KR101443714B1 - Graphene oxide / Iron oxide / Chitosan Nanocomposite - Google Patents

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KR101443714B1 KR1020130153120A KR20130153120A KR101443714B1 KR 101443714 B1 KR101443714 B1 KR 101443714B1 KR 1020130153120 A KR1020130153120 A KR 1020130153120A KR 20130153120 A KR20130153120 A KR 20130153120A KR 101443714 B1 KR101443714 B1 KR 101443714B1
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이경엽
야다브 미실레쉬
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a graphene oxide, an iron oxide, and a chitosan nanocomposite and, more specifically, to improve physical properties such as tensile strength, Young′s modulus, storage elasticity, etc as a synergy effect by comprising graphene oxide and iron oxide in a chitosan polymeric material. According to the present invention, by adding graphene oxide and iron oxide, physical properties such as tensile strength, Young′s modulus, and storage elasticity may be effectively improved and the chitosan polymeric material may be used in various fields. Also, since the nanocomposite of the present invention may be manufactured through a simple solution mixing evaporation method, thereby producing in large quantities at a low cost and with little manpower.

Description

산화그래핀, 산화철 및 키토산 나노복합소재{Graphene oxide / Iron oxide / Chitosan Nanocomposite}Oxide graphene, iron oxide, and chitosan nanocomposite {Graphene oxide / Iron oxide / Chitosan Nanocomposite}

본 발명은 산화그래핀, 산화철 및 키토산 나노복합소재에 관한 것으로, 구체적으로 키토산 고분자 소재에 산화그래핀과 산화철을 함유시킴으로써 이들의 시너지 효과로 인해 인장강도, 영률, 저장탄성율 등의 물리적 특성을 개선하는 기술에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to graphene oxide, iron oxide and chitosan nanocomposite materials, and more specifically, by containing graphene oxide and iron oxide in a chitosan polymer material, it is possible to improve physical properties such as tensile strength, Young's modulus and storage elasticity Lt; / RTI >

키토산은 지구상에 두 번째로 풍부한 천연 폴리머인 키틴으로부터 얻어지며, 선형이고 부분적 아세틸화된 (1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucan 중합체이다. 그동안 분리막, 인공피부, 뼈 대체물, 수처리와 같은 다양한 분야에서 사용하기 위한 연구가 있어왔다. 키토산은 생체적합성, 생분해성 및 수계 매체에의 용해성을 포함하여 여러 가지 유용한 특성을 갖고 있다. 하지만, 이러한 여러 가지 장점과 독특한 특성에도 불구하고, 기계적, 전기적 특성이 낮아 응용범위가 제한되었다. 따라서 이러한 키토산의 물리적, 기계적 특성을 개선할 필요가 있다. 이를 위하여 진흙, 수산화인회석(hydroxyapatite), 금속나노입자, 탄소나노튜브 등과 같은 필러 소재를 첨가하여 유기-무기 복합재를 형성하는 방법이 연구된 바 있다.Chitosan is a linear and partially acetylated (1-4) -2-amino-2-deoxy-β-D-glucan polymer obtained from chitin, the second most abundant natural polymer on the planet. There have been many studies for use in various fields such as membranes, artificial skin, bone substitutes, and water treatment. Chitosan has several useful properties including biocompatibility, biodegradability and solubility in aqueous media. However, despite these various advantages and unique characteristics, the application range was limited due to the low mechanical and electrical properties. Therefore, there is a need to improve the physical and mechanical properties of such chitosan. For this purpose, a method of forming an organic-inorganic composite material by adding filler materials such as clay, hydroxyapatite, metal nanoparticles, carbon nanotubes, etc. has been studied.

흑연의 단층인 그래핀은 벌집 결정면으로 패킹된 탄소원자의 단층으로 이상적인 2D 구조를 갖는다. 기존에 Geim, Rao, Stankovich 등의 연구자들이 소재 연구 분야에서 이 그래핀의 매력을 설명한 바 있다. 그래핀은 sp2 혼합 탄소 네트워크 뿐만 아니라 우수한 기계적, 전기적, 열적 특성으로 인해, 신 기능성 소재를 개발하기 위한 새로운 대안으로 여겨지고 있다. 완전한 그래핀은 자연적으로 존재하지 않지만, 현재 산화그래핀을 포함하여 여러 가지 기능화된 그래핀 소재의 벌크 및 용액은 제조할 수 있다. 산화그래핀(graphene oxide, GO)의 넓은 표면적에는 -OH, -COOH, -O-, C=O와 같은 다수의 기능성 그룹이 있어, GO를 친수성으로 만들고 물 뿐만 아니라 유기용매에 잘 분산되게 한다. 이러한 특성은 용액을 사용한 그래핀 베이스 소재의 제작을 용이하게 한다. 이전 연구결과에 따르면, GO는 폴리머 매트릭스 전체에 분산될 수 있어, 우수한 기계적, 열적 특성을 갖는 GO-기초 나노복합재를 만들 수 있다. GO가 저가의 흑연으로부터 제조되기 때문에, 비용 면에서 CNT를 뛰어넘는 큰 장점을 갖고 있어 GO/합성 폴리머 복합재의 연구가 이루어지고 있다.Graphene, a monolayer of graphite, has an ideal 2D structure as a monolayer of carbon atoms packed with honeycomb crystal faces. Previously, Geim, Rao, and Stankovich have explored the appeal of this graphene in materials research. Due to its excellent mechanical, electrical and thermal properties as well as sp2 mixed carbon networks, graphene is seen as a new alternative for developing new functional materials. Although complete graphene does not exist naturally, bulk and solutions of various functionalized graphene materials, including oxidized graphene, can now be produced. The large surface area of graphene oxide (GO) has a number of functional groups such as -OH, -COOH, -O-, and C = O, making the GO hydrophilic and well dispersed in water as well as organic solvents . This feature facilitates the fabrication of graphene base materials using solutions. Previous studies have shown that GO can be dispersed throughout the polymer matrix, making GO-based nanocomposites with excellent mechanical and thermal properties. Since the GO is produced from low cost graphite, the GO / synthetic polymer composites have been studied with a great advantage over CNT in terms of cost.

나노복합소재에 금속 산화물 나노입자를 결합하여 키토산의 생체적합성과 다른 특성을 개선하려는 다양한 시도가 있었다. Fe3O4는 그 고유의 자력으로 인해 생체감지를 위한 생물분자의 전달 및 회수를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 또한, 나노입자는 전극과 효소 활성부위 사이의 빠른 전자 전이를 촉진하는 독특한 능력을 갖고 있어, 생체센서로 적용될 수 있다. 키토산을 생체센서로 적용하기 위해 초상자기성(superparamagnetic) Fe3O4 나노입자를 분산시켜 전기적 특성을 개선하려는 시도가 있었다. Fe3O4와 키토산의 흡착이 정전기적 인력 메커니즘에 의해 발생하는 것이라 보고된 바 있으며, 이는 키토산을 정전기적 반발력으로 안정화된 자성 현탁액 제조를 위한 효과적인 분산제로 만들었다.There have been various attempts to improve the biocompatibility and other properties of nanocomposites by incorporating metal oxide nanoparticles into the nanocomposites. Fe 3 O 4 can be used to facilitate delivery and recovery of biomolecules for biological detection due to its inherent magnetic force. In addition, nanoparticles have a unique ability to promote rapid electron transfer between an electrode and an enzyme active site, and can be applied as a biosensor. There have been attempts to improve the electrical properties of chitosan by dispersing superparamagnetic Fe 3 O 4 nanoparticles in order to apply it as a biosensor. Adsorption of Fe 3 O 4 and chitosan has been reported to be caused by an electrostatic attraction mechanism, making chitosan an effective dispersant for the preparation of magnetic suspensions stabilized by electrostatic repulsion.

GO-IONP(iron oxide nanoparticle, 산화철 나노입자) 복합재가 다양한 목적으로 합성되었다. Yang 등은 GO-IONP를 약물 운반체로 사용하는 것을 연구하였다. 최근 Chen 등은 자성 GO-IONP 나노복합소재가 in vitro 세포 표지를 위한 T2-가중 자기공명(MR) 콘트라스트 촉진제로 사용할 수 있음을 증명하였다.
GO-IONP (iron oxide nanoparticle) composite was synthesized for various purposes. Yang et al. Studied the use of GO-IONP as a drug carrier. Chen et al. Recently demonstrated that magnetic GO-IONP nanocomposites can be used as a T2-weighted magnetic resonance (MR) contrast enhancer for in vitro cell markers.

