KR101661598B1 - Polymer-Carbon compound composite material and method for preparing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고분자-탄소화합물 복합재료는 그래핀과 같은 탄소화합물의 표면을 개질하고 기능화함으로써 탄소화합물의 용해도와 분산력을 개선함과 동시에 표면에 결합되는 작용기의 종류에 따라 목적하는 용도에 따라 다양한 기능을 부여할 수 있다. 또한, 상기 기능화된 탄소화합물을 고분자 수지가 포함된 매트릭스에 균일하게 분산되도록 충진시킴으로써, 종래 단순 탄소화합물을 고분자 매트릭스에 충진 할 경우 탄소화합물의 분산이 이루어지지 않아 복합재료의 기계적 특성이 저하된다는 문제를 방지하고 기계적 강도와 전기전도성을 극대화시킬 수 있다.The polymer-carbon composite material of the present invention can improve the solubility and dispersibility of the carbon compound by modifying and functionalizing the surface of the carbon compound such as graphene, and various functions depending on the intended use depending on the kind of the functional group bonded to the surface Can be given. Further, by filling the functionalized carbon compound so as to be uniformly dispersed in the matrix containing the polymer resin, the conventional carbon compound is filled in the polymer matrix, and the carbon compound is not dispersed, thereby deteriorating the mechanical properties of the composite material And maximize mechanical strength and electrical conductivity.

Description

고분자-탄소화합물 복합재료 및 이의 제조방법{Polymer-Carbon compound composite material and method for preparing thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a polymer-carbon composite material and a method for manufacturing the same,

본 발명은 고분자-탄소화합물 복합재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer-carbon composite material and a method for producing the same.

산업이 발달하고 제품을 사용하는 수요자들의 욕구가 다양화됨에 따라 제품의 고성능화, 고기능화가 요구되어 본래 재료의 특성을 다기능화시키는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 복합재료 연구 분야에서는 충진제의 특성과, 충진제와 복합재료의 매트리스간 상호작용을 조절함에 따라 다양한 특성의 구현이 가능하기 때문에 제품의 고성능화 및 고기능화 문제를 해결할 수 있는 효과적인 대안으로 주목되고 있다. As the needs of the consumers who develop the industry and use the products are diversified, high performance and high performance of the products are demanded, and researches for diversifying the characteristics of the original materials have been actively made. In particular, in the field of composite materials research, various characteristics can be realized by controlling the characteristics of the filler and the interaction between the filler and the mattress of the composite material, and thus attention has been focused on as an effective alternative to solve the problem of high performance and high performance of the product.

오늘날 탄소나노튜브, 탄소섬유, 그래핀 등이 탄소계 충진제로 고기능성 고분자 복합재료를 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행 중이며, 이 중 그래핀은 가장 주목받고 있는 충진제 중 하나이다. 그래핀은 탄소의 sp2 혼성으로 이루어진 2차원 단일시트를 이루며, 다른 종류의 충진제에 비하여 넓은 표면적, 기계적 강도, 열적 안정성, 전기적 특성이 매우 우수하다. 따라서 그래핀을 고분자수지에 충진시켜 제조된 복합재료의 물리적 성질을 극대화시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. Today, researches are being actively carried out to develop high-functional polymer composite materials using carbon-based fillers such as carbon nanotubes, carbon fibers, and graphene. Of these, graphene is one of the most popular fillers. Graphene is a two-dimensional single sheet consisting of carbon sp2 and has excellent surface area, mechanical strength, thermal stability and electrical properties compared to other types of fillers. Therefore, studies are underway to maximize the physical properties of the composite material prepared by filling the graphene into the polymer resin.

그러나 복합재료의 물성을 향상하기 위한 요인 중 충진제의 균일한 분산은 매우 중요한 요소인데 반해, 그래핀은 순수한 탄소로 이루어진 판상구조로 강한 반데르발스힘과 π-π 인터렉션이 작용하여 낮은 용해도와 분산도를 갖는다는 문제가 있었다. However, the homogeneous dispersion of the filler is a very important factor to improve the physical properties of the composite material. On the contrary, graphene is a plate structure of pure carbon, which has a strong Van der Waals force and a π-π interaction, There is a problem in that it has a degree of difficulty.

대한민국공개특허공보 제10-2012-0104767호Korean Patent Publication No. 10-2012-0104767

Nano Lett. 2012, 12, 1789-1793 Nano Lett. 2012, 12, 1789-1793 Journal of Hazardous Materials 152 (2008) 601-606Journal of Hazardous Materials 152 (2008) 601-606 Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 370 (2013) 182-188Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 370 (2013) 182-188 J. Mater. Chem. 2011, 21, 2971 J. Mater. Chem. 2011, 21, 2971

본 발명은 종래의 탄소 화합물이 갖는 낮은 용해도와 분산력을 해결하고 기계적 강도와 전기전도성을 더욱 개선한 탄소화합물과 고분자를 포함하는 복합재료 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a composite material containing a carbon compound and a polymer which solves the low solubility and dispersibility of a conventional carbon compound and further improves mechanical strength and electrical conductivity, and a method for producing the same.

본 발명의 구현예들에서는, In embodiments of the present invention,

그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 탄소 섬유(Carbon fiber) 및 클레이(Clay)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 탄소화합물 표면탄소에 하기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 탄소화합물; 및 상기 기능화된 탄소화합물이 충진되는, 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자수지를 포함하는 매트릭스를 포함하는 고분자-탄소화합물 복합재료:A compound having the following formula (1) is covalently bonded to the surface carbon of at least one carbon compound selected from the group consisting of Graphene, Carbon nanotube, Carbon fiber and Clay, Carbon compounds; And polyimide, polyacrylonitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene, and polymethylacrylate which are filled with the functionalized carbon compound A polymer-carbon composite material comprising a matrix comprising at least one polymer resin selected from the group consisting of:

[화학식 1] [Chemical Formula 1]

Figure 112014041032616-pat00001
Figure 112014041032616-pat00001

(상기 화학식 1에서,R1 , R2 , R3, R4 및 R5는 -O-, -COO-, -S-, -Se-, -NH- 및 -H로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, R6 , R7 , R8, R9 및 R10은 수소, 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 작용기이며, n은 1 내지 20 중에서 선택되는 하나의 정수이다)를 제공한다.(In the above formula (1), R 1 , R 2 , R 3 , R 4 And R 5 is one selected from the group consisting of -O-, -COO-, -S-, -Se-, -NH- and -H, and R 6 , R 7 , R 8 , R 9 And R 10 is a group consisting of hydrogen, chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methacrylate, and alkyne groups. And n is an integer selected from 1 to 20. The term " functional group "

또한, 본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법으로, 탄소화합물 표면탄소를 하기 화학식 2를 포함하는 화합물과 공유결합시켜 표면개질 탄소화합물을 제조하는 단계;In another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing the polymer-carbon composite material, comprising the steps of: preparing a surface-modified carbon compound by covalently bonding a surface carbon of a carbon compound to a compound having the following formula 2;

상기 표면개질된 탄소 화합물에 공유결합된 하기 화학식 2의 R11 , R12 , R13, R14 및 R15 중 하나 이상을 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기와 공유결합시켜 상기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 탄소 화합물을 제조하는 단계; 및R 11 , R 12 , R 13 , R 14 and R 15 in the formula (2) covalently bonded to the surface- (S) selected from the group consisting of chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methacrylate, and alkyne groups. Covalently bonding the functional group to at least one functional group to prepare a functionalized carbon compound; And

고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 상기 기능화된 탄소 화합물이 분산된 용액에 넣고 중합하여 상기 기능화된 탄소 화합물을 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물에 충진시키는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계;를 포함하고,Preparation of a polymer-carbon composite material in which a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof is put into a solution in which the functionalized carbon compound is dispersed and polymerized to fill the functionalized carbon compound into the polymer precursor, the polymer resin or a mixture thereof Comprising:

상기 고분자 전구체는 언하이드라이드 다이아민, 아크릴로니트릴, 다이아민, 다이 하이드록시, 바이닐알콜, 스타이렌 및 메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고, 상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법:Wherein the polymer precursor is at least one selected from the group consisting of anhydride diamine, acrylonitrile, diamine, dihydroxy, vinyl alcohol, styrene, and meta methyl acrylate, and the polymer resin is at least one selected from the group consisting of polyimide, A method for producing a polymer-carbon composite material having at least one selected from the group consisting of nitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene and polymethylacrylate,

[화학식 2](2)

Figure 112014041032616-pat00002
Figure 112014041032616-pat00002

(상기 화학식 2에서,R11 , R12 , R13, R14 및 R15는 -OH, -COOH, -SH, -SeH, -NH2 및 -H로 이루어진 군에서 선택된 하나이다)를 제공한다.(Wherein R 11 , R 12 , R 13 , R 14 And R 15 is -OH, -COOH, -SH, -SeH, -NH 2 And -H. ≪ / RTI >

