KR100689866B1 - Process for synthesizing polymer-grafted carbon nanotubes and its precursor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에서 얻어진 비닐기가 도입된 탄소나노튜브를 핵자기공명분석한 결과이다. 1 is a result of nuclear magnetic resonance analysis of the carbon nanotubes in which the vinyl group obtained in the embodiment of the present invention is introduced.
도 2는 본 발명의 실시예에서 얻어진 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브(b)와 원재료인 탄소나노튜브(a)를 초음파로 물에 분산시킨 후 침강되는 현상을 관찰한 결과이다. 2 is a result of observing a phenomenon in which the carbon nanotubes (b) functionalized with the carboxyl group obtained in the embodiment of the present invention and carbon nanotubes (a), which are raw materials, are dispersed in water with ultrasonic waves and then settled.
도 3은 본 발명의 실시예에서 얻어진 탄소나노튜브를 엑스레이광전자분광기(x-ray photoelectron spectroscopy)로 측정한 결과이다. Figure 3 is a result of measuring the carbon nanotubes obtained in the embodiment of the present invention by x-ray photoelectron spectroscopy (x-ray photoelectron spectroscopy).
도 4는 원재료인 탄소나노튜브(CNT)와 본 발명의 실시예에서 얻어진 탄소나노튜브 표면에서 성장한 폴리스티렌 중합체(CNT-PS)를 적외선 분광기로 측정한 결과이다. Figure 4 is a result of measuring the carbon nanotubes (CNT) as a raw material and the polystyrene polymer (CNT-PS) grown on the surface of the carbon nanotubes obtained in the embodiment of the present invention by infrared spectroscopy.
도 5a 및 5b는 각각 원재료인 탄소나노튜브와 본 발명의 실시예에서 얻어진 탄소나노튜브 표면에서 성장한 폴리스티렌 중합체의 전자주사현미경(SEM) 사진이다. 5A and 5B are electron scanning microscope (SEM) photographs of carbon nanotubes as raw materials and polystyrene polymers grown on the surface of carbon nanotubes obtained in an embodiment of the present invention, respectively.
도 6a 및 6b는 각각 원재료인 탄소나노튜브와 본 발명의 실시예에서 얻어진 탄소나노튜브 표면에서 성장한 폴리스티렌 중합체의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope) 사진이다. 6A and 6B are transmission electron microscope images of carbon nanotubes, which are raw materials, and polystyrene polymers grown on the surface of carbon nanotubes obtained in an embodiment of the present invention, respectively.
도 7은 원재료인 탄소나노튜브(a, CNT)와 본 발명에 따른 실시예의 각 단계에서 얻어진 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브(b, CNT-COOH), 비닐기가 도입된 탄소나노튜브(c, CNT-COOH-MAAM), 그리고 폴리스티렌이 결합된 탄소나노튜브(d, CNT-COOH-MAAM-PS)를 각각 TGA 분석한 결과이다. 7 is carbon nanotubes (a, CNT) as raw materials, and carbon nanotubes (b, CNT-COOH) functionalized with carboxyl groups obtained in each step of the embodiment of the present invention, and carbon nanotubes (c, CNT) into which vinyl groups are introduced. -COOH-MAAM) and polystyrene-bonded carbon nanotubes (d, CNT-COOH-MAAM-PS), respectively.
본 발명은 비닐계 고분자가 그래프팅된 탄소나노튜브의 제조방법 및 그 전구체에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브 표면에 비닐기를 도입하고 이를 비닐계 단량체와 중합시킴으로써 비닐계 고분자를 탄소나노튜브 표면에서 쉽게 성장시키는 방법 및 그 전구체에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a carbon nanotube grafted with a vinyl polymer and a precursor thereof, in particular, by introducing a vinyl group on the surface of the carbon nanotube and polymerizing it with a vinyl monomer, the vinyl polymer on the surface of the carbon nanotube easily A method of growing and a precursor thereof.
탄소나노튜브는 1991년 일본 전기회사(NEC)의 이지마 박사에 의해 처음 발명된 후 가장 흥미로운 새로운 물질중의 하나로 과학계와 산업계의 상당한 관심을 불러일으켰다. 특히 고분자/탄소나노튜브 나노 복합재료는 기존의 소재에 비하여 월등한 기계적, 화학적, 열적, 전기적, 광학적 특성을 갖고 있어, 이러한 이상적인 소재의 개발에 전 세계적인 관심이 모아졌다. 고분자/탄소나노튜브 나노 복합재료는 기존재료 보다 훨씬 더 강한 복합재료로서 다양한 첨단 IT 산업에 응용될 수 있 는 등 많은 잠재적인 엔지니어링 용도를 갖고 있는 것으로 평가되고 있다.Carbon nanotubes were first invented by Dr. Ijima of the Japan Electric Company (NEC) in 1991, and have attracted considerable attention from the scientific and industrial world as one of the most interesting new materials. In particular, polymer / carbon nanotube nanocomposites have superior mechanical, chemical, thermal, electrical, and optical properties compared to conventional materials, attracting worldwide attention in the development of such ideal materials. Polymer / carbon nanotube nanocomposites are much stronger composites than conventional ones, and have many potential engineering applications, including applications in a variety of advanced IT industries.
