KR102102594B1 - 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄소섬유를 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산(acid) 용액으로 표면처리하여 상기 탄소섬유 표면에 하이드록실(hydroxyl) 또는 카르복실(carboxylt) 기능기를 형성하는 단계와, 표면처리된 탄소섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하고 반응시키는 단계와, 상기 아민기를 포함하는 가교제로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide)를 첨가하고 반응시켜 상기 탄소섬유에 상기 그래핀옥사이드가 코팅되게 하는 단계 및 B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담고 질소를 포함하는 가스를 흘려주고 열처리하면서 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 BN으로 치환되게 하는 단계를 포함하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 구조치환을 통해 그래핀옥사이드의 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드의 위치에 그대로 BN으로 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 BN이 코팅되어 있고, 탄소섬유에 BN이 코팅되어 있으므로 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 고온 산화분위기에서 산화되는 것이 억제될 수 있다.

Description

탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법{Manufacturing method of carbon fiber-BN composite}
본 발명은 결정성이 뛰어난 BN이 코팅된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 구조치환을 통해 그래핀옥사이드의 구조 및 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드를 구성하고 있는 헥사고날 구조를 하고 있는 카본원자들을 그대로 붕소(B)와 질소(N) 원자로 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 헥사고날 BN이 코팅되어 있고, 탄소섬유에 BN이 코팅되어 있으므로 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 고온 산화분위기에서 산화되는 것이 억제될 수 있는 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄소섬유는 뛰어난 기계적 특성과 가벼운 물성을 갖고 있어, 자동차, 우주·항공, 군수분야 등에 경량 고강도 복합재 부품으로 널리 활용되고 있다. 하지만 섭씨 450도 이상의 산소 분위기에서는 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 산화가 되어 탄소섬유의 물성을 저하 시키는 문제를 갖고 있어, 탄소섬유 및 탄소섬유기반 복합재는 고온 산화분위기에서 그 활용분야가 제한되는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 초고온 산화분위기에서 견딜수 있는 탄소섬유 복합체에 대한 연구가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1436500호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 구조치환을 통해 그래핀옥사이드의 구조 및 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드를 구성하고 있는 헥사고날 구조를 하고 있는 카본원자들을 그대로 붕소(B)와 질소(N) 원자로 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 헥사고날 BN이 코팅되어 있고, 탄소섬유에 BN이 코팅되어 있으므로 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 고온 산화분위기에서 산화되는 것이 억제될 수 있는 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, (a) 탄소섬유를 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산(acid) 용액으로 표면처리하여 상기 탄소섬유 표면에 하이드록실(hydroxyl) 또는 카르복실(carboxylt) 기능기를 형성하는 단계와, (b) 표면처리된 탄소섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하고 반응시키는 단계와, (c) 상기 아민기를 포함하는 가교제로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide)를 첨가하고 반응시켜 상기 탄소섬유에 상기 그래핀옥사이드가 코팅되게 하는 단계 및 (d) B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담고 질소를 포함하는 가스를 흘려주고 열처리하면서 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 BN으로 치환되게 하는 단계를 포함하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 B2O3 분말을 도가니 밑에 깔고 상기 B2O3 분말 위에 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 놓는 것이 바람직하다.
상기 열처리는 상기 B2O3 분말의 녹는점보다 높은 550∼1000℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 질소를 포함하는 가스는 불활성 가스와 암모니아(NH3) 가스를 포함할 수 있고, 상기 불활성 가스는 0.1∼5 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하며, 상기 암모니아(NH3) 가스는 0.01∼3 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다.
