KR20120011853A - 나노입자를 포함하는 섬유 사이징 - Google Patents

나노입자를 포함하는 섬유 사이징 Download PDF

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KR20120011853A
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fibers
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fiber sizing
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제임스 에이. 와이쿠카우스키
투샤르 케이. 샤
크리스티나 갤로
해리 씨. 말레키
마크 알. 앨버딩
조단 티. 레드포드
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어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨.
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Abstract

섬유 사이징 제제는 (1) 용매에서 전이 금속 나노입자(NP)의 분산물을 포함하는 나노입자(NP) 용액 및 (2) 제 1 섬유 사이징 작용제를 포함한다. NP는 섬유에 섬유 사이징 제제의 적용 및 용매의 제거 이후에 제 1 섬유 사이징 작용제를 통하여 분산된다. NP는 제 2 사이징 작용제, 섬유에 추가의 나노 구조체 성장을 위한 촉매, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 기능을 수행한다. 섬유는 그 섬유에 배치되는 사이징을 포함한다. 사이징은, 그 사이징을 통하여 분산되는 전이 금속 나노입자를 포함한다. 방법은 사이징 제제를 섬유의 제조 동안 섬유에 적용하는 단계, 및 적용된 제제로부터 용매를 제거하는 단계를 포함한다. 방법은 전이 금속 NP의 용액을 사이징 코팅된 섬유에 첨가하는 단계 및 사이징을 소성하는 단계를 포함하고, NP의 용액은 사이징을 소성하는 단계 이전에 첨가된다.

Description

나노입자를 포함하는 섬유 사이징{FIBER SIZING COMPRISING NANOPARTICLES}
[관련 출원에 대한 기재]
본 출원은 2009년 4월 10일에 출원된 미국 가출원 제 61/168,502호를 우선권으로 하며, 그 전체 내용은 참조로서 편입된다.
[기술 분야]
본 발명은 사이징 복합재, 특히 섬유에 사용되는 사이징 복합재에 관한 것이다.
사이징 작용제(sizing agent)는, 제조 공정 동안 섬유를 다루는 방법 및 섬유를 복합재의 일부로서 실행하는 방법과 같은 많은 섬유의 특징을 제어할 수 있는 섬유에서의 코팅재이다. 섬유 사이징 작용제(fiber sizing agent)는 예를 들어, 복합재에서 사용될 때 더 좋은 계면 강도를 제공하고, 윤활성 향상시켜 섬유 마모를 방지하며, 정전기 방지 특징(antistatic property)을 제공하기 위하여 개발되고 있다.
나노입자는 동일한 요소의 벌크 물질과 공유되지 않는 비전형적인 특징을 가진다. 비록 섬유 사이징 제제 내에 나노입자를 결합하는 것이 거의 연구되지 않았지만, 나노입자를 가지는 실란 기반의 사이징 작용제를 사용하여 복합재 강도를 개선한 것은 주목할 만한 예이다. 이러한 사이징 제제는 유리 섬유에 적용되고 있고 사이징 섬유는 복합재와 결합되고 있다. 나노입자를 가지는 사이징 제제를 개발하여 다른 특징을 사이징 섬유 및 이것과 결합되는 복합재에 부여하는 것은 유용하다.
또한, 사이징 층을 통하여 분산될 수 있는 나노입자 구조체를 결합하는 섬유 사이징 제제를 제공하고, 기반으로서 섬유를 가지는 계층적인 구조체를 제조하기 위한 플랫폼(platform)을 제공하는 것은 유용하다. 이러한 NP 함침 사이징 섬유(NP-impregnated sized fiber)는 섬유 처리에 필요한 섬유 공정 단계를 감소시키고, 이러한 단계는 사이징 층에서 NP가 결합되지 않는 사이징 섬유와 관련된 기능화를 포함할 수 있다. 본 발명은 이러한 필요를 충족시키고 관련된 이점도 제공한다.
일부 측면에서, 본원에서 기술된 실시예는 (1) 용매에서 전이 금속 나노입자(NP)의 분산물을 포함하는 나노입자(NP) 용액 및 (2) 제 1 섬유 사이징 작용제(sizing agent)를 포함하는 섬유 사이징 제제(fiber sizing formulation)에 관한 것이다. NP는 섬유에 섬유 사이징 제제의 적용 및 용매의 제거 이후에 제 1 섬유 사이징 작용제를 통하여 분산된다. NP는 제 2 사이징 작용제, 섬유에 추가의 나노 구조체(nanostructure) 성장을 위한 촉매, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 기능을 수행한다.
다른 측면에서, 본원에 기술된 실시예는 섬유에 배치되는 사이징을 포함하는 섬유에 관한 것이다. 사이징은 그 사이징을 통하여 분산되는 전이 금속 나노입자를 포함한다.
또한, 다른 측면에서, 본원에 기술된 실시예는 NP를 포함하는 사이징 제제를 섬유의 제조 동안 섬유에 적용하는 단계, 및 적용된 섬유 사이징 제제로부터 용매를 제거하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
또한 다른 측면에서, 본원에 기술된 실시예는 전이 금속 NP의 용액을 사이징 코팅된 섬유(sizing-coated fiber)에 첨가하는 단계 및 사이징을 소성(baking)하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 이러한 실시예에서, NP의 용액은 사이징을 소성하는 단계 이전에 첨가된다.
도 1은 섬유가 제조되고 사이징이 적용된 이후, 상업적인 기성품 섬유에 대한 나노입자의 적용 결과를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섬유 제조 동안 나노입자의 적용을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 사이징 작용제를 포함하는 섬유 제조 동안 나노입자의 적용을 도시한다.
