KR101967871B1 - 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 탄소 나노 복합재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있는 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법은, 실레인 물질을 알코올계 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계; 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계; 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계; 상기 알코올계 용매를 제거하는 단계; 및 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 탄소 나노 복합재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 탄소 나노 복합재에 관한 것이다.
최근에, 섬유 강화 복합 재료들은 상대적으로 높은 강도, 강성도(stiffness), 및 인성(toughness)을 가지므로, 다양한 분야에 적용되고 있다. 이러한 복합 재료들은 장점들을 제공하지만, 본질적으로 복잡한 구성을 가진다. 강한 섬유들과 적절한 매트릭스로 구성된 복합 재료들은 반드시 강한 재료가 되는 것은 아니다. 이러한 복합 재료의 전체적인 성능을 결정하는 주요한 요소로서 섬유와 매트릭스의 계면 강도 등이 있다. 강한 복합 재료를 위하여는 계면 강도를 증가시켜야 하며, 예를 들어 탄소섬유의 표면 상에 나노 와이어, 나노 로드 또는 나노 튜브 등과 같은 나노 구조체를 성장시키는 기술이 있다. 그러나, 상기 나노 구조체가 형성된 복합재의 기계적 특성을 더욱 강화하려는 요구가 증가되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있는 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있는 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성된 탄소 나노 복합재를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법은, 실레인 물질을 알코올계 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계; 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계; 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계; 상기 알코올계 용매를 제거하는 단계; 및 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 수소 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 수소 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 축합 결합이 이루어지고, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 축합 결합이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 나노 구조체와 상기 탄소나노물질이 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계는, 초음파 교반을 30 분 내지 60 분의 범위로 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계는, 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 알코올계 용매를 제거하는 단계는, 진공상태에서 30℃ 내지 50℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계는 100℃ 내지 120℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소 나노 복합재를 세정하는 단계; 및 상기 탄소 나노 복합재를 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 실레인 커플링제를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 아크릴레이트 기능기 실레인, 메타크릴레이트 기능기 실레인, 알데히드 기능기 실레인, 아미노 기능기 실레인, 무수 기능기 실레인, 아지드 기능기 실레인, 카르복실레이트 기능기 실레인, 포스포네이트 기능기 실레인, 설포네이트 기능기 실레인, 에폭시 기능기 실레인, 에스테르 기능기 실레인, 할로겐 기능기 실레인, 히드록실 기능기 실레인, 이소시아네이트 기능기 실레인, 포스핀 기능기 실레인, 포스페이트 기능기 실레인, 설파 기능기 실레인, 비닐 기능기 실레인, 올레핀 기능기 실레인, 다기능 중합 실레인, 자외선 활성 실레인, 형광 실레인, 키랄 실레인, 트리하이드로 실레인, 디포달 실레인, 및 유기 실레인 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 실레인 물질은 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아, (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인, 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인, 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 알코올계 용매는 아이소프로판올, 메탄올 및 에탄올 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알코올 물질과 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 알코올계 용매에서, 상기 알코올 물질과 상기 물의 부피 비율은 9:1 내지 1:9 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 구조체, 구리 산화물 나노 구조체, 티타늄 산화물 나노 구조체, 및 주석 산화물 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법은, 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민)을 아이소프로판올 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계; 상기 실레인 용액에 탄소나노튜브를 침지하는 단계; 상기 실레인 용액에 아연 산화물 나노 로드가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계; 상기 아이소프로판올 용매를 제거하는 단계; 및 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재는, 탄소섬유; 상기 탄소섬유 상에 성장한 나노 구조체; 상기 나노 구조체와 축합 결합된 제1 실레인 물질; 상기 제1 실레인 물질과 가교 결합된 제2 실레인 물질; 및 상기 제2 실레인 물질과 축합 결합된 탄소나노물질;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 로드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 실레인 물질과 상기 제2 실레인 물질은 동일한 물질일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법은 실레인의 축합 및 가교 결합에 의하여 탄소섬유 상에 성장한 나노 구조체와 탄소나노물질을 결합시킬 수 있다. 실레인을 사용함에 따라 탄소나노물질의 표면에 실레인이 코팅되어 탄소나노물질의 분산성을 증가시킬 수 있고, 실레인의 작용기를 이용한 공유 결합을 통하여 서로 다른 물성을 가진 두 가지 물질, 즉 나노 구조체와 탄소나노물질의 결합력을 강화시킬 수 있다. 나노 구조체의 나노 로드 형상에 의하여 나노 구조체와 탄소나노물질의 기계적 결착이 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄소 나노 복합재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에서의 화학적 결합을 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재를 도시하는 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재에서 실레인이 결합된 탄소나노물질을 도시하는 투과전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에서의 화학적 결합을 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재를 도시하는 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재에서 실레인이 결합된 탄소나노물질을 도시하는 투과전자현미경 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법(S100)은, 실레인 물질을 알코올계 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계(S110); 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계(S120); 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계(S130); 상기 알코올계 용매를 제거하는 단계(S140); 및 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계(S150);를 포함한다.