상기 아민기를 포함하는 가교제는 에틸렌디아민(ethylenediamine; EDA), 카다베린(cadaverine) 및 파라페닐렌디아민(para-phenylenediamine; PPD)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 아민기를 포함하는 가교제는 에틸렌디아민(ethylenediamine; EDA), 카다베린(cadaverine) 및 파라페닐렌디아민(para-phenylenediamine; PPD)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질
상기 표면처리는 60∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 1∼30 ㎛의 직경을 갖고, 종횡비가 10보다 큰 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법은 상기 (a) 단계 전에, 상기 탄소섬유의 표면에 묻어 있는 풀(Sizing agent) 또는 불순물을 아세톤(Acetone)으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 구조치환을 통해 그래핀옥사이드의 구조 및 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드를 구성하고 있는 헥사고날 구조를 하고 있는 카본원자들을 그대로 붕소(B)와 질소(N) 원자로 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 헥사고날 BN이 코팅된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 그래핀옥사이드를 탄소섬유 표면에 균일하게 적은 에너지로 코팅하기 위해 탄소섬유와 그래핀옥사이드간 자가결합(self-assemble)이 가능하도록 탄소섬유의 표면처리 및 가교제(cross-linking agent) 결합을 통해 저온에서 대량의 탄소섬유 표면에 그래핀옥사이드를 코팅할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 탄소섬유에 BN이 코팅되어 있으므로 고온 산화분위기에서 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 산화되는 것이 억제될 수 있으며, 고온 산화분위기에서 그 활용분야가 제한되던 문제점을 개선할 수 있으므로 그 응용분야를 확대할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1a 내지 도 1c는 실험예에서 사용된 탄소섬유를 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 2a 내지 도 2c는 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)으로 분석하여 나타낸 도면이다.
도 4는 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 열중량 분석(thermal gravimetric analysis; TGA) 결과로서 온도에 따른 중량 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 열중량 분석(TGA) 결과로서 시간(Time)에 따른 중량 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
발명의 상세한 설명 또는 청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법은, (a) 탄소섬유를 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산(acid) 용액으로 표면처리하여 상기 탄소섬유 표면에 하이드록실(hydroxyl) 또는 카르복실(carboxylt) 기능기를 형성하는 단계와, (b) 표면처리된 탄소섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하고 반응시키는 단계와, (c) 상기 아민기를 포함하는 가교제로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide)를 첨가하고 반응시켜 상기 탄소섬유에 상기 그래핀옥사이드가 코팅되게 하는 단계 및 (d) B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담고 질소를 포함하는 가스를 흘려주고 열처리하면서 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 BN으로 치환되게 하는 단계를 포함한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 B2O3 분말을 도가니 밑에 깔고 상기 B2O3 분말 위에 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 놓는 것이 바람직하다.
상기 열처리는 상기 B2O3 분말의 녹는점보다 높은 550∼1000℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 질소를 포함하는 가스는 불활성 가스와 암모니아(NH3) 가스를 포함할 수 있고, 상기 불활성 가스는 0.1∼5 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하며, 상기 암모니아(NH3) 가스는 0.01∼3 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다.
상기 아민기를 포함하는 가교제는 에틸렌디아민(ethylenediamine; EDA), 카다베린(cadaverine) 및 파라페닐렌디아민(para-phenylenediamine; PPD)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 표면처리는 60∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유는 1∼30 ㎛의 직경을 갖고, 종횡비가 10보다 큰 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법은 상기 (a) 단계 전에, 상기 탄소섬유의 표면에 묻어 있는 풀(Sizing agent) 또는 불순물을 아세톤(Acetone)으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
탄소섬유는 뛰어난 기계적 특성과 가벼운 물성을 갖고 있어, 자동차, 우주·항공, 군수분야 등에 경량 고강도 복합재 부품으로 널리 활용되고 있다.
하지만 섭씨 450도 이상의 산소 분위기에서는 탄소섬유를 구성하고 있는 탄소원자들이 산화가 되어 탄소섬유의 물성을 저하 시키는 문제를 갖고 있어, 탄소섬유 및 탄소섬유기반 복합재는 고온 산화분위기에서 그 활용분야가 제한되는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 초고온 산화분위기에서 견딜수 있는 질화붕소(BN)를 탄소섬유 표면에 코팅하여 그 응용분야를 확대할 필요가 있다.
