KR102207340B1 - a surface-modified porous carbon composite materials and a method manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (a) 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계; (b) 상기 개질된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계; 및 (c) 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties, and more particularly, (a) a diazonium salt having at least one functional group selected from a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, and a phosphoric acid group ( diazonium salt) to modify the surface of the porous carbon material; (b) drying the modified porous carbon material; And (c) irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays. It relates to a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties.

Description

표면 개질된 다공성 탄소복합소재 및 그 제조방법{a surface-modified porous carbon composite materials and a method manufacturing the same}Surface-modified porous carbon composite materials and a method manufacturing the same}

본 발명은 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (a) 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계; (b) 상기 개질된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계; 및 (c) 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties, and more particularly, (a) a diazonium salt having at least one functional group selected from a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group, and a phosphoric acid group ( diazonium salt) to modify the surface of the porous carbon material; (b) drying the modified porous carbon material; And (c) irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays. It relates to a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties.

다공성 탄소재료는 내부에 다수의 기공을 포함하고 있어 휘발성 유기 화합물, 미세먼지, 바이러스 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 촉매, 지지체, 흡착제, 필터, 마스크, 분리막, 센서 등의 분야에 널리 사용되고 있다. Since the porous carbon material contains a large number of pores inside, it can effectively remove volatile organic compounds, fine dust, viruses, etc., and is widely used in fields such as catalysts, supports, adsorbents, filters, masks, separators, and sensors.

상기 다공성 탄소재료는 내부에 포함된 기공의 크기, 분포, 형상 등에 따라 특성이 달라지므로, 내부 기공의 크기, 분포, 형상 등을 조절하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다. Since the porous carbon material varies in characteristics depending on the size, distribution, and shape of pores contained therein, various studies have been conducted to control the size, distribution, and shape of the pores.

다공성 탄소재료와 관련하여 한국등록특허 제10-1801789호 등은 높은 비표면적을 갖는 다공성 탄소재료의 제조방법을 개시하고 있다. Regarding porous carbon materials, Korean Patent No. 10-1801789 discloses a method of manufacturing a porous carbon material having a high specific surface area.

그러나 상기 문헌에 개시된 기술은 다공성 탄소재료의 표면특성이 불량하여 유해가스 제거 특성, 미세먼지 제거 특성, 항균성 등이 열등하므로 고기능성 탄소재료를 필요로 하는 소비자의 요구를 충족시킬 수 없다. However, the technology disclosed in the above document cannot meet the demands of consumers who require high-functional carbon materials because the porous carbon material has poor surface properties and thus has inferior harmful gas removal properties, fine dust removal properties, and antibacterial properties.

한국등록특허 제10-1801789호Korean Patent Registration No. 10-1801789

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다공성 탄소재료의 표면을 개질하여 관능기를 형성하고, 표면적과 기공율을 증가시킴으로써 유해가스 제거 특성 및 미세먼지 제거 특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is to solve the problems of the prior art, by modifying the surface of a porous carbon material to form a functional group, and by increasing the surface area and porosity, a method for producing a porous carbon material having excellent properties for removing harmful gases and removing fine dust Its purpose is to provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (a) 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계; In order to achieve the above object, the present invention (a) treats a porous carbon material with a diazonium salt having at least one functional group selected from carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group, and phosphoric acid group. Modifying the surface;

(b) 상기 개질된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계; 및(b) drying the modified porous carbon material; And

(c) 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법을 제공한다. (c) It provides a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties, including irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는 다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 디아조늄염 1~10중량부가 사용되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, step (a) is characterized in that 1 to 10 parts by weight of a diazonium salt is used based on 100 parts by weight of the porous carbon material.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 개질된 다공성 탄소재료를 30~100℃에서 5~100분 건조하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the step (b) is characterized in that the modified porous carbon material is dried for 5 to 100 minutes at 30 to 100°C.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 2~30분 조사하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment of the present invention, step (c) is characterized in that the dried porous carbon material is irradiated with ultraviolet rays for 2 to 30 minutes.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료를 제공한다.In addition, the present invention provides a porous carbon material having excellent adsorption properties prepared by the above manufacturing method.

상기 다공성 탄소재료는 표면에 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염이 그래프트 중합되고, 상기 자외선 조사에 의하여 상기 그래프트 중합체는 하이드록실기, 카르복실기, 에스테르기 또는 에테르기를 추가적으로 포함하며, 상기 자외선 조사에 의하여 다공성 탄소재료의 표면조도, 표면적 및 기공율이 증가할 수 있다. In the porous carbon material, a diazonium salt having at least one functional group selected from a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group and a phosphoric acid group is graft-polymerized on the surface, and the graft polymer is a hydroxyl group, a carboxyl group, and an ester group by the ultraviolet irradiation. Alternatively, an ether group may be additionally included, and surface roughness, surface area, and porosity of the porous carbon material may be increased by irradiation with ultraviolet rays.