또한, 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법(S100)은, 상기 탄소 나노 복합재를 세정하는 단계(S160); 및 상기 탄소 나노 복합재를 건조하는 단계(S170)를 더 포함할 수 있다.
상기 실레인 물질은 실레인 커플링제(silane coupling agent)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 실레인 물질에 포함된 작용기와 수지와의 결합이 가능한 경우에 상기 실레인 물질을 적용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 수지와의 결합을 고려하지 않으므로 나노 구조체에 영향을 주지 않도록 중성을 가지는 모든 실레인 물질을 적용할 수 있다. 상기 실레인 물질은, 예를 들어 아크릴레이트 기능기 실레인(acrylate functional silane), 메타크릴레이트 기능기 실레인(methacrylate functional silane), 알데히드 기능기 실레인(aldehyde functional silane), 아미노 기능기 실레인(amino functional silane), 무수 기능기 실레인(anhydride functional silane), 아지드 기능기 실레인(azide functional silane), 카르복실레이트 기능기 실레인(carboxylate functional silane), 포스포네이트 기능기 실레인(phosphonate functional silane), 설포네이트 기능기 실레인(sulfonate functional silane), 에폭시 기능기 실레인(epoxy functional silane), 에스테르 기능기 실레인(ester functional silane), 할로겐 기능기 실레인(halogen functional silane), 히드록실 기능기 실레인(hydroxyl functional silane), 이소시아네이트 기능기 실레인(isocyanate functional silane), 포스핀 기능기 실레인(phosphine functional silane), 포스페이트 기능기 실레인(phosphate functional silane), 설파 기능기 실레인(sulfur functional silane), 비닐 기능기 실레인(vinyl functional silane), 올레핀 기능기 실레인(olefin functional silane), 다기능 중합 실레인(multi-functional and polymeric silane), 자외선 활성 실레인(ultraviolet active silane), 형광 실레인(fluorescent silane), 키랄 실레인(chiral silane), 트리하이드로 실레인(trihydrosilane), 디포달 실레인(dipodal silane), 및 유기 실레인(organosilane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실레인 물질은, 예를 들어 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민) (trimethoxysilylpropyl modified (polyethylenimine)), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민) (dimethoxysilylmethylpropyl modified (polyethylenimine)), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아 (bis(trimethoxysilylpropyl) urea), (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인 ((3-glycidoxypropyl) trimethoxy silane), 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인 (3-(2,3-epoxypropoxy)propyltrimethoxysilane), 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 ((3-trimethoxysilylpropyl) diethylene-triamine) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 알코올계 용매는 아이소프로판올(isopropanol), 메탄올(methanol) 및 에탄올(ethanol) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알코올 물질과 물을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알코올계 용매에서, 상기 알코올 물질과 상기 물의 부피 비율은 9:1 내지 1:9 범위일 수 있다.