고분자 나노 복합재료는 고분자 매트릭스에 100nm 이하의 충진제로 이루어진 소재이다. 이러한 목적에 사용되는 1세대 충진제로서는 탄소섬유(Carbon fiber)와 같이 종횡비(Aspect ratio)가 큰 섬유형이나 카본블랙 및 실리카와 같이 종횡비가 1에 가까운 나노입자가 사용되어 왔다. 1990년대 말에는 2세대 충진제로서 점토와 같은 판상형의 구조를 갖는 물질이 고분자 나노복합재료에 사용되었다. 이러한 고분자 나노복합재료는 약 100여년 동안 고분자 제품을 제조하는 응용분야에서 필수적으로 사용되어오고 있으며, 그 활용 폭 또한 매우 광범위하다. 여기에 고분자/탄소나노튜브 나노복합재료의 등장은 기존의 소재로는 얻을 수 없었던 다양한 기계적, 열적, 전기적 및 광학적 특성들을 얻을 수 있는 장점을 지니고 있어 세계적인 관심을 불러일으켰으며, 현재도 많은 연구 결과들이 발표되고 있다. Polymer nanocomposites are materials consisting of fillers of 100 nm or less in the polymer matrix. As the first-generation filler used for this purpose, a fibrous form having a high aspect ratio such as carbon fiber and a nanoparticle having a close aspect ratio such as carbon black and silica have been used. In the late 1990s, a plate-like material such as clay was used in the polymer nanocomposite as a second-generation filler. Such polymer nanocomposites have been used in applications for manufacturing polymer products for about 100 years, and their application range is also very wide. In addition, the emergence of polymer / carbon nanotube nanocomposites has attracted worldwide attention as it has the advantage of obtaining various mechanical, thermal, electrical and optical properties that were not possible with conventional materials. Are being announced.
고분자/탄소나노튜브 나노복합재료를 제조하기 위하여 가장 중요한 핵심 기술은 첫째, 탄소나노튜브의 종횡비를 손상시키지 않으면서 탄소나노튜브를 고분자에 응집이 없이 균일하게 분산시키는 것과, 둘째, 탄소나노튜브 매트릭스인 고분자간 계면의 상호인력을 증가시켜 젖음성 및 접착력을 항상시키는 것이다. 일반적으로 탄소나노튜브는 고유의 반데르 발스 인력이 높으며 또한 표면적과 종횡비가 매우 큼에 따라 자체적인 응집이 발생하여 탄소나노튜브 만의 우수한 물성이 매트릭스에 균일하게 전달되지 못하는 문제점이 있다.The most important key technologies for producing polymer / carbon nanotube nanocomposites are firstly, uniformly dispersing carbon nanotubes without polymer aggregation in the polymer without impairing the aspect ratio of carbon nanotubes, and secondly, carbon nanotube matrix. Increasing the mutual attraction of the interface between the phosphorus polymer is to always wettability and adhesion. In general, carbon nanotubes have a high van der Waals attractive force, and due to their large surface area and aspect ratio, their own agglomeration occurs, and thus the excellent properties of carbon nanotubes are not uniformly transmitted to the matrix.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기존 국내외의 연구는 크게 첫째, 탄소나노 튜브의 전처리, 둘째, 용융혼합, 셋째, in-situ 중합, 넷째, 용액처리법으로 나누어진다. The existing domestic and foreign studies to solve these problems are largely divided into first, pretreatment of carbon nanotubes, second, melt mixing, third, in-situ polymerization, fourth, solution treatment method.
첫 번째 방법인 탄소나노튜브의 전처리는, 초음파나 플라즈마 또는 볼-밀(ball-mill)을 통해서 탄소나노튜브의 자체 응집된 부분을 풀어주거나 표면처리 하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 전처리 과정동안 탄소나노튜브가 파괴되는 문제점이 있다. 또한 전처리 방법의 일환으로, 비활성인 탄소나노튜브 표면에 극성을 부여하기 위하여 -OH, -COCl, -COOH 등과 같은 화학작용기를 치환시켜 고분자/탄소나노튜브 나노복합재료를 제조하는 방법도 개발되어 있다(Angew Chem. Int. Ed.,41,1853(2002)). The first method, pretreatment of carbon nanotubes, is a method of releasing or surface-treating self-aggregated parts of carbon nanotubes by ultrasonic waves, plasma, or ball-mill. However, this method has a problem that the carbon nanotubes are destroyed during the pretreatment. In addition, as part of the pretreatment method, a method of preparing polymer / carbon nanotube nanocomposites by substituting chemical groups such as -OH, -COCl, and -COOH in order to impart polarity to the inactive carbon nanotube surface has been developed. Angew Chem. Int. Ed., 41, 1853 (2002).
두 번째인 용융혼합법은 압출, 사출성형, INTERNAL MIXING 등과 같은 고분자의 범용 가공기술에 쉽게 적용할 수 있기 때문에 공정상 간단하고, 또한 환경상 유해한 유기용매가 사용되지 않는 장점을 지니고 있으며, 다양한 플라스틱과 고무소재를 매트릭스로 사용할 수 있는 이점이 있다. 하지만 이 경우 탄소나노튜브의 응집된 형태가 그대로 잔존하게 되어 이상적으로 분산된 구조를 얻기가 어렵다는 단점이 있다. 또한 혼합과정 중에 강한 전단력을 가함으로써 탄소나노튜브의 응집문제를 해결할 수는 있으나 이렇게 가해전 전단력에 의하여 고분자가 분해되거나 탄소나노튜브가 파괴될 수 있다는 문제점이 보고 되고 있다(Powder Materials: Current Research and Industrial Practices(conference)(2001).Second, melt mixing method is easy to apply to general processing technology of polymer such as extrusion, injection molding and INTERNAL MIXING, so it is simple in process and does not use environmentally harmful organic solvents. There is an advantage that the rubber material can be used as a matrix. However, in this case, the aggregated form of carbon nanotubes remains as it is, so it is difficult to obtain an ideally dispersed structure. In addition, the cohesion problem of carbon nanotubes can be solved by applying a strong shearing force during the mixing process. However, it is reported that polymers can be decomposed or carbon nanotubes can be destroyed by shearing force before application (Powder Materials: Current Research and Industrial Practices (conference) (2001).
