Nanotubes)에 페닐아민을 투입하고 중합시켜 탄소 나노 구조체를 제조하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The method for producing a carbon nanostructure according to the present invention comprises the steps of: a) preparing carbon nanotubes substituted with carboxylic acid groups and alcohol groups by treating pristine-carbon nanotubes with nitric acid; b) converting the carboxylic acid group of the carbon nanotube to an acyl halide and then reacting the acyl halide with an aryl diamine to prepare carbon nanotubes substituted with N- (aminoaryl) amide groups; And c) introducing phenylamine into multi-walled carbon nanotubes substituted with the N- (aminoaryl) amide group and polymerizing to prepare a carbon nanostructure; And a control unit.

상기 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브는 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것일 수 있고, 바람직하게는 정적영속길이(static bending persistence)가 100 내지 800㎚인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것이다.The carbon nanotubes substituted with the N- (aminoaryl) amide group may be carbon nanotubes including a form of a rigid random coil having a static bending persistence of 800 nm or less, preferably It is a carbon nanotube including a rigid random coil form having a static bending persistence of 100 to 800 nm.

상기 탄소 나노 구조체의 제조방법은 c) 단계에서 제조된 탄소 나노 구조체를 염기로 처리하여 염기 형태의 탄소 나노 구조체를 제조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.The method for preparing a carbon nanostructure may further include the step of treating the carbon nanostructure prepared in step c) with a base to prepare a base carbon nanostructure.

상기 프리스틴(pristine)-탄소나노튜브는 탄소나노튜브로 합성 제조된 후 얻은 표면처리되지 않은 탄소나노튜브를 의미한다. The pristine-carbon nanotube refers to a non-surface-treated carbon nanotube obtained by synthesizing carbon nanotubes.

상기 프리스틴-탄소나노튜브는 정적영속길이(static bending persistence)가 800nm 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 800㎚인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것이다.The pristine-carbon nanotubes may be carbon nanotubes including a form of a rigid random coil having a static bending persistence of 800 nm or less, preferably a rigid random coil of 100 to 800 nm. It is a carbon nanotube including a (rigid random coil) form.

상기 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노듀브는 본 출원인이 기출원한 대한민국특허 제10-2006-0107451호(2007.08.20 공개)에 개시된 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브에 관한 내용 및 J. Phys. Chem. C 111, 18882~18887에 발표된 정적영속길이의 정의를 포함할 수 있다.The carbon nanotubes in the form of an upright random coil are described in detail in the article on the upright random coil type carbon nanotubes disclosed in Korean Patent No. 10-2006-0107451 (published on Aug. 20, 2007) . Chem. C 111, 18882-18887. ≪ / RTI >

상기 정적영속길이(static bending persistence)는 강직한 랜덤코일 형태의 탄소나노튜브가 연속곡률을 가지고 있는 경우 곡률반경의 평균값을 의미하고, 보다 정확하게는 통계물리를 사용하여 하기 수학식 1로 정의할 수 있다.The static bending persistence means an average value of radius of curvature when carbon nanotubes having an upright random coil shape have a continuous curvature. More precisely, static bending persistence can be defined by Equation 1 using statistical physics have.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013039293734-pat00001
Figure 112013039293734-pat00001

여기서 Db는 꺽임비, R은 말단간 거리벡터, lsp = Clp0는 정적영속길이, C는 상수, L은 펼친 길이, lp0는 임의의 세그먼트 길이, 그리고 θ는 축으로부터 꺽인 각도를 나타낸다. Where D b is the bending ratio, R is the terminal between the distance vector, l sp = Cl p0 is the static persistence length, C is a constant, L is the unfolded length, l p0 is any segment length, and θ represents the kkeokin angle from the axis .

상기 꺽임비는 본 출원인이 기출원한 대한민국특허 제10-2006-0107451호(2007.08.20 공개)에 개시된 꺽임비(bending ratio)에 관한 내용을 포함할 수 있다. The folding ratio may include a bending ratio disclosed in Korean Patent No. 10-2006-0107451 (published on Aug. 20, 2007), which the present applicant has requested.