질화붕소(BN) 소재를 탄소섬유 표면에 코팅하기 위해, 질화붕소(BN) 슬러리에 탄소섬유를 딥 코팅(dip-coating)하는 방법이 있으나, 이와 같은 방법으로 코팅시, BN이 코팅된 탄소섬유의 표면이 매우 거칠어 복합재 제조시 물성의 저하를 야기하거나, 균일하게 코팅하는 것이 어렵다. 고온 산화분위기에서 탄소섬유와 산소간의 결합을 방지 하기 위해서는 탄소섬유에 균일하게 BN을 코팅할 수 있는 기술이 요구되며, 고온에서 장시간 탄소섬유를 보호하기 위해서는 결정성이 뛰어난 BN 코팅이 요구된다.
그래핀의 헥사고날 탄소구조는 헥사고날 질화붕소(h-BN)와 거의 유사한 결정구조를 갖고 있어, 구조치환을 통해 그래핀 또는 그래핀옥사이드의 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드의 위치에 그대로 BN으로 치환이 가능하다. 셀프-어셈블(Self-assemble) 공정을 통해 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 BN으로 구조를 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 BN이 코팅된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조할 수 있으며, 탄소섬유에 코팅된 BN으로 인해 탄소섬유-질화붕소 복합체가 초고온 산화 분위기에서의 응용이 가능한 효과를 갖는다.
그래핀옥사이드를 탄소섬유 표면에 균일하게 적은 에너지로 코팅하기 위해 탄소섬유와 그래핀옥사이드간 자가결합(self-assemble)이 가능하도록 탄소섬유의 표면처리 및 가교제(cross-linking agent) 결합을 통해 저온에서 대량의 탄소섬유 표면에 그래핀옥사이드를 코팅할 수 있다.
탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조하기 위하여 탄소섬유를 준비한다. 상기 탄소섬유는 1∼30 ㎛, 더욱 구체적으로 2∼20 ㎛ 정도의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 상기 탄소섬유는 종횡비가 10보다 큰(예컨대, 10∼1000) 것이 바람직하다.
상기 탄소섬유의 표면에 묻어 있는 풀(Sizing agent), 불순물 등을 제거한다. 상기 풀(Sizing agent), 불순물 등의 제거는 아세톤(Acetone) 등을 이용할 수 있다.
풀(Sizing agent), 불순물 등이 제거된 탄소섬유를 표면처리 하기 위해 탄소섬유를 산(acid) 용액에 담그고 반응시킨다. 상기 산(acid) 용액은 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 표면처리는 60∼100℃ 정도의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 표면처리에 의해 탄소섬유 표면에 하이드록실(hydroxyl) 또는 카르복실(carboxylt) 기능기가 형성되게 된다.
표면처리된 탄소섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하고 반응시킨다. 아민기를 포함하는 가교제는 에틸렌디아민(ethylenediamine; EDA), 카다베린(cadaverine) 및 파라페닐렌디아민(para-phenylenediamine; PPD)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 상기 반응은 40∼100℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
아민기를 포함하는 가교제로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide)를 첨가하고 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 상기 탄소섬유에 코팅되게 한다. 상기 반응은 40∼100℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 그래핀옥사이드는 다음과 같은 공정을 통해 합성할 수 있다.
흑연 플레이크(flake)를 H3PO4, H2SO4 및 KMnO4의 혼합 용액에 첨가한다. 그래핀옥사이드를 얻기 위한 소스 물질로 흑연 플레이크를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 탄소(C)의 소스(source)로 작용할 수 있는 다른 탄소계 물질들도 사용이 가능하다. 상기 H3PO4와 상기 H2SO4는 1:2∼20의 부피비로 혼합하고, 상기 KMnO4는 상기 H3PO4와 상기 H2SO4의 전체 함량 100㎖에 대하여 1∼10g의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 흑연 플레이트가 첨가된 상기 혼합 용액을 핫 플레이트를 이용하여 상온보다 높은 온도에서 반응시킨다. 상기 온도는 40∼90℃ 정도인 것이 바람직하며, 상기 반응은 1∼48시간 정도 실시하는 것이 바람직하다.
상기 반응의 결과물을 세척한다. 상기 세척은 증류수, 염화수소, 에탄올 등을 이용할 수 있다.