본 발명자는 키토산 고분자 소재의 특성을 개선하여 보다 다양한 분야에서 사용될 수 있도록 하기 위해 노력하였으며, 위에서 설명한 Fe3O4 및 GO를 키토산 고분자에 적용하는 것을 생각해보게 되었다. Fe3O4 및 GO가 키토산에 잘 분산될 수 있을 것이라 예상하였고, GO에 의한 Fe3O4의 용이한 흡착으로 인해 키토산의 다공성 지지체-형성 특성과 함께 GO와 Fe3O4의 기계적, 전기적 특성을 결합하는 것이 가능할 것이라 예상하였다. 그리고 이렇게 되면 생체센싱 또는 생체에너지에 적용하기 위한 기존 기술을 상당히 개선할 수 있을 것이라 여겼다.The present inventors have made efforts to improve the properties of the chitosan polymer material and to make it possible to use it in a variety of fields, and have considered the application of the above-described Fe 3 O 4 and GO to the chitosan polymer. Fe 3 O 4 and GO were expected to be well dispersed in chitosan. Due to the easy adsorption of Fe 3 O 4 by GO, the porous support-forming properties of chitosan as well as mechanical and electrical properties of GO and Fe 3 O 4 It was expected that it would be possible to combine characteristics. And that this would significantly improve existing technologies for biosensing or bioenergy applications.

이에 따라 다양한 연구를 거듭한 결과, 단순 용액 증발 방법으로 기존 키토산 고분자 관련 소재에 비해 개선된 특성을 갖는 새로운 Fe3O4/GO/키토산 나노복합소재를 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다. 또한, 키토산 고분자 매트릭스 상에서 Fe3O4와 GO가 서로 시너지 효과를 나타낸다는 것을 처음으로 밝혔다.
As a result of various studies, it has been confirmed that a new Fe 3 O 4 / GO / chitosan nanocomposite material having improved properties compared with conventional chitosan polymer-related materials can be produced by a simple solution evaporation method, . It was also shown for the first time that Fe 3 O 4 and GO on the chitosan polymer matrix show a synergistic effect with each other.

Venkatesan, J., & Kim, S. (2010) Chitosan Composites for bone tissue Engineering. MarineDrugs, 8, 2252-2266.Venkatesan, J., & Kim, S. (2010) Chitosan Composites for bone tissue engineering. Marine Drugs, 8, 2252-2266. Li, D., Muller, M. B., Gilje, S., Kaner, R. B., Wallace, G. G. (2008) Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. NatureNanotechnology, 3, 101-105.Li, D., Muller, M. B., Gilje, S., Kaner, R. B., Wallace, G. G. (2008) Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. Nature Nanotechnology, 3, 101-105.

본 발명의 주된 목적은 개선된 특성을 갖는 새로운 키토산 고분자 복합소재를 제공하는데 있다.The main object of the present invention is to provide a novel chitosan polymer composite material having improved properties.

본 발명의 다른 목적은 상기 키토산 고분자 복합소재의 제조방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for producing the chitosan polymer composite material.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은 키토산 고분자에 산화철 및 산화그래핀이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 산화그래핀, 산화철 및 키토산 고분자 복합소재를 제공한다.
According to one aspect of the present invention, there is provided a composite material of oxidized graphene, iron oxide, and chitosan polymer characterized by containing iron oxide and graphene oxide in a chitosan polymer.

본 발명에 따르면, 산화그래핀과 산화철을 함유함에 따라 키토산 고분자 소재의 물리적 특성을 효과적으로 개선할 수 있다. 이는 산화그래핀과 산화철이 키토산 고분자 매트릭스 상에서 매우 잘 분산된 상태로 존재할 수 있으며, 서로의 수소결합 작용을 강화할 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 즉 산화그래핀과 산화철은 키토산 고분자 소재의 물리적 특성의 개선에 있어서 서로 시너지 효과를 일으킨다.According to the present invention, the physical properties of the chitosan polymer material can be effectively improved by containing oxidized graphene and iron oxide. This is because the graphene oxide and iron oxide can be present in a very well dispersed state on the chitosan polymer matrix and can enhance the hydrogen bonding action of each other. That is, oxidized graphene and iron oxide cause synergistic effects in improving the physical properties of the chitosan polymer material.

본 발명에 따르면, 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철을 0.1 내지 2중량%로 함유시키고 산화그래핀을 0.5 내지 2중량%로 함유시킬 수 있으며, 바람직하게는 산화철을 0.3 내지 0.7중량%로 함유시키고 산화그래핀을 0.8 내지 1.2중량%로 첨가하는 것이 좋다. 이는 다양한 산화철과 산화그래핀의 함량으로 제조한 복합소재의 특성 분석결과를 바탕으로 한 것이며, 0.5중량%의 산화철 및 1중량%의 산화그래핀을 함유시켰을 때 특성의 개선 정도가 가장 우수한 것으로 나타났다.According to the present invention, it is possible to contain 0.1 to 2% by weight of iron oxide and 0.5 to 2% by weight of graphene oxide based on the weight of the chitosan polymer, preferably 0.3 to 0.7% by weight of iron oxide The graphene oxide is preferably added in an amount of 0.8 to 1.2% by weight. This is based on the analysis results of the characteristics of composite materials prepared from various iron oxide and graphene grains. When 0.5 wt% iron oxide and 1 wt% graphene oxide are contained, .

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 키토산 고분자에 산화철 및 산화그래핀을 첨가하여 고분자 성형물의 기계적 특성을 개선하는 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for improving the mechanical properties of a polymer molding by adding iron oxide and graphene oxide to a chitosan polymer.

본 발명에 따르면, 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철이 0.1 내지 2중량%로 함유되도록 첨가하고, 산화그래핀이 0.5 내지 2중량%로 함유되도록 첨가하는 것이 바람직하다.According to the present invention, it is preferable to add 0.1 to 2% by weight of iron oxide based on the weight of the chitosan polymer and add 0.5 to 2% by weight of the graphene oxide.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 키토산 고분자 용액에 산화철 현탁액 및 산화그래핀 현탁액을 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합용액을 소정의 형상으로 건조하여 성형물을 제조하는 단계;를 포함하는 산화그래핀, 산화철 및 키토산 복합소재 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a chitosan polymer, comprising the steps of: preparing a mixed solution by adding an iron oxide suspension and a graphene oxide suspension to a chitosan polymer solution; And drying the mixed solution in a predetermined shape to produce a molded product. The present invention also provides a method for producing a composite material of oxidized graphene, iron oxide and chitosan.

본 발명에 따르면, 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철이 0.1 내지 2중량% 및 산화그래핀이 0.5 내지 2중량%가 되도록 상기 산화철 현탁액 및 상기 산화그래핀 현탁액을 첨가하는 것이 바람직하다.According to the present invention, it is preferable to add the iron oxide suspension and the oxidized graphene suspension so that the amount of iron oxide is 0.1 to 2 wt% and the amount of graphene oxide is 0.5 to 2 wt% based on the weight of the chitosan polymer.

본 발명에서 키토산 고분자는 분자량이 100,000 ~ 1,000,000g/mol인 것을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the chitosan polymer preferably has a molecular weight of 100,000 to 1,000,000 g / mol.

본 발명에서 산화철은 입자 크기가 100nm 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 50nm 이하인 것이 좋다.In the present invention, iron oxide preferably has a particle size of 100 nm or less, more preferably 50 nm or less.

본 발명에서 산화그래핀은 입자 크기가 50㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 20㎛ 이하인 것이 좋다.
In the present invention, the graphene oxide preferably has a particle size of 50 탆 or less, more preferably 20 탆 or less.

본 발명에 따르면, 산화그래핀 및 산화철을 첨가함에 따라 키토산 고분자 소재의 인장강도, 영률, 저장탄성률 등의 물리적 특성을 효과적으로 개선할 수 있고, 이에 따라 키토산 고분자 소재를 보다 다양한 분야에서 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 복합소재는 단순 용액 혼합 증발 방법을 통해 제조할 수 있어, 적은 비용과 인력으로 대량 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
According to the present invention, physical properties such as tensile strength, Young's modulus and storage elastic modulus of chitosan polymer material can be effectively improved by adding oxidized graphene and iron oxide, and thus chitosan polymer material can be advantageously used in various fields There will be. In addition, the composite material of the present invention can be produced by a simple solution mixed evaporation method, so that it can be mass produced with a low cost and manpower.