본 발명은 다공성 탄소재료의 표면을 개질하여 관능기를 형성하고, 표면적과 기공율을 증가시킴으로써 유해가스 제거 특성 및 미세먼지 제거 특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법을 제공할 수 있다. The present invention can provide a method for producing a porous carbon material having excellent properties for removing harmful gases and removing fine dust by modifying the surface of a porous carbon material to form a functional group and increasing the surface area and porosity.

도 1은 본 발명의 표면 개질된 다공성 탄소볼의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸다.
도 2는 디아조늄염의 농도에 따른 다공성 탄소볼의 부탄가스에 대한 흡착특성을 나타낸다.
1 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a surface-modified porous carbon ball of the present invention.
2 shows adsorption characteristics of porous carbon balls to butane gas according to the concentration of diazonium salt.

이하 실시예를 바탕으로 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명에 사용된 용어, 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고 통상의 기술자의 이해를 돕기 위하여 예시된 것에 불과할 뿐이며, 본 발명의 권리범위 등이 이에 한정되어 해석되어서는 안 된다.The present invention will be described in detail based on the following examples. The terms, examples, etc. used in the present invention are merely exemplified to describe the present invention in more detail and to aid understanding of those skilled in the art, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited thereto.

본 발명에 사용되는 기술 용어 및 과학 용어는 다른 정의가 없다면 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 나타낸다.Technical terms and scientific terms used in the present invention represent the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art, unless otherwise defined.

본 발명은 (a) 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계; (b) 상기 개질된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계; 및 (c) 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 관한 것이다. The present invention comprises the steps of: (a) treating a porous carbon material with a diazonium salt having at least one functional group selected from carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group and phosphoric acid group to modify the surface of the porous carbon material; (b) drying the modified porous carbon material; And (c) irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays. It relates to a method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties.

상기 (a) 단계는 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계이다.The step (a) is a step of modifying the surface of the porous carbon material by treating the porous carbon material with a diazonium salt having at least one functional group selected from carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group and phosphoric acid group.

상기 표면 개질을 통하여 다공성 탄소재료의 표면에 형성된 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기, 인산기 등의 관능기는 금속, 미세먼지 또는 다양한 화합물과 결합할 수 있으며, 흡착특성, 유해가스 및 미세먼지 제거특성, 항균성 등이 개선될 수 있다. Functional groups such as carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group, and phosphoric acid group formed on the surface of the porous carbon material through the surface modification can be combined with metals, fine dust or various compounds, and adsorption characteristics, harmful gases and fine dust removal characteristics, Antimicrobial properties and the like can be improved.

상기 다공성 탄소재료는 흑연, 그래파이트, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 플러렌, 카본블랙, 탄소종이, 탄소볼, 탄소입자 등이 사용될 수 있으며, 상기 탄소재료에 첨가제가 혼합된 탄소복합재료도 사용될 수 있다. The porous carbon material may be graphite, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, carbon black, carbon paper, carbon balls, carbon particles, etc., and a carbon composite material in which an additive is mixed with the carbon material may also be used. .

상기 다공성 탄소재료의 형상은 구형, 실린더형, 펠렛형 등이 제한 없이 사용될 수 있다. The shape of the porous carbon material can be used without limitation, such as a spherical shape, a cylinder shape, and a pellet shape.

디아조늄염의 함량은 다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 1~10중량부인 것이 바람직하며, 디아조늄염의 함량이 1중량부 미만인 경우 관능기의 도입이 미미하여 흡착특성이 저하되고, 10중량부를 초과하는 경우 제조된 다공성 탄소재료의 기공율이 오히려 작게 되어 유해가스 및 미세먼지를 효과적으로 흡착할 수 없게 된다. The content of the diazonium salt is preferably 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material, and when the content of the diazonium salt is less than 1 part by weight, the introduction of the functional group is insignificant and the adsorption properties are lowered, and when the content exceeds 10 parts by weight, it is prepared. The porosity of the resulting porous carbon material is rather small, so that harmful gases and fine dust cannot be effectively adsorbed.

상기 디아조늄염은 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 방향족 1차 아민을 염산 및 아질산나트륨과 반응시켜 제조될 수 있다. The diazonium salt may be prepared by reacting an aromatic primary amine having at least one functional group selected from a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group and a phosphoric acid group with hydrochloric acid and sodium nitrite.

상기 디아조늄염은 카르복실기를 갖는 디아조늄염 및 하이드록실기를 갖는 디아조늄염을 동시에 사용하는 것이 좋다. The diazonium salt is preferably a diazonium salt having a carboxyl group and a diazonium salt having a hydroxyl group at the same time.

카르복실기를 갖는 디아조늄염과 하이드록실기를 갖는 디아조늄염의 중량비는 60~80:20~40인 것이 바람직하며, 상기 함량 범위를 만족하는 경우 다공성 탄소재료의 흡착특성이 우수하다.The weight ratio of the diazonium salt having a carboxyl group and the diazonium salt having a hydroxyl group is preferably 60 to 80:20 to 40, and when the content range is satisfied, the adsorption property of the porous carbon material is excellent.