상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계(S120)에서는 상기 탄소나노물질을 상기 실레인 용액에 투입하고 유지시킨다. 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 그래핀 산화물(graphene oxide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계(S120)에서는 초음파 교반(sonication)을, 예를 들어 30 분 내지 60 분의 범위로 19000 Hz 내지 21000 Hz 범의의 진동수로 수행할 수 있다. 이러한 교반에 의하여 상기 탄소나노물질은 상기 실레인 용액 내에 보다 균일하게 분산될 수 있다. 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계(S120)는 상온에서 수행될 수 있고, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 25℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계(S120)에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 수소 결합이 이루어질 수 있다.
상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계(S130)는 상기 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 상기 실레인 용액에 투입하고, 예를 들어 1 시간 내지 5 시간의 범위로 유지시킨다. 상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계(S130에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 수소 결합이 이루어질 수 있다.
상기 나노 구조체는, 예를 들어 상기 실레인 물질의 수산화기(-OH)와 결합하는 작용기를 가지는 모든 금속 산화물 나노 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조체는 아연 산화물(ZnO) 나노 구조체, 구리 산화물(CuO) 나노 구조체, 티타늄 산화물(TiO2) 나노 구조체, 및 주석 산화물(SnO2) 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 알코올계 용매를 제거하는 단계(S140)는 진공상태에서 예를 들어 30℃ 내지 50℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 1 시간 내지 5 시간의 범위에서 수행될 수 있다. 상기 알코올계 용매를 제거하는 단계(S140)를 수행한 후에는, 상기 탄소섬유 상에 상기 탄소나노물질이 물리적 흡착 등에 의하여 부착되거나 또는 단순히 위치될 수 있다.
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계(S150)는 100℃ 내지 120℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 1 시간 내지 5 시간의 범위에서 수행될 수 있다.
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계(S150)에서는, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 축합(condensation) 결합이 이루어 질 수 있고, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 축합 결합이 이루어질 수 있다. 또한, 상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계(S150)에서는, 상기 실레인 물질 사이의 가교(cross-linking) 결합이 이루어질 수 있다. 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 나노 구조체와 상기 탄소나노물질이 결합될 수 있다. 또한, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 나노 구조체들이 서로 결합될 수 있다. 또한, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 탄소나노물질들이 서로 결합될 수 있다. 상기 축합 결합들과 상기 가교 결합들은 동시에 이루어 질 수 있다.
상기 탄소 나노 복합재를 세정하는 단계(S160)는 알코올계 용액을 이용하여 수행할 수 있다. 이에 따라 상기 탄소 나노 복합재에 잔류하는 실레인 물질 및 원하지 않는 불순물이 제거될 수 있다.
상기 탄소 나노 복합재를 건조하는 단계(S170)는 1 시간 내지 24 시간의 범위로, 상온에서 수행될 수 있고, 예를 들어 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 25℃의 온도에서 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 탄소 나노 복합재의 제조 방법을 이용하여 형성된 탄소 나노 복합재는, 탄소섬유; 상기 탄소섬유 상에 성장한 나노 구조체; 상기 나노 구조체와 축합 결합된 제1 실레인 물질; 상기 제1 실레인 물질과 가교 결합된 제2 실레인 물질; 및 상기 제2 실레인 물질과 축합 결합된 탄소나노물질;을 포함한다. 상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 로드를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 실레인 물질과 상기 제2 실레인 물질은 동일한 물질이거나 서로 다른 물질일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에서의 화학적 결합을 설명하는 모식도이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 탄소섬유(10) 상에 성장한 아연 산화물 나노 로드와 같은 나노 구조체(20)에 제1 실레인 물질(40)이 축합 결합한 상태를 도시한다. 제1 실레인 물질(40)은, 예를 들어 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민)을 나타낼 수 있다. 이러한 축합 결합 시에 프로필기(-C3H7)가 제거될 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 나노 구조체(20)에 축합 결합된 제1 실레인 물질(40)들이 서로 가교 결합한 상태를 도시한다.