도 1은 각 나노복합소재 필름의 응력변형곡선(Stress-strain curve)(a), 인장강도(b) 및 탄성률(c)을 나타낸 그래프이다. 여기서 'p'는 CS 필름, 'q'는 (1%)GO/CS 필름, 'r'은 (0.5%)Fe3O4/(1%)GO/CS 필름, 's'는 (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 나노복합소재 필름이다.
도 2는 각 나노복합소재 필름의 물접촉각(water contact angle)을 나타낸 그래프이다.
도 3은 각 나노복합소재 필름의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 각 나노복합소재 필름의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 각 나노복합소재 필름의 FESEM 이미지 및 TEM 이미지를 나타낸 것으로, 'a'는 CS 필름의 표면, 'b'는 Fe3O4/GO/CS 필름의 단면에 대한 FESEM 이미지이고, 'c'는 Fe3O4/GO/CS 필름의 TEM 이미지이다.
도 6은 각 나노복합소재 필름의 TGA, DTG 및 DSC 그래프이다.
1 is a graph showing the stress-strain curve (a), the tensile strength (b), and the elastic modulus (c) of each nanocomposite film. 'P' is CS film, 'q' is (1%) GO / CS film, 'r' is (0.5%) Fe 3 O 4 / ) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS nanocomposite material film.
2 is a graph showing the water contact angle of each nanocomposite material film.
3 is a graph showing an XRD pattern of each nanocomposite film.
4 is a graph showing the FTIR spectrum of each nanocomposite film.
5 is a FESEM image and a TEM image of each nanocomposite film, wherein 'a' is the surface of the CS film, 'b' is the FESEM image of the cross section of the Fe 3 O 4 / GO / 'Is a TEM image of Fe 3 O 4 / GO / CS film.
6 is a TGA, DTG and DSC graph of each nanocomposite film.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and thus the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예 1.Example 1.

키토산 고분자(이하 'CS'라 한다)(평균 분자량 = 350000 gmol-1, 90% 탈아세틸화 수준), 과망간산칼륨(potassium permanganate)(분석용), 질산나트륨(sodium nitrate) 및 흑연(graphite)(평균 입자 크기 <20㎛)을 Sigma Aldrich(Korea)로부터 구입하였다. 과산화수소(hydrogen peroxide)는 대정화금(Daejung Chemicals and metals, Korea)으로부터 제공받았으며, 염산(hydrochloric acid)은 Fluka에서 구입하였다. 황산(sulfuric acid)(98%)은 Junsei Chemical(japan)에서 구입하였으며, 자철석(magnetite)(Fe3O4) 나노분말(<50㎚ 입자 크기(TEM), ≥98% trace metals basis)은 Sigma Aldrich(Korea)로부터 구입하였다. 아세트산(acetic acid)은 CS의 용매로 물과 함께 사용하였다. 물은 증류 및 이온교환수를 사용하였다.
(Average molecular weight = 350000 gmol -1 , 90% deacetylation level), potassium permanganate (for analysis), sodium nitrate and graphite (hereinafter referred to as "CS" Average particle size < 20 占 퐉) was purchased from Sigma Aldrich (Korea). Hydrogen peroxide was supplied from Daejung Chemicals and metals, Korea, and hydrochloric acid was purchased from Fluka. Sulfuric acid (98%) was purchased from Junsei Chemical (japan) and magnetite (Fe 3 O 4 ) nano powder (<50 nm particle size (TEM) Aldrich (Korea). Acetic acid was used with water as a solvent for CS. Water was distilled and ion exchange water was used.

산화그래핀 합성Oxidized graphene synthesis

천연 흑연 조각(평균입자크기 <20㎛)을 사용하여, 일부 변경된 험머스 방법(Hummers et al. 1958; Ramanathan et al. 2008)으로 산화그래핀(이하, 'GO'라 한다)을 합성하였다.Oxidized graphene (hereinafter referred to as "GO") was synthesized by using a modified Hummers method (Hummers et al. 1958; Ramanathan et al. 2008) using natural graphite pieces (average particle size <20 μm).

얼음수조에서 흑연 2g, NaNO3 1g을 농축된 H2SO4 46㎖에 용해하고, 약 15분간 교반한 다음, 반응온도를 20℃ 아래로 조절하기 위해 가능한 천천히 교반하면서 KMnO4 6g을 조금씩 첨가하였다. 현탁액을 2시간 교반하고 35℃로 30분간 유지한 다음 증류수 92㎖을 현탁액에 천천히 부었다. 이때 온도가 급격히 증가하지만 98℃를 넘지 않는다. 15분 후, 현탁액을 따뜻한 증류수 약 280㎖로 희석하고, 30% H2O2 20㎖을 첨가하여 잔여 KMnO4 및 MnO2를 제거하였다. 이때 밝은 노란색으로 변한다. 현탁액을 여과한 다음, 황산염이 제거되고 여과액의 pH가 7 정도로 될 때까지 따뜻한 5% HCl 수용액 및 증류수로 각각 세척하였다. GO 샘플이 항량(constant weight)이 될 때까지 진공상태에서 50℃로 건조시킨 다음 적당한 입자크기로 분쇄하였다.
In an ice water bath, 2 g of graphite and 1 g of NaNO 3 were dissolved in 46 ml of concentrated H 2 SO 4 , stirred for about 15 minutes, and 6 g of KMnO 4 was added in small portions with gentle stirring as possible to adjust the reaction temperature below 20 ° C . The suspension was stirred for 2 hours and maintained at 35 DEG C for 30 minutes, and then 92 mL of distilled water was slowly poured into the suspension. At this time, the temperature rapidly increases but does not exceed 98 캜. After 15 minutes, the suspension was diluted with about 280 mL of warm distilled water and 20 mL of 30% H 2 O 2 was added to remove residual KMnO 4 and MnO 2 . It turns bright yellow at this time. The suspension was filtered and washed with warm 5% aqueous HCl solution and distilled water, respectively, until the sulfate was removed and the pH of the filtrate was about 7. The GO sample was dried at 50 캜 under vacuum until it became a constant weight and then ground to a suitable particle size.

FeFe 33 OO 44 /GO/CS 나노복합소재 필름 제조/ GO / CS Nanocomposite Film Production

도 1에 본 발명의 나노복합소재(Fe3O4/GO/CS) 필름 제조를 위한 방법을 나타내었다. 단순 용액 혼합-증발 방법을 사용하였다.FIG. 1 shows a method for producing a nanocomposite material (Fe 3 O 4 / GO / CS) film of the present invention. Simple solution mixing - evaporation method was used.

2%(v/v) 아세트산 수용액에 CS를 용해하여 2%(w/v) CS 용액을 제조한 다음, 여과하여 고형 불순물을 제거하였다. 산화철(Fe3O4)을 40㎖의 증류수에서 부풀리고 15분간 울트라소니케이션한 다음, 산화철 현탁액을 CS 용액에 첨가하여 최종 산화철 농도가 CS 중량에 대하여 0.5 ~ 2.0중량%가 되도록 하고, 27℃에서 5시간 교반하였다. 이어 GO 현탁액을 다양한 농도로(예를 들어, CS 중량에 대하여 1중량%) 혼합용액에 첨가하고, 교반 속도를 1시간동안 350rpm으로 유지하였다. 물을 증발시켜 혼합용액의 최종 CS 농도를 1%(w/v)로 조절하였다. 진공상태에서 30분간 용액을 디게싱한 다음, 준비된 Fe3O4/GO/CS 용액을 테프론 몰드에 붓고 70℃에서 8시간 건조하여 용매를 제거하였다. 건조하여 제조된 막을 2중량% NaOH 수용액에 1시간 동안 담가서 산을 제거하고 중성이 될 때까지 물로 세척한 다음 70℃에서 6시간 건조하였다. 수득한 나노복합소재 필름을 유리판에서 벗겨내어 상온에서 보관하였다. 필름의 평균두께는 0.04㎜이다.
2% (w / v) CS solution was prepared by dissolving CS in a 2% (v / v) acetic acid aqueous solution and then filtered to remove solid impurities. The iron oxide suspension (Fe 3 O 4 ) was swollen in 40 ml of distilled water and ultrasonicated for 15 minutes. Then, the iron oxide suspension was added to the CS solution so that the final iron oxide concentration was 0.5 to 2.0% by weight based on the CS weight, And the mixture was stirred for 5 hours. The GO suspension was then added to the mixed solution at various concentrations (e.g., 1 wt% based on the weight of CS) and the stirring speed was maintained at 350 rpm for 1 hour. The final CS concentration of the mixed solution was adjusted to 1% (w / v) by evaporating the water. After the solution was degassed in a vacuum for 30 minutes, the prepared Fe 3 O 4 / GO / CS solution was poured into a Teflon mold and dried at 70 ° C. for 8 hours to remove the solvent. The dried membrane was immersed in a 2 wt% NaOH aqueous solution for 1 hour to remove the acid, washed with water until neutral, and dried at 70 ° C for 6 hours. The obtained nanocomposite film was peeled off from the glass plate and stored at room temperature. The average thickness of the film is 0.04 mm.