일예로서, 반응용기에 0.2M HCl 1,000중량부를 넣고 혼합하는 제1단계; 상기 제1단계의 혼합액에 4-아미노벤조산 또는 4-아미노페놀을 10 내지 1,000중량부를 넣고 혼합하는 제2단계; 및 상기 제2단계의 혼합액에 0.02M 아질산나트륨 0.1 내지 500중량부를 넣어주며 혼합하는 제3단계를 통하여 디아조늄염을 제조할 수 있다. As an example, the first step of mixing 1,000 parts by weight of 0.2M HCl into a reaction vessel; A second step of adding 10 to 1,000 parts by weight of 4-aminobenzoic acid or 4-aminophenol to the mixture of the first step and mixing; And 0.1 to 500 parts by weight of 0.02M sodium nitrite to the mixed solution of the second step, and a diazonium salt may be prepared through a third step of mixing.

상기 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염으로 처리하면, 다공성 탄소재료의 표면에 디아조늄염이 연속적으로 결합하여 열안정성이 우수한 그래프트 중합체가 형성될 수 있다. When the porous carbon material is treated with a diazonium salt having at least one functional group selected from carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group and phosphoric acid group, the diazonium salt is continuously bonded to the surface of the porous carbon material, resulting in excellent thermal stability. Can be formed.

다공성 탄소재료의 표면에 열안정성이 우수한 그래프트 중합체가 공유 결합되는 경우, 코팅공정, 필터 제조공정 등 고온의 조건 하에서도 상기 그래프트 중합체가 열적으로 안정하여 분해되지 않으므로, 흡착특성, 유해가스 제거특성, 항균성 등을 장기간 발현할 수 있다. When a graft polymer having excellent thermal stability is covalently bonded to the surface of a porous carbon material, the graft polymer is thermally stable and does not decompose even under high temperature conditions such as a coating process and a filter manufacturing process. Antimicrobial properties and the like can be expressed for a long time.

만일 다공성 탄소재료의 표면에 저분자 화합물이 결합하면, 상기 저분자 화합물은 열에 의해 쉽게 분해되어 탈리되며, 흡착특성, 유해가스 제거특성 등을 발현할 수 없게 된다. If a low-molecular compound is bonded to the surface of a porous carbon material, the low-molecular compound is easily decomposed and desorbed by heat, and adsorption characteristics, noxious gas removal characteristics, and the like cannot be expressed.

그래프트 중합을 효율적으로 수행하기 위하여 황산칼륨, 질산나트륨 등의 촉매를 사용할 수 있으며, 상기 촉매는 디아조늄염 1몰에 대하여 0.01~0.1몰 사용되는 것이 바람직하다. 촉매의 함량이 0.01몰 미만이면 첨가의 효과가 미미하고, 0.1몰을 초과하면 디아조늄염의 호모 중합체가 다량 생성되어 흡착특성이 저하된다. In order to efficiently perform the graft polymerization, a catalyst such as potassium sulfate or sodium nitrate may be used, and the catalyst is preferably used in an amount of 0.01 to 0.1 mol with respect to 1 mol of the diazonium salt. If the content of the catalyst is less than 0.01 mol, the effect of the addition is insignificant, and if it exceeds 0.1 mol, a large amount of a diazonium salt homopolymer is produced, thereby deteriorating the adsorption property.

그래프트 중합은 50~90℃에서 10분~24시간 수행되는 것이 바람직하며, 중합온도가 50℃ 미만이면 중합이 불완전하게 일어나고, 90℃를 초과하면 다공성 탄소재료의 내구성이 저하된다. 또한 중합시간이 10분 미만이면 중합이 불완전하게 일어나고, 24시간을 초과하면 디아조늄염의 호모 중합체가 다량 생성되어 흡착특성이 저하된다. The graft polymerization is preferably carried out at 50 to 90°C for 10 minutes to 24 hours, and if the polymerization temperature is less than 50°C, polymerization occurs incompletely, and if it exceeds 90°C, the durability of the porous carbon material is deteriorated. In addition, if the polymerization time is less than 10 minutes, polymerization incompletely occurs, and if the polymerization time exceeds 24 hours, a large amount of a diazonium salt homopolymer is produced, thereby deteriorating the adsorption properties.

본 발명은 상기 (a) 단계 이전에, 다공성 탄소재료의 표면을 광산화 처리할 수 있다. In the present invention, prior to step (a), the surface of the porous carbon material may be photooxidized.

상기 광산화는 다공성 탄소재료의 표면에 산화물 형태의 관능기를 도입할 수 있는 방법이라면 제한 없이 실시할 수 있다. 바람직하게는 자외선을 조사하는 것이 좋고, 조사량 및 조사시간은 광산화 정도에 따라 조절이 가능하다. The photooxidation may be performed without limitation as long as it is a method capable of introducing a functional group in the form of an oxide onto the surface of the porous carbon material. It is preferable to irradiate ultraviolet rays, and the irradiation amount and irradiation time can be adjusted depending on the degree of photooxidation.

