KR102301706B1 - 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유 - Google Patents

맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유 Download PDF

Info

Publication number
KR102301706B1
KR102301706B1 KR1020200015422A KR20200015422A KR102301706B1 KR 102301706 B1 KR102301706 B1 KR 102301706B1 KR 1020200015422 A KR1020200015422 A KR 1020200015422A KR 20200015422 A KR20200015422 A KR 20200015422A KR 102301706 B1 KR102301706 B1 KR 102301706B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
maxine
fiber
molecular weight
present
functional group
Prior art date
Application number
KR1020200015422A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210101433A (ko
Inventor
김상욱
윤태영
김진구
이강산
구종민
김혜림
김선준
홍순만
황승상
백경열
조상호
Original Assignee
한국과학기술원
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원, 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020200015422A priority Critical patent/KR102301706B1/ko
Priority to US17/172,736 priority patent/US20210262121A1/en
Publication of KR20210101433A publication Critical patent/KR20210101433A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102301706B1 publication Critical patent/KR102301706B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D10/00—Physical treatment of artificial filaments or the like during manufacture, i.e. during a continuous production process before the filaments have been collected
    • D01D10/02—Heat treatment
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/06—Wet spinning methods
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/38—Formation of filaments, threads, or the like during polymerisation
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F1/00—General methods for the manufacture of artificial filaments or the like
    • D01F1/02—Addition of substances to the spinning solution or to the melt
    • D01F1/09—Addition of substances to the spinning solution or to the melt for making electroconductive or anti-static filaments
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/58—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products
    • D01F6/74—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolycondensation products from polycondensates of cyclic compounds, e.g. polyimides, polybenzimidazoles
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00—Inorganic fibres
    • D10B2101/10—Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/14—Carbides; Nitrides; Silicides; Borides
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/16—Physical properties antistatic; conductive

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)

Abstract

본 발명은 a) 맥신을 포함하는 분산액을 준비하는 단계; 및 b) 상기 분산액을 응고액에 방사하여 맥신 섬유를 수득하는 단계;를 포함하는 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유에 관한 것이다.

Description

맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유{METHOD OF MXENE FIBER AND MXENE FIBER MANUFACTURED THEREFROM}
본 발명은 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유에 관한 것이다.
벌집 모양 구조의 탄소 원자들로 이루어진 단일 원자층 물질인 그래핀은 뛰어난 물리적 성질로 전 세계적으로 수많은 관심이 집중되어 왔다. 이와 같은 그래핀에 대한 연구가 폭발적으로 관심을 갖고 있어 최근 들어 그래핀과 유사한 2차원 물질들에 대하여 관심이 확대되어 가는 추세이다.
이러한 2차원 물질 중 하나인 맥신(MXene)은 M층, A층 및 X층으로 이루어진 3차원 결정구조를 가진 맥스(MAX)에서 얻어진 2차원 물질로, 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소 또는 질소이다. 이와 같은 맥스는 세라믹 특성의 MX 또는 M과는 다른 금속원소인 A가 조합된 결정질로 전기전도성, 내산화성 및 기계가공성 등의 물성이 우수하다. 이론적으로는 수천, 수백 가지가 존재할 수 있으나, 현재까지 300여 가지의 맥스가 합성된 것으로 알려져 있다.
상기 맥스는 3차원 물질이지만, 흑연이나 금속 디칼코게나이드 물질 등과 달리 전이금속 카바이드 서로의 층상 간에 A 원소와 M 전이금속 사이의 약한 화학적 또는 물리적 결합으로 적층되어 있다. 이로써, 상기 맥스로부터 얻어진 맥신 또한 층간에 서로 약한 결합으로 인하여 섬유 등의 고밀도로 밀집된 형상을 구현하기 어렵다.
더욱이, 맥신은 판상형 구조로, 1㎛이하의 작은 평균크기를 가져, 상술한 바와 같이 맥신 층간의 약한 상호작용으로는 맥신 섬유를 제조하기에는 어려움이 있다.
이로 인하여, 기존에는 그래핀 등과 같은 탄소계 화합물 또는 고분자 등과 맥신을 혼합한 용액을 방사하여 복합 섬유로 제조하여야만 섬유화하여 수득할 수 있었다. 그러나 상기와 같은 혼합공정을 거칠 경우, 맥신 고유의 높은 물성을 유지할 수 있는 섬유를 수득하기 어려운 한계로 인하여 맥신 섬유를 제조하는 연구가 미비한 상황이다.