본 발명은 부분적으로 종래의 사이징 작용제와 함께 나노입자(nanoparticle, NP)를 결합한 섬유 사이징 제제에 관한 것이다. 도 2에 예시된 바와 같이, 섬유의 제조에 사용될 때, 제제는 종래의 사이징 작용제를 통해서 분산된 NP를 포함하는 사이징 섬유 생성물을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이미 사이징 섬유에 대한 NP의 배치는 단지 사이징의 표면에만 나노입자가 배치되게 한다. 대조적으로, 본 발명의 사이징 제제에서 NP는 섬유 그 자체와 접촉하는 표면에 NP를 포함하는 섬유 사이징 층을 통하여 분산될 수 있다. NP 그 자체가 예를 들어, 제 2 사이징 작용제, 섬유에 추가의 나노 구조체의 제조를 위한 촉매로서 사용되어서, 섬유에 전기전도성 및 열전도성을 부여할 수 있다. 일부 실시예에서, 초기 사이징 층이 NP를 포함한 이후에 추가의 사이징 층이 더해질 수 있다. 이러한 구성물은 도 3에 예시되어 있고, NP를 포함하는 제 1 사이징 층에 오버코팅된 제 2 사이징 층을 보여준다. 또한, 제 1 층에서 제 1 NP 및 제 2 층에서 제 2 NP와 같은 다른 구성물도 가능하다. 또한, 나노입자를 가지는 사이징 층 및 나노입자 없는 사이징 층이 교번하게 할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 NP를 가지는 제 1 사이징 층, NP를 전혀 가지지 않는 제 2 사이징 층, 및 동일한 NP 또는 다른 NP를 가지는 제 3사이징 층이 될 수 있다.
본 발명의 사이징 제제로 제조된 섬유는 필라멘트, 섬유 토우, 복합재, 및 다른 계층적인 구조체에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 사이징 섬유에 존재하는 NP는 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 나노로드(nanorod)(나노와이어(nanowire)) 등과 같이 섬유에서 추가의 나노 구조체를 합성하는데 사용된다. 또한, 나노 구조체는 섬유를 위한 사이징 물질로서 기능하고/기능하거나, 복합재에 결합될 때, 향상된 복합재 강도, 전기전도성 또는 열전도성, 방사선 흡수 등과 같은 원하는 성질을 부여할 수 있다.
본 발명의 사이징 제제로 제조되는 사이징 섬유는 스풀(spool)되고/되거나 섬유 토우(얀) 등으로 집합되고 수송을 위해 패킹되어, 다른 설비의 하류 적용에서 섬유가 더 가공되게 한다. 따라서, 예를 들어, 사이징 내에 배치된 전이 금속 나노입자를 가지는 사이징 섬유 생성물은 이미 탄소 나노튜브 합성되어 있는 사이징 섬유 생성물로 운반/판매될 수 있다. 종래의 사이징이 환경 조건으로부터 섬유를 보호하고 섬유의 완전성을 유지하는 것을 도울 수 있는 것처럼, NP는 그것을 둘러싸고 있는 종래의 사이징의 존재로부터 이익도 얻는다. 따라서, 예를 들어, 종래의 사이징 작용제에 캡슐된 NP는 사용되는 다른 사이징 작용제에 따라 변하는 정도로 환경적인 노출로부터 보호될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "섬유(fiber)"는 연속적인 필라멘트 또는 별개의 신장된 물질을 포함하는 물질의 임의의 분류를 언급한다. 섬유는 필라멘트, 스트링(string), 로프(rope), 얀(yarn) 등으로 방사되고, 복합재의 구성물로 사용되거나, 시트로 깔려서(matted) 종이 또는 펠트 생성물(felted product)을 제조할 수 있다. 본 발명의 섬유는 천연 섬유 이외에 무기 물질 또는 유기 물질로부터 만들어진 합성 섬유를 포함할 수 있다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 인식할 수 있는 바와 같이, 섬유는 고온 섬유 또는 저온 섬유일 수 있다. "섬유"라는 용어는 "필라멘트(filament)"라는 용어와 호환가능하게 사용될 수 있다. 따라서, 본원에서 기술된 바와 같은 섬유의 제조로 이루어진 변형은 다른 필라멘트 물질에도 동일하게 적용된다. 본 발명의 섬유는 마이크론 및 나노미터 크기의 섬유를 포함하는 임의의 크기일 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "나노입자(nanoparticle)" 또는 NP, 또는 이와 문어적으로 동등한 용어는 비록 NP가 형태상 구형일 필요는 없지만, 동등한 구형 직경으로 약 0.1 내지 약 100 나노미터의 크기를 가지는 입자를 언급한다. 나노입자는 미세 입자 또는 벌크 물질에서 관찰되는 것과는 구별되는 사이즈 관련 특징을 나타낼 수 있다. 본 발명의 나노입자는 사이징 섬유에서 제 2 사이징 물질로서, 사이징 섬유에서 추가의 나노 구조체 성장을 위한 촉매로서 기능할 수 있거나, 사이징 섬유의 전기전도성 및/또는 열전도성을 변경할 수 있다. 나노입자의 사이즈 의존적인 특징은 예를 들어, 양자 구속(quantum confinement), 국부 표면 플라즈몬 공명(local surface plasmon resonance) 및 초 상자성(super paramagnetism)을 포함하는 본 발명의 NP에서 관찰될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 바와 같이, 용매에서 NP와 관련하여 사용될 때, 용어 "분산(dispersion)"은 침전 없이 용매 상을 통하여 균일하게 분산되는 NP의 부유물(suspension), 콜로이드(colloid) 등을 언급한다. 유사하게, 용매가 제거된 사이징 작용제에서 NP와 관련하여 사용될 때, 용어 "분산된(dispersed)"은 섬유에 배치되는 경화된 사이징 작용제를 통하여 NP의 실질적으로 균일한 분산을 언급한다. 실질적으로 균일한 분산은 섬유 그 자체와 접촉하는 표면에 있는 NP를 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전이 금속(transition metal)"은 주기율표의 d-블럭에 있는 임의의 원소 또는 이러한 원소들의 합금을 언급한다. 또한, 사이징 제제의 일부로서 본 발명에서 사용되는 NP와 관련하여, 용어 "전이 금속"은 산화물, 탄화물, 질화물 등과 같은 염기성 전이 금속 원소의 염 형태의 NP를 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "사이징(sizing)", "사이징 작용제(sizing agent)", "섬유 사이징 작용제(fiber sizing agent)", 또는 "사이징 제제(sizing formulation)"는 섬유의 완전성을 보호하고, 복합재 내의 섬유와 매트릭스 사이의 향상된 계면 작용을 제공하고, 및/또는 섬유의 특별한 물리적 성질을 변경 및/또는 향상시키기 위해서 섬유 코팅재로서 섬유의 제조에 사용되는 물질을 총체적으로 언급한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "나노 구조체(nanostructure)"는 약 0.1 nm 내지 약 500 nm의 나노미터 크기로 측정된 적어도 일차원을 가지는 구조체를 언급한다. 