도 2의 (c)를 참조하면, 탄소나노튜브와 같은 탄소나노물질(30)에 제 2 실레인 물질(50)이 축합 결합한 상태를 도시한다. 제2 실레인 물질(50)은, 예를 들어 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민)을 나타낼 수 있다. 제2 실레인 물질(40)과 제2 실레인 물질(50)은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다. 이러한 축합 결합에 의하여 탄소나노물질(30)이 분산성이 증가될 수 있다.
도 2의 (d)를 참조하면, 탄소나노물질(30)에 축합 결합된 제2 실레인 물질(50)들이 서로 가교 결합한 상태를 도시한다.
도 2의 (e)를 참조하면, 나노 구조체(20)에 축합 결합된 제1 실레인 물질(40)과 탄소나노물질(30)에 축합 결합된 제2 실레인 물질(50)이 가교 결합한 상태를 도시한다. 상기 가교 결합은 "Si-O-Si" 결합으로 특징될 수 있다. 상기 가교 결합에 의하여 나노 구조체(20) 사이에 탄소나노물질(30)이 결합되어 결합력이 증가된다.
실시예
아이소프로판올(isopropanol)과 물을 9:1의 부피 비율로 혼합한 용매를 50 ml 준비하였다. 상기 용매에 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민) (trimethoxysilylpropyl modified (polyethylenimine)) 10 mg을 용해하여 실레인(silane) 용액을 형성하였다.
상기 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민)은 화학식1과 같은 화학 구조를 가진다.
산 처리한 탄소나노튜브 0.1 mg을 상기 실레인 용액에 침지하고, 45분 동안 초음파 교반을 수행하였다. 상기 실레인 용액 내의 실레인 물질과 상기 탄소나노튜브 사이의 수소 결합이 이루어진다.
아연 산화물 나노 로드가 성장한 탄소섬유를 상기 실레인 용액에 침지하고 2 시간 동안 유지하였다. 상기 실레인 용액 내의 상기 실레인 물질과 상기 아연 산화물 나노 로드 사이의 수소 결합이 이루어진다.
상기 탄소나노튜브 및 상기 탄소섬유가 침지된 실레인 용액을 40℃ 온도의 진공 상태의 오븐에서 2시간 30분 동안 위치시켜, 상기 실레인 용액으로부터 상기 아이소프로판올을 모두 제거시켰다. 상기 아이소프로판올을 제거한 후에는, 상기 탄소섬유 상에 상기 탄소나노물질이 상술한 수소 결합에 의하여 결합되어 있음에 유의한다.
상기 탄소섬유를 110 ℃의 오븐에서 3시간 30분 동안 열처리를 하였다. 상기 열처리에 의하여, 상기 실레인 물질과 상기 아연 산화물 나노 로드 사이의 수소 결합이 축합 결합으로 변화되고, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노튜브 사이의 수소 결합이 축합 결합으로 변화되었다. 또한, 실레인 물질이 가교 결합되고, 이러한 가교 결합을 통하여 상기 아연 산화물 나노 로드와 상기 탄소나노튜브가 결합되어, 탄소 나노 복합재를 형성하였다. 또한, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 아연 산화물 나노 로드들이 서로 결합될 수 있다. 또한, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 탄소나노튜브가 서로 결합될 수 있다.
상기 탄소 나노 복합재를 아이소프로판올을 이용하여 세정하고, 24 시간 동안 상온에서 자연 건조하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재를 도시하는 주사전자현미경 사진이다.
도 3을 참조하면, 아연 산화물 나노 로드와 같은 나노 구조체(20)에 탄소나노튜브과 같은 탄소나노물질(30)이 결합되어 있다. 나노 구조체(20)에 결합된 탄소나노물질(30)은 상당히 균일한 수준으로 분포됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실레인 물질을 이용한 탄소 나노 복합재의 제조 방법에 의하여 형성한 탄소 나노 복합재에서 실레인이 결합된 탄소나노물질을 도시하는 투과전자현미경 사진이다.