본 발명의 구현예들에 따른 복합재료는 그래핀과 같은 탄소화합물의 표면을 개질하고 기능화함으로써 탄소화합물의 용해도와 분산력을 개선함과 동시에 표면에 결합되는 작용기의 종류에 따라 목적하는 용도에 따라 다양한 기능을 부여할 수 있다. The composite material according to the embodiments of the present invention can improve the solubility and dispersibility of the carbon compound by modifying and functionalizing the surface of the carbon compound such as graphene, and at the same time, various kinds of functional groups Function can be given.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 복합재료는 상기 기능화된 탄소화합물을 충진되는 고분자의 특성에 따라서도 그래핀의 표면에 결합시키는 작용기를 조절할 수 있고 고분자가 포함된 매트릭스에 균일하게 분산되도록 충진시킬 수 있으므로, 종래 단순 탄소화합물을 고분자 매트릭스에 충진할 경우 탄소화합물의 분산이 이루어지지 않아 복합재료의 기계적 특성이 매우 저하되는 문제를 방지하고, 상기 기능화된 탄소화합물과 고분자와의 강한 결합을 형성시켜 기계적 강도와 전기전도성 등을 극대화시킬 수 있다.In addition, the composite material according to the embodiments of the present invention can control the functional groups that bind the functionalized carbon compound to the surface of the graphene depending on the properties of the polymer to be packed, and fill the functionalized carbon compound to be uniformly dispersed in the matrix containing the polymer Therefore, when the conventional simple carbon compound is filled in the polymer matrix, the carbon compound is not dispersed so that the mechanical property of the composite material is not significantly deteriorated, and the functionalized carbon compound forms a strong bond with the polymer Thereby maximizing mechanical strength and electrical conductivity.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예 1에서 제조된 알킬레이트-디아미노벤조익-에시드(alkylated-diaminobenzoic-acid, a-DBA)를 (a)FT-IR, (b)H1-NMR, (c)C13-NMR로 각각 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 실시예 1의 폴리아믹산의 제조과정, 이를 그래핀 N3-Ph-TGO이 포함된 용액에 첨가하여 반응시켜 기능화된 그래핀이 충진된 폴리이미드 복합재료를 제조하는 일련의 과정을 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 실험예 1의 각 탄소화합물들의 기능화 또는 표면개질 여부를 확인하기 위하여 FT-IR(도 3a의 (a), (b)), Raman(도 3b), XPS(도 3c) 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따라 기능화된 그래핀(N3-TGO)와 비교예로서 기능화되지 않은 그래핀(TGO)과의 DMF(N,N-dimethylmethanamide) 용매에 대한 분산도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 고분자-탄소화합물 복합재료 내 고분자인 폴리이미드 중량 대비 기능화된 그래핀의 중량에 따른 복합재료의 인장강도(Tensile strength) 및 탄성율(Tensile modulus)를 각각 비교하여 나타낸 그래프이다.
1A to 1C are schematic diagrams showing the results of measurement of an alkylated-diaminobenzoic acid (a-DBA) prepared in Example 1 according to an embodiment of the present invention by (a) FT-IR, (b ) H 1 -NMR, and (c) C 13 -NMR, respectively.
FIG. 2 is a graph showing the results of a process for preparing a polyamic acid according to Example 1 of the present invention and adding it to a solution containing graphene N 3 -Ph-TGO to react with polyimide composite material filled with functionalized graphene And a process for producing the same.
3A, 3B and 3C show FT-IR (FIGS. 3A, 3B), Raman (FIG. 3B) and XPS (FIG. 3C) Fig.
Figure 4 shows the dispersions of functionalized graphene (N 3 -TGO) and non-functionalized graphene (TGO) in DMF (N, N-dimethylmethanamide) solvent according to one embodiment of the present invention Graph.
FIG. 5 is a graph showing the tensile strength and tensile modulus of a composite material according to the weight of functionalized graphene, which is a polymer in a polymer-carbon composite material prepared according to an embodiment of the present invention, Respectively.

이하, 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

본 발명의 구현예들은 탄소화합물 표면에 다양한 작용기로 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상이 공유결합하고, 상기 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상에 또 다른 하나 이상의 작용기가 결합하여 기능화된 탄소화합물, 및 상기 기능화된 탄소화합물이 충진되는 고분자 물질을 포함하는 매트릭스를 포함하는 고분자-탄소화합물 복합재료를 제공할 수 있다. 이때 상기 방향족 또는 지방족 화합물의 다양한 작용기는 탄소화합물 표면에 결합하여 탄소화합물의 표면을 개질하게 되며, 여기에 또다른 다양한 작용기가 결합하게 됨으로써 상기 탄소화합물은 결합되는 작용기의 종류에 따라 다양한 기능을 갖도록 기능화된다. Embodiments of the present invention include a carbon compound in which at least one of aromatic and aliphatic compounds substituted with various functional groups is covalently bonded to the surface of a carbon compound and at least one other functional group is bonded to at least one of the substituted aromatic and aliphatic compounds, , And a matrix comprising a polymer material filled with the functionalized carbon compound. At this time, various functional groups of the aromatic or aliphatic compound are bonded to the surface of the carbon compound to modify the surface of the carbon compound, and various other functional groups are bonded thereto, so that the carbon compound has various functions depending on the type of the functional group to be bonded Functional.

본 발명의 구현예들은 탄소화합물 표면탄소에 하이드록실 그룹(hydroxyl group), 카르복실 그룹(carboxyl group), 티올 그룹(thiol group), 셀레놀 그룹(selenol group) 및 아미노 그룹(amino group)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기로 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상이 공유결합하고, 상기 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상에 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기가 결합하여 기능화된 탄소화합물, 및 상기 기능화된 탄소화합물이 충진되는, 고분자수지를 포함하는 매트릭스를 포함하는 고분자-탄소화합물 복합재료를 제공할 수 있다.Embodiments of the present invention are directed to a method of forming a carbon nanotube having a surface carbon of a carbon compound comprising a hydroxyl group, a carboxyl group, a thiol group, a selenol group and an amino group Wherein at least one of the aromatic and aliphatic compounds substituted with at least one functional group selected from the group is covalently bonded, and at least one of the substituted aromatic and aliphatic compounds is substituted with at least one of an azide, an epoxide, a carbon compound functionalized by bonding at least one functional group selected from the group consisting of cycloepoxide, acrylate, methacrylate and alkyne group, and a polymer in which the functionalized carbon compound is filled It is possible to provide a polymer-carbon composite material comprising a matrix containing a resin.

구체적으로, 상기 탄소화합물 표면탄소에 하이드록실 그룹(hydroxyl group), 카르복실 그룹(carboxyl group), 티올 그룹(thiol group), 셀레놀 그룹(selenol group) 및 아미노 그룹(amino group)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기로 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상이 공유결합하면 탄소화합물의 표면이 상기 작용기에 의해 개질되므로, 탄소화합물이 반데르 발스힘, π-π인터렉션 등 입체장애 또는 정전기적 반발력에 의해 용매상에서 재결합하는 현상을 줄이고 극성 용매에서 안정적인 분산력을 제공하며, 복합재료의 극성 고분자 매트리스에 안정적 분산력을 제공한다. 상기 작용기의 높은 반응성은 탄소화합물의 기능화를 부여하는데 필요한 엑티브 사이트로 활용될 수 있다. Specifically, in the group consisting of a hydroxyl group, a carboxyl group, a thiol group, a selenol group and an amino group on the surface carbon of the carbon compound When at least one of the aromatic and aliphatic compounds substituted with the at least one selected functional group is covalently bonded, the surface of the carbon compound is modified by the functional group, so that the carbon compound is not affected by steric hindrance or electrostatic repulsion such as van der Waals force, To provide a stable dispersing power in a polar solvent, and to provide a stable dispersing power in a polar polymer mattress of a composite material. The high reactivity of the functional groups can be utilized as an active site necessary for imparting functionalization of the carbon compound.

또한, 탄소화합물의 치환된 방향족 및 지방족 화합물 중 하나 이상에 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기가 결합하여 기능화되면, 기능화 작용기의 특성에 따라 탄소화합물의 다양한 화학 반응을 유도할 수 있을 뿐만 아니라 기능화에 따라 극성 용매(극성 고분자 수지) 또는 무극성 용매(무극성 고분자 수지)에서 안정된 분산력을 가지게 된다. 예를 들어 염소와 같은 할로겐족 작용기로 기능화 된 탄소화합물의 경우 반응성이 좋아 다양한 기능기로 치환이 가능한 엑티브사이트로 작용할 수 있고, 할로겐 족의 극성에 의해 극성 고분자 수지 폴리이미드, 폴리 바이닐 알코올 등의 극성 고분자 수지에 높은 분산력을 가진다. 아자이드로 기능화된 탄소화합물의 경우 아자이드의 극성에 의해 극성 용매에 잘 분산이 되며 극성 고분자 수지에 안정된 분산력을 가질 수 있다. 그리고 아자이드는 알킨(C-C 삼중결합)그룹과 클릭반응을 통하여 공유결합을 형성하기 때문에 알킨 그룹을 포함하는 고분자 수지의 복합재료 매트리스와 필러인 탄소화합물의 강한 결합력을 형성하여 강화된 기계적 성질을 제공할 수 있다. 에폭사이드로 기능화된 탄소화합물의 경우 에폭사이드 고분자 수지에서 높은 분산력을 가지며, 필러로 작용하여 화학반응을 통하여 강한 결합을 형성하여 향샹된 기계적 성질을 가질 수 있다. 아크릴레이트, 메타아크릴레이트로 기능화된 탄소화합물의 경우 아크릴레이트, 메타아크릴레이트 고분자 수지에서 높은 분산력을 가지고 고분자 수지와 반응하여 충진재와 복합재료 매트리스와 강한 결합력을 형성하여 향상된 기계적 성질을 제공할 수 있다. 알킬 그룹으로 기능화된 탄소화합물의 경우 무극성 용매에 잘 분산이 되고 무극성 고분자 수지 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 무극성 고분자 복합재료매트리스에 잘 분산이 되며, 소수성 상호작용에 의해 강한 결합을 형성하여 향상된 기계적 성질을 나타낸다. Also, at least one of the substituted aromatic and aliphatic compounds of the carbon compound may contain at least one selected from the group consisting of chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methaacrylate, Alkyne group, it is possible not only to induce various chemical reactions of the carbon compound according to the properties of the functionalizing functional groups, but also to increase the number of functional groups of the polar solvent (polar polymer resin) or The non-polar solvent (non-polar polymer resin) has a stable dispersing power. For example, a carbon compound functionalized with a halogen-based functional group such as chlorine can act as an active site that is highly reactive and can be substituted with various functional groups, and polar groups such as polar polymer resins such as polyimide resin polyimide and polyvinyl alcohol It has high dispersion power in resin. In the case of the azide functionalized carbon compound, it is dispersed well in the polar solvent due to the polarity of the azide and can have a stable dispersing power in the polar polymer resin. Since azide forms a covalent bond with the alkyne (CC triple bond) group, it forms a strong bonding force between the composite mattress of the polymer resin including the alkene group and the carbon compound as the filler, thereby providing enhanced mechanical properties can do. Epoxidized carbon compounds have a high dispersing power in epoxide polymer resins and can act as fillers to form strong bonds through chemical reactions and have improved mechanical properties. Acrylate and methacrylate, the acrylate and methacrylate polymer resins react with the polymer resin with high dispersibility in the polymer resin to form a strong bonding force with the filler and the composite material mattress to provide improved mechanical properties . Carbon compounds functionalized with alkyl groups are well dispersed in nonpolar solvents and are well dispersed in nonpolar polymer composite mattresses such as nonpolar polymer resin polyethylene, polypropylene, etc., and form strong bonds due to hydrophobic interaction, resulting in improved mechanical properties .