상기 c) 단계의 중합에서 사용되는 개시제는 페닐아민의 중합에 통상적으로 사용될 수 있는 개시제라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 암모늄 퍼옥소디설페이트(APS; ammonium peroxodisulphate)일 수 있다.The initiator used in the polymerization of step c) is not particularly limited as long as it is an initiator that can be commonly used in the polymerization of phenylamine, but may preferably be ammonium peroxodisulphate (APS).

상기 질산은 50 내지 80중량% 질산 수용액으로, 프리스틴- 탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 60000 내지 80000중량부로 투입되는 것이 바람직한데, 이때 탄소나노튜브의 구조가 유지되면서, 보다 효과적인 양으로 카르복실산기 및 알코올기가 생성되는 효과가 있다.The nitric acid is 50 to 80% by weight aqueous solution of nitric acid, preferably 60,000 to 80000 parts by weight based on 100 parts by weight of the pristine-carbon nanotubes, while maintaining the structure of the carbon nanotubes, the carboxylic acid group and There is an effect that alcohol groups are generated.

상기 페닐아민은 그 투입량이 증가하면 중합되는 폴리페닐아민 체인(chain)이 더 두껍게 탄소나노튜브를 감싸게 된다.As the phenylamine increases, the polyphenylamine chain polymerized as the amount of the phenylamine is thicker to surround the carbon nanotubes.

본 발명의 고분자 복합체는 상기 탄소 나노 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다.The polymer composite of the present invention is characterized by comprising the carbon nanostructure.

상기 고분자 복합체는 센서, 전극물질, 부식방지제 등으로 이용될 수 있다.The polymer composite may be used as a sensor, an electrode material, a corrosion inhibitor, or the like.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. Are obvious to those skilled in the art, and it is obvious that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

<N-(아미노아릴)아마이드-탄소나노튜브의 합성>&Lt; Synthesis of N- (aminoaryl) amide-carbon nanotubes >

질산 100㎖에 정적영속길이가 270㎚인 프리스틴-탄소나노튜브 200㎎을 섞은 후, 이를 50?에서 24시간 동안 초음파 하면서 반응시킨 다음, 이를 3차 증류수를 이용하여 감압 여과하고, 감압되어 나오는 용액이 중성을 나타낼 때까지 씻어주었다. 이후 얻어진 고체 생성물을 진공오븐에 넣어 24시간 동안 말리고, 절구(mortar)로 분쇄하여 하이드록시기와 카르복실산기가 형성된 탄소나노튜브를 제조하였다.100 ml of nitric acid was mixed with 200 mg of pristine-carbon nanotubes having a static permanence length of 270 nm, and reacted with ultrasonic waves at 50 ° C. for 24 hours. Washed until this neutrality. Then, the obtained solid product was put in a vacuum oven, dried for 24 hours, and pulverized by a mortar to prepare carbon nanotubes having a hydroxy group and a carboxylic acid group.

반응기에 밀폐튜브를 이용 아르곤 기체를 충전한 후 밀폐 상태에서 SOCl2 20㎖와 상기 하이드록시기와 카르복실산기가 생성된 탄소나노튜브 100㎎을 넣고 50?에서 24시간 동안 초음파로 처리하면서 반응시킨 다음, 진공펌프를 이용하여 4시간 동안 말려 아실클로라이드(-COCl)가 형성된 탄소나노튜브를 제조하였다. After filling the reactor with argon gas using an airtight tube, 20 ml of SOCl2 and 100 mg of the carbon nanotubes having the hydroxy group and the carboxylic acid group were added in a closed state, and reacted with ultrasonic treatment at 50 ° C. for 24 hours. It was dried for 4 hours using a vacuum pump to prepare a carbon nanotube formed acyl chloride (-COCl).