나노 구조체는 탄소 나노튜브(nanotube), 나노로드(nanorod), 나노와이어(nanowire), 나노컵(nanocup), 나노케이지(nanocage), 나노섬유(nanofiber), 나노쉘(nanoshell), 나노링(nanoring), 나노필러(nanopillar), 나노플레이크(nanoflake), 나노스프링(nanospring), 나노위스커(nanowhisker) 등을 포함하며, 이것으로 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)"는 SWNT(single-walled CNT), DWNT(double-walled CNT), 및 MWNT(multi-walled CNT)를 포함하는 풀러린 족 탄소의 많은 실린더 형태의 동소체 중의 어느 것을 언급한다. CNT는 풀러린-유사 구조에 의해 캡핑되거나 또는 단부가 개방될 수 있다. CNT는 다른 물질로 캡슐화되는 것을 포함한다. CNT는 예를 들어, 불화 CNT(fluorinated CNT) 및/또는 산화 CNT(oxidized CNT)를 포함하는 당해 기술분야에서 공지된 기능화된 탄소 나노튜브를 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "나노로드(nanorod)" 또는 "나노와이어(nanowire)"는 약 1 내지 약 50 nm의 두께 또는 직경, 및 더 긴 길이를 가지는 나노 구조체를 언급한다. 예를 들어, 나노와이어는 약 100 내지 약 1000, 또는 그 이상의 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 나노로드는 약 10 내지 100의 종횡비를 가질 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "섬유 토우(fiber tow)"는 연속적인 필라멘트의 꼬이지 않은 다발(untwisted bundle)을 언급한다. 당해 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 토우는 이것이 포함하는 필라멘트 섬유의 수에 의하여 지정된다. 예를 들어, 12K 토우는 약 12,000 필라멘트를 포함한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "복합재(composite)"는 최종 구조체 내의 미시적인 수준에서 구별되고 특징되는 다른 물리적 성질 또는 화학적 성질을 가지는 2개 이상의 물질로 이루어진 물질을 언급한다. 하나의 물질의 물리적 성질 또는 화학적 성질은 복합재의 다른 물질에 부여될 수 있다. 본 발명에서, 예시적인 복합재는 매트릭스 물질에서 사이징 섬유를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "매트릭스 물질(matrix material)"은 임의의 배향을 포함하여, 특별한 배향으로 본 발명의 사이징 섬유를 조직화하도록 기능할 수 있는 벌크(bulk) 물질을 언급한다. 매트릭스 물질은 사이징 섬유의 물리적 성질 및/또는 화학적 성질의 일부 측면을 매트릭스 물질로 제공함에 의하여 사이징 섬유의 존재에 대한 혜택을 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명은 (1) 용매에서 전이 금속 나노입자(NP)의 분산물을 포함하는 나노입자(NP) 용액 및 (2) 제 1 섬유 사이징 작용제(sizing agent)를 포함하는 섬유 사이징 제제를 제공한다. NP는 섬유에 섬유 사이징 제제의 적용 및 용매의 제거 이후에 제 1 섬유 사이징 작용제를 통하여 분산된다. NP는 제 2 사이징 작용제, 섬유에 추가의 나노 구조체(nanostructure) 성장을 위한 촉매, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 기능을 수행한다.
본 발명은 제조 동안 섬유에 적용을 위한 나노입자 분산물로서 나노미터 크기의 입자를 포함하는 사이징 제제를 제공한다. 본 발명의 NP는 나노입자의 부유물 또는 콜로이드 분산물을 형성하게 하는 임의의 적합한 용매에서 분산재로서 제공된다. 용매는 가열과 같은 적절한 조건하에서 또는 진공하에서, 또는 이들의 조합에서, 제거가능하도록 선택될 수 있다. 나노입자의 부유물 또는 콜로이드 분산물을 형성하는 것과의 양립성 이외에, 용매는 코팅되는 섬유와 화학적 양립성뿐 아니라, 제제에서 사용되는 임의의 다른 사이징 작용제의 적합한 용해성을 위해 선택될 수 있다. 본 발명의 제제에서 사용되는 용매는 물, 아세톤, 헥산, 이소프로필 알콜, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 테트라하이드로퓨란(THF), 사이클로헥산 또는 나노입자의 적합한 분산물을 생성하기 위하여 제어된 극성을 가지는 임의의 다른 용매를 포함하고, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 사이징 제제에서 NP는 제제의 약 0.5 내지 약 70 중량%의 범위로 존재할 수 있다. 또한, 제제에서 NP의 양은 코팅되는 섬유 기질에서 단일층 NP의 용이한 형성을 보장하도록 조절될 수 있다. NP의 양은 제제에 포함된 다른 사이징 작용제의 상대적인 양에 따를 수 있다. 따라서, 예를 들어, NP의 양은 섬유 기질에서 NP의 단일층의 용이한 형성을 보장하는 약 1:1 내지 약 1:400, 또는 임의의 양의 범위에서 다른 사이징 작용제와 함께 비율로서 표현될 수 있다. 사용되는 NP의 양은 얼마나 많은 표면적이 커버될 것인지와 특별한 사이징 적용을 위한 섬유에서 원하는 범위의 밀도에 따를 수 있다는 것을 당업자는 인식할 수 있을 것이다. 다른 고려사항은 NP가 이것이 부여하는 특별한 물리적 성질 또는 화학적 성질을 위해 사용될 수 있는지 또는 NP가 다른 계층적인 나노 구조체를 합성하는 플랫폼으로 사용될 수 있는 지와 같이, 포스트(post) 섬유 제조 적용에 관한 것이다. 제 2 사이징 작용제로서 사용될 때, 제제에서 NP의 양은, 일 실시예에서 제제의 약 0.5 내지 70 중량%의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서 제제의 약 0.5 내지 10 중량%의 범위일 수 있고, 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 중량%, 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. 추가의 나노 구조체 성장을 위한 촉매로 사용될 때, 제제에서 NP의 양은, 일 실시예에서 제제의 약 0.5 내지 약 5 중량%의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서, 제제의 약 0.01 내지 약 1 중량% 범위일 수 있고, 예를 들어, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06. 