세 번째 in-situ 중합법은 탄소나노튜브를 매트릭스로 사용하고자 하는 액체 상태의 고분자 단량체와 혼합하여 초음파를 가한 후 괴상중합시키는 방법으로, 이 방법은 괴상중합 시 중합이 진행됨에 따라 상승하는 반응열 및 점도를 조절하기가 용이하지 않다는 문제점이 있다(Materials Science & Engineering, C23,87(2003)).In the third in-situ polymerization method, carbon nanotubes are mixed with a polymer polymer in a liquid state to be used as a matrix and subjected to ultrasonic polymerization, followed by a polymerization process. There is a problem that it is not easy to adjust the viscosity (Materials Science & Engineering, C23,87 (2003)).
네 번째 용액처리법은 미국의 펜실베니아 대학교 위니 연구팀이 고안한 방법으로(Journal of Polymer Science Part B, Polymer Physics, 41,3333(2003)), 고분자를 유기용매에 녹인 후 여기에 탄소나노튜브를 분산시키고, 물과 같이 고분자에 불용인 액체에 이 분산액을 섞어 침전시켜서 고분자에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키는 방법이다. 하지만 이 방법은 탄소 나노튜브 표면에서 중합 과정을 통하여 고분자 브러쉬를 제조하는 것과는 거리가 먼 기술이다.The fourth solution is a method developed by Winnie and his team at the University of Pennsylvania (Journal of Polymer Science Part B, Polymer Physics, 41,3333 (2003)). After dissolving the polymer in an organic solvent, carbon nanotubes are dispersed therein. This is a method of uniformly dispersing carbon nanotubes in a polymer by precipitating by mixing the dispersion in a liquid insoluble in a polymer such as water and water. However, this method is far from producing polymer brushes through polymerization on carbon nanotube surfaces.
최근에는 고분자/탄소나노튜브 나노 복합재료를 제조하기 위하여 더욱 다양한 방법들이 시도되고 있는데, 그중 미국 애크론 대학교의 이사에브(Isayev) 교수 연구팀은 초음파를 고분자 가공법인 압출과정에 적용하여 탄소나노튜브를 고분자에 분산시키는 방법을 계획하고 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 초음파를 압출과정동안 장시간 사용하였던 이사에브(Isayev) 그룹의 기존 연구결과에서 보여 지듯이, 이 방법 또한 초음파의 캐비테이션(cavitation) 현상으로 발생되는 고온, 고압 때문에 초음파에 노출된 고분자의 상당량이 열분해 되어 고분자 자체의 물성이 저하되는 문제점이 예상된다.Recently, more various methods have been tried to manufacture polymer / carbon nanotube nanocomposites. Among them, Professor Isayev of Akron University has applied ultrasonics to extrusion process, which is a polymer processing method. It is known to plan a method for dispersing in a polymer. However, as shown in the previous research of the Isayev group, which used ultrasonic waves for a long time during the extrusion process, this method also pyrolyzes a large amount of polymer exposed to ultrasonic waves due to the high temperature and high pressure caused by the cavitation of ultrasonic waves. The problem is that the physical properties of the polymer itself is lowered.
미국 플로리다 주립대학교, 영국의 서섹스 대학교, 중국의 상해 지오통대학의 연구팀에서 공동 연구한 다벽 탄소나노튜브에 가교된 폴리우레아(Chao Gao; Harold W. Kroto; Simon. J.Phys.Chem.B 2005)가 최근 소개되었다. 이 경우는 공유결합을 이용하여 탄소나노튜브를 기능화 시키는 실험인데, 이 실험은 실험 수행 과정에서 사용되는 티오닐클로라이드(SOCl2)가 수분에 노출시 인체에 유독한 가스를 발생시켜, 흡입 시 두통, 후두염, 부종, 심각한 폐 손상 등을 야기할 수 있고 피부 접촉 시에도 인체에 심각한 상해를 입힐 수 있으므로, 고도의 주의를 요하는 등 사용에 어려움이 있다.Chao Gao; Harold W. Kroto; Simon.J.Phys.Chem.B, a cross-linked multi-walled carbon nanotube, jointly studied by a team of researchers from Florida State University, Sussex University, UK and Shanghai Geotong University, China. 2005) was recently introduced. In this case, carbon nanotubes are functionalized by using covalent bonds. This experiment shows that when thionyl chloride (SOCl2) used in the experiment is exposed to moisture, it generates toxic gases to the human body. It can cause laryngitis, swelling, severe lung damage, and even serious skin injuries even when in contact with the skin.
미국 공개특허 제 20040223900A1 호와 국제 공개특허 2005028174A2 에서도 공유결합을 이용하여 탄소나노튜브를 기능화 시키고 있는데, 이 경우도 역시 실험 수행과정에서 티오닐클로라이드(SOCl2)가 사용되므로 상기와 같은 어려움이 있다. US Patent Publication No. 20040223900A1 and International Patent Publication No. 2005028174A2 also use carbon nanotubes by using covalent bonds. In this case, too, since thionyl chloride (SOCl 2) is used in the course of the experiment, there are such difficulties.
국내 공개특허 특2001-0102598 호는 티오닐클로라이드는 아니지만 황을 함유하고 있는 티오우레아(CS(NH2)2)를 사용하고 있어 역시 환경적인 문제를 갖고 있다. Korean Patent Laid-Open No. 2001-0102598 uses thiourea (CS (NH 2) 2) containing sulfur, but not thionyl chloride, which also has environmental problems.
유럽 특허 03252762.4 의 경우 반데르 발스 인력을 이용하거나 고분자로 미리 나노튜브를 둘러싸는 방법과 같이 비공유결합에 의한 개질을 이용하고 있다. 이와 같은 비공유결합 개질은, 탄소나노튜브를 손상시키지 않아 고유의 물성을 저하시키지 않는 장점이 있는 반면 계면의 접착력이 불충분하여 충분한 응력이 전달되지 않을 수 있다는 문제점이 있다.European Patent 03252762.4 uses non-covalent modifications, such as using van der Waals attraction or enclosing nanotubes in advance with polymers. Such non-covalent modification has the advantage of not deteriorating the inherent physical properties by not damaging the carbon nanotubes, but there is a problem that sufficient stress may not be transmitted due to insufficient adhesion of the interface.