본 발명의 일 구현예로서 상기 고분자-탄소화합물 복합재료에 포함되는 기능화된 탄소화합물은 탄소화합물 표면탄소에 하기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 것을 예로 들 수 있으며, 화학식 1은 하기와 같다. In one embodiment of the present invention, the functionalized carbon compound contained in the polymer-carbon composite material may be obtained by covalently bonding a compound having the following formula (1) to the surface carbon of the carbon compound, .

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112014041032616-pat00003
Figure 112014041032616-pat00003

상기 화학식 1에서, R1 , R2 , R3, R4 및 R5는 -O-, -COO-, -S-, -Se-, -NH- 및 -H로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, R6 , R7 , R8, R9 및 R10은 수소, 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 작용기이며, n은 1 내지 20 중에서 선택되는 하나의 정수이다.In Formula 1, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 And R 5 is one selected from the group consisting of -O-, -COO-, -S-, -Se-, -NH- and -H, and R 6 , R 7 , R 8 , R 9 And R 10 is a group consisting of hydrogen, chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methacrylate, and alkyne groups. And n is an integer selected from 1 to 20. < RTI ID = 0.0 >

일 구현예로서 상기 고분자-탄소화합물 복합재료에 포함되는 기능화된 탄소화합물에 결합되는 방향족 화합물은 그 종류에 제한되지 않으며, 구체적으로는 하이드록시를 포함하는 물질과 치환반응하여 상기 방향족 화합물에 하이드록시기(-OH)를 도입할 수 있는 것일 수 있다. 예를 들어 기능화된 탄소화합물은 탄소화합물 표면탄소에 4-아미노페놀, 즉 상기 화학식 1에서 R7이 -O-, R10이 -NH-인 화합물이 결합된 것일 수 있다. 탄소화합물의 경우 상기 발데르발스힘, π-π인터렉션에 의해 강한 결합력에 의해 재결합하는 현상이 있는데, 4-아미노페놀이 결합되면 탄소화합물의 표면이 개질되므로 입체 장애 및 하이드록시 그룹의 정전기적 반발력에 의해서 극성용매에서 분산력이 향상되며 극성 고분자 수지내에서 높은 분산력을 가질 뿐만 아니라 수소결합에 의해 향상된 기계적 성질을 가지게 된다. 하이드록시 그룹은 반응성이 좋아 다양한 성질을 가지는 작용기로 치환반응이 용이하다. 또한 이 반응은 그래핀의 가장자리 부근에서 반응이 일어나므로 그래핀 시트의 면 부분에 홀이나 결점이 감소하게 되어 휴머스 또는 브로디 방법으로 만들어진 그래핀 옥사이드보다 훨씬 좋은 전도도를 가지게 된다. In one embodiment, the aromatic compound to be bonded to the functionalized carbon compound contained in the polymer-carbon composite material is not limited to its kind. Specifically, the aromatic compound may be substituted with a substance containing hydroxy, May be capable of introducing a period (-OH). For example, the functionalized carbon compound may be 4-aminophenol, that is, a compound wherein R 7 is -O- and R 10 is -NH- in the carbon surface carbon. In the case of a carbon compound, there is a phenomenon of recombination due to a strong binding force due to the above-described Valdervalence force and a π-π interaction. When 4-aminophenol is bonded, the surface of the carbon compound is modified. Therefore, the steric hindrance and the electrostatic repulsion The dispersing ability is improved in the polar solvent, and not only has a high dispersing power in the polar polymer resin, but also has improved mechanical properties by hydrogen bonding. The hydroxy group is a reactive group having various properties and is easy to substitute. The reaction also occurs near the edge of the graphene, reducing holes and defects on the surface of the graphene sheet, resulting in much better conductivity than graphene oxide made by the Hughes or Brody method.

본 발명의 일 구현예로서 상기 고분자-탄소화합물 복합재료에 포함되는 기능화된 탄소화합물은 구체적으로 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 탄소 섬유(Carbon fiber) 및 클레이(Clay)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 기능화된 것이다. 보다 구체적으로, 상기 그래핀은 흑연으로부터 산처리를 하지 않고 박리한 그래핀 또는 산화된 그래핀 옥사이드를 열처리나 화학적 처리로 환원한 그래핀옥사이드인 것일 수 있다. 상기 예시된 탄소화합물은 본래 높은 발데르발스힘과, π-π인터렉션, 소수성의 성질에 의해서 다양한 용매나 고분자 수지 내에 용해력이 낮고 분산력이 낮아 탄소화합물간에 응집력이 발생하여 기계적 성질 및 전기적 성질이 낮은 특성을 나타내는데, 본 발명의 상기 구현예들에 따라 탄소화합물을 기능화하여 개질하게 되면 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 일 구현예로서 환원된 그래핀을 사용할 경우 그래핀의 결점들이 보완이 되어 그래핀 판상구조에 연속된 sp2 탄소구조가 형성되므로, 파이 결합의 피궤도 함수 오비탈의 겹침에 의해 전기전도도가 크게 향상될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the functionalized carbon compound contained in the polymer-carbon composite material may be selected from the group consisting of graphene, carbon nanotube, carbon fiber, and clay At least one selected from the group is functionalized. More specifically, the graphene may be graphene oxide obtained by removing graphene or oxidized graphene oxide from graphite without acid treatment by heat treatment or chemical treatment. The above-exemplified carbon compounds have low solubility and low dispersibility in various solvents or polymeric resins due to their inherent high-walledness, π-π interaction, and hydrophobic properties, so that cohesion is generated between carbon compounds, resulting in low mechanical and electrical properties However, such a problem can be solved by functionalizing and modifying the carbon compound according to the above embodiments of the present invention. In addition, when reduced graphene is used as an embodiment, the defects of graphene are complemented to form a sp 2 carbon structure continuous to the graphene plate-like structure. Therefore, by overlapping the orbital orbital of pie-bonding, electric conductivity Can be greatly improved.

또한, 본 발명의 일 구현예로서 상기 고분자-탄소화합물 복합재료에 포함되는 상기 기능화된 탄소화합물이 충진되는 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 예로 들 수 있으며, 상기 고분자 수지는 표면개질된 탄소화합물 또는 기능화된 탄소화합물과 복합재료의 매트리스(고분자수지)의 물리화학적 반응에 의해 물리적 기능 향상이 가능한 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다. In one embodiment of the present invention, the polymer resin in which the functionalized carbon compound contained in the polymer-carbon composite material is filled is selected from the group consisting of polyimide, polyacrylonitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole , Polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene, and polymethylacrylate. The polymer resin may be at least one selected from the group consisting of a surface-modified carbon compound or a functionalized carbon compound and a composite material The type of the mattress (polymer resin) is not limited as long as it can improve the physical function by physicochemical reaction.

본 발명의 구현예들에 따른 상기 기능화된 탄소화합물은 상기 고분자 수지의총 중량에 대하여 0.1 내지 30 중량%로 충진될 수 있다. 기능화된 탄소화합물이 상기 범위내로 충진할 경우, 고분자-탄소화합물 복합재료의 기계적 물성, 전기 전도성 및 경제성을 최적화시킬 수 있다. The functionalized carbon compound according to embodiments of the present invention may be filled in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the total weight of the polymer resin. When the functionalized carbon compound is filled within the above range, the mechanical properties, electrical conductivity and economical efficiency of the polymer-carbon composite material can be optimized.

또한, 상기와 같은 본 발명의 구현예들에 따른 고분자-탄소화합물 복합재료는 탄소화합물 표면을 다이아조니움 염(diazonium salt) 반응을 통하여 하이드록시기와 같은 다양한 작용기 그룹으로 치환된 화합물로 개질하는 단계, 상기 개질된 탄소화합물을 새로운 기능을 포함하는 작용기를 결합시켜 기능화하는 단계 및 복합재료의 매트릭스에 포함되는 고분자와 상기 기능화된 탄소화합물을 혼합하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 개질단계의 일 구현예로서 4-아미노페놀의 아미노기로 탄소화합물 표면을 개질하는 경우를 예로 들면, 4-아미노페놀의 아미노기는 NaNO2에서 생성된 나이트로소늄 이온(nitrosonium ion)의 첨가반응 후 탈수반응에 의해 다이아조니움 염이 생성이 되고, 이때 생성된 탄소 양이온에 그래핀의 친핵성 방향족의 전자가 결합함으로써 그래핀이 하이드록시 그룹을 가지는 그래핀으로 표면 개질이 될 수 있다. 상기 4-아미노페놀의 아미노기 이외에도 다양한 작용기를 상기 다이아조니움 염을 통하여 그래핀의 표면에 결합시킬 수 있다. In addition, the polymer-carbon composite material according to embodiments of the present invention may be prepared by modifying the surface of a carbon compound with a compound substituted with various functional group groups such as a hydroxy group through a diazonium salt reaction , Functionalizing the modified carbon compound by binding a functional group containing a new function, and mixing the functionalized carbon compound with the polymer contained in the matrix of the composite material. As an example of the modification step, the surface of the carbon compound is modified with the amino group of 4-aminophenol. For example, the amino group of 4-aminophenol is reacted with a nitrosonium ion generated in NaNO 2 The dehydration reaction generates a diazonium salt. At this time, electrons of the nucleophilic aromatic group of graphene bind to the generated carbon cations, so that graphene can be surface-modified with graphene having a hydroxy group. In addition to the amino group of the 4-aminophenol, various functional groups can be bonded to the surface of the graphene through the diazonium salt.

본 발명의 구현예들에 따른 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법은 탄소화합물 표면탄소를 하기 화학식 2를 포함하는 화합물과 공유결합시켜 표면개질 탄소화합물을 제조하는 단계, 상기 표면개질된 탄소 화합물에 공유결합된 하기 화학식 2의 R11 , R12 , R13, R14 및 R15 중 하나 이상을 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기와 공유결합시켜 상기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 탄소 화합물을 제조하는 단계, 및 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 상기 기능화된 탄소 화합물이 분산된 용액에 넣고 중합하여 상기 기능화된 탄소 화합물을 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물에 충진시키는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 화학식 2는 하기와 같다.The method for producing a polymer-carbon composite material according to embodiments of the present invention includes the steps of: preparing a surface-modified carbon compound by covalently bonding a surface carbon of a carbon compound to a compound containing the following formula 2; to the covalent bond of the formula 2 R 11, R 12, R 13, R 14 And R 15 (S) selected from the group consisting of chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methacrylate, and alkyne groups. Preparing a functionalized carbon compound by covalently bonding a compound containing the functional group of Formula 1 to a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof; And then filling the functionalized carbon compound into the polymer precursor, the polymer resin, or a mixture thereof, to prepare a polymer-carbon composite material. The formula (2) is as follows.