이때 광산화에 의해 다공성 탄소재료의 표면에 도입될 수 있는 관능기로는 하이드록실기, 카르복실기, 에스테르기, 에테르기 등이 있다. At this time, functional groups that can be introduced to the surface of the porous carbon material by photooxidation include a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, and an ether group.

상기 광산화에 의하여 도입된 관능기는 디아조늄염과의 결합력이 우수하므로, 다공성 탄소재료의 표면에 형성되는 디아조늄염의 코팅성 및 결합력을 향상시킬 수 있다. Since the functional group introduced by the photooxidation has excellent bonding strength with the diazonium salt, coating properties and bonding strength of the diazonium salt formed on the surface of the porous carbon material can be improved.

상기 광산화는 2~30분 동안 자외선을 조사하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5~20분 자외선을 조사하는 것이 좋다. 광산화 시간이 2분 미만인 경우 관능기를 효과적으로 도입할 수 없고, 광산화 시간이 30분을 초과하는 경우 다공성 탄소재료의 표면특성이 저하될 수 있다. The photooxidation is preferably irradiated with ultraviolet rays for 2 to 30 minutes, more preferably, ultraviolet rays are irradiated for 5 to 20 minutes. When the photooxidation time is less than 2 minutes, the functional groups cannot be effectively introduced, and when the photooxidation time exceeds 30 minutes, the surface properties of the porous carbon material may be deteriorated.

또한 본 발명은 상기 개질된 다공성 탄소재료를 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제 및 아크릴산 모노머의 공중합체로 처리하여 추가적인 표면 개질을 수행할 수 있다. In addition, the present invention can perform additional surface modification by treating the modified porous carbon material with a copolymer of an acrylate group-containing silane coupling agent and an acrylic acid monomer.

상기 공중합체는 다공성 탄소재료의 표면에 공유 결합되거나 또는 디아조늄염에 의해 도입된 그래프트 중합체와 결합할 수 있으며, 이를 통해 다공성 탄소재료의 표면에 다수의 카르복실기를 도입할 수 있다. The copolymer may be covalently bonded to the surface of the porous carbon material or may be bonded to the graft polymer introduced by a diazonium salt, through which a plurality of carboxyl groups may be introduced into the surface of the porous carbon material.

상기 공중합체 내에 포함된 다수의 카르복실기는 금속, 미세먼지 또는 다양한 화합물과 결합할 수 있으며, 흡착 특성, 유해가스 제거특성, 항균성 등이 개선될 수 있다. A plurality of carboxyl groups included in the copolymer may be combined with metals, fine dust, or various compounds, and adsorption characteristics, harmful gas removal characteristics, antibacterial properties, and the like may be improved.

다공성 탄소재료의 표면에 열안정성이 우수한 공중합체가 공유 결합되는 경우, 코팅공정, 필터 제조공정 등 고온의 조건 하에서도 상기 공중합체가 열적으로 안정하여 분해되지 않으므로, 흡착특성, 유해가스 제거특성, 항균성 등을 장기간 발현할 수 있다. When a copolymer having excellent thermal stability is covalently bonded to the surface of a porous carbon material, the copolymer is thermally stable and not decomposed even under high temperature conditions such as coating process and filter manufacturing process, so adsorption properties, harmful gas removal properties, Antimicrobial properties and the like can be expressed for a long time.

상기 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제로는 3-메타크릴록시프로필메틸디메톡시실란, 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴록시프로필메틸디에톡시실란, 3-메타크릴록시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴록시프로필트리메톡시실란, 메타크릴록시메틸트리에톡시실란, 메타크릴록시메틸트리메톡시실란 등이 있다. As the acrylate group-containing silane coupling agent, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, and 3-methacryloxypropyltri Ethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, methacryloxymethyltriethoxysilane, and methacryloxymethyltrimethoxysilane.

상기 아크릴산 모노머는 아크릴산, 메타크릴산, 메틸 아크릴산, 에틸 아크릴산, 부틸 아크릴산, 2-에틸 헥실 아크릴산, 데실아크릴산, 메틸 메타크릴산, 에틸 메타크릴산, 부틸 메타크릴산, 2-에틸 헥실 메타크릴산, 데실메타크릴산 등이 있다. The acrylic acid monomer is acrylic acid, methacrylic acid, methyl acrylic acid, ethyl acrylic acid, butyl acrylic acid, 2-ethyl hexyl acrylic acid, decyl acrylic acid, methyl methacrylic acid, ethyl methacrylic acid, butyl methacrylic acid, 2-ethyl hexyl methacrylic acid , Decyl methacrylic acid, and the like.

상기 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제 및 아크릴산 모노머의 중량비는 10~30:70~90인 것이 바람직하며, 중량비가 10:90 미만이면 다공성 탄소재료와의 결합력이 저하되고, 30:70을 초과하면 흡착특성이 저하된다. The weight ratio of the acrylate group-containing silane coupling agent and the acrylic acid monomer is preferably 10 to 30:70 to 90, and if the weight ratio is less than 10:90, the bonding strength with the porous carbon material decreases, and if it exceeds 30:70, adsorption The characteristics are deteriorated.