실험예 1.Experimental Example 1

Ni 필터와 CuKα 방사를 이용한 Rigaku Rotaflex(RU-200B) X-ray diffractometer로 상기 실시예 1에서 제조한 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재 필름의 Wide-angle XRD 패턴을 조사하였다. 관전류(tube current) 및 전압은 각각 300mA 및 40kV로 하였고, 0 ~ 80℃ 2θ각 구간에서 데이터를 수집하였다. 나노복합소재 필름의 인장특성은 일반적인 테스트 장치인 Instron 8871를 사용하여 상온에서 측정하였다. 나노복합소재 필름의 표면형태는 FE-SEM(field emission scanning electron microscopy)(LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, Germany)을 사용하여 분석하였다. 필름의 열안정성은 TA 장비(SDT Q600)를 사용하여 질소 분위기에서 10℃/min로 가열하면서 30 ~ 900℃에서 조사하였다. 나노복합소재의 동적기계분석(Dynamic mechanical analysis, DMA)은 텐션 멤브레인 클램프를 사용하는 동적기계분석장치(DMA, Q800, TA 사)를 사용하여 1Hz의 주파수 및 2℃/min의 가열속도에서 조사하였다. 나노복합소재의 라만분석은 CCD 디텍터가 구비된 Jasco Raman spectrometer를 사용하여 100 ~ 2000㎝-1 영역 532㎚의 파장에서 조사하였으며, 5×10×0.04㎜ 스트립으로 샘플을 잘라서 사용하였다. 샘플의 물 접촉각은 FTA(FIRST TEN ANGSTROMS) 4000을 사용하여 조사하였다.
Wide-angle XRD patterns of the Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposite films prepared in Example 1 were investigated using a Rigaku Rotaflex (RU-200B) X-ray diffractometer using Ni filter and CuKα radiation. The tube current and the voltage were set to 300 mA and 40 kV, respectively, and data were collected from 0 to 80 ° C. 2θ intervals. The tensile properties of nanocomposite films were measured at room temperature using Instron 8871, a general test device. The surface morphology of nanocomposite films was analyzed by FE-SEM (LEO SUPRA 55, Carl Zeiss, Germany). The thermal stability of the film was measured at 30 to 900 ° C while heating at 10 ° C / min in a nitrogen atmosphere using a TA instrument (SDT Q600). Dynamic mechanical analysis (DMA) of nanocomposite materials was performed at a frequency of 1 Hz and at a heating rate of 2 ° C / min using a dynamic mechanical analyzer (DMA, Q800, TA) using a tension membrane clamp . The Raman analysis of the nanocomposite material was performed using a Jasco Raman spectrometer equipped with a CCD detector at a wavelength of 532 nm in a range of 100 to 2000 cm -1 , and the sample was cut into a 5 × 10 × 0.04 mm strip. The water contact angle of the samples was investigated using an FTA (FIRST TEN ANGSTROMS) 4000.

FeFe 33 OO 44 /GO/CS 나노복합소재 필름의 인장강도/ Tensile Strength of GO / CS Nanocomposite Films

복합소재 필름의 기계적 특성을 테스트 장비(Instron 8871)를 사용하여 분석하였고, 인장강도 및 탄성률을 측정하였다. Fe3O4 및 GO를 다양하게 적용하면서 상온에서 인장특성을 조사하였다. 도 1의 b는 CS, (1%)GO/CS, (0.5%)Fe3O4/(1%)GO/CS 및 (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 나노복합소재의 인장강도를 비교한 것이다. (0.5%)Fe3O4/(1%)GO/CS 복합소재의 인장강도가 (1%)GO/CS, (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 및 CS 소재에 비해 각각 10%, 14%, 28% 높은 것으로 나타났다. 인장강도는 도 1의 a에 나타난 바와 같이 응력-변형률 곡선에서 최대 응력으로 결정하였다. 탄성률은 응력-변형률 곡선의 직선영역의 경사도를 측정하여 결정하였다. 인장강도 결과에서와 같이, 탄성률도 Fe3O4가 적용됨에 따라 개선되는 것으로 나타났다(도 1의 c 참조). 특히, (0.5%)Fe3O4/(1%)GO/CS 복합소재가 (1%)GO/CS, (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 및 CS 소재에 비해 각각 22%, 5%, 74% 높은 것으로 나타났다. 초기단계 응력은 변형률과 함께 거의 직선으로 증가하였으며, 최대 응력 이전에 나타나는 비직선 현상이 나노복합재 모두에서 나타났다.The mechanical properties of composite films were analyzed using a test instrument (Instron 8871), and tensile strength and modulus were measured. Fe 3 O 4 and GO were investigated for various tensile properties at room temperature. B of Figure 1 is CS, (1%) GO / CS, (0.5%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS , and (1%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS nanocomposite Comparing the tensile strength of the material. (0.5%) Fe 3 O 4 / (1%) Tensile strength of GO / CS composite (1%) GO / CS, (1%) Fe 3 O 4 / Respectively, by 10%, 14% and 28%, respectively. The tensile strength was determined as the maximum stress in the stress-strain curve as shown in Fig. 1 (a). The elastic modulus was determined by measuring the slope of the linear region of the stress-strain curve. As with the tensile strength results, the modulus of elasticity was also improved as Fe 3 O 4 was applied (c in FIG. 1). In particular, (0.5%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS composite material (1%) GO / CS, (1%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS and compared to the CS material 22%, 5% and 74%, respectively. The initial stress increased almost linearly with the strain, and the nonlinear phenomenon before the maximum stress appeared in all of the nanocomposites.

GO/CS 복합소재의 인장강도 및 탄성률이 Fe3O4의 첨가에 의해 개선되는 것으로 나타났으며, (0.5%)Fe3O4/(1%)GO/CS 나노복합소재는 GO/CS 복합소재에 비해 변형률이 3% 높은 탄성 인장 특성을 나타냈다. 이러한 결과로 보아 최적의 인장강도가 1.5% 나노필러(Fe3O4 및 GO)를 적용함으로써 나타난다는 것을 보여준다.
GO / CS tensile strength and elastic modulus of the composite was found to be improved by the addition of Fe 3 O 4, (0.5% ) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS nanocomposite is GO / CS composite The elastic tensile properties were 3% higher than the material. These results show that the optimum tensile strength is obtained by applying 1.5% nanopiller (Fe 3 O 4 and GO).