[화학식 2](2)

Figure 112014041032616-pat00004
Figure 112014041032616-pat00004

상기 화학식 2에서,In Formula 2,

R11 , R12 , R13, R14 및 R15는 -OH, -COOH, -SH, -SeH, -NH2 및 -H로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.R 11 , R 12 , R 13 , R 14 And R 15 is -OH, -COOH, -SH, -SeH, -NH 2 And -H.

본 발명의 일 구현예로서 상기 고분자 전구체는 구체적으로 폴리이미드의 전구체인 언하이드라이드 다이아민, 폴리아크릴로니트릴의 전구체인 아크릴로니트릴, 폴리아마이드의 전구체인 다이아민 및 다이 하이드록시, 폴리바이닐알콜의 전구체인 바이닐알콜, 폴리스타이렌의 전구체인 스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트의 전구체인 메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이다. 이때 폴리이미드의 전구체인 언하이드라이드 디아민은 다양한 모노머를 갖는 폴리아믹산의 하나이다. In one embodiment of the present invention, the polymer precursor specifically includes an anhydride diamine which is a precursor of polyimide, acrylonitrile which is a precursor of polyacrylonitrile, diamines and dihydroxy which are precursors of polyamide, Vinyl alcohol as a precursor of polystyrene, styrene as a precursor of polystyrene, and methacrylate as a precursor of polymethylacrylate. At this time, anhydride diamine, which is a precursor of polyimide, is one of polyamic acids having various monomers.

본 발명의 일 구현예로서 상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the polymer resin is selected from the group consisting of polyimide, polyacrylonitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene, ≪ / RTI >

일 구현예로서 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 상기 기능화된 탄소 화합물이 분산된 용액에 넣고 중합하여 상기 기능화된 탄소 화합물을 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물에 충진시키는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계는, 탄소화합물을 기능화하는 작용기의 종류에 따라 고분자 중합과 충진을 동시에 하거나, 고분자 중합 후 중합된 고분자에 기능화된 탄소화합물을 충진하는 것을 모두 포함한다. 이는 탄소화합물을 기능화하는 작용기가 고분자와의 반응, 수소결합, 반데르발스힘, 소수성, 정전기적 인력, 반발력 여부 등의 특성에 따라 선택이 가능하다. 즉, 기능화하는 작용기가 충진되는 고분자와 반응을 하지 않아 중합도에 영향이 없다면 in-situ 방식이 유리하며, 중합도에 영향이 있다면 중합 후에 충진하는 방법이 유리하다. 일 구현예로서 상기 기능화된 탄소 화합물을 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 충진시키는 단계에서, 아자이드로 기능화된 탄소화합물은 중합도를 높이기 위하여 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 중합한 다음 이루어질 수 있다. 예를 들면 폴리아믹산에 충진하는 경우 PMDA(Puromellitic dianhydride), ODA(4,4-oxidaniline), a-DBA(alkylated-diaminobenzoic-acid) 모노머들을 중합 후에 탄소화합물을 충진하지 않고 상기 모노머들을 in-situ방식을 사용하여 충진하면, 아자이드가 폴리머 체인에 도입된 알킨 그룹과 이미드화 과정 중에 반응하여 공유결합을 형성하게 되기 때문에 중합도가 떨어지게 된다. 다른 일 구현예로서, 중합도에 영향을 미치지 않는 알킬그룹으로 기능화된 탄소화합물을 충진하는 경우에는 탄소화합물을 모노머와 함께 용액에 넣고 개시제 또는 자외선 등을 이용하여 고분자를 중합함과 동시에 고분자에 탄소화합물이 직접적인 반응으로 공유결합하여 충진되도록 하는 in-situ 방식으로 가능하다. In one embodiment, the polymer precursor, the polymer resin, or a mixture thereof is placed in a solution in which the functionalized carbon compound is dispersed and polymerized to polymerize the functionalized carbon compound into the polymer precursor, the polymer resin, or a mixture thereof. The step of preparing the compound composite material includes both polymer polymerization and packing at the same time depending on the type of the functional group that functions as the carbon compound, or filling the functionalized carbon compound into the polymer polymerized after the polymer polymerization. This can be selected depending on the properties of the functional group that functions the carbon compound, such as reaction with the polymer, hydrogen bonding, van der Waals force, hydrophobicity, electrostatic attraction, repulsion. That is, the in-situ method is advantageous if there is no effect on the degree of polymerization because the functionalized functional group is not reacted with the polymer to be filled, and if there is an influence on the degree of polymerization, a method of filling after polymerization is advantageous. In one embodiment, in the step of filling the functionalized carbon compound with the polymer precursor, the polymer resin, or a mixture thereof, the azide functionalized carbon compound may be prepared by polymerizing the polymer precursor, the polymer resin, or a mixture thereof, Then it can be done. For example, in the case of filling polyamic acid, it is possible to polymerize the monomers in situ without filling the carbon compounds after polymerization of PMDA (Puromellitic dianhydride), ODA (4,4-oxidaniline) and a-DBA (alkylated-diaminobenzoic acid) Method, azide reacts with the alkyne group introduced into the polymer chain to form a covalent bond during the imidization process, so that the degree of polymerization is lowered. In another embodiment, in the case of filling a carbon compound functionalized with an alkyl group that does not affect the degree of polymerization, the carbon compound is added to the solution together with the monomer and the polymer is polymerized by using an initiator or ultraviolet rays, Lt; RTI ID = 0.0 > in-situ < / RTI >

본 발명의 구현예들에 따른 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계는 상기 기능화된 탄소 화합물을 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물과 중합한 다음 이를 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 단계를 더 포함함으로 인하여 탄소화합물과 고분자간의 물리화학반응을 촉진하고 강한 계면 결합을 형성하여 최종적으로 형성되는 고분자-탄소화합물 복합재료의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다. 일 구현예로서 상기 열처리 단계는 190℃ 내지 400℃, 보다 구체적으로는 190℃ 내지 210℃의 온도로 실시할 수 있다. 상기 온도범위 내에서 열처리할 경우, 고분자의 반응을 적절하게 유도하면서도, 상기 기능화된 탄소화합물과 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물간의 공유결합이 분해되는 것을 방지할 수 있다.The step of preparing the polymer-carbon composite material according to embodiments of the present invention may further include a step of polymerizing the functionalized carbon compound with a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof, followed by heat treatment, It is possible to increase the mechanical strength of the finally formed polymer-carbon composite material by promoting the physicochemical reaction between the carbon compound and the polymer and forming a strong interfacial bond. In one embodiment, the heat treatment step may be performed at a temperature of 190 ° C to 400 ° C, more specifically 190 ° C to 210 ° C. When the heat treatment is performed within the temperature range, the covalent bond between the functionalized carbon compound and the polymer precursor, the polymer resin, or the mixture thereof can be prevented from being decomposed while appropriately inducing the reaction of the polymer.

또한, 본 발명의 구현예들에 따른 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계는 기능화된 탄소 화합물과 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 중합시 염기성 촉매를 첨가함으로써 중합 반응온도를 낮추어 줄 수 있다. 상기 염기성 촉매는 상기 고분자와 탄소화합물의 중합 반응온도를 낮출 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 들면 1,4디아자비시클로[2.2.2]옥탄(1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane), 2,3,4,6,7,8,9,10-옥타하이드로피리미도[1,2-a]아제핀(2,3,4,6,7,8,9,10-Octahydropyrimido[1,2-a]azepine), 4-하이드록시피리딘(4-hydroxypyridine) 등이 사용될 수 있다. 종래에는 중합반응의 경우 300℃ 이상의 고온조건이 요구되는데 상기 조건 하에서는 상기 기능화된 탄소화합물의 작용기가 분해되는 문제점이 있었다. 그러나, 상기와 같이 염기성 촉매를 상기 중합과정에 추가로 첨가함으로써, 중합반응을 200℃ 부근에서 할 수 있어 상기 기능화된 탄소화합물의 작용기가 분해되는 문제점을 방지할 수 있다.In addition, the step of preparing the polymer-carbon composite material according to embodiments of the present invention can lower the polymerization reaction temperature by adding a basic catalyst upon polymerization of a functionalized carbon compound, a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof have. The basic catalyst is not limited as long as it can lower the polymerization reaction temperature of the polymer and the carbon compound. For example, 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, 1,4-diazabicyclo [ , 2,3,4,6,7,8,9,10-octahydropyrimido [1,2-a] azepine (2,3,4,6,7,8,9,10-Octahydropyrimido [1 , 2-a] azepine, 4-hydroxypyridine, and the like. Conventionally, in the case of a polymerization reaction, a high temperature condition of 300 ° C or more is required. Under these conditions, functional groups of the functionalized carbon compound are decomposed. However, by further adding the basic catalyst to the polymerization process as described above, the polymerization reaction can be performed at around 200 ° C, thereby preventing the problem of decomposing functional groups of the functionalized carbon compound.