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 중량%, 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. NP가 전기전도성 또는 열전도성을 위한 도관으로 기능하는 적용에서, 제제에서의 NP의 양은, 일 실시예에서 제제의 약 0.5 내지 70 중량%의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서 제제의 약 0.5 내지 10 중량%의 범위일 수 있고, 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 중량%, 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다. NP가 제 2 사이징 작용제로 기능하는 적용에서, 제제에서의 NP의 양은, 일 실시예에서, 제제의 약 0.5 내지 70 중량%의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서, 제제의 약 0.5 내지 10 중량%의 범위일 수 있고, 예를 들어, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 중량%, 및 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 나노입자 용액은, 일 실시예에서 약 1 nm 내지 약 800 nm의 입자 직경, 다른 실시예에서 약 1 nm 내지 약 100 nm의 입자 직경, 또 다른 실시예에서 약 1 nm 내지 약 30 nm의 입자 직경을 가지는 나노미터 크기 입자의 콜로이드 용액이다. 제 2 사이징 작용제로 사용될 때, NP는 일 실시예에서 약 1 nm 내지 약 800 nm 크기의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서 약 1 nm 내지 약 100 nm 크기의 범위일 수 있고, 또 다른 실시예에서 약 1 nm 내지 약 30 nm 크기의 범위일 수 있다. SWNT를 합성하는 적용에서, NP는 약 0.05 nm 내지 약 2 nm 크기의 범위일 수 있다는 것을 당업자는 인식할 수 있을 것이다. 비록 더 큰 NP 크기를 가지는 SWNT를 얻는 것이 가능하지만, 생성된 CNT는 일부 양의 DWNT 또는 MWNT도 포함할 것이다. 일부 적용에서 CNT의 혼합물을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 다중벽 나노튜브(multiwalled nanotube)는 본질적으로 금속이고, DWNT와 MWNT의 혼합물은 열전도성 적용 및/또는 전기전도성 적용에 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, MWNT가 섬유에서 원하는 생성물일 때, NP는 일 실시예에서 약 5 nm 내지 약 60 nm 크기의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서 약 5 nm 내지 약 30 nm 크기의 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, NP는 전이 금속을 포함한다. 전이 금속은 상기 언급된 바와 같이 임의의 d-블럭 전이 금속일 수 있다. 또한, 나노입자는 원소 형태 또는 염 형태, 및 이들의 혼합물로 d-블럭 금속의 합금 및 비 합금 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 염 형태는 산화물, 탄화물 및 질화물을 포함하고, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 비 제한적인 예시의 전이 금속 NP는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, Ag 및 이들의 염 및 이들의 혼합물을 포함한다. 유용한 전이 금속은 예를 들어, CNT, 나노로드(nanorod) 및 나노와이어(nanowire)와 같은 나노 구조체 성장을 위한 촉매로서 기능할 수 있다. CNT 촉매는 상술된 전이 금속을 포함한다. 예를 들어, Ag, Au, Ni, Pt, Si, InP, GaN, SiO2, TiO2, ZnO, MnO 및 SnO는 나노와이어 및 나노로드 성장을 위한 템플릿(template)으로 사용되었다. 다른 유용한 전이 금속 나노입자는, 예를 들어 구조적인 도펀트(dopant)로 사용을 위한 Ti, 전자기 차폐 전도성 적용(EMI shielding conductivity application)에서, Al, 및 배터리(battery) 또는 캐퍼시터(capacitor)에서의 전극을 위한 전해질로서 Mg 및 Mn을 포함한다.
본 발명의 섬유 사이징 제제에서의 NP는 수많은 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, NP는 다른 종래의 사이징 작용제와 함께 제 2 사이징 작용제로 사용될 수 있다. 특히, 전이 금속 입자의 사용은 이후의 제조 변형을 위한 기회를 제공하여서 섬유의 사이징 특징을 변경한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제 1 섬유 사이징 물질은 섬유에 붙어있는 NP를 남기면서 제거될 수 있다. 특히, 섬유가 NP와 강한 상호작용을 가지는 경우에, 새롭게 생성된 나노입자 크기의 섬유는 나노입자의 고효율적인 표면적으로부터 혜택을 얻어서 복합재 구조체에서 매트릭스 물질과의 계면 상호작용을 증가시킬 수 있다. 제 1 섬유 사이징 작용제의 존재 또는 부존재에서, NP는 본 발명의 사이징 제제를 가지고 사이징 섬유를 결합한 복합재에 특정한 성질을 부여할 수 있다. 예를 들어, 전기적으로 전도성인 입자는 전기전도성 및 전자기 차폐 특징을 위해 사용될 수 있다. 유사하게, 열적으로 전도성인 입자는 증가된 열전도성을 위해 사용될 수 있다.
NP는 특별한 파장의 방사선을 흡수하는 능력을 위해 선택될 수 있다. 이러한 방사선 흡수는 열과 같이 유용한 에너지 형태로의 전환으로 연결될 수 있다. 열 전달 적용에서 또는 복합재 자체의 제조에서 열이 사용될 수 있다. 후자의 적용에 대한 예시로서, 마이크로파 방사선 또는 다른 파장의 방사선을 흡수할 수 있는 섬유는 특별한 매트릭스 물질의 경화를 도와주는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 열적으로 경화할 수 있는 매트릭스 물질은 종래의 가열에 의해 경화될 때, 종종 불균일하게 경화될 수 있다. 방사선을 흡수하는 NP를 결합한 본 발명의 사이징 제제로 사이징 섬유를 결합시킴에 의하여, 매트릭스 물질은 종래의 가열 이외에 조사(irradiation)를 통하여 동시에 가열되어 균일한 매트릭스 경화를 향상시킬 수 있다. 또한, NP는 제어된 입자 크기를 사용하고 특정한 파장의 빛을 목표하기 위한 일정한 간격을 두는 태양열 흡수 적용에 사용될 수 있다. 이러한 NP 크기 및 간격의 제어는 빛 흡수성을 향상시키고 방사율을 감소시킬 수 있다.