본 발명은 고분자를 매트릭스로 하는 고분자/탄소나노튜브 복합재료의 제조에 있어서, 탄소나노튜브의 손상으로 인한 종횡비의 감소와 같은 물리적 성질의 저하를 최소화하고 탄소나노튜브 자체의 응집 없이 효과적으로 고분자 매트릭스 내에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키며, 동시에 탄소나노튜브와 고분자간 계면의 접착력을 좋게 할 수 있는 방법을 개발하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명에서는 고분자와 공유결합 등의 직접적인 화학결합을 통해 탄소나노튜브를 기능화 시키는 방법에 있어서, 유독성 물질 또는 환경위해적인 물질의 사용을 배제한 보다 용이하고 재현성이 좋은 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명자들은 새로운 방법을 시도하던 중 탄소나노튜브 표면에 비닐기를 도입한 거대 단량체를 만들고 이를 비닐계 단량체 성분과 혼합하여 고분자 중합시킴으로써 탄소나노튜브 표면의 비닐기로부터 성장된 고분자 부러쉬(Brush)의 물질을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. The present invention is to minimize the degradation of physical properties such as reduction of aspect ratio due to damage of carbon nanotubes in the production of polymer / carbon nanotube composite material using a polymer matrix, and effectively in the polymer matrix without agglomeration of carbon nanotubes themselves. The purpose of this invention is to develop a method for uniformly dispersing carbon nanotubes and at the same time improving the adhesion between the carbon nanotubes and the polymer. In particular, in the present invention, in the method for functionalizing carbon nanotubes through direct chemical bonding such as polymers and covalent bonds, an object of the present invention is to provide a new method that is easier and more reproducible, eliminating the use of toxic or environmentally hazardous materials. It is done. To this end, the present inventors attempted a new method, and made a macromonomer that introduced a vinyl group on the surface of the carbon nanotube, and mixed it with a vinyl monomer component to polymerize the polymer, thereby growing a polymer brush from the vinyl group on the surface of the carbon nanotube. It was found that the material can be prepared to complete the present invention.
본 발명에서는, In the present invention,
(a) 탄소나노튜브를 강산 존재 하에 산화시켜 카르복실기 또는 히드록실기로 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계;(a) oxidizing carbon nanotubes in the presence of a strong acid to obtain carbon nanotubes functionalized with a carboxyl group or a hydroxyl group;
(b) 카르복실기 또는 히드록실기로 기능화된 탄소나노튜브를 디이소시아네이트 화합물과 우레탄 반응시켜 양 말단에 이소시아네이트기를 도입하는 단계;(b) urethane-reacting a carbon nanotube functionalized with a carboxyl group or a hydroxyl group with a diisocyanate compound to introduce isocyanate groups at both ends;
(c) 양 말단에 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브를 비닐기를 지닌 아크릴아마이드계 또는 하이드록시아크릴레이트계 단량체와 반응시켜 하기 화학식 1의 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계; 및 (c) reacting carbon nanotubes having an isocyanate group introduced at both ends thereof with an acrylamide-based or hydroxyacrylate-based monomer having a vinyl group to obtain a carbon nanotube functionalized with a vinyl group represented by Formula 1 below; And
(d) 화학식 1의 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브와 비닐계 단량체를 중합반응시켜 탄소나노튜브 표면에서 성장된 비닐계 고분자를 형성하는 단계를 포함하는 비닐계 고분자가 그래프팅된 탄소나노튜브의 제조방법이 제공된다.(d) preparing a carbon nanotube grafted with a vinyl polymer comprising the step of polymerizing a carbon nanotube functionalized with a vinyl group of Formula 1 and a vinyl monomer to form a vinyl polymer grown on the surface of the carbon nanotube; A method is provided.
또한 본 발명에서는, In the present invention,
하기 화학식 1로 표시되는 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브가 제공된다. 화학식 1의 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브는 탄소나노튜브 표면에 비닐기를 도입한 거대 단량체로, 고분자가 그래프팅된 탄소나노튜브를 제조하기 위한 전구체이다.A carbon nanotube functionalized with a vinyl group represented by the following formula (1) is provided. The carbon nanotubes functionalized with the vinyl group of the formula (1) are macromonomers incorporating vinyl groups on the surface of the carbon nanotubes, and are precursors for preparing carbon nanotubes grafted with polymers.
(상기 화학식에서 는 탄소나노튜브이며, M과 M'은 비닐기 이중결합을 포함하는 단량체이며, M=M' 또는 M≠M'이다.)(In the above formula Is a carbon nanotube, M and M 'is a monomer containing a vinyl group double bond, M = M' or M ≠ M '.)
기타 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다. Other objects and advantages of the present invention will be described below and will be better understood by practice of the present invention.
본 발명의 비닐계 고분자가 그래프팅된 탄소나노튜브의 제조방법은, 카르복실기 또는 히드록실기로 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계; 이소시아네이트 말단기를 도입하는 단계; 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계; 및 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브와 비닐계 단량체를 중합반응시켜 탄소나노튜브 표면에서 성장된 비닐계 고분자를 형성하는 단계를 포함한다. 이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.The manufacturing method of the carbon nanotubes grafted with the vinyl polymer of the present invention comprises the steps of: obtaining a carbon nanotube functionalized with a carboxyl group or a hydroxyl group; Introducing an isocyanate end group; Obtaining carbon nanotubes functionalized with vinyl groups; And polymerizing the vinyl nanofunctionalized carbon nanotube and the vinyl monomer to form a vinyl polymer grown on the carbon nanotube surface. Hereinafter, each step will be described in detail.