따라서, 기계적 강도, 전기 전도도 등 맥신 고유 물성을 유지하며, 우수한 특성을 가질 수 있는 맥신 섬유를 제조하는 개발이 필요한 상황이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 맥신을 포함하는 분산액을 방사하여 수득한 맥신 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 전기전도성 및 기계적 물성을 구현하는 맥신 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 균일하고 조밀한 단면을 구현하는 고밀도 맥신 섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 연구한 결과, 본 발명은 맥신 섬유의 제조방법을 제공하며, 상기 맥신 섬유의 제조방법은 a) 맥신을 포함하는 분산액을 준비하는 단계; 및 b) 상기 분산액을 응고액에 방사하여 맥신 섬유를 수득하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 응고액은 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더는 아민계 화합물 또는 이민계 화합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 디아민계 화합물은 지방족 디아민일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 b)단계 이후, 상기 맥신 섬유를 100 내지 500℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 분산액은 총 중량에 대하여, 맥신 5 내지 30중량%를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 원형, 타원형 또는 납작한 단면 형태를 가지는 맥신 섬유를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 맥식 섬유는, 상기 맥신으로부터 유래한 전이금속 1 몰을 기준으로, 1.5 내지 10 몰의 탄소 원자, 0.5 내지 4 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 1 몰의 질소 원자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더는 아민계 화합물 또는 이민계 화합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 디아민계 화합물은 지방족 디아민일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유에 함유된 맥신 : 관능기를 포함하는 저분자량 바인더의 중량비는 1 : 0.01 내지 0.5일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 평균 직경이 10 내지 500㎛일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 전기 전도도가 800 S/㎝ 이상일 수 있다.
본 발명은 또한, 전이금속 1몰을 기준으로, 0.1 내지 1 몰의 탄소 원자, 0.1 내지 1 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 0.1 몰의 질소 원자를 포함하며, 전기 전도도가 1050 S/㎝ 이상인 맥신 섬유를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합된 맥신 섬유를 열처리하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 열처리는 100 내지 500 ℃에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 맥신 섬유는 하기 식 1을 만족할 수 있다.
(식 1)
Figure 112020013535508-pat00001
(상기 식 1에 있어서, 상기 D0은 Cu Kα 선을 이용한 열처리 전 맥신 섬유의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(d-spacing)(nm)이고, 상기 D1은 Cu Kα 선을 이용한 열처리 후 맥신 섬유의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(nm)이다)
본 발명에 따른 맥신 섬유의 제조방법은 층간의 약한 상호작용을 갖는 맥신을 포함하는 분산액을 통하여 맥신을 섬유화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 맥신 섬유는 고밀도로 균일하고 조밀하게 섬유를 제조할 수 있으며, 방사구금의 형상에 따라 단면 형상이 용이 조절될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 맥신 섬유는 기계적 물성 및 전기전도성이 탁월하다는 장점이 있다. 더욱이, 열처리 단계를 더 수행함으로써 기계적 물성 및 전기전도성을 현저히 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 1의 a 및 b는 각각 실시예 1의 맥신 섬유 단면을 600배, 3,500 확대한 것이고, 도 1의 c 및 d는 각각 실시예 2의 맥신 섬유 단면을 1,000배, 9,000배 확대한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유의 제조방법을 관찰한 사진이다. 도 2의 a는 응고액에 방사하는 모습이며, b는 방사한 맥신 섬유를 건조하는 모습이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 1의 a 및 b는 각각 타원형 및 직각형의 방사노즐을 이용하여 제조된 실시예 1의 맥신 섬유 단면을 700배 확대한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유의 조성을 X-선 회절 분석(XRD)으로 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 섬유의 물성을 X-선 광전자 분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
맥신은 층간의 약한 상호작용에 의하여 맥신이 조밀하게 밀집된 형상인 섬유로 제조하기에 어려움이 있었다. 이와 같은 이유로 인하여 기존에는 탄소계 화합물 또는 고분자 등과 맥신을 혼합한 용액을 방사하여 복합 섬유로 제조하였으나, 상기 복합 섬유는 맥신 고유의 우수한 물성에 대비하여 현저히 낮은 물성을 가져 물성 향상에 한계가 있었다. 이에 맥신 고유의 우수한 물성을 유지 또는 향상시킬 수 있는 맥신 섬유 및 이의 제조방법의 개발이 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 하기와 같이 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 맥신 섬유의 제조방법은 a) 맥신을 포함하는 분산액을 준비하는 단계; 및 b) 상기 분산액을 응고액에 방사하여 맥신 섬유를 수득하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 응고액은 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함할 수 있다.