세척된 결과물을 나노 크기의 기공을 갖는 멤브레인(membrane)을 통과시켜 필터링(filtering) 한다. 상기 멤브레인은 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인으로 이루어질 수 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인은 나노 크기의 기공, 바람직하게는 50∼900nm 정도의 기공 크기를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
필터링된 결과물을 진공 오븐(vacuum oven)을 이용하여 건조한다. 상기 건조는 진공 오븐을 이용하여 대기압보다 낮은 감압된 상태로 상온에서 0.1∼48시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 상기 건조 후에 그래핀옥사이드를 얻게 된다.
B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담고 상기 도가니를 전기로와 같은 퍼니스(Furnace)에 장입한 후, 질소를 포함하는 가스를 흘려주고 열처리하면서 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 BN으로 치환되게 한다.
상기 B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담는 경우에, 상기 B2O3 분말을 도가니 밑에 깔고 상기 B2O3 분말 위에 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 놓는 것이 바람직하다.
상기 도가니는 상기 열처리에 견딜 수 있고 변성이 없는 알루미나와 같은 세라믹 재질의 도가니인 것이 바람직하다.
상기 열처리는 상기 B2O3 분말의 녹는점보다 높은 550∼1000℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 질소를 포함하는 가스는 불활성 가스와 암모니아(NH3) 가스를 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스는 0.1∼5 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하며, 상기 암모니아(NH3) 가스는 0.01∼3 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것이 바람직하다.
그래핀옥사이드의 헥사고날 탄소구조는 헥사고날 질화붕소(h-BN)와 거의 유사한 결정구조를 갖고 있어, 상기 반응에 의해 구조치환이 일어나게 되고 그래핀옥사이드의 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드의 헥사고날 탄소구조 위치에 그대로 BN으로 치환되게 된다. 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 BN으로 구조를 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 BN이 균일하게 코팅된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조할 수 있다.
퍼니스의 온도를 냉각하고, 퍼니스에서 도가니를 언로딩 하여 탄소섬유-질화붕소 복합체를 수득한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
탄소섬유(Carbon fiber)로 토레이(Toray)사의 T-700을 준비하였다. 도 1a 내지 도 1c는 탄소섬유를 보여주는 도면이다.
상기 탄소섬유의 표면에 묻어 있는 풀(Sizing agent), 불순물 등을 제거하였다. 상기 풀(Sizing agent), 불순물 등의 제거 방법으로 상기 탄소섬유를 60∼80℃의 아세톤(Acetone)에 30분∼1시간 동안 담그는 과정을 4회 반복하였다.
풀(Sizing agent), 불순물 등이 제거된 탄소섬유를 표면처리 하기 위해 63% HNO3 용액에 담그고 상온에서 100℃까지 1∼3시간 동안 반응시켰다.
HNO3 용액으로 표면처리된 탄소섬유에 EDA(ethylenediamine) 1∼3 mol%를 첨가하고, 상온에서 100℃까지 1∼3 시간 동안 반응시켰다.
EDA(ethylenediamine)로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide) 0.1∼1 ㎎/㎖을 첨가하고, 상온에서 100℃까지 1∼3 시간 동안 반응시켜 그래핀옥사이드를 탄소섬유에 코팅하였다.
B2O3 분말(powder) 0.5∼2g을 알루미나 도가니 밑에 깔고 그 위에 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 놓았다. 상기 알루미나 도가니를 전기로에 장입하고, 아르곤(Ar) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 흘려주면서 1300℃에서 1∼4시간 동안 반응시켰다. 상기 아르곤(Ar) 가스는 0.5∼1 ℓ/min의 유량으로 흘려주었고, 상기 암모니아(NH3) 가스는 0.1∼0.4 ℓ/min의 유량으로 흘려주었다. 그래핀옥사이드의 헥사고날 탄소구조는 헥사고날 질화붕소(h-BN)와 거의 유사한 결정구조를 갖고 있어, 상기 반응에 의해 구조치환이 일어나게 되고 그래핀옥사이드의 형상을 파괴하지 않고 그래핀옥사이드의 위치에 그대로 BN이 치환되게 된다. 그래핀옥사이드를 균일하게 탄소섬유 표면에 코팅한 후 BN으로 구조를 치환해 줌으로써 결정성이 뛰어난 BN이 코팅된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 제조할 수 있다.