나노복합소재 필름의 친수성Hydrophilic properties of nanocomposite films

테스트 장비 FTA(FIRST TEN ANGSTROMS)-4000을 사용하여 다양한 나노복합소재 필름의 접촉각을 측정함으로써 나노복합소재 필름의 친수성을 분석하였다. 물질이 높은 친수성을 갖는 경우, 낮은 물 접촉각 값을 나타낸다(Park et. al., 2008; Konyushenko et. al., 2006). (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS, CS, (1%)GO/CS 및 (1%)Fe3O4/CS 필름의 접촉각은 각각 81°, 80°, 78° 및 72°로 나타났다. 테스트 필름 중 (1%)Fe3O4/CS 나노복합소재 필름이 가장 높은 친수성을 나타냈다(도 2 참조). (1%)GO/CS 나노복합소재 필름의 접촉각은 CS 필름에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이는 GO에 다수의 친수성 기능기가 존재하기 때문인 것으로 판단된다. 나노복합소재 필름의 GO 표면상 Fe3O4의 양을 조절함으로써 친수성을 조절할 수 있다.
The hydrophilicity of the nanocomposite film was analyzed by measuring the contact angle of various nanocomposite films using FST (FIRST TEN ANGSTROMS) -4000. If the material has a high hydrophilicity, it exhibits a low water contact angle value (Park et al., 2008; Konyushenko et al., 2006). (1%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS, CS, (1%) GO / CS , and (1%) Fe 3 O contact angle of 4 / CS film is 81 °, 80 °, respectively, 78 ° And 72 °, respectively. (1%) Fe 3 O 4 / CS nanocomposite film showed the highest hydrophilicity among the test films (see FIG. 2). (1%) The contact angle of GO / CS nanocomposite film was lower than that of CS film. This is probably due to the presence of multiple hydrophilic functional groups in the GO. Hydrophilicity can be controlled by adjusting the amount of Fe 3 O 4 on the GO surface of the nanocomposite film.

나노복합소재 필름의 XRD 패턴XRD pattern of nanocomposite film

흑연과 GO의 XRD 패턴을 도 3에 나타내었다. 흑연과 비교하여 GO의 층간 공간이 0.335㎚에서 0.796㎚로 증가하였는데, 이는 층간 반데르발스(van der Waals) 작용이 약해졌기 때문이다. 따라서 GO를 울트라소닉 처리하여 단층 또는 적은 수의 층으로 박리시키는 것이 상대적으로 쉽다.XRD patterns of graphite and GO are shown in Fig. The interlayer space of GO increased from 0.335 nm to 0.796 nm as compared with graphite, because the interlayer van der Waals action was weakened. It is therefore relatively easy to peel the GO into a single layer or a small number of layers by ultrasonically treating the GO.

도 3에 CS, GO, Fe3O4, GO/CS, Fe3O4/CS 및 Fe3O4/GO/CS의 XRD 패턴을 나타내었다. XRD 패턴은 5° ~ 80°(2θ)에서 수집하였다. 순수 GO의 XRD 패턴에서 7.96Å의 공간에 상응하는 2θ = 11.11의 강한 피크가 나타났다. 순수 CS는 무정형 구조로 인해 XRD에서 어떠한 선명한 피크도 나타나지 않았다. CS 매트릭스에 GO를 적용한 경우, 11.11°(7.96Å)에서 GO의 강한 피크가 거의 사라진 반면, 다른 회절 피크는 순수 GO의 것과 유사하였고, 2θ 결과는 변하지 않고 남아있는 것으로 나타났다. 나노복합소재 필름에서 결정 피크가 사라진 것은 GO가 CS 매트릭스 내부에 분산되었다는 것을 나타낸다. Fe3O4 나노입자의 XRD 패턴은 JCPDS 데이터베이스(PDF No. 65-3107)에서와 일치하는 특징적인 피크(2θ = 30.1°, 35.5°, 43.1°, 53.4°, 57.0° 및 62.6°)를 나타냈다. Fe3O4/GO/CS 복합소재의 패턴은 순수 Fe3O4 입자의 스피넬 구조에 따른 피크가 나타났다. CS에서는 분자간 상호작용을 통해 정렬된 CS 사슬의 특징적인 피크(Yamaguchi et. al., 2001)에 상응하는 2θ=20°(최대 강도)에서 하나의 주요 피크가 관찰되었다. Ogawa 등은 10 ~ 20°범위에서 특징적인 피크를 갖는 비결정형, 수화결정형 및 무수결정형의 CS의 세 가지 형태를 제안하였다(Ogawa et. al., 1984). 2θ=14.2° 주위의 넓은 피크는 CS의 무수결정형 구조(Wang, Shen, Zhang & Tong, 2005)에 상응한다. 이 결정형 피크는 CS에 Fe3O4 및 GO를 함유시킨 후 더 선명하게 나타났다. 넓은 피크가 되는 이 각의 피크는 아마도 2θ=11.7°에서 피크를 나타내는 수화결정형 구조와 같은 다형체의 존재 때문인 것으로 생각된다. 이와 같은 결과는 순수 CS와 비교하여 주요 사슬에서 결정도 또는 밀집배치가 증가하였다는 것을 의미한다(Tang et. al., 2008).
FIG. 3 shows XRD patterns of CS, GO, Fe 3 O 4 , GO / CS, Fe 3 O 4 / CS and Fe 3 O 4 / GO / XRD patterns were collected at 5 ° to 80 ° (2θ). A strong peak of 2? = 11.11 corresponding to a space of 7.96 A in the XRD pattern of the pure GO was observed. The pure CS did not show any clear peak in XRD due to its amorphous structure. When GO was applied to the CS matrix, the strong peak of the GO disappears at 11.11 ° (7.96 Å), while the other diffraction peaks are similar to those of the pure GO and the 2θ results remain unchanged. The disappearance of the crystal peaks in nanocomposite films indicates that the GO is dispersed within the CS matrix. The XRD patterns of Fe 3 O 4 nanoparticles exhibited characteristic peaks (2θ = 30.1 °, 35.5 °, 43.1 °, 53.4 °, 57.0 ° and 62.6 °) consistent with those in the JCPDS database (PDF No. 65-3107) . The pattern of the Fe 3 O 4 / GO / CS composite material showed a peak according to the spinel structure of pure Fe 3 O 4 particles. In CS, one major peak was observed at 2θ = 20 ° (maximum intensity) corresponding to the characteristic peak of the CS chain aligned via intermolecular interactions (Yamaguchi et al., 2001). Ogawa et al. Proposed three forms of amorphous, hydrated, and anhydrous crystalline CS with characteristic peaks in the 10-20 ° range (Ogawa et al., 1984). The broad peak around 2? = 14.2 ° corresponds to the anhydrous crystalline structure of CS (Wang, Shen, Zhang & Tong, 2005). This crystal type peak appeared more clearly after incorporating Fe 3 O 4 and GO in CS. The peak of this angle, which is a wide peak, is presumably due to the presence of a polymorph, such as a hydrated crystal structure, which shows a peak at 2? = 11.7 °. These results indicate that the crystallinity or dense arrangement in the main chain is increased compared to pure CS (Tang et al., 2008).

FeFe 33 OO 44 /GO/CS 나노복합소재 필름의 FT-IR 분광/ FT-IR spectroscopy of GO / CS nanocomposite films

GO의 산소 원자가 -COOH, -C=O, -OH 및 -C-O-C 그룹의 형태로 존재하는 것이 여러 연구를 통해 확인되었다. GO 시트의 표면이나 모서리의 친수성 산화 기능 그룹은 GO와 폴리머 매트릭스 사이의 융합을 개선하는데 결정적인 역할을 한다. 도 4에서와 같이, 1061.46cm-1, 1396.46cm-1, 1729.51cm-1, 3396.69cm-1의 피크는 각각 카르복시산 및 카보닐 부분의 C-O(ν(epoxy 또는 alkoxy)), O-H(ν(carboxyl)), C=O와 O-H(broad coupling ν(hydroxyl))로 생각할 수 있다. 한편, 이 분광에는 흑연의 sp2 특성에 상응하는 1622.67cm-1의 -C=C- 그룹 흡착 피크도 나타났다. 산화그래핀의 분광은 흑연이 산화그래핀으로 성공적으로 산화되었다는 것을 나타낸다. 이 산화그래핀에 존재하는 다수의 산소 기능 그룹은 GO 시트를 강한 친수성으로 만들어 물에 대한 용해성을 개선한다.Several studies have confirmed that the oxygen atom of GO is present in the form of -COOH, -C = O, -OH and -COC groups. The hydrophilic oxidative functional groups on the surface or corners of the GO sheet play a crucial role in improving the fusion between the GO and the polymer matrix. As in Figure 4, 1061.46cm -1, 1396.46cm -1, 1729.51cm -1, CO (ν (epoxy or alkoxy)) of the peak of each 3396.69cm -1 carboxylic acid and the carbonyl portion, OH (ν (carboxyl ), C = O and OH (broad coupling ν (hydroxyl)). On the other hand, the spectra also showed a C = C-group adsorption peak at 1622.67 cm &lt; -1 &gt; corresponding to the sp2 characteristic of graphite. Spectroscopy of oxidized graphene indicates that graphite has been successfully oxidized to oxidized graphene. A large number of oxygen functional groups present in this graphene oxide make the GO sheet strong hydrophilic to improve solubility in water.