위에서 제조한 탄소나노튜브 100㎎에 p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine) 100㎎을 20㎖ 디클로로메탄(Dichloromethane; MC)에 녹여서 혼합한 후, 50?에서 24시간 동안 초음파를 가하면서 반응시킨 다음, 디클로로메탄을 이용하여 감압여과 후, 남은 고체 생성물을 진공오븐에서 말려 N-(아미노아릴)아마이드-탄소나노튜브를 제조하였다.100 mg of p-phenylenediamine was dissolved in 100 ml of carbon nanotubes prepared above, mixed with 20 ml of dichloromethane (MC), and reacted with ultrasonic waves at 50 ° C. for 24 hours. After distillation under reduced pressure using dichloromethane, the remaining solid product was dried in a vacuum oven to prepare N- (aminoaryl) amide-carbon nanotube.

<탄소 나노 구조체(CNT-PANI)의 제조>&Lt; Production of carbon nanostructure (CNT-PANI) >

제조된 N-(아미노아릴)아마이드-탄소나노튜브 100㎎을 1.5M HClO4 수용액 8.948㎖에 넣은 다음, 증류된 아닐린(Distilled Aniline Monomer) 400㎎(4.30mmol)을 넣고 2시간 동안 상온에서 초음파로 처리한 후, 800~900rpm 으로 교반하면서 암모늄 퍼설페이트(Ammonium persulfate; APS) 246㎎(1.08mmol)을 1.5M HClO4 4.472㎖에 녹인 용액을 8~10분간 한 방울씩 떨어뜨렸다. 이후 상온에서 24시간 교반하면서 반응시키고, 반응 후 충분한 삼차 증류수를 이용하여 씻어준 다음 감압 여과하고, 진공오븐에 말려 CNT-PANI 탄소 나노 구조체를 제조하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 3에 도시하였다.100 mg of N- (aminoaryl) amide-carbon nanotube prepared in 1.5M HClO 4 8.948 mL, 400 mg (4.30 mmol) of distilled aniline monomer was added thereto, sonicated at room temperature for 2 hours, and then 246 mg of ammonium persulfate (APS) with stirring at 800 to 900 rpm. (1.08 mmol) dissolved in 4.472 mL of 1.5 M HClO 4 was added dropwise for 8-10 minutes. The reaction was carried out at room temperature for 24 hours with stirring. After the reaction, the reaction mixture was washed with sufficient tertiary distilled water, filtered under reduced pressure, and dried in a vacuum oven to prepare a CNT-PANI carbon nano structure. A TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructure produced at this time is shown in FIG.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 증류된 아닐린(Distilled Aniline Monomer)을 8배 증가시켜 반응시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 4에 도시하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that distilled aniline monomer (Distilled Aniline Monomer) in Example 1 was increased by 8 times. A TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructure produced at this time is shown in FIG.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1에서 제조된 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체에 10중량% NH4OH 수용액 25㎖를 투입하고, 상온에서 24시간 동안 교반하여 CNT-PANI-에머랄딘 염기(EB) 탄소 나노 구조체를 제조하였다.25 mL of 10 wt% NH 4 OH aqueous solution was added to the prepared CNT-PANI carbon nanostructure prepared in Example 1, and stirred at room temperature for 24 hours to prepare CNT-PANI-emeraldine base (EB) carbon nanostructure. Prepared.

실시예 4Example 4

상기 실시예 2에서 제조된 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체에 10중량% NH4OH 수용액 25㎖를 투입하고, 상온에서 24시간 동안 교반하여 MWCNT-PANI-에머랄딘 염기(EB) 탄소 나노 구조체를 제조하였다.25 mL of 10 wt% NH 4 OH aqueous solution was added to the prepared CNT-PANI carbon nanostructure prepared in Example 2, and stirred at room temperature for 24 hours to form MWCNT-PANI-emeraldine base (EB) carbon nanostructure. Prepared.

실시예 5Example 5

상기 실시예 1에서 증류된 아닐린(Distilled Aniline Monomer) 보다 암모늄 퍼설페이트(Ammonium Persulfate; APS)를 먼저 넣은 것을 제외 하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 5에 도시하였다.Except for distilled Aniline Monomer distilled in Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that ammonium persulfate (APS) was added first. A TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructure produced at this time is shown in FIG.