카르복실기 또는 Carboxyl groups or 히드록실기로With hydroxyl 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계 Obtaining functionalized carbon nanotubes
먼저, 탄소나노튜브 표면을 강산 존재 하에 산화시켜 카르복실기 또는 히드록실기로 기능화된 탄소나노튜브를 얻는다. 강산으로는 탄소나노튜브 표면을 산화시켜 카르복실기 및 히드록실기를 도입할 수 있는 강산이면 무엇이든 사용될 수 있다. 강산으로는, 예를 들어, 황산, 질산 등이 사용될 수 있다. First, the carbon nanotube surface is oxidized in the presence of a strong acid to obtain a carbon nanotube functionalized with a carboxyl group or a hydroxyl group. As the strong acid, any strong acid capable of oxidizing the carbon nanotube surface to introduce a carboxyl group and a hydroxyl group may be used. As the strong acid, for example, sulfuric acid, nitric acid and the like can be used.
이소시아네이트 Isocyanate 말단기를Terminal group 도입하는 단계 Introduction stage
상기 단계에서 얻은 카르복실기 또는 히드록실기로 기능화된 탄소나노튜브를 디이소시아네이트 화합물과 우레탄 반응시켜 양 말단에 이소시아네이트기를 도입한 전구체를 얻는다. The carbon nanotubes functionalized by the carboxyl group or hydroxyl group obtained in the above step are urethane reacted with a diisocyanate compound to obtain a precursor having an isocyanate group introduced at both terminals.
상기 디이소시아네이트 화합물로는, 예를 들어, 이소포론디이소시아네이트; 헥사메틸렌디이소시아네이트; 메틸렌비스사이크로헥실이소시아네이트; 톨루엔디이소시아네이트; 메틸렌비스페닐이소시아네이트 등이 단독으로 또는 2종 이상 같이 사용될 수 있다.As said diisocyanate compound, For example, isophorone diisocyanate; Hexamethylene diisocyanate; Methylenebiscyclohexyl isocyanate; Toluene diisocyanate; Methylene bisphenyl isocyanate etc. can be used individually or in combination of 2 or more types.
이렇게 우레탄 중합으로 형성된 전구체는 양 말단에 이소시아네이트기를 지니게 되어, 다음 단계에서 아크릴아마이드계 또는 하이드록시 아크릴레이트계 단량체와 결합되어 양 말단에 비닐기를 도입할 수 있게 된다. The precursor formed by the urethane polymerization has an isocyanate group at both ends, and is combined with an acrylamide-based or hydroxy acrylate-based monomer in the next step to introduce a vinyl group at both ends.
비닐기로With vinyl 기능화된 탄소나노튜브를 얻는 단계 Obtaining functionalized carbon nanotubes
상기 단계에서 얻은, 양 말단에 이소시아네이트기를 지닌 전구체를 비닐기를 지닌 아크릴아마이드 또는 하이드록시아크릴레이트 단량체와 반응시켜 상기 화학식 1의 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브, 즉 양 말단에 비닐기가 도입된 전구체를 얻는다. The precursor having isocyanate groups at both ends, obtained in the step, is reacted with an acrylamide or hydroxyacrylate monomer having a vinyl group to obtain a carbon nanotube functionalized with a vinyl group of
상기 아크릴아마이드계 또는 하이드록시 아크릴레이트계 단량체로는, 예를 들어, 아크릴아마이드; 메타아크릴아마이드; 하이드록시메틸아크릴아마이드; 하이드록시메틸아크릴레이트; 하이드록시에틸아크릴레이트; 하이드록시에틸메타아크릴레이트; 하이드록시메틸메타아크릴아마이드; 하이드록시페녹시프로필아크릴레이트; 하이드록시프로필아크릴레이트; 하이드록시프로필메타아크릴레이트 등이 단독으로 또는 2종 이상 같이 사용될 수 있다. As said acrylamide- or hydroxy acrylate-type monomer, For example, acrylamide; Methacrylamide; Hydroxymethylacrylamide; Hydroxymethyl acrylate; Hydroxyethyl acrylate; Hydroxyethyl methacrylate; Hydroxymethyl methacrylamide; Hydroxyphenoxypropyl acrylate; Hydroxypropyl acrylate; Hydroxypropyl methacrylate etc. can be used individually or in combination of 2 or more types.
이소시아네이트기를 지닌 전구체에 대하여 아크릴아마이드계 또는 하이드록시 아크릴레이트계 단량체는 1∼2 몰비로 사용되는 것이 바람직하다. 만일 몰비가 1 미만이면 미반응 예비고분자가 존재할 수 있고, 몰비가 2를 초과하는 경우에는 아크릴아마이드계 또는 하이드록시 아크릴레이트계 단량체가 자체 중합을 하여 이들의 고분자가 생성될 수 있다는 문제가 있다. The acrylamide or hydroxy acrylate monomer is preferably used in a 1 to 2 molar ratio with respect to the precursor having an isocyanate group. If the molar ratio is less than 1, unreacted prepolymer may be present, and if the molar ratio is greater than 2, there may be a problem that acrylamide-based or hydroxy acrylate-based monomers may self-polymerize to generate their polymers.
중합반응시켜 탄소나노튜브 표면에서 성장된 Polymerized to grow on the surface of carbon nanotubes 비닐계Vinyl 고분자를 형성하는 단계 Forming a polymer
상기 단계에서 얻은 비닐기로 기능화된 탄소나노튜브와 비닐계 단량체를 중합반응시켜 탄소나노튜브 표면에서 성장된 비닐계 고분자를 형성한다. The carbon nanotubes functionalized with the vinyl group obtained in the above step are polymerized with a vinyl monomer to form a vinyl polymer grown on the surface of the carbon nanotubes.