상기에서 간단하게 설명된 바와 같이, NP는 섬유에서 탄소 나노튜브 이외에 나노로드 또는 나노와이어와 같은 다른 나노 구조의 물질을 성장시키는 촉매로 사용될 수 있다. 구성될 수 있는 탄소 나노튜브는 SWNT, DWNT MWNT 및 이들의 혼합물을 포함한다. 특히, SWNT와 관련하여, 나노튜브 키랄성(chirality)을 제어하는 기술은 전도성 SWNT, 반 전도성 SWNT 및 절연성 SWNT와 같은 특정한 전기적 성질을 가지는 SWNT를 생성하는데 사용될 수 있다는 것은 당업자는 인식할 수 있을 것이다. 섬유에서 성장된 탄소 나노튜브는 예를 들어, 산화 또는 불화와 같은 당해 기술 분야에서 공지된 방법에 의하여 더 기능화될 수 있다. 섬유에서 성장된 CNT는 캡핑되거나 말단이 개방될 수 있다. CNT는 성장되어서 방사성 물질 또는 영상에 유용한 물질과 같은 다른 물질을 캡슐화할 수 있다. 나노 구조 물질의 추가 제조를 위한 플랫폼으로서 탄소 나노튜브를 사용하는 능력을 당업자는 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, CNT는 나노로드 및 나노와이어 성장을 위한 템플릿으로 사용될 수 있다. 섬유에서 성장된 CNT는 사이징 작용제로 기능하고, 이러한 CNT 기능화된 섬유를 결합한 복합재에서, 향상된 인장 강도 및 향상된 전기전도성과 열전도성 같은 유용한 특징을 부여할 수 있다.
일부 실시예에서, NP 또는 상기 언급된 바와 같은 CNT는 나노로드 또는 나노와이어의 제조에 사용될 수 있다. 예시적인 나노로드 또는 나노와이어는 SiC, CdS, B4C, ZnO, Ni, Pt, Si, InP, GaN, SiO2, 및 TiO2를 포함하고, 이것으로 제한되는 것은 아니다. SiC는 예를 들어, 기본적인 탄소, 실리콘 및 수소를 가지는 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD) 기술을 사용하고, 크롬, 니켈, 철 또는 이들의 조합물을 기반으로 하는 NP 촉매를 사용하여 성장될 수 있다. 예시적인 절차를 위하여, 미국 특허 제 6,221,154호를 참조한다. 예를들어, 금 NP는 CdS 나노로드 또는 나노와이어의 합성을 위해 사용될 수 있다. 몰리브덴 및 철 기반의 촉매는 예를 들어, 티타늄, 실리콘, 니오븀(niobium), 철, 보론(boron), 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 하프늄(hafnium), 바나듐, 탄탈륨, 크롬, 망간, 테크네튬(technetium), 레늄(rhenium), 오스뮴, 코발트, 니켈, 란타나이드(lanthanide) 계열 원소, 스칸듐(scandium), 이트륨(yttrium), 란탄(lanthanum), 아연(zinc), 알루미늄, 구리, 게르마늄 및 이들의 조합의 탄화물을 포함하는 다양한 탄화물 나노로드 생성물의 제조에 사용될 수 있다. 이러한 탄화물의 제조를 위한 절차는 예를 들어, 미국 특허 제 5,997,832호에 설명되어 있는 바와 같은 열적 CVD 기술을 활용한다. 많은 전이 금속 촉매된 공정은 열적 CVD 기술 및 플라스마 향상된 CVD 기술을 사용하여 아연 산화물 나노로드 또는 나노와이어의 제조를 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 사이징 제제는 제 1 사이징 작용제를 포함한다. 사이징 작용제는 당해 기술에서 공지된 어느 종래의 사이징 작용제일 수 있다. 사이징 작용제의 기능은 산화성 열화, 습기, 빛 등과 같은 환경적인 조건으로부터 섬유를 보호하는 것을 포함한다. 프리 폴리머(pre-polymer) 및 이작용성 유기 화합물(difunctional organic compound)은 대부분의 사이징 작용제와 함께 또는 보조적인 사이징 작용제로서 포함되어서, 주어진 수지 매트릭스와 교차 폴리머화를 용이하게 한다. 임의의 수의 사이징 작용제는 조합해서 사용될 수 있고, 섬유의 최종 용도와 섬유의 물리적 성질 및/또는 화학적 성질에 따를 것이다. 예시적인 섬유 사이징 작용제는 예를 들어, 고안된 프리 폴리머에 따라서, 실란 기반의 사이징 작용제, 실란 사슬을 가지는 변형된 폴리머를 포함하여서 특별한 수지 매트릭스와 교차 폴리머화를 생성한다. 특히, 유리 섬유에 적용을 위해서, 사이징 작용제는, 예를 들어 알콕시실란, 및 실록산과 같이 다른 실리콘 기반의 뼈대 구조체에서의 다른 활성 작용기를 포함할 수 있다. 특히, 세라믹 섬유에 적용을 위해서, 사이징 작용제는 미국 특허 제 5,093,155호에 개시되어 있는 바와 같은 술폰 기반의 작용제, 및 미국 특허 제 5,130,194호에 개시되어 있는 바와 같은 이작용성 유기 커플링 작용제(difunctional organic coupling agent)를 포함한다. 세라믹 및 다른 섬유를 위한 2층 사이징 시스템(two layer sizing system)은 미국 특허 제 5,173,367호에 개시되어 있고, 이러한 2층 시스템은 금속 산화물 및 티타늄 화합물을 함유하는 제 1 층, 및 폴리카르보실란(polycarbosilan) 또는 폴리실라잔(polysilazane)의 제 2 층을 포함한다. 미국 특허 제 6,251,520호는 습기에 민감한 섬유, 특히 세라믹 섬유를 가지고 사용하기 위한 아크릴레이트 및 메타크릴레이트의 사용을 설명한다. 사이징 작용제의 정확한 선택은 섬유의 화학적 본성 및 섬유가 마주하게 되는 매트릭스에 의하여 안내된다. 다른 고려사항은 섬유 및/또는 복합재를 위한 특별한 적용, 및 열, 습기 등과 같이 섬유 및/또는 복합재가 노출되게 되는 환경적인 조건을 포함한다. 상기 설명한 바와 같이, 사이징 작용제는 정전기 방지(antistatic), 윤활성(lubricating), 및 다른 유용한 성질을 제공할 수 있다.