도 4를 참조하면, 탄소나노튜브과 같은 탄소나노물질(30)인 실레인 물질(50)이 코팅되어 결합되어 있다. 상기 실레인 물질은 탄소나노물질(30) 상에 전체적으로 균일하게 코팅함을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (20)
- 실레인 물질을 알코올계 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계;
상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계;
상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계;
상기 알코올계 용매를 제거하는 단계; 및
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계;를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 수소 결합이 이루어지는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 수소 결합이 이루어지는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질과 상기 탄소나노물질 사이의 축합 결합이 이루어지고, 상기 실레인 물질과 상기 나노 구조체 사이의 축합 결합이 이루어지는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계에서, 상기 실레인 물질의 가교 결합에 통하여 상기 나노 구조체와 상기 탄소나노물질이 결합되는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 용액에 탄소나노물질을 침지하는 단계는, 초음파 교반을 30 분 내지 60 분의 범위로 수행하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 용액에 나노 구조체가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계는, 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 알코올계 용매를 제거하는 단계는, 진공상태에서 30℃ 내지 50℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행되는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계는 100℃ 내지 120℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간의 범위로 수행되는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 나노 복합재를 세정하는 단계; 및
상기 탄소 나노 복합재를 건조하는 단계;를 더 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 물질은 실레인 커플링제를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 물질은 아크릴레이트 기능기 실레인, 메타크릴레이트 기능기 실레인, 알데히드 기능기 실레인, 아미노 기능기 실레인, 무수 기능기 실레인, 아지드 기능기 실레인, 카르복실레이트 기능기 실레인, 포스포네이트 기능기 실레인, 설포네이트 기능기 실레인, 에폭시 기능기 실레인, 에스테르 기능기 실레인, 할로겐 기능기 실레인, 히드록실 기능기 실레인, 이소시아네이트 기능기 실레인, 포스핀 기능기 실레인, 포스페이트 기능기 실레인, 설파 기능기 실레인, 비닐 기능기 실레인, 올레핀 기능기 실레인, 다기능 중합 실레인, 자외선 활성 실레인, 형광 실레인, 키랄 실레인, 트리하이드로 실레인, 디포달 실레인, 및 유기 실레인 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실레인 물질은 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 디메톡시실릴메틸프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민), 비스(트리메톡시실릴프로필) 우레아, (3-글리시독시프로필) 트리메톡시 실레인, 3-(2,3-에폭시프로폭시) 프로필트리메톡시 실레인, 및 (3-트리메톡시실릴프로필) 디에틸렌-트리아민 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 알코올계 용매는 아이소프로판올, 메탄올 및 에탄올 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알코올 물질과 물을 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 알코올계 용매에서, 상기 알코올 물질과 상기 물의 부피 비율은 9:1 내지 1:9 범위인, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 및 그래핀 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노 구조체는 아연 산화물 나노 구조체, 구리 산화물 나노 구조체, 티타늄 산화물 나노 구조체, 및 주석 산화물 나노 구조체 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 트리메톡시실릴프로필 모디파이드 (폴리에틸렌이민)을 아이소프로판올 용매에 용해한 실레인 용액을 제공하는 단계;
상기 실레인 용액에 탄소나노튜브를 침지하는 단계;
상기 실레인 용액에 아연 산화물 나노 로드가 성장한 탄소섬유를 침지하는 단계;
상기 아이소프로판올 용매를 제거하는 단계; 및
상기 탄소섬유를 열처리하여 탄소 나노 복합재를 형성하는 단계;를 포함하는, 탄소 나노 복합재의 제조 방법. - 삭제
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- 2017-11-27 KR KR1020170159230A patent/KR101967871B1/ko active IP Right Grant
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