중합방법에는 특정한 한정을 두지 않으며, 종래의 중합 방법인 괴상중합, 용액중합, 현탁중합, 분산중합, 유화중합, 침전중합 등이 모두 사용될 수 있다. There is no particular limitation on the polymerization method, and all of the conventional polymerization methods such as bulk polymerization, solution polymerization, suspension polymerization, dispersion polymerization, emulsion polymerization, precipitation polymerization and the like can be used.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 용액중합을 사용하여 고분자를 성장시켰다. 용액중합의 경우, 비닐계 단량체는 분산매 100 중량부에 대하여 5∼50 중량부로 사용하는 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 10∼40 중량부로 사용한다. 비닐계 단량체의 사용량이 5 중량부 미만이면 경제성이 떨어지고, 50 중량부를 초과하는 경우에는 안정성이 감소하여 탄소나노튜브에 엉기는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 비닐기를 지닌 탄소나노튜브(화학식 1)는 비닐계 단량체 100 중량부에 대하여 1∼50 중량부, 보다 바람직하게는 1∼20 중량부로 사용하는 것이 좋다. 비닐기를 지닌 탄소나노튜브(화학식 1)의 사용량이 1 중량부 미만이면 중합시 안정성이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있으며, 50 중량부를 초과하는 경우에는 탄소나노튜브의 응집이 일어나는 문제가 발생할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the polymer was grown using solution polymerization. In the case of solution polymerization, the vinyl monomer is preferably used in an amount of 5 to 50 parts by weight, more preferably 10 to 40 parts by weight, based on 100 parts by weight of the dispersion medium. If the amount of the vinyl monomer is less than 5 parts by weight, the economical efficiency is lowered, and if the amount of the vinyl monomer exceeds 50 parts by weight, the stability may decrease and may cause problems in the carbon nanotubes. Carbon nanotubes having a vinyl group according to the present invention (Formula 1) is preferably used in 1 to 50 parts by weight, more preferably 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the vinyl monomer. If the amount of the carbon nanotubes having a vinyl group (formula 1) is less than 1 part by weight, a problem may occur that the stability is insufficient during polymerization, and when the amount exceeds 50 parts by weight, a problem may occur that the agglomeration of carbon nanotubes occurs. .
상기 비닐계 단량체로는, 종래에 사용되던 비닐계 화합물인 스티렌계, 시안계 비닐화합물, 아크릴레이트계, 메타크릴레이트계 등의 단량체가 사용될 수 있다. 즉, 스티렌, 디비닐벤젠, 에틸렌비닐벤젠, 알파메틸스티렌, 플루오로스티렌, 비닐피리딘 등의 스티렌계 비닐계 단량체; 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 등의 시안계 비닐 화합물; 부틸아크릴레이트, 2-에틸헥실에틸아크릴레이트, 글리시딜아크릴레이트, N,N'-디메틸아미노에틸아크릴레이트 등의 아크릴레이트계 화합물; 부틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실에틸메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 2-히드록시에틸메타크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트 등의 메타크릴레이트계 화합물; 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 1,6-헥산디아크릴레이트 등의 디아크릴레이트계 화합물; 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디에틸렌글 리콜디메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트 등의 디메타크릴레이트계 화합물 등이 1종 또는 2종 이상 같이 사용될 수 있다. As the vinyl monomer, monomers such as styrene-based, cyan-based vinyl compounds, acrylate-based, and methacrylate-based vinyl compounds, which are conventionally used, may be used. Namely, styrene-based vinyl monomers such as styrene, divinylbenzene, ethylene vinylbenzene, alphamethylstyrene, fluorostyrene, and vinylpyridine; Cyan vinyl compounds such as acrylonitrile and methacrylonitrile; Acrylate compounds such as butyl acrylate, 2-ethylhexylethyl acrylate, glycidyl acrylate, and N, N'-dimethylaminoethyl acrylate; Methacrylate-based compounds such as butyl methacrylate, 2-ethylhexylethyl methacrylate, methyl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate and glycidyl methacrylate; Diacrylate-based compounds such as polyethylene glycol diacrylate, 1,3-butylene glycol diacrylate, and 1,6-hexanediacrylate; Dimethacrylate type compounds, such as ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol dimethacrylate, triethylene glycol dimethacrylate, polyethyleneglycol dimethacrylate, and 1, 3- butylene glycol dimethacrylate Etc. may be used alone or in combination of two or more.
이하 구체적인 실시예 및 시험예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 물론이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and test examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples, and those skilled in the art to which the present invention pertains should be within the equivalent scope of the technical concept of the present invention and the claims to be described below. Of course, various modifications and variations are possible.
실시예Example
(1) 탄소나노튜브의 준비(1) Preparation of Carbon Nanotubes
본 실시예에서는 CVD(thermal chemical vapor deposition) 방법으로 합성된 MWNT(multiwalled carbon nanotubes)를 사용하였다. 먼저 카본나노튜브는 사용하기 전에 잔류하는 금속촉매를 제거하기 위해서 12시간 동안 60℃에서 3M의 질산으로 처리하고 6시간 동안 120℃에서 5M의 염산에서 환류시켰다.In this embodiment, MWNTs (multiwalled carbon nanotubes) synthesized by thermal chemical vapor deposition (CVD) were used. First, carbon nanotubes were treated with 3M nitric acid at 60 ° C. for 12 hours and refluxed with 5M hydrochloric acid at 120 ° C. for 6 hours to remove residual metal catalyst before use.
(2) 카르복실기의 도입(2) Introduction of carboxyl group
상기에서 준비된 탄소나노튜브 2 g을 500 ㎖ 반응기에 넣고 황산(68%) 8 ㎖ 와 질산(98%) 22 ㎖를 가해 함께 초음파 세척기에서 30분 동안 분산시켰다. 초음 파로 분산시킨 탄소나노튜브를 110℃에서 24시간 동안 교반시켜 주면서 반응시켰다.2 g of carbon nanotubes prepared above were added to a 500 ml reactor, and 8 ml of sulfuric acid (68%) and 22 ml of nitric acid (98%) were added and dispersed together in an ultrasonic cleaner for 30 minutes. The carbon nanotubes dispersed in the ultrasonic wave were reacted with stirring at 110 ° C. for 24 hours.