실시예 6Example 6

상기 실시예 2에서 증류된 아닐린(Distilled Aniline Monomer) 보다 암모늄 퍼설페이트(Ammonium persulfate; APS)를 먼저 넣은 것을 제외 하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 6에 도시하였다.Except for distilled aniline (Distilled Aniline Monomer) in Example 2 was carried out in the same manner as in Example 2 except that ammonium persulfate (APS) was added first. The TEM image of the prepared CNT-PANI carbon nanostructure is shown in FIG. 6.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 제조된N-(아미노아릴)아마이드-CNT 대신에 표면 개질되지 않은 프리스틴-CNT를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진은 하기 도 7에 도시하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that pristine-CNT which had not been surface-modified was used instead of N- (aminoaryl) amide-CNT prepared in Example 1 above. A TEM photograph of the CNT / PANI composite thus produced is shown in FIG.

비교예 2Comparative Example 2

상기 실시예 2에서, N-(아미노아릴)아마이드-CNT 대신에 표면 개질되지 않은 프리스틴-CNT를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT/PANI 복합체의 TEM 사진은 하기 도 8에 도시하였다.The procedure of Example 2 was repeated, except that pristine-CNT, which had not been surface-modified, was used instead of N- (aminoaryl) amide-CNT in Example 2. [ A TEM photograph of the CNT / PANI composite thus prepared is shown in FIG.

비교예 3Comparative Example 3

상기 실시예 5에서, N-(아미노아릴)아마이드-CNT 대신에 표면 개질되지 않은 프리스틴-CNT를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 9에 도시하였다.In Example 5, it was carried out in the same manner as in Example 5 except for using the unmodified Pristine-CNT instead of N- (aminoaryl) amide-CNT. A TEM photograph of the CNT-PANI carbon nanostructure produced at this time is shown in FIG.

비교예 4Comparative Example 4

상기 실시예 6에서, N-(아미노아릴)아마이드-CNT 대신에 표면 개질되지 않은 프리스틴-CNT를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일한 방법으로 실시하였다. 이때 제조된 CNT-PANI 탄소 나노 구조체의 TEM 사진은 하기 도 10에 도시하였다.In Example 6, it was carried out in the same manner as in Example 6 except for using the surface-modified pristine-CNT instead of N- (aminoaryl) amide-CNT. The TEM picture of the prepared CNT-PANI carbon nanostructure is shown in FIG. 10.

[시험예][Test Example]

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 구조체 및 복합체의 특성을 하기의 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.The properties of the structures and composites prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 were measured by the following method, and the results are shown in Table 1 below.

* 표면저항(ohm/sq): KEITHLEY 사의 표면저항 측정기 Delta Mode System(측정범위 10-1 내지 1013ohm/sq)로 측정하였다. Surface Resistance (ohm / sq): Measured with a Delta Mode System (measuring range 10 -1 to 10 13 ohm / sq) of KEITHLEY's surface resistance meter.

* 용해도(분산도): 제조된 구조체 또는 복합체 2㎎을 증류수 또는 에탄올 10㎖에 분산시킨 다음, 24시간이 지난 후 사진을 찍어 측정하였다.* Solubility (dispersity): 2 mg of the prepared structure or complex was dispersed in 10 ml of distilled water or ethanol, and measured after taking a picture after 24 hours.

* 원소분석: Thermo Fisher scientific 사의 Flash EA1112 series을 사용하였다.Elemental analysis: Flash EA1112 series from Thermo Fisher Scientific was used.

* FE-TEM: Jeol사의 JEM-2100F, 200㎸를 사용하여 컴퓨터 이미지 파일로 얻을 수 있었다.* FE-TEM: Jeol's JEM-2100F, 200 Hz, was used to obtain a computer image file.