상기 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제 및 아크릴산 모노머의 공중합체는 다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 1~10중량부인 것이 바람직하며, 공중합체의 함량이 1중량부 미만인 경우 관능기의 도입이 미미하여 흡착특성이 저하되고, 10중량부를 초과하는 경우 제조된 다공성 탄소재료의 기공율이 오히려 작게 되어 유해가스 및 미세먼지를 효과적으로 흡착할 수 없게 된다. The copolymer of the acrylate group-containing silane coupling agent and the acrylic acid monomer is preferably 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material, and when the content of the copolymer is less than 1 part by weight, the introduction of functional groups is insignificant, and thus the adsorption characteristics are poor. If it is lowered and exceeds 10 parts by weight, the porosity of the prepared porous carbon material is rather small, and thus harmful gases and fine dust cannot be effectively adsorbed.

또한 본 발명은 상기 개질된 다공성 탄소재료를 금속 용액으로 처리하여 추가적인 표면 개질을 수행할 수 있다. In addition, the present invention can perform additional surface modification by treating the modified porous carbon material with a metal solution.

상기 다공성 탄소재료의 표면에 형성된 관능기와 금속 용액의 금속이 금속착물을 형성할 수 있다.The functional group formed on the surface of the porous carbon material and the metal of the metal solution may form a metal complex.

즉, 다공성 탄소재료의 표면에 그래프트 중합된 중합체의 관능기 및 공중합체의 카르복실기는 금속용액의 금속과 금속착물을 형성할 수 있다. That is, the functional group of the polymer graft-polymerized on the surface of the porous carbon material and the carboxyl group of the copolymer can form a metal complex with the metal of the metal solution.

카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기, 인산기 등의 관능기는 금속과 안정적인 착물을 형성할 수 있으며, 고온의 조건에서도 상기 금속은 쉽게 탈리되지 않는다. Functional groups such as carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group, and phosphoric acid group can form a stable complex with a metal, and the metal is not easily desorbed even under high temperature conditions.

상기 금속으로서는 금, 은, 구리, 코발트, 니켈, 아연, 백금 등이 제한 없이 사용될 수 있다.Gold, silver, copper, cobalt, nickel, zinc, platinum, and the like may be used as the metal without limitation.

다공성 탄소재료의 표면에 형성되는 금속은 유해가스, 미세먼지, 바이러스 등과 결합할 수 있어 흡착특성, 유해가스 제거특성, 항균성 등이 개선될 수 있다. The metal formed on the surface of the porous carbon material can be combined with harmful gases, fine dust, viruses, etc., so that adsorption properties, harmful gas removal properties, and antibacterial properties can be improved.

상기 금속착물을 형성하기 위해 금속 전구체가 사용될 수 있으며, 질산은, 황산은, 은아세틸아세토네이트, 은아세테이트, 은카보네이트, 은클로라이드, 질산구리, 황산구리, 구리아세틸아세토네이트, 구리아세테이트, 구리카보네이트, 구리클로라이드 등이 사용 가능하다. A metal precursor may be used to form the metal complex, and silver nitrate, silver sulfate, silver acetylacetonate, silver acetate, silver carbonate, silver chloride, copper nitrate, copper sulfate, copper acetylacetonate, copper acetate, copper carbonate, copper Chloride and the like can be used.

금속의 함량은 다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 0.1~5중량부인 것이 바람직하며, 금속의 함량이 0.1중량부 미만인 경우 첨가의 효과가 미미하고, 5중량부를 초과하는 경우 다공성 탄소재료의 표면에 금속착물을 균일하게 분포시킬 수 없다. The content of metal is preferably 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the porous carbon material.If the metal content is less than 0.1 parts by weight, the effect of the addition is insignificant, and if it exceeds 5 parts by weight, the surface of the porous carbon material The complex cannot be distributed evenly.

상기 (b) 단계는 상기 개질된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계로서, 용매, 미반응 화합물 등을 제거할 수 있다. The step (b) is a step of drying the modified porous carbon material, and a solvent, an unreacted compound, and the like may be removed.

상기 개질된 다공성 탄소재료는 진공오븐, 열풍오븐 등의 장치를 사용하여 30~100℃에서 5~100분 건조될 수 있다. The modified porous carbon material may be dried for 5 to 100 minutes at 30 to 100°C using a device such as a vacuum oven or a hot air oven.

상기 (c) 단계는 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계로서, 다공성 탄소재료의 표면을 광산화 처리할 수 있다. The step (c) is a step of irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays, and the surface of the porous carbon material may be photooxidized.