본 발명의 또 다른 구현예들에 따르면, 상기 표면개질 탄소화합물의 제조단계, 기능화된 탄소 화합물의 제조단계 및 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계 중 하나 이상은 상기 탄소화합물을 분산하여 균질화시켜 탄소화합물의 표면적을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 일 구현예로서 호모게나이져(homogenizer)를 이용하여 원주방향으로 쉐어를 가함으로써 상기 탄소화합물을 분산하여 균질화시킬 수 있다. 본 발명에 따라 탄소화합물을 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물에 물리화학적으로 결합시켜 복합재료를 제조하는 경우, 상기 고분자 물질 안에서 탄소화합물은 전도성 채널을 형성하기 위하여 균일하게 분산되어야 한다. 즉, 상기의 분산 정도가 균일한지 여부에 따라 최종 제조된 복합재료의 물성, 특히 전기 전도성이 결정된다. 기존의 초음파 방법의 경우 탄소화합물 표면에 결합을 형성시킨 다음 절단시키므로 표면적이 작은 탄소화합물이 제조되고, 이 때문에 고분자 물질 안에서 전도성 채널을 형성시키는데 단점으로 작용한다는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 표면개질 탄소화합물의 제조단계, 기능화된 탄소 화합물의 제조단계, 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계에서 상기 탄소화합물을 호모게나이져를 이용하여 원주방향으로 쉐어하여 균질화시킴으로써, 탄소화합물 표면의 결합을 최소화시킴과 동시에 대면적의 탄소화합물 시트, 예를 들면 그래핀시트를 제조할 수 있다. 또한 고분자 물질 내에서 전도성 채널을 잘 형성시키게 되어 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다. According to further embodiments of the present invention, at least one of the steps of preparing the surface-modified carbon compound, preparing the functionalized carbon compound, and producing the polymer-carbon composite material may be performed by dispersing and homogenizing the carbon compound, And increasing the surface area of the compound. For example, in one embodiment, the carbon compound may be dispersed and homogenized by applying a shear in the circumferential direction using a homogenizer. According to the present invention, when a carbon material is physically and chemically bonded to a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof, the carbon material in the polymer material must be uniformly dispersed to form a conductive channel. That is, the physical properties, particularly the electrical conductivity, of the final composite material are determined depending on whether the degree of dispersion is uniform or not. In the case of the conventional ultrasonic method, a carbon compound having a small surface area is formed by forming a bond on the surface of a carbon compound and then cutting it, which is a disadvantage in forming a conductive channel in a polymer material. However, in the present invention, the carbon compound is homogenized in the circumferential direction by using a homogenizer in the step of producing the surface-modified carbon compound, the step of producing the functionalized carbon compound and the step of producing the polymer-carbon composite material, It is possible to minimize the bonding of the surface of the compound and to produce a large-area carbon compound sheet such as a graphene sheet. In addition, the conductive channel is well formed in the polymer material, and the problems of the prior art can be solved.

이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예를 통하여 설명한다. 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기의 실시예의 범위로 제한되는 것은 아니다. 또한, 아래에 기술된 비교예는 실시예들과 대비하기 위한 것으로 기재된 것일 뿐이며, 종래의 기술로서 기재한 것이 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능하다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples and experimental examples. The Examples and Experimental Examples are intended to further illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition, the comparative example described below is described only for the purpose of comparison with the embodiments, and is not described as a conventional technique. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention.

[실시예 1] 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조[Example 1] Production of polymer-carbon composite material

본 발명의 일 구현예에 따른 고분자-탄소화합물 복합재료를 하기의 방법에 따라 제조하였다.The polymer-carbon composite material according to one embodiment of the present invention was prepared by the following method.

먼저, 100ml 질산용액에 1g의 그라파이트(CM-250, XG-Science, USA)와 5g의 NaClO3을 넣고 상온에서 48시간 저어주었다. 상기 반응물을 증류수(DI-water)로 수세한 후, 상기 반응물을 60℃에서 24시간 건조하여, 그래핀옥사이드를 제조하고, 상기 그래핀옥사이드를 1500℃에서 1시간 동안 열처리하여 그래핀을 제조하였다. First, 1 g of graphite (CM-250, XG-Science, USA) and 5 g of NaClO 3 were added to a 100 ml nitric acid solution and stirred at room temperature for 48 hours. The reaction product was washed with distilled water (DI-water), and the reaction product was dried at 60 ° C for 24 hours to prepare graphene oxide. The graphene oxide was heat-treated at 1500 ° C for 1 hour to prepare graphene .

그 다음, 상기 그래핀 0.1g을 100mL 황산 용액에 넣고 30분간 초음파 분산을 시켜주었다. 반응조에 상기 초음파 분산시킨 그래핀 용액을 첨가하고, 상기 반응조의 온도를 60℃로 세팅하였다. 상기 반응조의 온도가 60℃가 되었을 때, 1g의 NaNO2, 3g의 4-아미노페놀을 첨가시킨 후 60℃상에서 10시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 교반이 끝난 혼합물은 상온으로 냉각하고, DMF(N,N-dimethylmethanamide) 용액으로 세척하여 미반응 물질을 제거한 후, 에탄올로 세척하여 잔존하는 DMF를 제거하고 진공오븐 상에서 60℃로 건조하여,4-아미노페놀이 표면탄소에 결합된 표면개질 그래핀을 제조하였다. Then, 0.1 g of the graphene was added to 100 mL of sulfuric acid solution and ultrasonically dispersed for 30 minutes. The ultrasonic dispersed graphene solution was added to the reaction tank, and the temperature of the reaction tank was set to 60 캜. When the temperature of the reaction vessel is a 60 ℃, after the addition of NaNO 2, 3g of 4- aminophenol of 1g it was reacted by stirring for 10 hours over 60 ℃. The stirred mixture was cooled to room temperature and washed with a solution of N, N-dimethylmethanamide (DMF) to remove unreacted materials. Then, the mixture was washed with ethanol to remove residual DMF and dried at 60 ° C in a vacuum oven. - Surface modified graphenes in which aminophenols were bonded to surface carbon were prepared.

상기 하이드록시 그룹으로 표면개질된 그래핀을 기능화하기 위하여, 상기 하이드록시기로 개질된 그래핀 1g을 용매 DMF 60ml에 1시간 동안 초음파 처리하여 분산 시켜준 후, 14.8g의 K2CO4 와 8.9ml의 Br(CH2)2Cl를 첨가하였다. 상기 반응조를 60℃에서 24시간 교반하여 준 다음, 반응이 끝난후 반응조에 든 혼합물을 50ml의 증류수에 부어 상온에서 1시간 교반하여 주었다. 그리고 혼합물이 첨가된 증류수에 150ml씩 3회 CH2Cl2를 부어 3회 추출한 다음, Na2SO4를 첨가하여 상온에서 30분 교반하여 잔류 물을 제거하였다. 그 후, Na2SO4를 필터하고 건조하여 염소기로 기능화된 그래핀을 제조하였다.In order to functionalize the graphene surface-modified with the hydroxy group, 1 g of the graphene modified with the hydroxy group was dispersed in 60 ml of solvent DMF for 1 hour to disperse it. 14.8 g of K 2 CO 4 and 8.9 ml Of Br (CH 2 ) 2 Cl was added. After the reaction was completed, the reaction mixture was poured into 50 ml of distilled water and stirred at room temperature for 1 hour. Then, 150 ml of CH 2 Cl 2 was added to the distilled water to which the mixture had been added three times, and the mixture was extracted three times. Na 2 SO 4 was added and the mixture was stirred at room temperature for 30 minutes to remove the residue. The Na 2 SO 4 was then filtered and dried to produce graphene functionalized with chlorine.

그 다음, 상기 염소기로 기능화된 그래핀을 아자이드 그룹으로 치환하기 위하여, 염소기로 기능화된 1g의 그래핀을 60ml의 DMF 용매에 초음파처리 1시간을 하여 분산하였다. 분산된 용액을 60℃에 맞추고 2.6g의 NaN3를 첨가한 다음, 60℃에서 24시간 동안 교반하여 반응시켰다. 상기 반응된 혼합물을 50ml의 증류수에 붓고 1시간 교반하고, 150ml씩 3회 CH2Cl2를 부어 추출하였다. Na2SO4를 넣고 30분 교반하여 잔류물을 제거한 다음 필터하고 건조하여, 아자이드 그룹으로 기능화된 그래핀이 제조하였다. 그리고 제조된 기능화된 그래핀을 N3-Ph-TGO이라 하였다. Then, in order to replace the graphene functionalized with the chlorine group with the azide group, 1 g of graphene functionalized with a chlorine group was dispersed in 60 ml of DMF solvent for 1 hour by ultrasonication. The dispersed solution was adjusted to 60 캜, and 2.6 g of NaN 3 was added, followed by stirring at 60 캜 for 24 hours. The reacted mixture was poured into 50 ml of distilled water, stirred for 1 hour, and extracted with 150 ml portions of CH 2 Cl 2 three times. Na 2 SO 4 was added and stirred for 30 minutes to remove the residue, followed by filtration and drying to obtain graft functionalized with an azide group. The functionalized graphene produced was called N 3 -Ph-TGO.

한편, 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산(PAA)의 제조에 필요한 알킬그룹을 포함하는 모노머를 제조하기 위하여, DMF 80ml에 디아미노벤조익에시드 10g을 넣었다. 여기에 K2CO3 9.077g을 넣고 70℃에서 10분 정도 가열해 주고 상온으로 내렸다. 그 다음, 브로모 프로필그릴 7.3159ml를 넣고 반응조를 80℃에서 4시간 동안 반응시킨 후, DMF 용매를 건조하고 증류수를 넣어 상기 모노머를 EA(ethyl acylate)로 추출하였다. 그리고 Na2SO4를 넣고 잔류물을 제거한 다음, 필터를 통하여 불순물을 제거하였다. 컬럼을 통해 모노머를 분리하고 건조하여 알킬레이트-디아미노벤조익-에시드(alkylated-diaminobenzoic-acid, a-DBA)을 제조하였다. 그리고 도 1a 내지 도 1c는 상기 모노머 (a-DBA)를 FT-IR, H1-NMR, C13-NMR로 각각 분석한 결과를 나타낸 것이다. On the other hand, 10 g of diaminobenzoic acid was added to 80 ml of DMF in order to prepare a monomer containing an alkyl group necessary for the production of polyamic acid (PAA) which is a precursor of polyimide. Here, K 2 CO 3 And the mixture was heated at 70 ° C for 10 minutes, and then cooled to room temperature. Next, 7.3159 ml of bromopropylglyle was added and the reaction was allowed to proceed at 80 ° C for 4 hours. The DMF solvent was then dried, and the monomer was extracted with EA (ethyl acylate) by adding distilled water. Na 2 SO 4 was added to remove the residue, and the impurities were removed through a filter. The monomer was isolated through a column and dried to produce an alkylated-diaminobenzoic acid (a-DBA). 1A to 1C show results of analysis of the monomer (a-DBA) by FT-IR, H 1 -NMR and C 13 -NMR, respectively.