구분division 원소분석Elemental analysis 표면저항(ohm/sq)Surface resistance (ohm / sq) 용해도(분산도)Solubility (Dispersion) N%(PANI%)N% (PANI%) water EtOHEtOH Pristine-MWCNTPristine-MWCNT 00 1.61.6 XX XX PANIPANI 160160 XX MWCNT-N-(아미노아릴)아마이드MWCNT-N- (aminoaryl) amide 2.12.1 1.61.6 실시예 1Example 1 6.27(41.70)6.27 (41.70) 6.76.7 실시예 2Example 2 9.42(62.64)9.42 (62.64) 1212 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 5.86(38.97)5.86 (38.97) 2.82.8 실시예 6Example 6 9.04(60.12)9.04 (60.12) 15.415.4

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 신규한 CNT-PANI 탄소 나노 구조체는 pristine-CNT에 근접하는 전기전도도를 가짐과 동시에 폴리아닐린(PANI) 보다 우수한 용해도 및 분산성을 가짐을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, it was confirmed that the novel CNT-PANI carbon nanostructure according to the present invention has electrical conductivity close to pristine-CNT and has better solubility and dispersibility than polyaniline (PANI).

또한, 본 발명의 신규한 CNT-PANI 탄소 나노 구조체는 N-(아미노아릴) 아마이드-CNT와 아닐린의 중량비가 1:4인 경우(실시예 1, 3 및 5) 및 1:32인 경우(실시예 2, 4 및 6) 모두 CNT를 감싸지 않은 벌크상태의 폴리아닐린(PANI)은 발견되지 않았다.In addition, the novel CNT-PANI carbon nanostructure of the present invention can be used in cases where the weight ratio of N- (aminoaryl) amide-CNT to aniline is 1: 4 (Examples 1, 3 and 5) and 1:32 In Examples 2, 4 and 6, no bulk polyaniline (PANI) without CNTs was found.

또한, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4에서 제조된 신규한 CNT-PANI 탄소 나노 구조체(도 3 내지 6)는 비교예 1 내지 4에서 제조된 종래의 CNT/PANI 복합체(도 7 내지 10)에 비하여, 경사가 크고 날카로운 표면을 가지고 있으며, PANI가 CNT를 보다 균일하고 촘촘하게 감싸고 있음을 HR-TEM을 통하여 확인할 수 있었다. In addition, the novel CNT-PANI carbon nanostructures (FIGS. 3 to 6) prepared in Examples 1 to 4 according to the present invention can be produced by the conventional CNT / PANI complexes (FIGS. 7 to 10) prepared in Comparative Examples 1 to 4 The HR-TEM showed that PANI had more uniform and tightly enclosed CNTs with larger and sharper surfaces.

또한, 하기 도 11 내지 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 신규한 CNT-PANI 탄소 나노 구조체(실시예 1 및 2)는 물에 잘 용해되고, 본 발명에 따른 신규한 CNT-PANI-에머랄딘 염기(EB) 탄소 나노 구조체(실시예 3 및 4)는 에탄올에 잘 용해됨을 확인할 수 있었다. Also, as shown in Figs. 11 to 14, the novel CNT-PANI carbon nanostructure (Examples 1 and 2) according to the present invention is well dissolved in water, and the novel CNT-PANI-emeraldine It was confirmed that the base (EB) carbon nanostructure (Examples 3 and 4) was well dissolved in ethanol.

참고로, 본 발명의 탄소 나노 구조체는 상기와 같이 물 및 알코올에 대하여 우수한 용해도 및 분산도를 가지면서 그 조절도 가능하여, 코팅액, 조성물 등 다양한 용도에 적용될 수 있다.
For reference, the carbon nanostructure of the present invention can be controlled while having excellent solubility and dispersion in water and alcohol as described above, and can be applied to various applications such as coating liquids and compositions.

Claims (13)