상기 광산화는 다공성 탄소재료의 표면에 형성된 그래프트 중합체를 산화물 형태로 기능화 시킬 수 있는 방법이라면 제한 없이 실시할 수 있다. 바람직하게는 자외선을 조사하는 것이 좋고, 조사량 및 조사시간은 광산화 정도에 따라 조절이 가능하다. The photooxidation may be performed without limitation as long as it is a method capable of functionalizing the graft polymer formed on the surface of the porous carbon material into an oxide form. It is preferable to irradiate ultraviolet rays, and the irradiation amount and irradiation time can be adjusted depending on the degree of photooxidation.

이때 다공성 탄소재료의 표면에 형성된 그래프트 중합체는 광산화에 의한 사슬 내 반응 및 사슬 간 반응을 통하여 하이드록실기, 카르복실기, 에스테르기, 에테르기 등의 관능기를 포함할 수 있다. At this time, the graft polymer formed on the surface of the porous carbon material may include functional groups such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, and an ether group through intra-chain reaction and inter-chain reaction by photooxidation.

상기 광산화에 의하여 도입된 관능기는 금속, 미세먼지, 유기 화합물과의 결합력이 우수하므로, 흡착특성 및 유해가스 제거특성을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 광산화에 의하여 다공성 탄소재료의 표면에 미세구조가 형성되고 표면조도, 표면적 및 기공율이 증가하여 흡착특성 및 유해가스 제거특성을 향상시킬 수 있다. Since the functional group introduced by photooxidation has excellent bonding power with metals, fine dust, and organic compounds, it is possible to improve adsorption characteristics and harmful gas removal characteristics. In addition, by the photooxidation, a microstructure is formed on the surface of the porous carbon material, and surface roughness, surface area, and porosity are increased, thereby improving adsorption characteristics and harmful gas removal characteristics.

상기 광산화는 2~30분 동안 자외선을 조사하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5~20분 자외선을 조사하는 것이 좋다. 광산화 시간이 2분 미만인 경우 관능기를 효과적으로 도입할 수 없고, 광산화 시간이 30분을 초과하는 경우 다공성 탄소재료의 표면특성이 저하될 수 있다. The photooxidation is preferably irradiated with ultraviolet rays for 2 to 30 minutes, more preferably, ultraviolet rays are irradiated for 5 to 20 minutes. When the photooxidation time is less than 2 minutes, the functional groups cannot be effectively introduced, and when the photooxidation time exceeds 30 minutes, the surface properties of the porous carbon material may be deteriorated.

또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료에 관한 것이다. In addition, the present invention relates to a porous carbon material having excellent adsorption properties prepared by the above manufacturing method.

상기 다공성 탄소재료는 표면에 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염이 그래프트 중합되고, 광산화에 의하여 상기 그래프트 중합체는 하이드록실기, 카르복실기, 에스테르기, 에테르기 등의 관능기를 추가적으로 포함할 수 있다. In the porous carbon material, a diazonium salt having at least one functional group selected from a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfonic acid group and a phosphoric acid group is graft-polymerized on the surface, and the graft polymer is a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, and an ether by photooxidation. It may further include functional groups such as group.

또한 상기 광산화에 의하여 다공성 탄소재료의 표면에 미세구조가 형성되고 표면조도, 표면적 및 기공율이 증가하여 흡착특성 및 유해가스 제거특성을 향상시킬 수 있다. In addition, by the photooxidation, a microstructure is formed on the surface of the porous carbon material, and surface roughness, surface area, and porosity are increased, thereby improving adsorption characteristics and harmful gas removal characteristics.

상기 다공성 탄소재료에 존재하는 기공의 직경은 1~100nm이며, 2~50nm인 것이 바람직하다. The pores present in the porous carbon material have a diameter of 1 to 100 nm, preferably 2 to 50 nm.

상기 다공성 탄소재료는 유해가스 제거 특성, 미세먼지 제거 특성 및 흡착특성이 우수하여 촉매, 지지체, 흡착제, 필터, 마스크, 분리막, 센서 등의 분야에 장기간 안정적으로 사용될 수 있다. The porous carbon material has excellent properties for removing harmful gases, removing fine dust, and adsorption properties, and thus can be stably used for a long period of time in fields such as catalysts, supports, adsorbents, filters, masks, separators, and sensors.

이하 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 실시를 위하여 예시된 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in detail through examples and comparative examples below. The following examples are only illustrated for the practice of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

아이스 베스에 설치된 2L 반응용기에 0.2M HCl 1L를 넣고 300rpm으로 교반하였다.Into a 2L reaction vessel installed in an ice bath, 1L of 0.2M HCl was added and stirred at 300rpm.

여기에 4-아미노벤조산 27.428g를 가한 후, 0.02M NaNO2 250mL를 20mL/min의 속도로 연동펌프(peristaltic pump)를 이용해 첨가하였다.After adding 27.428 g of 4-aminobenzoic acid, 250 mL of 0.02M NaNO 2 was added using a peristaltic pump at a rate of 20 mL/min.

상기 혼합액을 300rpm으로 2시간 교반하여 카르복실기를 갖는 디아조늄염을 수득하였다. The mixture was stirred at 300 rpm for 2 hours to obtain a diazonium salt having a carboxyl group.