도 1a의 FT-IR 스펙트럼를 통해서 디아미노벤조익에시드에서 확인할 수 없는 알킨 그룹의 sp C-H 진동 모션이 3286cm, 알킨 그룹은 C-C 삼중결합 진동 피크가 2113cm-1에서 나타남으로써 디아미노벤조익에시드가 알킬레이트가 된 것을 확인할 수 있다. NMR 데이터를 통해서 정확한 구조를 확인하였다. 도 1b 및 도 1c는 알킬레이트 디아민벤조익에시드를 분석한 것이다. 수소, 탄소 NMR에서 알킨그룹에서 나타나는 피크를 확인하여 정확한 구조를 확인함으로써 a-DBA를 확인하였다. The sp CH vibration motion of the alkyne group, which can not be confirmed by the diaminobenzoic acid, was found to be 3286 cm and the CC triple bond vibration peak at 2113 cm- 1 in the alkyne group through the FT-IR spectrum of FIG. 1A, indicating that the diaminobenzoic acid had an alkylate . The exact structure was confirmed by NMR data. Figures 1B and 1C are analyzes of alkylate diamine benzoic acid. Hydrogen, Carbon NMR confirmed the a-DBA by confirming the peak appearing in the alkyne group and confirming the exact structure.

그 다음, 상기 알킬레이트-디아미노벤조익-에시드(alkylated-diaminobenzoic-acid, a-DBA) 1.74g와 PMDA(Puromellitic dianhydride) 5g, 4,4'-옥시디아닐린(4,4-oxidaniline, ODA) 2.75g, DABCO(1,4-Diazabicyclo[2,2,2]octane) 1.74g을 24시간 동안 교반하며 중합시켜 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산(PAA)을 제조하였다. 제조된 폴리아믹산을 물:메탄올 9:1 비율의 용액에 침전시킨 후 60℃에서 건조시켜 파우더 형태의 폴리아믹산을 얻었다. 이로써 그래핀의 아자이드 그룹과 폴리머 체인과 반응할 수 있는 엑티브사이트가 폴리머에 도입되었다. Then, 1.74 g of the alkylated-diaminobenzoic acid (a-DBA), 5 g of PMDA (pomellitic dianhydride), 4,4'-oxidaniline, ODA ) And 1.74 g of DABCO (1,4-Diazabicyclo [2,2,2] octane) were stirred and polymerized for 24 hours to prepare a polyimide precursor polyamic acid (PAA). The prepared polyamic acid was precipitated in a solution of water: methanol at a ratio of 9: 1, and then dried at 60 DEG C to obtain a powdery polyamic acid. As a result, an active site capable of reacting with the azide group of the graphene and the polymer chain was introduced into the polymer.

상기 제조된 그래핀 N3-Ph-TGO 5.7g을 1-메틸-2피롤리디논(NMP) 33.67g에 첨가하고 호모게나이져를 이용하여 1시간 동안 분산시켜, 그래핀이 분산된 용액을 제조하였다. 그 다음, 상기 제조된 폴리아믹산 (PAA) 1g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여, 아자이드 그룹으로 기능화된 그래핀이 충진된 폴리아믹산 전구체를 제조하였다. 제조된 기능화된 그래핀이 충진된 폴리아믹산 전구체는 90℃에서 4시간 동안 열처리하여 잔존하는 용매를 날려준 후(Drying and Curing), 단계적으로 200℃까지 온도를 올려 1시간 동안 이미드화하여 기능화된 그래핀이 충진된 폴리이미드 복합재료를 제조하였다. 도 2는 상기 폴리아믹산의 제조과정과, 이를 그래핀 N3-Ph-TGO이 포함된 용액에 첨가하여 반응시켜 기능화된 그래핀이 충진된 폴리이미드 복합재료를 제조하는 일련의 과정을 나타낸 것이다. 이때 PI로 표현된 구조식은 상기 복합재료 매트리스의 열처리 후 폴리아믹산에서 폴리이미드로 변화된 구조식을 표현한 것이며, 아래쪽으로 표현된 구조식은 그래핀과 복합재료 매트리스와의 열처리 과정 중 클릭반응에 의하여 공유결합이 형성된 것을 표현한 것이다.
5.7 g of the prepared graphene N 3 -Ph-TGO was added to 33.67 g of 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) and dispersed for 1 hour using a homogenizer to prepare a solution in which graphene was dispersed Respectively. Then, 1 g of the prepared polyamic acid (PAA) was added and stirred for 24 hours to prepare a polyamic acid precursor filled with graphene functionalized with an azide group. The polyamic acid precursor filled with the functionalized graphene thus prepared was subjected to heat treatment at 90 ° C for 4 hours to remove the remaining solvent (Drying and Curing), and then the temperature was raised to 200 ° C stepwise and imidized for 1 hour for functionalization A polyimide composite material filled with graphene was produced. FIG. 2 shows a series of processes for preparing polyamic acid filled with functionalized graphene by reacting the polyamic acid with a solution containing graphene N 3 -Ph-TGO. In this case, the structural formula represented by PI represents a structural formula changed from a polyamic acid to a polyimide after heat treatment of the composite mattress, and a structural formula expressed below is a covalent bond by a click reaction during the heat treatment process of graphene and a composite mattress. It is a representation of what is formed.

[비교예 1] 환원그래핀의 제조[Comparative Example 1] Production of reducing graphene

본 발명의 비교예로서 기능화시키지 않은 환원 그래핀을 하기의 방법으로 제조하였다.As a comparative example of the present invention, reduced graphene not functionalized was prepared by the following method.

먼저, 100ml 질산용액에 1g의 그라파이트(CM-250, XG-Science, USA)와 5g의 NaClO3을 넣고 상온에서 48시간 저어주었다. 상기 반응물을 증류수(DI-water)로 수세한 후, 상기 반응물을 60℃에서 24시간 건조하여, 그래핀 옥사이드를 제조하였다. 그 다음, 상기 그래핀옥사이드를 1500℃에서 1시간 동안 열처리하여 그래핀을 제조하였다. 그리고 상기 그래핀을 TGO이라 하였다.
First, 1 g of graphite (CM-250, XG-Science, USA) and 5 g of NaClO 3 were added to a 100 ml nitric acid solution and stirred at room temperature for 48 hours. The reaction product was washed with distilled water (DI-water), and the reaction product was dried at 60 ° C. for 24 hours to prepare graphene oxide. Then, the graphene oxide was heat-treated at 1500 ° C for 1 hour to prepare graphene. The graphene was called TGO.

[비교예 2] 순수 폴리이미드의 제조[Comparative Example 2] Production of pure polyimide

본 발명의 비교예로서 순수한 폴리아믹산을 하기의 방법으로 제조하였다. As a comparative example of the present invention, pure polyamic acid was prepared by the following method.

먼저, 33.67g의 1-메틸-2피롤리디논(NMP)에 4,4'-옥시디아닐린 2.75g, 알킬레이트-디아미노벤조익-에시드(alkylated-diaminobenzoic-acid) 1.74g을 첨가하고 교반하여 NMP 용매 상에 용해시켜 주었다. 상기 용해시켜준 용액에 옥시디아닐린, 알킬레이트-디아미노벤조익-에시드와 피로멜리틱 디언하이드라이드를 합친 중량비 대비 1 중량%의 DABCO(1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane)를 첨가시켜 10분 동안 교반하였다. 교반이 끝난 후 5g의 피로멜리틱 디언하이드라이드를 첨가시켜 24시간 동안 교반하여 폴리이미드 전구체인 폴리아믹산을 제조하였다. First, 2.74 g of 4,4'-oxydianiline and 1.74 g of alkylated-diaminobenzoic acid were added to 33.67 g of 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) And dissolved in NMP solvent. To the solution thus dissolved was added 1 wt% of DABCO (1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane) to the weight ratio of oxydianiline, alkylate-diaminobenzoyl-acid and pyromellitic dianhydride And stirred for 10 minutes. After stirring was completed, 5 g of pyromellitic dianhydride was added and stirred for 24 hours to prepare polyamic acid as a polyimide precursor.

그 다음, 1-메틸-2피롤리디논(NMP) 9.09g에 상기 제조된 폴리아믹산 1g을 다시 녹여 PI필름 위에 캐스팅하여 90℃에서 4시간 동안 열처리하고, 잔존하는 용매를 날려준 후 200℃까지 단계적으로 열처리하여 폴리이미드를 제조하였다.
Next, 1 g of the polyamic acid prepared above was re-dissolved in 9.09 g of 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), cast on the PI film, and heat-treated at 90 ° C for 4 hours. The remaining solvent was blown off, The polyimide was prepared by a stepwise heat treatment.

[실험예 1] 탄소화합물의 기능화[Experimental Example 1] Functionalization of carbon compounds

본 발명의 일 구현예에 따른 고분자-탄소화합물 복합재료에 충진되는 탄소화합물의 표면개질 및 기능화여부를 확인하기 위하여, 하기의 실험을 실시하였다.In order to confirm the surface modification and functionalization of the carbon compound packed in the polymer-carbon composite material according to one embodiment of the present invention, the following experiment was conducted.

먼저, 아자이드기로 기능화된 그래핀인 실시예 1(N3-Ph-TGO), 상기 하이드록시기로 기능화된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 기능화된 그래핀인 실시예 2(OH-Ph-TGO), 표면개질 및 기능화시키지 않은 환원그래핀인 비교예 1(TGO), 실시예 1과 동일한 방법으로 하이드록시기로 표면개질한 다음 기능화하지 않은 탄소화합물인 OH-TGO, 표면개질없이 실시예 1과 동일한 방법으로 기능화한 탄소화합물인 Cl-TGO 및 N3-TGO을 각각 준비하였다. First, Example 1 (N 3 -Ph-TGO), which is graphene functionalized with an azide group, Example 2 (OH-), which is graphene functionalized in the same manner as in Example 1, Ph-TGO), Comparative Example 1 (TGO), which is a surface-modified and nonfunctionalized reduced graphene, OH-TGO, which is a non-functionalized carbon compound after surface modification with a hydroxy group in the same manner as in Example 1, The functionalized carbon compounds Cl-TGO and N 3 -TGO were prepared in the same manner as in Example 1, respectively.

그 다음, 상기 각 탄소화합물들의 특성을 분석하였다.
Then, the characteristics of each of the carbon compounds were analyzed.

FTFT -- IRIR 분석analysis

실시예 2(OH-Ph-TGO), Cl-TGO 및 N3-TGO를 각각 FT-IR분석하여 도 3a에 나타내었다.Example 2 (OH-Ph-TGO) , it exhibited a Cl-TGO and N 3 -TGO the FT-IR analysis to Figure 3a, respectively.