N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)의 상기 아미노기에 폴리페닐아민이 공유 결합되고, 이 결합된 폴리페닐아민이 상기 탄소나노튜브를 덮되, 상기 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브와 폴리페닐아민의 중량비는 1:4 내지 1:32인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
A polyphenylamine is covalently bonded to the amino group of the carbon nanotubes substituted with an N- (aminoaryl) amide group, and the bonded polyphenylamine covers the carbon nanotube, wherein the N- (aminoaryl) The weight ratio of the carbon nanotubes and polyphenylamine substituted with an amide group is 1: 4 to 1:32
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
The carbon nanotubes may be carbon nanotubes including a rigid random coil form having a static bending persistence of 800 nm or less.
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 N-(아미노아릴)아마이드기는, N-(4-아미노페닐)아마이드기인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
The N- (aminoaryl) amide group is an N- (4-aminophenyl) amide group, characterized in that
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 폴리페닐아민은, 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
Wherein the polyphenylamine is polyaniline
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 N-(아미노아릴)아마이드기는, 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 (Carbon Nanotubes) 100중량부에 3 내지 10중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
The N- (aminoaryl) amide group is 3 to 10 parts by weight in 100 parts by weight of carbon nanotubes (carbon nanotubes) including a form of a rigid random coil having a static bending persistence of 800 nm or less. Characterized in that included
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 폴리페닐아민은, N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 (Carbon Nanotubes) 100중량부를 기준으로 40 내지 180중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
The polyphenylamine is 100 weights of carbon nanotubes including a form of a rigid random coil having a static bending persistence of 800 nm or less substituted with an N- (aminoaryl) amide group. 40 to 180 parts by weight based on parts
Carbon nanostructure.
제 1항에 있어서,
상기 탄소 나노 구조체는, 염기로 처리되어 염 형태인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
The method of claim 1,
The carbon nanostructure is characterized by being treated with a base to be in a salt form
Carbon nanostructure.
제 7항에 있어서,
상기 염기는, 암모니아수인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체.
8. The method of claim 7,
The base is characterized by being ammonia water
Carbon nanostructure.
a) 프리스틴(pristine)-탄소나노튜브를 질산으로 처리하여 카르복실산기와 알코올기가 치환된 탄소나노튜브를 제조하는 단계;
b) 상기 탄소나노튜브의 카르복실산기를 아실할라이드로 전환시킨 다음, 이를 아릴디아민과 반응시켜 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브를 제조하는 단계; 및
c) 상기 N-(아미노아릴)아마이드기로 치환된 탄소나노튜브에 페닐아민을 투입하고 중합시켜 탄소 나노 구조체를 제조하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체의 제조방법.
a) pristine - preparing a carbon nanotube in which a carboxylic acid group and an alcohol group are substituted by treating carbon nanotubes with nitric acid;
b) converting the carboxylic acid group of the carbon nanotube to an acyl halide and then reacting the acyl halide with an aryl diamine to prepare a carbon nanotube substituted with an N- (aminoaryl) amide group; And
c) introducing phenylamine into the carbon nanotubes substituted with the N- (aminoaryl) amide group and polymerizing to prepare a carbon nanostructure; And wherein the step
A method for producing a carbon nanostructure.
제 9항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는, 정적영속길이(static bending persistence)가 800㎚ 이하인 강직한 랜덤 코일(rigid random coil) 형태를 포함한 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The carbon nanotubes may be carbon nanotubes including a rigid random coil form having a static bending persistence of 800 nm or less.
A method for producing a carbon nanostructure.
제 9항에 있어서,
상기 탄소 나노 구조체의 제조방법은, c) 단계에서 제조된 탄소 나노 구조체를 염기로 처리하여 염기 형태의 탄소 나노 구조체를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The method for producing a carbon nanostructure may further comprise the step of treating the carbon nanostructure prepared in step c) with a base to prepare a base carbon nanostructure
A method for producing a carbon nanostructure.
제 9항에 있어서,
상기 질산은, 60 내지 80중량% 질산 수용액으로, 프리스틴-탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 60000 내지 80000중량부로 투입되는 것을 특징으로 하는
탄소 나노 구조체의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The nitric acid is 60 to 80% by weight aqueous solution of nitric acid, characterized in that 60000 to 80000 parts by weight based on 100 parts by weight of pristine-carbon nanotubes
A method for producing a carbon nanostructure.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 탄소 나노 구조체를 포함하는 고분자 복합체.
A polymer composite comprising the carbon nanostructures of any one of claims 1 to 8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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J. Yang et al. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2010, Vol. 71, pp. 448-452 (2010.04.) *
J. Yang et al. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2010, Vol. 71, pp. 448-452 (2010.04.)*

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