Fe3O4 나노입자와 산화그래핀의 첨가에 따른 CS 소재 특성의 시너지 효과가 FTIR 실험을 통해 관찰되었고, 이의 결과는 도 4와 같다. Fe3O4-CS 나노복합소재, CS 및 Fe3O4 나노입자의 FTIR 분광을 도 4에 나타내었다. 3420cm-1 부근의 피크는 -OH 그룹에 의한 것이다. Fe3O4-CS 및 Fe3O4 나노입자에서, 592cm-1의 피크는 Fe-O 그룹에 의한 것이다(도 4의 d 및 a). CS의 분광(도 4의 b)에서, 1654.20cm-1에 나타난 특징적 흡착 밴드는 아마이드 I(C=O stretching), 1588.49cm-1은 아마이드 II(N-H 혼합 형태) 및 1420.66cm-1의 피크는 CS에서 제1 알코올 그룹의 -C-O stretching에 의한 것이다. Fe3O4-CS 나노복합소재의 분광(도 4의 d)에서, CS의 분광과 비교하여 아마이드 I의 1654.20cm-1 피크, 아마이드 II의 1588.49cm-1 피크 및 제1 알코올 그룹의 -C-O stretching 진동의 1420.66cm-1 피크가 각각 1648.38, 1562.73, 1411.41cm-1로 이동하였다. 이들 피크의 이동은 CS가 자성의 Fe3O4 나노입자로 덮인 것을 의미한다. 도 4의 e는 Fe3O4/GO/CS의 아마이드 I(1654.20cm-1) 및 아마이드 II(1588.49cm-1)가 더 높은 진동수인 1656.15cm-1 및 1562.43cm- 1으로 이동한 것을 나타낸다. 한편, CS에서 3393.10cm-1의 -OH 그룹 밴드도 높은 진동수로 이동하였다. 이러한 결과는 Fe3O4 및 GO를 사용함에 따라 CS과 필러 사이의 수소결합작용이 강화되었다는 것을 의미한다.
The synergy effect of the CS material characteristics due to the addition of the Fe 3 O 4 nanoparticles and the oxidized graphene was observed through FTIR experiments, and the results are shown in FIG. FTIR spectra of Fe 3 O 4 -CS nanocomposite material, CS and Fe 3 O 4 nanoparticles are shown in FIG. The peak near 3420 cm -1 is due to the -OH group. In Fe 3 O 4 -CS and Fe 3 O 4 nanoparticles, the peak at 592 cm -1 is due to the Fe-O group (d and a in FIG. 4). Of CS spectroscopy (Fig. 4 b) in, characteristic absorption bands are amide I (C = O stretching), 1588.49cm -1 -1 is shown in 1654.20cm amide II (NH mixed type), and the peak of the 1420.66cm -1 CS stretching of the first alcohol group in CS. Fe 3 O 4 -CS nanocomposite spectroscopy of the material (Fig. 4 d) from the, as compared with the CS spectral amide I peak of 1654.20cm -1, amide II of 1588.49cm -1 of the peak and the first alcohol group -CO 1420.66 cm &lt; -1 &gt; peaks of stretching vibration were shifted to 1648.38, 1562.73 and 1411.41 cm &lt; -1 & gt ;, respectively. The movement of these peaks means that CS is covered with magnetic Fe 3 O 4 nanoparticles. E in Fig. 4 is Fe 3 O 4 / GO / amide I (1654.20cm -1) and amide II (1588.49cm -1) in the CS with a higher frequency of 1656.15cm 1562.43cm -1 and - indicates that the move to the first . On the other hand, the -OH group band of 3393.10 cm -1 in CS also shifted to high frequency. These results suggest that the use of Fe 3 O 4 and GO enhances the hydrogen bonding between CS and filler.

형태 분석Shape analysis

인장 시험 이후 CS 필름 및 Fe3O4/GO/CS 필름 파단면의 FESEM 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5의 a에 나타난 바와 같이, 순수 CS 필름은 파단면이 부드럽고 빈틈없는 것으로 나타났다. 특히, Fe3O4/GO/CS 필름의 파단면 이미지는 CS 필름과 비교하여 GO가 많이 첨가됨에 따라 시트가 쌓인 것이 관찰되었다(도 5의 b 및 c). 이러한 결과는 최근 조사 보고와 일치한다(Dikin et al. 2007). 파단면에서 Fe3O4와 GO의 균일한 분포 및 깨어진 GO 끝부분이 관찰되었다. 대부분의 GO가 매트릭스로부터 빠져 나오는 대신에 깨어진 것은 GO와 CS 매트릭스 사이의 강한 계면 접착을 의미한다. 우수한 분산도 및 계면 접착력은 강화 나노복합소재를 제작하는데 매우 중요한 요인이다. 산화그래핀의 TEM 이미지는 이전 논문을 통해 보고한 바 있다(Yadav et al. 2013). 이 이미지에 두껍고 구불구불한 검은색 선이 있는데, 이것은 GO 시트가 응집없이 나노복합소재 필름에 균일하게 분포한다는 것을 의미한다.
FESEM photographs of the CS film and the fracture surface of the Fe 3 O 4 / GO / CS film after the tensile test are shown in FIG. As shown in FIG. 5 (a), the pure CS film was found to have a soft and smooth fracture. In particular, the fracture image of the Fe 3 O 4 / GO / CS film was observed to accumulate as the GO was added to the CS film (Fig. 5 (b) and (c)). These results are consistent with recent research reports (Dikin et al. 2007). A uniform distribution of Fe 3 O 4 and GO and a broken GO end were observed at the fracture surface. The breakdown of most GOs instead of escaping from the matrix implies strong interfacial adhesion between the GO and CS matrices. Good dispersion and interfacial adhesion are very important factors in making reinforced nanocomposites. TEM images of oxidized graphene have been reported in previous papers (Yadav et al. 2013). This image has a thick, twisty black line, which means that the GO sheet is uniformly distributed on the nanocomposite film without agglomeration.

열중량 분석Thermogravimetry

적분 열 분해 진행 온도(integral procedural decomposition temperature, IPDT)는 곡선 하의 면적을 측정하여 단수에서 곡선의 전체 형태를 설명한다. Doyle에 의해 제안된 IPDT(Doyle 1961)는 고분자 물질의 휘발성 부분(volatile part)과 관계가 있고, 고분자 물질의 고유 열 안정성을 판단하기 위해 사용된다(Vyazovkin and Sbirrazzuoli 2006). 본 실험에서는 IPDT를 다음과 같이 계산하였다.The integral procedural decomposition temperature (IPDT) measures the area under the curve and describes the overall shape of the curve in the singular. The IPDT proposed by Doyle (Doyle 1961) relates to the volatile part of a polymeric material and is used to determine the intrinsic thermal stability of a polymeric material (Vyazovkin and Sbirrazzuoli 2006). In this experiment, IPDT was calculated as follows.