핫플레이트 상에 70℃로 유지되는 항온수조를 준비하고, 상기 항온수조에 500mL 플라스크를 담근 후, 이 플라스크에 상기에서 수득한 카르복실기를 갖는 디아조늄염 100mL를 첨가하였다. A constant temperature water bath maintained at 70°C was prepared on a hot plate, and after immersing a 500 mL flask in the constant temperature water bath, 100 mL of the diazonium salt having a carboxyl group obtained above was added to the flask.

상기 플라스크에 구형의 다공성 탄소볼을 첨가하여 함침 시킨 후, 카르복실기를 갖는 디아조늄염 1몰에 대하여 0.03몰의 황산칼륨을 가한 다음 500rpm으로 1시간 교반하여 그래프트 중합을 수행하였다. 이때 디아조늄염의 함량은 탄소볼 100중량부에 대하여 5중량부를 사용하였다. After impregnation by adding spherical porous carbon balls to the flask, 0.03 mol of potassium sulfate was added to 1 mol of diazonium salt having a carboxyl group, followed by stirring at 500 rpm for 1 hour to perform graft polymerization. At this time, the content of the diazonium salt was 5 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon balls.

그 후 탄소볼을 꺼내 증류수로 세척하고 진공오븐을 사용하여 70℃에서 30분 동안 건조하였다. After that, the carbon ball was taken out, washed with distilled water, and dried at 70° C. for 30 minutes using a vacuum oven.

상기 건조된 탄소볼의 표면에 자외선(파장: 184.9 및 253.7, intensity: 28mW/cm2)을 10분 동안 조사하여 광산화 처리를 수행함으로써 흡착특성이 우수한 다공성 탄소볼을 제조하였다. 이때 자외선 조사는 UV-ozone cleaner(UVO cleaner AH-1700, AHTECH LTS Co. Ltd.)를 사용하여 상온 및 상압에서 수행되었다.The surface of the dried carbon ball was irradiated with ultraviolet light (wavelength: 184.9 and 253.7, intensity: 28 mW/cm 2 ) for 10 minutes to perform photooxidation treatment to prepare a porous carbon ball having excellent adsorption properties. At this time, UV irradiation was performed at room temperature and pressure using a UV-ozone cleaner (UVO cleaner AH-1700, AHTECH LTS Co. Ltd.).

도 1은 실시예 1에 따른 표면 개질된 다공성 탄소볼의 주사전자현미경(SEM) 이미지로서(도 1(a)), 다공성 탄소볼의 표면에 미세구조가 형성되고 표면조도, 표면적 및 기공율이 증가함을 알 수 있다. 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a surface-modified porous carbon ball according to Example 1 (FIG. 1(a)), a microstructure is formed on the surface of the porous carbon ball, and surface roughness, surface area, and porosity are increased. It can be seen that.

반면, 표면 개질을 수행하지 않은 다공성 탄소볼의 표면은 상대적으로 매끄럽고 표면적 및 기공율이 낮음을 알 수 있다(도 1(b)). On the other hand, it can be seen that the surface of the porous carbon ball without surface modification is relatively smooth and the surface area and porosity are low (FIG. 1(b)).

도 2는 디아조늄염의 농도에 따른 다공성 탄소볼의 부탄가스에 대한 흡착특성을 나타내고 있다.2 shows the adsorption characteristics of porous carbon balls to butane gas according to the concentration of diazonium salt.

디아조늄염의 농도가 증가함에 따라 부탄가스의 흡착시간 및 흡착량이 증가함을 알 수 있다. It can be seen that the adsorption time and adsorption amount of butane gas increase as the concentration of the diazonium salt increases.

(실시예 2)(Example 2)

탄소볼 100중량부에 대하여 디아조늄염 0.5중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다. A porous carbon ball was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 parts by weight of a diazonium salt was used based on 100 parts by weight of the carbon balls.

(실시예 3)(Example 3)

탄소볼 100중량부에 대하여 디아조늄염 12중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다. A porous carbon ball was prepared in the same manner as in Example 1, except that 12 parts by weight of a diazonium salt was used based on 100 parts by weight of the carbon balls.

(실시예 4)(Example 4)

건조된 탄소볼의 표면에 자외선을 1분 동안 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다. A porous carbon ball was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the surface of the dried carbon ball was irradiated with ultraviolet rays for 1 minute.

(실시예 5)(Example 5)

건조된 탄소볼의 표면에 자외선을 40분 동안 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다. A porous carbon ball was prepared in the same manner as in Example 1, except that the surface of the dried carbon ball was irradiated with ultraviolet rays for 40 minutes.

(실시예 6)(Example 6)

3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란 20중량% 및 메타크릴산 80중량%를 공중합하여 공중합체를 제조하였다. A copolymer was prepared by copolymerizing 20% by weight of 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane and 80% by weight of methacrylic acid.