도 3a로부터 상기 세 탄소화합물의 3400cm-1에서의 O-H 특성 피크를 확인할 수 있다. 그리고 Cl-TGO는 3400cm-1에서의 O-H 특성 피크, 805 cm-1에서 C-Cl의 특성피크를 가지며, N3-TGO는 3400cm-1에서의 O-H 특성 피크, 2100 및 1350 cm-1에서 N=N=N의 특성피크를 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 표면개질 후 기능화된 그래핀인 실시예 2(OH-Ph-TGO)는 3400cm-1에서의 O-H 특성 피크만을 가지므로, 이를 통해 실시예 2(OH-Ph-TGO)의 기능화가 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
From FIG. 3A, it is possible to confirm the OH characteristic peak of the three carbon compounds at 3400 cm -1 . And Cl-TGO from OH characteristic peak, 805 cm -1 at 3400cm -1 has a characteristic peak in the C-Cl, N 3, N in -TGO OH characteristic peaks, 2100 and 1350 cm -1 at 3400cm -1 = N = N. However, since the functionalized graphene of Example 2 (OH-Ph-TGO) has only an OH characteristic peak at 3400 cm -1 , the functionalization of Example 2 (OH-Ph-TGO) Respectively.

RamanRaman 분석analysis

비교예 1(TGO), OH-TGO, Cl-TGO 및 N3-TGO을 각각 Raman분석하여 도 3b에 나타내었다. 도 3b로부터 상기 세 탄소화합물의 D, G 피크를 확인할 수 있다. 이때 TGO에서 하이드록시기로 표면개질된 그래핀인 OH-TGO, 염소기로 기능화된 그래핀인 Cl-TGO 및 아자이드기로 기능화된 그래핀인 N3-TGO의 G피크 위치를 비교해보면 2~4cm-1 정도 피크의 변화가 있음을 확인할 수 있다.Comparative Example 1 (TGO), OH-TGO, Cl-TGO and N 3 -TGO were analyzed by Raman analysis and shown in FIG. From FIG. 3b, the D and G peaks of the three carbon compounds can be confirmed. At this time, the surface modification by a hydroxy group in a TGO of graphene-OH TGO, the yes-functionalized group is Cl-TGO and azide groups functionalized pin chlorine yes A comparison of the G peak position of the pin is N 3 -TGO 2 ~ 4cm - 1 < / RTI > peak.

그리고 Raman 분석을 통해 비교예 1(TGO), OH-TGO, Cl-TGO 및 실시예 1(N3-Ph-TGO)의 ID/IG 비율(raio)와 G band position을 정리하여 하기 표 1에 나타내었다. The I D / I G ratio (raio) and G band position of Comparative Example 1 (TGO), OH-TGO, Cl-TGO and Example 1 (N 3 -Ph-TGO) Respectively.

SampleSample ID/IG ratioI D / I G ratio G-band positionG-band position 비교예 1(TGO)Comparative Example 1 (TGO) -- 15781578 OH-TGOOH-TGO 0.510.51 1573 (-5cm-1)1573 (-5 cm -1 ) Cl-TGOCl-TGO 0.490.49 1580 (+2cm-1)1580 (+ 2 cm -1 ) 실시예 1(N3-Ph-TGO)Example 1 (N 3 -Ph-TGO) 0.500.50 1582 (-4cm-1)1582 (-4 cm -1 )

상기 표 1로부터 ID/IG ratio가 OH-TGO는 0.51, Cl-TGO는 0.49, N3-TGO는 0.50으로 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 실시예 1(N3-Ph-TGO)의 경우 다이아조니움 설트 반응을 통해 하이드록시기로 표면개질이 된 후 하이드록시기가 반응지점으로 작용하여 그래핀 표면에 추가적인 결점의 생성 없이 아자이드로 기능화가 이루어졌음을 의미한다.
From Table 1, it can be seen that the I D / I G ratio is almost unchanged as OH-TGO is 0.51, Cl-TGO is 0.49 and N 3 -TGO is 0.50. In the case of Example 1 (N 3 -Ph-TGO), surface modification with a hydroxy group through a diazonium sulfate reaction followed by action of a hydroxyl group as a reaction site resulted in functionalization with azide without generating additional defects on the graphene surface It means that it is done.

XPSXPS 원소분석Elemental analysis

실시예 2(OH-Ph-TGO)와 N3-TGO를 각각 XPS 원소분석한 다음 도 3c에 나타내었다. 도 3c로부터, XPS의 성분분석을 통하여 실시예 2(OH-Ph-TGO)와 N3-TGO를 비교해 본 결과 실시예 2(OH-Ph-TGO)에서 확인되지 않은 질소(N)가 확인됨으로써 상기 일련의 기능화 과정을 통해서 아자이드로 기능화는 성공적으로 이루어짐을 확인 할 수 있다. XPS 조사 모드(survey mode)에서 강도(intensity)는 원소함량에 따라 나타난다. 상기 N3-TGO의 경우 질소원소의 함량이 표2에서 보여준 것과 같이 3.6%이기 때문에 강도가 낮지만, 도 3c의 안쪽 오른쪽 상부 그래프에 나타난 바와 같이 질소원소의 특성피크가 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 그래핀이 아자이드로 기능화 됨을 확인할 수 있다. Example 2 (OH-Ph-TGO) and N 3 -TGO were subjected to XPS element analysis, respectively, and are shown in FIG. 3c. From FIG. 3C, it was confirmed by comparison of Example 2 (OH-Ph-TGO) and N 3 -TGO through analysis of the composition of XPS that nitrogen (N) not identified in Example 2 (OH-Ph-TGO) It can be confirmed that the azide functionalization has been successfully accomplished through the above series of functionalization. In the XPS survey mode, the intensity depends on the elemental content. In the case of N 3 -TGO, the nitrogen content is 3.6% as shown in Table 2, so that the intensity is low, but the characteristic peak of the nitrogen element appears as shown in the upper right graph of FIG. 3c. Therefore, it can be confirmed that graphene is functionalized with azide.

또한, 실시예 2(OH-Ph-TGO)와 N3-TGO의 XPS 원소분석 후 원소의 함량을 정리하여 하기 표 2에 나타내었다. The contents of the elements after the analysis of the XPS element of Example 2 (OH-Ph-TGO) and N 3 -TGO are summarized in Table 2 below.

SampleSample Atomic concentration (%)Atomic concentration (%) CC OO NN SS 실시예 2(OH-Ph-TGO)Example 2 (OH-Ph-TGO) 87.6587.65 12.3512.35 00 00 N3- TGON 3 - TGO 79.5879.58 16.7616.76 3.653.65 00

상기 표 2는 실시예 2(OH-Ph-TGO)와 N3-TGO 질소의 함량을 나타낸 것으로, N3-TGO의 질소함량이 3%를 확인할 수 있다. 이는 아자이드로 기능화가 원소 대비 1%정도가 아자이드를 이루고 있음을 의미한다.
Table 2 shows the contents of Example 2 (OH-Ph-TGO) and N 3 -TGO nitrogen, and it can be confirmed that the nitrogen content of N 3 -TGO is 3%. This means that the azide functionalization is about 1% of the elemental azide.

[실험예 2] 탄소화합물의 분산성의 비교[Experimental Example 2] Comparison of dispersibility of carbon compounds

본 발명의 일 구현예에 따른 고분자-탄소화합물 복합재료에 충진되는 표면개질 및 기능화된 탄소화합물의 분산성을 확인하기 위하여 하기의 실험을 실시하였다. The following experiments were conducted to confirm the surface modification of the polymer-carbon composite material according to one embodiment of the present invention and the dispersibility of the functionalized carbon compound.

구체적으로, 상기 본 발명의 구현예에 따라 기능화된 그래핀인 실시예 1(N3-Ph-TGO)과 기능화되지 않은 그래핀인 비교예1(TGO)의 DMF용매에 대한 분산도를 각각 자외선 가시광선 근적외선 분광광도계(UV/VIS/NIR Spectrophotometer V-670)를 사용하여 측정하였다. 그리고, 이를 비교하여 하기 표 3 및 도 4에 나타내었다.Specifically, the dispersity of the functionalized graphene of Example 1 (N 3 -Ph-TGO) and the nonfunctionalized graphene of Comparative Example 1 (TGO) in DMF solvent was measured by ultraviolet And measured using a visible light NIR spectrophotometer (UV / VIS / NIR Spectrophotometer V-670). The results are shown in Table 3 and FIG. 4, respectively.

구분division 분산도(mg/mL), λ=550nmDispersion degree (mg / mL),? = 550 nm R2 R 2 실시예 1(N3-Ph-TGO)Example 1 (N 3 -Ph-TGO) 3.93.9 0.930.93 비교예 1(TGO)Comparative Example 1 (TGO) 2.92.9 0.980.98

상기 표 3 및 도 4로부터, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 기능화된 그래핀(실시예 1)가 기능화되지 않은 환원그래핀(비교예 1)에 비하여 분산도가 현저히 높게 나타났음을 확인할 수 있다. 이는 본 발명이 탄소화합물을 작용기로 표면 개질 및 기능화함으로써, 기존에 그래핀과 같은 탄소화합물을 고분자 수지에 충진할 경우 복합재료 내에서 분산성이 낮아서 복합재료의 기계적 특성을 저하시키던 문제점을 개선하였음을 의미한다.
From Table 3 and FIG. 4, it can be seen that the functionalized graphene prepared by the method according to the present invention (Example 1) has a significantly higher degree of dispersion than reduced graphene (Comparative Example 1) . This is because the present invention improves the problem that the dispersibility in the composite material is low when the carbon compound such as graphene is filled in the polymer resin, thereby reducing the mechanical properties of the composite material, by surface modification and functionalization of the carbon compound as a functional group .

[실험예 3] 기계적 물성의 비교[Experimental Example 3] Comparison of mechanical properties

본 발명의 일 구현예에 따른 고분자-탄소화합물 복합재료에 충진되는 표면개질 및 기능화된 탄소화합물의 함량에 따른 복합재료의 기계적 물성변화를 비교, 확인하기 위하여 하기의 실험을 실시하였다. In order to compare and confirm the change of the mechanical properties of the composite material depending on the content of the surface modified and functionalized carbon compound packed in the polymer-carbon composite material according to an embodiment of the present invention, the following experiment was conducted.