IPDT(℃) = A*K* (Tf - Ti) + TiIPDT (占 폚) = A * K * (Tf - Ti) + Ti

A* = S1+S2/S1+S2+S3A * = S1 + S2 / S1 + S2 + S3

K* = S1+S2/S1K * = S1 + S2 / S1

여기서, A*는 총 TGA 열상(thermogram)으로 정의되는 총 실험 곡선의 면적 비율이고, Ti는 개시 실험 온도, Tf는 최종 실험 온도이다. A* 및 K*를 계산하기 위한 S1, S2 및 S3는 Yadav의 연구에서 제공된다(Yadav et al. 2012). 열중량분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 통해 본래의 흑연이 매우 안정하고 900℃로 가열하여도 중량의 손실이 없다는 것을 확인하였다. 이 결과에 따르면, GO는 흑연에 비해 좀더 열적으로 불안정하고, 세 단계의 분해를 겪는다. GO는 176.67℃에서 15%의 중량이 손실된다. 중량의 감소는 흡착된 물의 증발 및 carboxyl, hydroxyl, epoxy, nitrogen dioxide 및 ketone과 같은 산소가 포함된 기능 그룹의 열분해에 의한 것으로 보인다. GO의 중량 손실률은 176.67℃에서 250℃까지 온도가 증가할수록 늘어나며, 그 이후 약 587.60℃에서 약 57.5wt%의 최대치에 도달할 때까지 감소하는데, 이는 강산 산화에 의해 GO의 구조적 결함이 존재한다는 것을 의미한다. 흑연과 GO의 열상(도 6의 f 및 e)을 비교하면, 흑연과 GO의 IPDT가 각각 91826.36 및 812.27인데 이것은 흑연이 GO 보다 열적으로 안정하다는 것을 의미한다. CS, (1%)Fe3O4/CS, (1%)GO/CS 및 (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS의 열중량 결과(TGA, DTG, DSC 곡선)를 각각 도 6에 나타냈다. 약 100℃에서 12wt%의 중량손실은 약 50℃에서부터 흡착된 물을 잃기 때문인 것으로 보인다. 폴리머 분해 온도(polymer decomposition temperature, PDT)는 189.3℃로 나타났다. 중량손실률은 150℃에서 300℃까지 온도가 증가할수록 증가하였으며, 그 이후 900℃에서 약 73.50wt%의 최대값이 될 때까지 감소하였다. (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 나노복합소재 필름의 분해는 약 127.6 - 132.5℃ 및 132.5 - 530℃의 두 구간에서 발생하였다. 이 나노복합소재 필름의 Tmax 값은 276.4℃이다. (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS 나노복합소재 필름의 IPDT 및 FDT는 각각 954.5℃ 및 850℃였다. (1%)GO/CS 나노복합소재 필름이 CS 및 (1%)Fe3O4/CS 보다 열적으로 안정하다. (1%)GO/CS와 (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS의 열상을 비교하면, (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS의 FDT 및 IPDT 값이 낮은 것으로 나타났는데, 이는 (1%)Fe3O4/(1%)GO/CS가 (1%)GO/CS 보다 열적으로 덜 안정적이라는 것을 의미한다.
Where A * is the area ratio of the total experimental curve defined by the total TGA thermogram, Ti is the start experimental temperature and Tf is the final test temperature. S1, S2 and S3 for calculating A * and K * are provided in Yadav's study (Yadav et al. 2012). Through the thermogravimetric analysis (TGA), it was confirmed that the original graphite was very stable and there was no loss of weight even when heated to 900 ° C. According to these results, GO is more thermally unstable than graphite and undergoes three stages of decomposition. GO has a weight loss of 15% at 176.67 캜. The reduction in weight appears to be due to pyrolysis of the adsorbed water and functional groups containing oxygen such as carboxyl, hydroxyl, epoxy, nitrogen dioxide and ketone. The weight loss rate of the GO increases with increasing temperature from 176.67 ℃ to 250 ℃ and then decreases until it reaches a maximum of about 57.5% by weight at about 587.60 ℃, indicating that structural defects of the GO are present due to strong acid oxidation it means. Comparing the graphite and GO lattice (f and e in FIG. 6), the graphite and GO IPDTs are 91826.36 and 812.27, respectively, which means that graphite is thermally more stable than GO. The thermogravimetric results (TGA, DTG, DSC curve) of CS, (1%) Fe 3 O 4 / CS, (1%) GO / CS and (1%) Fe 3 O 4 / Respectively. The weight loss of 12 wt% at about 100 캜 appears to be due to the loss of adsorbed water from about 50 캜. The polymer decomposition temperature (PDT) was 189.3 ° C. The weight loss rate increased with increasing temperature from 150 ℃ to 300 ℃ and then decreased until it reached maximum value of 73.50wt% at 900 ℃. (1%) Fe 3 O 4 / (1%) The decomposition of the GO / CS nanocomposite film occurred at about 127.6 - 132.5 ℃ and 132.5 - 530 ℃. The Tmax value of this nanocomposite film is 276.4 占 폚. (1%) Fe 3 O 4 / (1%) The IPDT and FDT of GO / CS nanocomposite films were 954.5 ° C and 850 ° C, respectively. (1%) GO / CS nanocomposite films are more thermally stable than CS and (1%) Fe 3 O 4 / CS. (1%) GO / CS with (1%) Fe 3 O 4 / (1%) when comparing the laceration GO / CS, (1%) Fe 3 O 4 / (1%) GO / CS of the FDT and IPDT (1%) Fe 3 O 4 / (1%) means that GO / CS is (1%) thermally less stable than GO / CS.

동적기계분석(Dynamic Mechanical Analysis, DMA)Dynamic Mechanical Analysis (DMA)

GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재 필름의 저장탄성률(E')의 편차를 분석한 결과, Fe3O4/GO/CS 나노복합소재가 GO/CS 나노복합소재 보다 높은 E'를 갖는 것으로 나타났는데, 이는 CS 매트릭스, GO 및 Fe3O4 사이의 상호작용이 강하다는 것을 의미한다. 덧붙여, 저장탄성률(E')은 높은 온도에서 더 두드러지는 것으로 나타났다.As a result of analysis of the storage elasticity (E ') deviation of GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposite films, it was found that Fe 3 O 4 / GO / E ', which means that the interaction between the CS matrix, GO and Fe 3 O 4 is strong. In addition, the storage modulus (E ') was found to be more pronounced at higher temperatures.

보존률 = 200℃에서 저장탄성률 / 50℃에서 저장탄성률Retention ratio = storage elastic modulus at 200 占 폚 / storage elastic modulus at 50 占 폚

보존률(Han et al. 2011)은 온도에 따른 물질의 기계적 특성을 나타낸다. 분석결과에 따르면, Fe3O4/GO/CS 나노복합소재 필름의 보존률이 Fe3O4 함량에 의존적이다. 그리고 위의 식을 사용하여 계산한 GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS의 보존률은 각각 0.548 및 0.505였다. 최종적으로, Fe3O4/GO/CS 나노복합소재 필름은 고온에서 개선된 기계적 특성을 갖는다는 것이 확인되었다.The retention rate (Han et al. 2011) indicates the mechanical properties of the material with temperature. According to the analysis results, Fe 3 O 4 / GO / CS retention rate nanocomposite film is depends on the Fe 3 O 4 content. The retention ratios of GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS calculated using the above equation were 0.548 and 0.505, respectively. Finally, it was confirmed that the Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposite film had improved mechanical properties at high temperatures.