상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더에 있어서, 상기 관능기는 친핵성 치환기일 수 있다. 친핵성 치환기는 예시적으로, 아민기(amine group), 이민기(imine group) 또는 아지드기(azide group)일 수 있으며, 상기 아민기는 1차, 2차 또는 3차 아민일 수 있다.
상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더의 분자량은 10 내지 600, 구체적으로 30 내지 300, 보다 구체적으로 50 내지 100의 분자량을 가질 수 있다.
바람직한 일 양태에 따르면 30 내지 300의 분자량을 가지는 아민기를 포함하는 화합물일 수 있으며, 보다 바람직한 일 양태로는 50 내지 100의 분자량을 가지는 디아민계 화합물일 수 있다.
본 발명에 따른 맥신 섬유의 제조방법은 맥신을 포함하는 분산액을 방사함으로써, 고밀도의 맥신 섬유를 제공할 수 있다. 더 나아가, 탄소계 화합물 또는 고분자 등의 이종물질을 포함하지 않는 맥신으로만 이루어진 분산액을 방사함으로써, 고밀도를 가지며, 이에 따라 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 구현하는 맥신 섬유를 제공할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서 맥신을 포함하는 분산액을 방사하여 고밀도의 맥신 섬유를 제공할 수 있는 것은, 친핵성 치환기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함하는 응고액에 방사하여 섬유를 수득하기에 달성할 수 있는 것이다. 이와 달리, 친핵성 치환기를 포함하지 않는 바인더가 함유된 응고액, 일 예로, 알코올계 화합물을 포함하는 응고액에 방사할 경우, 맥신 층간의 약한 상호작용으로 인하여 섬유화가 어려우며, 섬유가 제조되더라도 엉성한 단면을 가지는 저밀도의 섬유가 제조되어 현저히 낮은 기계적 물성 및 전기전도성을 갖는다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신을 포함하는 분산액은 맥신이 용매에 분산된 분산액이며, 바람직하게는 탄소계 화합물 또는 고분자 등의 이종물질을 포함하지 않는 맥신으로만 이루어진 분산액일 수 있다.
바람직하게는 상기 맥신을 포함하는 분산액은 맥신이 극성 용매에 분산된 것일 수 있다. 상기 극성 용매는 구체적인 예를 들어, 증류수, 정제수 등의 물; 메탄올, 에탄올, 메톡시에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올 등의 알코올계; 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤 등의 케톤계; 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 3-메톡시-3-메틸 부틸 아세테이트 등의 에스테르계; 디메틸포름아미드, 메틸 피롤리돈, 디메틸아세트아미드 등의 아민계; 테트라하이드로퓨란, 2-메틸테트라하이드로퓨란, 디메틸에테르, 디부틸에테르 등의 에테르계; 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있다. 바람직하게는 맥신의 분산이 용이한 정제수 또는 증류수 등의 물에 분산된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 분산액은 총 중량에 대하여, 맥신 5 내지 30중량% 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는 맥신 5 내지 20중량% 포함하는 것일 수 있다. 상기와 같은 범위로 포함할 경우, 조밀하고 치밀한 구조를 갖는 고밀도의 맥신 섬유를 제공할 수 있고, 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 발현할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신은 전구체인 맥스의 화학적 박리를 통하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥스는 M층, A층 및 X층으로 이루어진 3차원 결정 구조 물질로 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소, 질소 또는 이들의 조합이다. 구체적인 예를 들어, 상기 맥스는 MAX 구조로 단위층이 적어도 10층 이상으로 적층된 결정으로서, 2차원 탄화 전이금속층 또는 질화 전이금속층 사이에 13족 또는 14족에 해당하는 원자층이 배치되고, 전이금속 원자층에 의해서 2차원 탄화 전이금속층 또는 질화 전이금속층이 서로 결합한 상태를 갖는다. 즉, 탄화 전이금속층 또는 질화 전이금속층에 13족 또는 14족에 해당하는 원자층이 교호적으로 배치되어 하나의 결정을 형성한 구조이다.
상기 맥스를 맥신으로 박리하기 위한 상기 화학적 박리는 구체적으로는 불소 함유 화합물을 포함하는 강산 용액 내에 맥스를 투입하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 불소 함유 화합물은 구체적인 예를 들어, 불소화리튬(LiF), 불화나트륨(NaF), 불화마그네슘(MgF2), 불화스트론튬(SrF2), 불화베릴륨(BeF2), 불화칼슘(CaF2), 불화암모늄(NH4F), 이불화암모늄(NH4HF2) 및 암모늄 헥사플루오로알루미네이트((NH4)3AlF6) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 반응에 사용되는 강산 용액으로는 예를 들어, 염화불산(HF), 염산(HCl), 황산(HSO4) 수용액 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 화학적 박리는 20 내지 100℃, 바람직하게는 20 내지 60℃ 조건에서 1 내지 48시간, 바람직하게는 10 내지 40시간동안 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 화학적 박리를 거침으로써, 상기 맥신은 A층이 식각되어 전이금속층 및 탄소층; 또는 전이금속층 및 질소층;을 이루어 구체적으로 전이금속 탄화물 또는 전이금속 질화물 구조를 가진다.