구체적으로, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 고분자-탄소화합물 복합재료로서 기능화된 그래핀이 폴리이미드 총 중량에 대하여 0.5중량%, 1중량% 및 3중량%로 각각 충진된 실시예 3, 4 및 5와, 순수한 폴리이미드(비교예 2)의 인장강도 및 탄성율을 측정 및 비교하였다. 이때 실험에 사용한 기기는 만능시험기(universal testing machine (UTM), 5567A, Instron. USA)였으며, 측정 결과는 하기의 표 4 및 도 5에 나타내었다.Specifically, Example 3 in which functionalized graphene as a polymer-carbon composite material prepared in the same manner as in Example 1 was filled in 0.5 wt%, 1 wt%, and 3 wt% based on the total weight of the polyimide, 4 and 5, and the pure polyimide (Comparative Example 2) were measured and compared. The instrument used for the experiment was a universal testing machine (UTM), 5567A, Instron, USA, and the measurement results are shown in Table 4 and FIG.

구분division 그래핀 함량(중량%)Graphene content (% by weight) 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 탄성율(GPa)Modulus of Elasticity (GPa) 비교예 2(Pure PI)Comparative Example 2 (Pure PI) 00 82.71±9.6482.71 + - 9.64 2.83±0.222.83 ± 0.22 실시예 3 (N3-Ph-TGO/PI)Example 3 (N 3 -Ph-TGO / PI) 0.50.5 100.10±2.83100.10 + - 2.83 2.83±0.092.83 ± 0.09 실시예 4 (N3-Ph-TGO/PI)Example 4 (N 3 -Ph-TGO / PI) 1One 104.85±2.18104.85 ± 2.18 3.03±0.113.03 0.11 실시예 5 (N3-Ph-TGO/PI)Example 5 (N 3 -Ph-TGO / PI) 33 87.98±2.1887.98 ± 2.18 3.08±0.313.08 ± 0.31

상기 표 4 및 도 5로부터, 본 발명에 따른 복합재료는 충진되는 기능화된 그래핀의 함량이 증가할수록 기계적 물성이 증가하였음을 알 수 있다. 특히, 기능화된 그래핀이 1중량%로 포함된 복합재료의 경우, 순수한 폴리이미드에 비하여 인장강도가 약 82Mpa에서 약 105Mpa로 28% 이상 향상되었고, 탄성률은 약 2.83Gpa에서 약 3.08Gpa로 9% 이상 향상되는 것을 확인할 수 있다.From Table 4 and FIG. 5, it can be seen that the mechanical properties of the composite material according to the present invention are increased as the content of functionalized graphene is increased. In particular, in the case of a composite material containing 1% by weight of functionalized graphene, the tensile strength was improved by more than 28% from about 82 MPa to about 105 MPa, and the elastic modulus was increased from about 2.83 GPa to about 3.08 GPa by 9% Or more.

이는 본 발명이 기능화된 탄소화합물을 고분자 수지에 충진함으로써 탄소화합물의 작용기와 고분자 체인과의 클릭반응에 의해 공유결합이 형성되고, 제조과정에서 상기 탄소화합물과 고분자가 약 200℃의 비교적 낮은 온도에서 중합됨으로써 탄소화합물과 고분자간의 계면결합이 분해되는 것이 방지되어, 고강도 및 고탄성율의 복합재료가 제조되었음을 의미한다.
This is because when the functionalized carbon compound is filled in the polymer resin, a covalent bond is formed by a click reaction between the functional group of the carbon compound and the polymer chain, and the carbon compound and the polymer are reacted at a relatively low temperature It is prevented that the interfacial bond between the carbon compound and the polymer is decomposed, and thus a composite material having high strength and high modulus of elasticity is produced.

Claims (10)

그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 탄소 섬유(Carbon fiber) 및 클레이(Clay)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 탄소화합물의 표면탄소에 하기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 탄소화합물; 및
상기 기능화된 탄소화합물이 충진되는, 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자수지를 포함하는 매트릭스를 포함하는 고분자-탄소화합물 복합재료:
[화학식 1]
Figure 112015080785244-pat00005

상기 화학식 1에서,
R1, R2, R3, R4 및 R5는 -O-, -COO-, -S-, -Se- 및 -NH-로 이루어진 군에서 선택된 하나이고,
R6, R7, R8, R9 및 R10은 수소, 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 작용기이며,
n은 1 내지 20 중에서 선택되는 하나의 정수이다.
A compound having the following formula (1) is covalently bonded to the surface carbon of at least one carbon compound selected from the group consisting of Graphene, Carbon nanotube, Carbon fiber and Clay, Carbon compounds; And
(PET), polystyrene, and polymethylacrylate, in which the functionalized carbon compound is filled, wherein the functionalized carbon compound is filled with a polymer selected from the group consisting of polyimide, polyacrylonitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate Polymer-carbon composite material comprising a matrix comprising at least one polymeric resin selected from the group consisting of:
[Chemical Formula 1]
Figure 112015080785244-pat00005

In Formula 1,
R 1, R 2, R 3 , R 4 and R 5 are each independently selected from the group consisting of -O-, -COO-, -S-, -Se- and -NH-,
R 6, R 7, R 8 , R 9 and R 10 are independently selected from the group consisting of hydrogen, chlorine, azide, epoxide, cycloepoxide, acrylate, methacrylate ) And an alkyne group,
and n is an integer selected from 1 to 20. [
제 1 항에 있어서, 상기 기능화된 탄소화합물은 탄소화합물 표면탄소에 4-아미노페놀이 결합된 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료.The polymer-carbon composite material according to claim 1, wherein the functionalized carbon compound is 4-aminophenol bonded to the carbon surface carbon. 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀은 흑연으로부터 산처리를 하지 않고 박리한 그래핀 또는 산화된 그래핀 옥사이드를 열처리나 화학적 처리로 환원한 그래핀옥사이드인 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein said graphene is graphene oxide obtained by removing graphene or oxidized graphene oxide from graphite without being subjected to an acid treatment by heat treatment or chemical treatment.
제 1 항에 있어서,
상기 기능화된 탄소화합물은 상기 고분자 수지의 중량에 대하여 0.1 내지 30 중량%로 충진되는 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료.
The method according to claim 1,
Wherein the functionalized carbon compound is filled in an amount of 0.1 to 30% by weight based on the weight of the polymer resin.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항의 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법으로,
탄소화합물 표면탄소를 하기 화학식 2를 포함하는 화합물과 공유결합시켜 표면개질 탄소화합물을 제조하는 단계;
상기 표면개질된 탄소 화합물에 공유결합된 하기 화학식 2의 R11, R12, R13, R14 및 R15 중 하나 이상을 염소, 아자이드(azide), 에폭사이드(epoxide), 사이클로에폭사이드(cycloepoxide), 아크릴레이트(acrylate), 메타아크릴레이트(methaacrylate) 및 알킨 그룹(alkyne group)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 작용기와 공유결합시켜 상기 화학식 1을 포함하는 화합물이 공유결합하여 기능화된 탄소 화합물을 제조하는 단계; 및
고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 상기 기능화된 탄소 화합물이 분산된 용액에 넣고 중합하여 상기 기능화된 탄소 화합물을 상기 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물에 충진시키는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계;를 포함하고,
상기 고분자 전구체는 언하이드라이드 다이아민, 아크릴로니트릴, 다이아민, 다이 하이드록시, 바이닐알콜, 스타이렌 및 메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고, 상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아마이드, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리바이닐알콜, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리스타이렌 및 폴리메타메틸아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법:
[화학식 2]
Figure 112015080785244-pat00006

상기 화학식 2에서,
R11, R12, R13, R14 및 R15는 -OH, -COOH, -SH, -SeH 및 -NH2로 이루어진 군에서 선택된 하나이다.
A method of producing a polymer-carbon composite material according to any one of claims 1 to 4,
Covalently bonding the surface carbon of the carbon compound to a compound containing the following formula 2 to prepare a surface-modified carbon compound;
At least one of R 11, R 12, R 13 , R 14 and R 15 covalently bonded to the surface-modified carbon compound is reacted with at least one of chlorine, azide, epoxide, (1) is covalently bonded to at least one functional group selected from the group consisting of cycloepoxide, acrylate, methacrylate, and alkyne group to form a functionalized carbon compound Lt; / RTI > And
Preparation of a polymer-carbon composite material in which a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof is put into a solution in which the functionalized carbon compound is dispersed and polymerized to fill the functionalized carbon compound into the polymer precursor, the polymer resin or a mixture thereof Comprising:
Wherein the polymer precursor is at least one selected from the group consisting of anhydride diamine, acrylonitrile, diamine, dihydroxy, vinyl alcohol, styrene, and meta methyl acrylate, and the polymer resin is at least one selected from the group consisting of polyimide, A method for producing a polymer-carbon composite material having at least one selected from the group consisting of nitrile, polyamide, polybenzoxazole, polybenzimidazole, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene and polymethylacrylate,
(2)
Figure 112015080785244-pat00006

In Formula 2,
R 11, R 12, R 13 , R 14 and R 15 are each selected from the group consisting of -OH, -COOH, -SH, -SeH and -NH 2 .
제 5 항에 있어서, 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계는 상기 기능화된 탄소 화합물을 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물과 중합한 다음, 이를 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법.[7] The method of claim 5, wherein the step of preparing the polymer-carbon composite material further comprises polymerizing the functionalized carbon compound with a polymer precursor, a polymer resin or a mixture thereof, and then heat- Method for manufacturing carbon composite material. 제 6 항에 있어서, 상기 열처리 단계의 온도는 190℃ 내지 400℃인 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조 방법.The method according to claim 6, wherein the temperature of the heat treatment step is 190 ° C to 400 ° C. 제 5 항에 있어서, 상기 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계는 기능화된 탄소 화합물과 고분자 전구체, 고분자 수지 또는 이들의 혼합물을 중합시 염기성 촉매를 첨가하여 중합 반응온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물의 복합재료 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the polymer-carbon composite material is prepared by polymerizing a functionalized carbon compound, a polymer precursor, a polymer resin, or a mixture thereof, A method for producing a composite material of a carbon compound. 제 5 항에 있어서, 상기 표면개질 탄소화합물의 제조단계, 기능화된 탄소 화합물의 제조단계 및 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조단계 중 하나 이상은 상기 탄소화합물을 분산하여 균질화시켜 탄소화합물의 표면적을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자-탄소화합물 복합재료의 제조방법.
6. The method of claim 5, wherein at least one of the steps of preparing the surface-modified carbon compound, preparing the functionalized carbon compound, and producing the polymer-carbon composite material comprises dispersing and homogenizing the carbon compound to increase the surface area of the carbon compound Wherein the method further comprises the step of:
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