다공성 탄소볼을 카르복실기를 갖는 디아조늄으로 표면 처리한 후, 상기 공중합체로 처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다. 이때 탄소볼 100중량부 대비 5중량부의 공중합체를 사용하였다. Porous carbon balls were prepared in the same manner as in Example 1, except that the porous carbon balls were surface-treated with diazonium having a carboxyl group and then treated with the copolymer. At this time, 5 parts by weight of a copolymer relative to 100 parts by weight of carbon balls was used.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

디아조늄염을 처리하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다.A porous carbon ball was prepared in the same manner as in Example 1, except that the diazonium salt was not treated.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

자외선을 조사하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 탄소볼을 제조하였다.A porous carbon ball was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ultraviolet light was not irradiated.

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 다공성 탄소볼의 기공율 및 흡착특성을 측정하여 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다. The porosity and adsorption properties of the porous carbon balls prepared from the Examples and Comparative Examples were measured, and the results are shown in Table 1 below.

다공성 탄소볼의 기공율은 BET 분석에 의거하여 측정하였다. The porosity of the porous carbon ball was measured based on BET analysis.

다공성 탄소볼의 흡착특성은 가스크로마토그래피를 이용하여, 다공성 탄소볼을 테스트 튜브 안에 투입하고, 이 상태에서 부탄가스를 테스트 튜브 안으로 주입하여 상기 다공성 탄소볼을 통과한 부탄가스의 시간에 따른 농도변화를 측정하였다. The adsorption characteristics of the porous carbon balls are determined by gas chromatography, in which the porous carbon balls are inserted into the test tube, and in this state, butane gas is injected into the test tube to change the concentration of butane gas passing through the porous carbon balls over time. Was measured.

구분division 실시예Example 비교예Comparative example 1One 22 33 44 55 66 1One 22 기공 부피
(cc/g)
Pore volume
(cc/g)
0.6720.672 0.6290.629 0.6380.638 0.6450.645 0.6310.631 0.7450.745 0.4480.448 0.4910.491
흡착 시간
(분)
Adsorption time
(minute)
1,0801,080 980980 945945 965965 975975 1,2501,250 415415 510510

상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1 내지 6의 다공성 탄소볼은 기공율 및 흡착특성이 우수함을 알 수 있다. 특히 실시예 1 및 6은 상기 특성이 가장 우수하다. From the results of Table 1, it can be seen that the porous carbon balls of Examples 1 to 6 have excellent porosity and adsorption properties. In particular, Examples 1 and 6 have the most excellent properties.

반면 비교예 1 및 2의 다공성 탄소볼은 상기 특성이 실시예에 비하여 열등함을 알 수 있다. On the other hand, it can be seen that the above properties of the porous carbon balls of Comparative Examples 1 and 2 are inferior to those of the Examples.

Claims (5)

(a) 다공성 탄소재료를 카르복실기, 하이드록실기, 술폰산기 및 인산기에서 선택되는 하나 이상의 관능기를 갖는 디아조늄염(diazonium salt)으로 처리하여 다공성 탄소재료의 표면을 개질하는 단계;
(b) 상기 개질된 다공성 탄소재료를 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제 및 아크릴산 모노머의 공중합체로 처리하는 단계;
(c) 상기 공중합체로 처리된 다공성 탄소재료를 건조하는 단계; 및
(d) 상기 건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법에 있어서,
상기 (a) 단계는
다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 디아조늄염 1~10중량부가 사용되고,
상기 (b) 단계는
다공성 탄소재료 100중량부에 대하여 상기 공중합체 1~10중량부가 사용되고,
상기 아크릴레이트기 함유 실란 커플링제 및 아크릴산 모노머의 중량비는 10~30:70~90 이며,
상기 (c) 단계는
공중합체로 처리된 다공성 탄소재료를 30~100℃에서 5~100분 건조하며,
상기 (d) 단계는
건조된 다공성 탄소재료에 자외선을 2~30분 조사하는 것을 특징으로 하는 흡착특성이 우수한 다공성 탄소재료의 제조방법.
(a) treating the porous carbon material with a diazonium salt having at least one functional group selected from carboxyl group, hydroxyl group, sulfonic acid group and phosphoric acid group to modify the surface of the porous carbon material;
(b) treating the modified porous carbon material with a copolymer of an acrylate group-containing silane coupling agent and an acrylic acid monomer;
(c) drying the porous carbon material treated with the copolymer; And
In the method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties, comprising the step of (d) irradiating the dried porous carbon material with ultraviolet rays,
Step (a)
1 to 10 parts by weight of diazonium salt is used per 100 parts by weight of the porous carbon material,
Step (b)
1 to 10 parts by weight of the copolymer is used based on 100 parts by weight of the porous carbon material,
The weight ratio of the acrylate group-containing silane coupling agent and the acrylic acid monomer is 10 to 30:70 to 90,
Step (c)
Dry the porous carbon material treated with the copolymer at 30-100℃ for 5-100 minutes,
Step (d)
A method for producing a porous carbon material having excellent adsorption properties, characterized in that the dried porous carbon material is irradiated with ultraviolet rays for 2 to 30 minutes.
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