본 발명의 사이징 제제는 비이온성(non-ionic), 양성이온성(zwitterionic), 이온성 표면 활성제와 같은 추가의 성분을 포함할 수 있다. 이온성 표면 활성제는 양이온 표면활성제 및 음이온 표면활성제를 포함한다. 또한, 사이징 제제는 물 및/또는 종래의 유기물 기반의 용매와 같은 용매를 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 용매는 사용되어, 섬유에서 사이징 작용제의 구성물을 균일하게 코팅하는 수단을 제공한다. 전형적으로, 용매는 열화 단계에서 제거된다.
제 1 사이징 작용제는 제제의 약 0,01 내지 약 5 중량%의 범위로 제제에 존재할 수 있다. 예를 들어, 제 1 사이징 작용제는 제제의 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 중량%로 존재할 수 있으며, 그 사이의 모든 값을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 본 발명의 사이징 제제는 섬유, 제거된 용매, 및 경화된 사이징 작용제에 적용되어 사이징 섬유를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 섬유에 배치된 사이징을 포함하는 섬유를 제공하고, 여기서, 사이징은 그 사이징을 통하여 분산된 전이 금속 나노입자를 포함한다. 도 2에 도시되어 있고 상술된 바와 같이, 사이징에 분산된 NP는 섬유와 접촉하는 표면에서 NP를 포함한다. 이것은 NP가 섬유 표면에서 추가의 나노 구조체를 생성하기 위한 촉매로 사용될 때 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유와 NP 사이의 표면 접촉은 공유 결합 형성을 위한 수단 또는 초기의 나노 구조체와 섬유 사이의 반 데르 발스 인력과 같은 효과적인 비결합 상호작용을 위한 수단을 제공할 수 있다. 이미 적용된 사이징을 가지는 상업적인 섬유와 유사한 결과를 얻기 위하여, 사이징 제거 단계 및 촉매 증착 단계와 같은 추가의 공정 단계를 부가하여야 한다. 모 섬유(parent fiber)가 환경적인 상태에 민감할 때, 사이징의 적용 동안 NP의 적용은 특히 유용하다.
나노입자 용액이 사이징으로 또는 존재하는 사이징에 첨가물로 적용될 수 있는 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 세라믹 섬유, 아라미드 섬유 및 다른 유기물 섬유, 금속 섬유 및 이들의 조합물을 포함하고, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 특별한 섬유는 (as4 및 IM7 피치(pitch) 및 PAN 기반의) 탄소, (E, S, D, C, R, A 타입의) 유리, 케블라(Kevlar), 알루미나(Nextel) 및 SiC를 포함한다. 사이징 섬유는 섬유 토우로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 섬유 토우는 단일형의 사이징 섬유를 결합할 수 있고, 다른 실시예에서 섬유 토우는 2 이상 형태의 사이징 섬유를 포함할 수 있다. 추가의 실시예에서, 본 발명의 섬유는 매트릭스 물질을 포함하는 복합재와 결합될 수 있다. 이러한 매트릭스 물질은 예를 들어, 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴레에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀 포름알데하이드, 및 비스말레이미드를 포함할 수 있고, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 매트릭스 물질로의 결합은 토우 형태에서의 섬유를 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 사이징을 통하여 배치된 NP와 함께 사이징을 가지는 섬유는 매트릭스 물질과 결합되기 이전에, 추가의 나노 구조체를 합성하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 나노 구조체는 섬유 사이징 작용제로서 기능할 수 있다.
또한, 본 발명은 섬유의 제조 동안 본원에서 설명된 사이징 제제를 섬유에 적용하는 단계, 및 적용된 사이징 제제로부터 용매를 제거하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 사이징 유리 섬유를 형성하기 위하여, 용융 유리는 섬유의 차원을 설정한 다이(die)를 통하여 인발(drawn)된다. 섬유는 인발된 이후 냉각될 수 있고 사이징 제제는 섬유가 냉각될 때 섬유에 첨가된다. 사이징 제제의 첨가이후에, 섬유는 가열되거나 "소성(baking)"되어서 물 또는 다른 용매를 플래쉬 오프(flash off)한다.
사이징 제제의 적용은 사이징 제제를 분무하는 것 또는 딥 베스(dip bath) 기술에 의해서 수행될 수 있다. 섬유에 사이징 제제의 적용은 사이징 섬유 제조를 위한 연속적인 공정으로 통합될 수 있다. 섬유의 표면에서 화학적 반응을 통하여 사이징이 생성되는 다단계 공정이 사용될 수 있다. 다양한 사이징 작용제는 순차적으로 또는 동시에 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, NP를 포함하는 사이징 작용제가 가장 먼저 적용되어서 NP와 섬유 표면 사이의 접촉을 보장할 수 있다. 다른 실시예에서, NP를 포함하는 사이징 작용제는 임의의 수의 다른 사이징 작용제의 적용 이후에 적용될 수 있다. 이러한 작동에서, 인발된 섬유는 딥 베스로 공급되고, 이어서 진공 및/또는 가열 챔버로 보내져서, 사이징 제제로부터 용매를 제거할 수 있다. 경화된 사이징을 가지는 섬유는 스풀(spool)되고, 섬유 토우로 제조되어, 복합재 등과 결합될 수 있다.
상술된 바와 같이, 사이징은 사이징 제제로부터 용매의 제거에 의하여 "경화(curing)"될 수 있다. 이것은 진공하에서, 가열에 의해서, 또는 두 기술의 조합으로 수행될 수 있다. 용매 제거를 위한 정확한 조건은 예를 들어, 제거되는 용매의 특성 및 상승된 온도에 대한 섬유의 민감성에 따를 것이다. 경화를 위한 온도는 예를 들어, 1 내지 12 시간 동안, 40 ℃ 내지 110 ℃의 범위일 수 있다. 사이징 작용제를 그 자체와 교차 결합 및/또는 수지 매트릭스와 교차 결합을 위하여 임의의 활성 그룹을 생성 및/또는 반응시키는데 필요한 임의의 다른 온도가 사용될 수 있다.