전기로의 온도를 실온으로 자연 냉각하고, 전기로에서 알루미나 도가니를 언로딩 하여 탄소섬유-질화붕소 복합체를 수득하였다.
이렇게 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 도 2a 내지 도 2c에 나타내었다.
도 3은 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체를 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR)으로 분석하여 나타낸 도면이다. 도 3에서 'CF'는 탄소섬유를 나타내고, 'CF-BN'는 탄소섬유-질화붕소 복합체를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 경우 1380, 810cm-1 에서 B-N 결합을 관찰할 수 있었다.
도 4는 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 열중량 분석(thermal gravimetric analysis; TGA) 결과로서 온도에 따른 중량 변화를 나타낸 도면이다. 도 4에서 'CF'는 탄소섬유를 나타내고, 'CF-BN'은 탄소섬유-질화붕소 복합체를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 탄소섬유의 경우(도 4에서 'CF' 참조) 600℃ 에서 산화가 시작하는 반면에, 탄소섬유-질화붕소 복합체의 경우(도 4에서 'CF-BN' 참조) BN이 낮은 온도에서 산화가 되는 것을 막아주는 역할을 하므로 탄소섬유보다 높은 온도에서 산화가 시작되었다.
도 5는 실험예에서 사용된 탄소섬유와 실험예에 따라 제조된 탄소섬유-질화붕소 복합체의 열중량 분석(thermal gravimetric analysis; TGA) 결과로서 시간(Time)에 따른 중량 변화를 나타낸 도면이다. 도 5에서 'CF'는 탄소섬유를 나타내고, 'CF-BN'은 탄소섬유-질화붕소 복합체를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 650℃로 온도를 고정하여 열중량분석을 실시하였을 때 탄소섬유의 경우(도 5에서 'CF' 참조) 130분 동안 유지하는 반면에 탄소섬유-질화붕소 복합체의 경우(도 5에서 'CF-BN' 참조) 최대 시간인 180분이 지나도 처음 중량의 40%를 유지하는 것을 관찰할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (10)

  1. (a) 탄소섬유를 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산(acid) 용액으로 표면처리하여 상기 탄소섬유 표면에 하이드록실(hydroxyl) 또는 카르복실(carboxylt) 기능기를 형성하는 단계;
    (b) 표면처리된 탄소섬유에 아민기를 포함하는 가교제를 첨가하고 반응시키는 단계;
    (c) 상기 아민기를 포함하는 가교제로 반응시킨 탄소섬유에 그래핀옥사이드(Graphene oxide)를 첨가하고 반응시켜 상기 탄소섬유에 상기 그래핀옥사이드가 코팅되게 하는 단계; 및
    (d) B2O3 분말과 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 도가니에 담고 질소를 포함하는 가스를 흘려주고 열처리하면서 반응시켜 상기 그래핀옥사이드가 BN으로 치환되게 하는 단계를 포함하며,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 B2O3 분말을 도가니 밑에 깔고 상기 B2O3 분말 위에 상기 그래핀옥사이드가 코팅된 탄소섬유를 놓고,
    상기 열처리는 상기 B2O3 분말의 녹는점보다 높은 550∼1000℃의 온도에서 수행하며,
    상기 아민기를 포함하는 가교제는 카다베린(cadaverine) 및 파라페닐렌디아민(para-phenylenediamine; PPD)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 질소를 포함하는 가스는 불활성 가스와 암모니아(NH3) 가스를 포함하고,
    상기 불활성 가스는 0.1∼5 ℓ/min의 유량으로 흘려주고,
    상기 암모니아(NH3) 가스는 0.01∼3 ℓ/min의 유량으로 흘려주는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면처리는 60∼100℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계의 반응은 40∼100℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 탄소섬유는 1∼30 ㎛의 직경을 갖고, 종횡비가 10보다 큰 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계 전에,
    상기 탄소섬유의 표면에 묻어 있는 풀(Sizing agent) 또는 불순물을 아세톤(Acetone)으로 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유-질화붕소 복합체의 제조방법.
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