24 시간 반응 후 탄소나노튜브의 온도가 상온까지 내려간 다음 진공여과기에서 종이필터와 증류수를 이용하여 pH가 7이 될 때까지 탄소나노튜브를 세척하였다. 이후 아세톤을 이용하여 수분을 완전히 제거한 후 건조시켜 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브를 수득하였다. After 24 hours, the temperature of the carbon nanotubes was lowered to room temperature, and the carbon nanotubes were washed with a paper filter and distilled water in a vacuum filter until the pH reached 7 Thereafter, water was completely removed using acetone and dried to obtain a carbon nanotube functionalized with a carboxyl group.
(3) (3) 이소시아네이트기의Isocyanate group 도입 Introduction
상기 단계에서 수득한 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브 0.5197 g 과 헥사메틸렌디이소시아네이트 0.1208 g을 바이알에 넣고 초음파 세척기에서 약 1분간 분산시켜준 뒤 75℃에서 약 6시간동안 교반시켜 주면서 반응시켰다. 헥사메틸렌디이소시아네이트(HDI)와 카르복실기의 결합으로 양 말단에 이소시아네이트기가 도입된 전구체를 얻었다. 0.5197 g of carbon nanotubes functionalized with the carboxyl group obtained in the above step and 0.1208 g of hexamethylene diisocyanate were dispersed in a vial for about 1 minute and then reacted while stirring at 75 ° C. for about 6 hours. The combination of hexamethylene diisocyanate (HDI) and a carboxyl group yielded a precursor in which isocyanate groups were introduced at both terminals.
(4) (4) 비닐기의Vinyl 도입 Introduction
상기 단계에서 얻은 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 메타아크릴 아마이드 0.24 g을 첨가하여 상온에서 24시간 동안 교반시켜 주면서 반응시켰다. 탄소나노튜브에서 성장한, 양 말단에 비닐기가 도입되어 비닐계 고분자와 중합할 수 있는 기능화된 탄소나노튜브를 얻었다.0.24 g of methacrylamide was added to the carbon nanotube into which the isocyanate group obtained in the above step was introduced, followed by reacting at room temperature for 24 hours. Grown from carbon nanotubes, vinyl groups were introduced at both ends to obtain functionalized carbon nanotubes capable of polymerizing with vinyl polymers.
(5) (5) 비닐기가Vinyl 도입된 탄소나노튜브를 이용한 Using introduced carbon nanotubes 비닐계Vinyl 고분자 중합 Polymer polymerization
500 ㎖ 반응기에 시판중인 톨루엔 20 ㎖와 상기 (4)에서 얻은 비닐기가 도입된 탄소나노튜브 0.1 g과 스티렌 5 g을 첨가한 후 초음파 세척기에서 5분간 분산시켜준 뒤 질소분위기를 유지시키며 80℃에서 개시제인 2,2-아조디이소부틸로니트릴(AIBN) 0.05g을 첨가시키면서 24시간 동안 용액중합을 수행하였다. 상기 스티렌은 시판중인 스티렌 단량체를 가성소다 용액으로 세정하여 중합금지제를 제거한 후 사용하였다. 중합 결과, 탄소나노튜브에서 성장된 폴리스티렌과 스티렌이 자체 중합된 폴리스티렌이 얻어졌다. 테트라하이드로퓨란(THF)를 이용하여 여러 번 세척하여 스티렌이 자체 반응하여 중합된 폴리스티렌을 제거시키고 탄소나노튜브에서 성장된 폴리스티렌을 수득하였다.Into a 500 ml reactor, 20 ml of commercially available toluene, 0.1 g of carbon nanotubes and 5 styrene of the vinyl group introduced in (4) were added thereto, dispersed in an ultrasonic cleaner for 5 minutes, and kept at a nitrogen atmosphere at 80 ° C. Solution polymerization was carried out for 24 hours while adding 0.05 g of
시험예Test Example 1 One
상기 실시예의 (2)에서 얻어진 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브(b)와 원재료인 탄소나노튜브(a)를 각각 초음파로 5분간 과량의 물에 분산시킨 후 48시간 후 침강되는 현상을 관찰하였다. 결과는 도 2와 같으며, 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브는 액체 내에서 분산도가 확연히 증가하여, 이중결합을 연결시키기 위한 일련의 합성 공정이 모든 탄소나노튜브의 표면에서 전체적으로 균일하게 일어남을 예측할 수 있었다. The carbon nanotubes (b) functionalized with the carboxyl group obtained in Example (2) and the carbon nanotubes (a) as raw materials were dispersed in excess water by ultrasonic wave for 5 minutes, and then settled after 48 hours. The results are shown in Figure 2, the carbon nanotubes functionalized with a carboxyl group has a significant increase in dispersion in the liquid, it can be expected that a series of synthetic processes for connecting the double bonds occur uniformly on the surface of all carbon nanotubes as a whole Could.
시험예Test Example 2 2
상기 실시예의 (4)에서 얻어진 비닐기가 도입된 탄소나노튜브를 핵자기공명(1H-NMR)분석한 결과는 도 1과 같다. 메타아크릴아마이드에서 보이는, 5∼6 ppm 사이의 2개의 비닐기를 나타내는 피크가 실시예의 (4)에서 얻어진 비닐기가 도입된 탄소나노튜브에서도 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 이렇게 합성된 물질은 반응성 있는 이중결합의 존재로 인하여 고분자와 중합반응에 참여할 수 있다.Nuclear magnetic resonance ( 1 H-NMR) analysis of the carbon nanotubes into which the vinyl group obtained in Example (4) was introduced is shown in FIG. 1. It can be seen that the peak showing two vinyl groups between 5 and 6 ppm, as seen in methacrylamide, also appears in the carbon nanotube into which the vinyl group obtained in Example (4) is introduced. Thus, the synthesized material can participate in the polymerization reaction with the polymer due to the presence of a reactive double bond.