CNT를 제조하는 추가 공정과 관련하여, 본 발명의 사이징 제제를 사용할 때, 예를 들어, CNT 기능화된 섬유의 종래의 제조에서 수행된 단계는 더 이상 필요하지 않다. 특히, 섬유에서 탄소 나노튜브를 성장시키는데 사용되는 일부 공정은 촉매 첨가 단계, 및 사이징 제거와 같이 촉매 첨가 이전의 섬유 표면 처리 단계를 포함한다. 촉매 NP는 사이징과 결합된 섬유에 첨가되기 때문에, 이러한 추가적인 단계는 탄소 나노튜브 성장 공정에서 생략될 수 있다. 이러한 공정 단계 작동의 부재는 섬유 표면을 더 깨끗한 상태 또는 오염되지 않은 상태로 유지하는 것을 도울 수 있다. 또한, 본 발명의 사이징 제제에서 전이 금속 NP는 섬유에 균일한 분포를 용이하게 하고, 섬유에 직접적인 표면 접촉을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이미 사이징 섬유에 나노입자가 도입될 때, NP는 사이징의 표면에 있기 쉽다. 사이징의 표면에 있는 입자로부터 탄소 나노튜브 성장이 일어나는 정도로, 섬유에서 탄소 나노튜브의 존재로부터 생길 수 있는, 있더라도 극히 적은 임의의 혜택(예를 들어, 최종적으로 제조된 임의의 섬유 복합재의 향상된 강도 등)은 인식되지 않을 수 있다.
도 2는 섬유의 제조 동안 본 발명의 사이징 제제의 적용을 도시한다. 사이징 제제 결합한 NP는 섬유의 제조 동안 적용되기 때문에, 나노입자는 섬유의 표면에 붙어있는 많은 입자와 함께 잘 분포된다. 섬유의 표면에 붙어있는 나노튜브로부터 탄소 나노튜브가 성장하는 정도로, 최종적인 섬유 복합재는 (특히, 복합재의 횡 방향으로) 향상된 강도 및 강성 이외에, 향상된 인성(toughness) 및 피로 강도(fatigue strength)를 나타낼 것이다. 또한, 본원에서 기술된 사이징 제제에 따라 처리된 섬유로부터 제조된 섬유 복합재는 향상된 열적 성질 및 전기전도성을 나타낼 것이다.
본 발명의 섬유에서 성장된 CNT는 이것으로 제한되는 것은 아닌, 마이크로 캐비티(micro-cavity), 열적 CVD 기술 또는 플라스마 향상된 CVD 기술, 레이저 제거(laser ablation), 아크 방전(arc discharge), 및 고압 일산화탄소(high pressure carbon monoxide, HiPCO)를 포함하는 당해 기술분야에서 공지된 기술에 의해 수행될 수 있다. 특히, CVD 동안 전이 금속 NP를 포함하는 사이징 섬유가 직접 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 임의의 종래 사이징 작용제는 CNT 합성 동안 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 사이징 작용제는 제거되지 않지만, 사이징을 통한 탄소 소스의 확산으로 인하여 CNT 합성을 방해하지 않는다. 성장되는 CNT의 직경은 상술한 바와 같이 NP의 크기에 따른다. 일부 실시예에서, 사이징 섬유 기질은 약 550 ℃ 내지 약 750 ℃로 가열되어 합성을 용이하게 한다. CNT의 성장을 개시할 때, 두 가지 기체가 반응기로 공급되는데, 이것은 암모니아, 질소 또는 수소와 같은 공정 기체 및 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올 또는 메탄올과 같은 탄소 함유 기체이다. CNT는 전이 금속 NP의 자리에서 성장한다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 탄소 함유 기체는 촉매 입자의 표면에서의 반응물이고, 입자의 가장자리로 운반된 탄소이고, 여기서 CNT를 형성한다. 일부 실시예에서, NP는 성장하는 CNT의 선단 에지(leading edge)를 횡단할 수 있다. 다른 실시예에서, NP는 섬유 기질에서 CNT를 기반으로 하여 남을 수 있다. CNT 성장 동안 NP의 배치는 촉매 입자와 섬유 사이의 접착에 따를 수 있다는 것을 당업자는 인식할 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, CVD 성장은 플라스마 향상된다. 플라스마는 성장 공정 동안 전기장을 제공함에 의하여 생성될 수 있다. 이러한 조건에서 성장된 CNT는 전기장의 방향을 따를 수 있다. 따라서, 반응기의 기하학적 구조를 조절하여, 수직으로 배열된 탄소 나노튜브는 실린더형 섬유에 대하여 방사상으로 성장될 수 있다. 일부 실시예에서, 플라스마는 섬유에 대하여 방사상 성장을 요구하지 않는다.
사이징 섬유의 추가 공정은 섬유 토우 및/또는 복합재에 섬유를 결합하는 것을 포함한다. 이러한 섬유는 NP, 또는 촉매나 성장 시드로서 NP의 도움으로 집합되는 다른 나노 구조체를 포함한다. 섬유 토우는 토우 소스 물질로부터 직접적으로 제조되거나 사이징 섬유의 집합에 의하여 제조된다. 토우가 토우 소스 물질로부터 직접적으로 제조될 때, 섬유 토우는 개별적인 섬유를 노출하기 위하여 펼쳐질 수 있다. 팽팽함을 유지한 동안, 스프레드 섬유(spread fiber)는 본원에 설명된 사이징 제제로 처리될 수 있다. 따라서, 개별적인 섬유의 제조에 적용된 절차는 이미 토우 형태로 있는 물질과 동일하게 잘 적용될 수 있다.