즉, 상기 맥신(MXene)은 Mn+1Xn로 나타내지는 이차원 형상의 무기 화합물일 수 있다. 이때, M은 전이금속으로서, 상세하게, 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망가니즈(Mn), 스칸듐(Sc), 몰리브데넘(Mo), 나이오븀(Nb), 탄탈럼(Ta) 또는 이들의 조합을 나타내고, X는 탄소(C), 질소(N) 또는 이들의 조합을 나타내며, n은 1 내지 3의 자연수이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신(MXene)은 Ti2C, (Ti0.5,Nb0.5)2C, V2C, Nb2C, Mo2C, Ti3C2, Ti3CN, Zr3C2, Hf3C2, Ti4N3, Nb4C3, Ta4C3, Mo2TiC2, Cr2TiC2 및 Mo2Ti2C3에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 b)단계는 상기 분산액을 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함하는 응고액에 방사하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 방사는 습식방사일 수 있다. 상기 습식 방사는 예를 들어, 분산액에 압력을 가하여 작은 방사구금을 통하여 섬유가 응고되는 응고액 속으로 방사시켜 응고액 속으로 용매의 확산에 의한 고화가 진행되어 침출됨에 따라 섬유가 형성되도록 하는 방법이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 분산액의 방사 온도는 10 내지 100 ℃일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 80 ℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 방사용액의 방사 시 압력은 1 내지 50 psi 범위일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 응고액의 온도는 방사되는 섬유의 응고를 위하여 0 내지 50 ℃일 수 있고, 바람직하게는 0 내지 40 ℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 방사구금의 형상에 따라 단면 형상이 용이 조절될 수 있다. 상세하게, 종래의 맥신과 같은 2차원 소재만으로는 방사섬유를 제조하기 어려웠을 뿐만 아니라, 섬유의 단면 형상을 조절하기가 어려웠다. 그러나, 본 발명의 일 양태에 따른 맥신 섬유의 제조방법은 방사구금의 형상에 따라 다양한 형태의 단면을 가지는 맥신 섬유로 제조될 수 있는 이점을 제공한다. 즉, 방사구금의 형상이 원형, 타원형 또는 직각형일 경우, 제조되는 맥신 섬유의 형상은 각각 원형, 타원형 또는 직각형의 형상을 가진다. 상기 섬유의 형상은 특정 형상으로 제한되지 않으며, 방사구금의 형상에 따라 섬유의 단면 형상은 원하는 형태에 따라 용이 변경 가능하다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 방사 시, 방사구금의 직경은 예를 들어, 50 내지 1,000㎛일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 1,000㎛, 더 바람직하게는 150 내지 800㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따른 상기 맥신 섬유는 방사구금의 직경에 따라 평균직경이 변화할 수 있다. 예를 들어, 맥신 섬유의 평균 직경이 10 내지 500㎛일 수 있다. 바람직하게는 10 내지 300㎛, 더 바람직하게는 10 내지 250㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같이, 직경 또는 형상에 구애받지 않고, 미세 섬유부터 굵은 섬유까지 폭넓은 범위의 평균직경을 갖는 맥신 섬유를 제조할 수 있어 다양한 분야에 폭넓게 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 b)단계는 상기 분산액을 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함하는 응고액에 방사함으로써, 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 침투하여 섬유화를 유도할 수 있다. 구체적으로는 상기 분산액을 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함하는 응고액에 방사함으로써, 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합되 섬유화를 유도할 수 있다. 기존에 맥신만으로 이루어진 섬유 제조에 어려움이 있었으나, 상기와 같은 결합을 유도함으로써, 맥신이 조밀하고 치밀하게 형성된 고밀도의 맥신 섬유를 제공할 수 있고, 더욱 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더는 친핵성 치환기를 포함하는 저분자량 바인더일 수 있으며, 구체적으로 아민계 화합물 또는 이민계 화합물, 또는 아지드계 화합물일 수 있다. 보다 구체적으로 지방족 디아민, 더욱 구체적으로 C1-C30지방족 디아민일 수 있고, 바람직하게는 C1-C10지방족 디아민일 수 있다. 