시험예Test Example 3 3
상기 실시예의 (4)에서 얻어진 비닐기가 도입된 탄소나노튜브를 엑스레이광전자분광기(x-ray photoelectron spectroscopy : XPS)로 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. 원재료인 탄소나노튜브(a)와 달리 상기 실시예의 (2),(3),(4) 단계를 거쳐 비닐기를 도입시킨 탄소나노튜브(b)에서는 우레탄계와 아이소시아네이트 결합으로 생성된 질소 피크 399.7(ev)가 관찰되었다. 비닐기를 도입시킨 탄소나노튜브(b)에서는 나노튜브의 표면이 기능화되어 있음을 확인할 수 있었다. The carbon nanotubes into which the vinyl group obtained in Example (4) was introduced were measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Unlike carbon nanotubes (a) as raw materials, in the carbon nanotubes (b) introduced with vinyl groups through the steps (2), (3) and (4) of the above embodiment, the nitrogen peak generated by the urethane-based and isocyanate bonds 399.7 ( ev) was observed. In the carbon nanotubes (b) introduced with vinyl groups, it was confirmed that the surface of the nanotubes was functionalized.
시험예Test Example 4 4
상기 실시예의 (5)에서 중합된 탄소나노튜브 표면에서 성장한 폴리스티렌 중합체(CNT-PS)를 적외선 분광기(FR-IR)로 측정한 결과와 원재료인 탄소나노튜브(CNT)를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. CNT-PS에서는 폴리스티렌이 보이는 고유한 피크 중의 하나인 698cm-1(방향족고리)과 756cm-1(탄소수소와 결합된 방향족고리)가 나타나 확연한 차이를 알 수 있다.The result of measuring the polystyrene polymer (CNT-PS) grown on the surface of the carbon nanotube polymerized in Example (5) by infrared spectroscopy (FR-IR) and the result of measuring carbon nanotube (CNT) as a raw material Shown in The CNT-PS is one of the unique peak of 698cm -1 (aromatic ring) and 756cm -1 (aromatic ring in combination with carbon-hydrogen) shown polystyrene can be seen it can be seen a noticeable difference.
시험예Test Example 5 5
원재료인 탄소나노튜브와 상기 실시예의 (5)에서 수득된 폴리스티렌이 결합된 탄소나노튜브의 전자주사현미경 사진(SEM)을 각각 도 5a 및 5b로 나타내었다. 또, 원재료인 탄소나노튜브와 상기 실시예의 (5)에서 수득된 폴리스티렌이 결합된 탄소나노튜브의 전자주사현미경 사진(SEM)을 각각 도 6a 및 6b로 나타내었다. 이들 사진으로부터 탄소나노튜브 표면에 결합된 폴리스티렌의 모습을 확인할 수 있다.Electron scanning micrographs (SEM) of the carbon nanotubes as the raw material and the carbon nanotubes in which the polystyrene obtained in Example (5) is bonded are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. In addition, electron scanning micrographs (SEM) of carbon nanotubes in which carbon nanotubes as raw materials and polystyrene obtained in Example (5) are bonded are shown in FIGS. 6A and 6B, respectively. From these pictures, it can be seen that the polystyrene bonded to the surface of the carbon nanotubes.
시험예Test Example 6 6
원재료인 탄소나노튜브(a, CNT)와 상기 실시예의 각 단계에서 얻어진 카르복실기로 기능화된 탄소나노튜브(b, CNT-COOH), 비닐기가 도입된 탄소나노튜브(c, CNT-COOH-MAAM), 그리고 폴리스티렌이 결합된 탄소나노튜브(d, CNT-COOH-MAAM-PS)를 각각 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis : TGA)하여 그 결과를 도 7에 나타내었다. 각 시료들은 온도의 증가에 따라 감소되는 무게의 비율이 각기 다른 것으로 나타나 실시예의 각 단계들이 완전히 수행되었음을 확인할 수 있다.Carbon nanotubes (a, CNT) as raw materials and carbon nanotubes functionalized with carboxyl groups (b, CNT-COOH) obtained in each step of the above embodiment, carbon nanotubes (c, CNT-COOH-MAAM) having vinyl groups introduced therein, In addition, thermogravimetric analysis (TGA) of polystyrene-bonded carbon nanotubes (d, CNT-COOH-MAAM-PS) is shown in FIG. 7. Each sample has a different ratio of weight reduced with increasing temperature, indicating that each step of the embodiment was completely performed.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 표면에 비닐기가 도입된 탄소나노튜브를 제조하고 이를 비닐계 단량체와 중합시킴으로써 비닐계 고분자를 탄소나노튜브 표면에서 쉽게 성장시킬 수 있다. 본 발명은, 종래의 탄소나노튜브에 고분자를 그래프팅시키는 방법에 비해 안정성과 경제성이 우수하면서도 탄소나노튜브의 고유한 특성을 손상시키지 않으면서 탄소나노튜브의 강한 반데르 발스 인력을 감소시켜 고분자에 탄소나노튜브를 균일하게 분산시킬 수 있으므로 우수한 물성을 지닌 고분자/탄소나노튜브 나노복합재료의 제조방법으로 크게 활용될 수 있으며, 본 발명에 따른 비닐계 고분자가 그래프팅된 탄소나노튜브는 전기, 전자, 화학 등 넓은 응용분야에서 다양한 목적으로 이용될 수 있을 것으로 예상된다. As described above, in the present invention, the vinyl polymer may be easily grown on the surface of the carbon nanotube by preparing a carbon nanotube having a vinyl group introduced thereon and polymerizing the same with a vinyl monomer. The present invention is superior to the conventional method of grafting polymers to carbon nanotubes, while having excellent stability and economy, and reducing the strong van der Waals attraction of carbon nanotubes without compromising the inherent properties of carbon nanotubes. Since the carbon nanotubes can be uniformly dispersed, it can be widely used as a method for preparing polymer / carbon nanotube nanocomposites having excellent physical properties, and carbon nanotubes grafted with vinyl polymers according to the present invention can be used for electric and electronic It is expected to be used for various purposes in a wide range of applications such as chemicals and chemicals.
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