샘플의 유리 전이 온도(Tg)는 tanδ 커브로부터 제공될 수 있다. GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재의 Tg는 각각 267 및 264℃로 결정되었다. Fe3O4의 첨가에 의해 나노복합소재의 Tg가 낮은 온도로 이동하고, 인장탄성계수가 증가되는 것으로 나타났는데, 이러한 결과는 고분자에 필러를 사용하는 다른 시스템에서 탄성계수가 높아지면 Tg가 높아지는 일반적인 현상과는 다르게 나타났다. 이러한 현상을 반가소화(antiplasticization) 현상이라 한다. 보고된 바(Jackson & Caldwell, 2003 A.)에 따르면, 반가소화는 고분자에 특정 물질을 첨가함에 따라 기계적 강성 및 취화(embrittlement)가 증가하면서 Tg가 감소하는 것으로 정의된다. 인장 결과는 Fe3O4의 첨가가 매트릭스의 취화를 유도하는 것을 보여준다(최대 신장률이 감소하는 경향). 이러한 결과는 나노크기의 실리카, 은, 알루미늄을 사용한 이전 연구결과(Sun, Zhang, Moon & Wong, 2004)에서 반가소화가 고분자의 취화를 유도하는 것으로 나타난 것과 잘 들어맞는다. 반가소화의 메커니즘은 아마도 몇몇 인자의 조합일 것이다 : 폴리머 분자의 자유부피를 꽉 채우는 것, 고분자의 극성 그룹과 반가소제(antiplasticizer)의 극성 그룹 사이의 상호작용, 고분자의 극성 그룹에 인접하여 단단한 작은 분자가 존재함에 따른 물리적 경화 작용과 이에 따른 위치의 제한, 비협조적인 사슬 내 분자의 이동(Jackson & Caldwell, 2003 B). 단단하게 응축된 고분자의 가장 유연한 부분이 극성 그룹(예를 들어, 아미노 그룹)이기 때문에, 이들 그룹과 단단하고 극성인 반가소제 분자의 상호작용이 유연성을 감소시킬 것이다. 단단한 Fe3O4 나노입자의 존재로 인해 고분자 매트릭스의 자유부피가 꽉 채워지는 메커니즘 및 물리적 강성이 이 시스템에서 반가소화의 유일한 원인이라고 결론지을 수 있다. 이와 유사하게 나노크기의 물질이 존재하는 초박막 고분자 필름에서 낮은 Tg가 관찰되는 것을 다른 연구자들(Ghosh et. al., 2007)은 고분자 특성의 나노구속(nanoconfinement)이라고 하였다.The glass transition temperature (Tg) of the sample may be provided from the tan? Curve. The Tg of GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposites were determined to be 267 and 264 ° C, respectively. The addition of Fe 3 O 4 showed that the Tg of the nanocomposite moved to a lower temperature and the tensile modulus increased. This result shows that the higher the modulus of elasticity of the polymer, the higher the Tg It is different from the general phenomenon. This phenomenon is called antiplasticization phenomenon. According to the reported report (Jackson & Caldwell, 2003 A.), semi-digestion is defined as a decrease in Tg with increasing mechanical stiffness and embrittlement as a specific substance is added to the polymer. The tensile results show that addition of Fe 3 O 4 induces embrittlement of the matrix (maximum elongation tends to decrease). These results are consistent with previous studies (Sun, Zhang, Moon & Wong, 2004) using nano-sized silica, silver, and aluminum suggesting that semi-digestion induces polymer embrittlement. The mechanism of semi-digestion is probably a combination of several factors: filling the free volume of the polymer molecule, the interaction between the polar group of the polymer and the polar group of the antiplasticizer, the rigid small Physical curing behavior with respect to the presence of the molecule and hence its location limitation, noncooperative chain transfer of molecules (Jackson & Caldwell, 2003 B). Since the most flexible part of the tightly condensed polymer is a polar group (e. G., An amino group), the interaction of these groups with a hard and polar semi-plasticizer molecule will reduce flexibility. It can be concluded that the mechanism by which the free volume of the polymer matrix is filled and the physical stiffness due to the presence of hard Fe 3 O 4 nanoparticles is the only cause of semi-digestion in this system. Similar researchers (Ghosh et al., 2007) reported that low Tg was observed in ultra-thin polymer films with nano-sized materials called nanoconfinement of polymer properties.

tanδ 피크 높이는 Fe3O4/GO/CS 샘플과 비교하여 GO/CS 나노복합소재에서 높았다. tanδ 피크의 크기는 캐퍼시티의 감폭 또는 이완 온도에서 물질의 인성(toughness)과 강도(stiffness)를 반영하는 진동 에너지 소실과 연관된다. 이러한 결과는 열적 실험 결과를 더욱 확실하게 한다.
The tan δ peak height was higher in GO / CS nanocomposites than in Fe 3 O 4 / GO / CS samples. The magnitude of the tan delta peak is associated with loss of vibrational energy that reflects the toughness and stiffness of the material at the damping or relaxation temperature of the capacity. These results further confirm the results of thermal experiments.

라만분광법Raman spectroscopy

라만분광법은 흑연 구조에 관계된, 특히 탄소-기초 나노입자가 무정형 또는 무질서한 탄소로 이루어지는지에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 또한, 라반분광법으로 산화 전 후 흑연의 구조적인 변화를 확인할 수 있다. 본 실험에서, 본래의 흑연이 1363.52(D-밴드, C-C), 1583.25(G-밴드, C=C) 및 2732.47cm-1(2D-밴드)에서 세 가지 특성 피크를 갖는 것으로 나타났다. GO의 라만 스펙트럼은 1618.88cm-1 및 1371.93cm-1에서 2개의 주요 피크가 나타났는데, 각각 잘 알려진 G 밴드와 D 밴드에 상응한다. D 밴드는 산화그래핀의 결함 및 무질서한 상태에 의한 것인 반면, G 밴드는 흑연의 육각형-끼움 구조에 관계된다(Mao etal. 2012). D 밴드와 G 밴드의 강도로 ID/IG 비율로 판단하여 결함 정도를 결정할 수 있다. 본 실험에서, ID/IG 비율은 0.146이었고, 이는 흑연이 결함없는 구조에 가깝다는 것을 나타낸다. 본래의 흑연과 산화그래핀의 ID/IG 비율을 비교하면, 산화그래핀은 0.867로 더 높은 ID/IG 비율을 갖는 것으로 나타났으며, 이는 결함이 있다는 것을 나타낸다. GO, GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재의 ID/IG 비율은 각각 0.867, 0.897 및 0.894였다. Fe3O4/GO/CS는 GO 및 GO/CS 보다 높은 ID/IG 비율을 갖는 것으로 나타났으며, 이는 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재의 구조가 의도한 탄소 나노 시트의 형태라는 것을 의미한다. 추가로, GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재에서 두 피크의 강도는 감소하였으며, 이는 GO/CS 및 Fe3O4/GO/CS 나노복합소재가 산화그래핀보다 덜 밀집되었기 때문이다.
Raman spectroscopy can provide important information regarding the graphite structure, particularly whether carbon-based nanoparticles are amorphous or disordered carbon. In addition, structural change of graphite after oxidation can be confirmed by Raman spectroscopy. In this experiment, the original graphite has three characteristic peaks at 1363.52 (D-band, CC), 1583.25 (G-band, C = C) and 2732.47 cm- 1 (2D-band). The Raman spectra of GO showed two major peaks at 1618.88 cm -1 and 1371.93 cm -1 , corresponding to the well known G band and D band, respectively. The D band is due to the defect and disordered state of the graphene oxide, while the G band is related to the hexagonal-plugging structure of graphite (Mao et al. 2012). The degree of defect can be determined by judging the intensity of the D band and the G band based on the ID / IG ratio. In this experiment, the ID / IG ratio was 0.146, indicating that the graphite is close to a defect free structure. Comparing the ID / IG ratio of the native graphite to the oxidized graphene, the oxidized graphene was found to have a higher ID / IG ratio of 0.867, indicating that there is a defect. The ID / IG ratios of GO, GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposites were 0.867, 0.897 and 0.894, respectively. Fe 3 O 4 / GO / CS has a higher ID / IG ratio than GO and GO / CS, indicating that the structure of the Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposite is the intended carbon nanosheet . Further, GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS decreased the intensity of the two peaks in the nanocomposite material, which is less dense than the GO / CS and Fe 3 O 4 / GO / CS nanocomposite is oxidized graphene It is because.

Claims (6)

키토산 고분자에 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철이 0.1 내지 2중량%로 함유되고 산화그래핀이 0.5 내지 2중량%로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 산화그래핀, 산화철 및 키토산 고분자 복합소재.An oxide graphene, iron oxide and chitosan polymer composite material characterized in that the chitosan polymer contains 0.1 to 2% by weight of iron oxide and 0.5 to 2% by weight of oxidized graphene based on the weight of the chitosan polymer. 삭제delete 키토산 고분자에 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철이 0.1 내지 2중량%로 함유되도록 첨가하고, 산화그래핀이 0.5 내지 2중량%로 함유되도록 첨가하여 고분자 성형물의 기계적 특성을 개선하는 방법.A method for improving the mechanical properties of a polymeric molded article by adding the chitosan polymer to the chitosan polymer in an amount of 0.1 to 2 wt% based on the weight of the chitosan polymer and adding the graphene oxide in an amount of 0.5 to 2 wt%. 삭제delete 키토산 고분자 용액에 키토산 고분자의 중량을 기준으로 산화철이 0.1 내지 2중량% 및 산화그래핀이 0.5 내지 2중량%가 되도록 산화철 현탁액 및 산화그래핀 현탁액을 첨가하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합용액을 소정의 형상으로 건조하여 성형물을 제조하는 단계;를 포함하는 산화그래핀, 산화철 및 키토산 복합소재 제조방법.
Preparing a mixed solution by adding an iron oxide suspension and a graphene oxide suspension to the chitosan polymer solution so that the amount of iron oxide is 0.1 to 2 wt% and the amount of graphene oxide is 0.5 to 2 wt% based on the weight of the chitosan polymer; And
And drying the mixed solution in a predetermined shape to produce a molded product.
삭제delete
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KR20120124611A (en) * 2011-05-04 2012-11-14 (주)마크스톤 Method for preparing of polymer-carbon nanotube composite particles

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