본원에서 설명된 사이징 제제로 처리된 섬유를 매트릭스 물질에 결합하여 복합재를 형성할 때, 복합재 형성을 위한 종래의 기술이 사용될 수 있다. 열 경화를 요구하는 수지 매트릭스는 가열 챔버로 도입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제조된 NP 또는 다른 나노 구조체는 조사(irradiation) 또는 가열을 향상시키는 다른 기술에 의하여 매트릭스 물질을 경화하는 것을 도와준다. 복합재는 당해 기술 분야에서 공지된 혼합 기술을 통하여 형성될 수 있고, 형성되는 물품 및 사용되는 매트릭스 물질의 상태에 따라서 압출(extrusion), 인발(pultrusion), 몰딩(molding) 등과 병행될 수 있다. 표준 레이업(standard lay up) 또는 섬유/수지/나노물질 기반의 복합재를 생성하는데 필요한 다른 공정 및 예를 들어, 필라멘트 와인딩(filament winding) 또는 VARTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)과 같은 수지 주입 공정으로 복합재 가공이 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 전이 금속 NP의 용액을 사이징 코팅된 섬유(sizing-coated fiber)에 첨가하는 단계 및 상기 사이징을 소성(baking)하는 단계를 포함하는 방법을 제공하고, 여기서 NP의 용액은 사이징을 소성하는 단계 이전에 첨가된다. 이러한 실시예에서, 사이징 제제는 NP를 포함하지 않고, NP는 별개로, 사이징의 경화 이전에 첨가된다. 이것은 경화된 상태로의 사이징의 최종적인 공정 이전에 사이징 물질을 통하여 NP가 분산될 수 있게 한다.
또한, 이러한 발명의 다양한 실시예의 활동에 실질적으로 영향을 미치지 않는 변형은 본원에서 제공된 발명의 정의 이내에 포함될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이하의 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이고, 제한하는 것은 아니다.
예 1
나노입자 CNT 성장 촉매를 포함하는 섬유 사이징의 적용
이러한 예는 유리 섬유에 사이징 제제의 적용을 보여준다.
부피 분율이 1:200(1 부분의 콜로이드 철 기반의 촉매 용액(물을 기반으로 함), 물에서 0.5%의 실란 사이징을 포함하는 200 부분의 사이징 용액)인 NP:사이징 용액이 포스트 유리 형성 디핑 공정(post glass formation dipping process)에 적용되어 사이징 코팅재를 적용한다. 섬유는 스풀(spool)에서 토우 형태로 모이고 스풀된 섬유는 오븐에서 120 ℃로 12 시간 동안 소성(baking)되어서, 물을 제거하고 사이징 코팅재를 "경화(curing)"한다.
본 출원을 통하여, 여러 가지 특허문헌이 참조되었다. 이러한 특허문헌의 공개는 본 발명이 속하는 기술 분야의 상태를 더 완전하게 설명하기 위하여 본 출원에서 그 전체가 참조로서 편입된다.
본 발명이 기술된 실시예에 관하여 설명되었지만, 상술된 특정한 예시 및 연구는 단지 본 발명의 예시라는 것을 당업자는 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 사상을 이탈하지 않는 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 단지 이하의 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims (25)

  1. 섬유 사이징 제제(fiber sizing formulation)에 있어서,
    (1) 용매에서 전이 금속 나노입자(NP)의 분산물을 포함하는 나노입자(NP) 용액; 및
    (2) 제 1 섬유 사이징 작용제(sizing agent)를 포함하며,
    상기 NP는 섬유에 상기 섬유 사이징 제제의 적용 및 상기 용매의 제거 이후에 상기 제 1 섬유 사이징 작용제를 통하여 분산되고,
    상기 NP는 제 2 사이징 작용제, 상기 섬유에 또 다른 나노 구조체(nanostructure) 성장을 위한 촉매, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 NP는 상기 섬유 사이징 제제의 약 x 내지 약 y 중량%의 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 NP는 약 1 nm 내지 약 800 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 NP는 약 5 nm 내지 약 60 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 NP는 약 5 nm 내지 약 30 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 NP는 약 0.05 nm 내지 약 2 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 탄소 나노튜브(nanotube) 또는 나노와이어(nanowire)/나노로드(nanorod)인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 나노와이어/나노로드는 SiC, CdS, B4C, ZnO, Ni, Pt, Si, InP, GaN, SiO2, 및 TiO2로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 NP는 전기전도성인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 NP는 열전도성인 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전이 금속 NP는 Ni, Fe, Co, Mo, Cu, Pt, Au, Ag, TiO2, ZnO, MnO, SnO 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 섬유 사이징 작용제는 실란 기반의 물질, 및 선택적으로 수지 매트릭스와 교차 결합을 위한 프리 폴리머(pre-polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 섬유 사이징 작용제는 상기 섬유 사이징 제제의 약 0.01 내지 약 5 중량%의 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는
    섬유 사이징 제제.
  14. 섬유에 배치되는 사이징을 포함하는 섬유에 있어서,
    상기 사이징은, 상기 사이징을 통하여 분산되는 전이 금속 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는
    섬유.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 섬유는 섬유 토우(fiber tow)와 결합되는 것을 특징으로 하는
    섬유.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 섬유는 매트릭스 물질을 포함하는 복합재와 결합되는 것을 특징으로 하는
    섬유.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 매트릭스 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 비닐에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀 포름알데하이드 및 비스말레이미드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    섬유.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 NP는 상기 복합재와 결합되기 이전에 나노 구조체를 합성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는
    섬유.
  19. 제 1항의 섬유 사이징 제제를 섬유의 제조 동안 상기 섬유에 적용하는 단계; 및
    적용된 상기 섬유 사이징 제제로부터 상기 용매를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 섬유를 섬유 토우(fiber tow)에 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 섬유를 매트릭스 물질에 결합하여 복합재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 섬유를 상기 매트릭스 물질에 결합하여 상기 복합재를 형성하는 단계 이전에, 상기 섬유에서 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  23. 전이 금속 NP의 용액을 사이징 코팅된 섬유(sizing-coated fiber)에 첨가하는 단계; 및
    상기 사이징을 소성(baking)하는 단계를 포함하며,
    상기 NP의 용액은 상기 사이징을 소성하는 단계 이전에 첨가되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 섬유를 매트릭스 물질에 결합하여 복합재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 섬유를 상기 매트릭스 물질에 결합하여 상기 복합재를 형성하는 단계 이전에, 상기 섬유에서 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
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