예를 들어, 에틸렌디아민, 1,3-트리메틸렌디아민, 1,4-테트라메틸렌디아민, 1,5-펜타메틸렌디아민, 1,6-헥사메틸렌디아민, 1,8-옥타메틸렌디아민, 2-메틸-1,5-펜탄디아민, 3-메틸-1,5-펜탄디아민, 2,2,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2,4,4-트리메틸-1,6-헥산디아민, 2-메틸-1,8-옥탄디아민 및 5-메틸-1,9-노난디아민 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 가장 바람직하게는 C1-C5지방족 디아민일 수 있으며, 예를 들어, 에틸렌디아민, 1,3-트리메틸렌디아민, 1,4-테트라메틸렌디아민 및 1,5-펜타메틸렌디아민 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 포함하는 응고액은 관능기를 포함하는 저분자량 바인더를 0.01 내지 5.0 몰농도로 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는 0.1 내지 2.0몰농도일 수 있다. 상기와 같은 범위로 포함할 경우, 맥신 층간에서 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력을 강하게 유도할 수 있고, 더욱 치밀한 구조의 고밀도 맥신 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 b)단계에서 수득된 맥신 섬유는 건조하는 단계를 더 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 건조는 10분 내지 5시간동안 상온에서 건조하는 것일 수 있다. 바람직하게는 30 내지 2시간동안, 더 바람직하게는 30 내지 1시간동안 건조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 건조를 통하여 섬유 내의 잔류하는 물 또는 용매를 제거할 수 있다. 상기 건조 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 일반적으로 사용되는 건조 수단에 의해 건조할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 b)단계 이후, 0.1 내지 1,000m/min의 권취속도로 권취하는 단계를 더 수행할 수 있다. 바람직하게는 0.1 내지 500m/min, 더 바람직하게는 0.1 내지 100m/min의 권취속도로 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 권취속도의 선택에 따라 제조되는 맥신 섬유의 균일성을 조절할 수 있고, 섬유의 축 방향에 따른 결정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 b)단계 이후, 상기 맥신 섬유를 100 내지 500℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 열처리는 350 내지 500℃에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 열처리는 30분 내지 5시간, 바람직하게는 30분 내지 2시간동안 수행할 수 있다. 상기 열처리는 상기 건조와 상이한 공정으로, 상기 열처리를 더 수행함으로써, 맥신 섬유 표면에 잔존하는 수분 및 존재하는 산소관능기를 제거하며 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 더욱 치밀한 구조의 섬유를 유도할 수 있고, 기계적 물성 및 전기전도성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 열처리는 불활성 기체 하에서 수행할 수 있다. 상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 원형, 타원형 또는 납작한 단면 형태를 가지는 맥신 섬유를 제공하며, 상기 맥신 섬유는 전술한 바와 같은 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합된 것일 수 있다.
상기 맥신 섬유의 내부는 치밀한 조직으로 구성되어 있는 것일 수 있다. 구체적으로, 섬유 내부 결함이 최소화된 치밀한 구조를 형성함으로써, 기존의 맥신 섬유 대비 기계적 물성 및 전기전도성의 현저한 향상을 이룰 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 맥신 섬유는 기존에 달성하지 못한 맥신 섬유의 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 구현할 수 있는 것으로, 맥신 섬유의 활용도를 넓힐 수 있다. 나아가 본 발명은 2차원 소재로서 맥신만으로도 섬유를 방사할 수 있는 새로운 제조공정을 확립하고, 탄소계 화합물 및 고분자를 포함하지 않는 맥신 섬유를 제공하는 점에서 기술적 특징을 가진다.
지금까지 맥신을 포함하는 섬유는 탄소계 화합물 또는 고분자를 포함하는 혼합 상태로 제공된 섬유로서, 맥신 고유의 물성을 저해시켜 물성 향상에 한계가 있었다. 이에 반해, 본 발명에 따르면, 균일하고 조밀하게 맥신이 밀집된 고밀도의 맥신 섬유를 제공할 수 있고, 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 달성할 수 있다. 이러한 맥신 섬유는 본 발명의 전술한 제조방법으로 제조됨으로써 얻어질 수 있는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는, 상기 맥신으로부터 유래한 전이금속 1 몰을 기준으로, 1.5 내지 10 몰의 탄소 원자, 0.5 내지 4 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 1몰의 질소 원자를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 맥신 섬유는, 전이금속 1 몰을 기준으로, 2.0 내지 5 몰의 탄소 원자, 0.8 내지 1.5 몰의 산소 원자 및 0.1 내지 0.8 몰의 질소 원자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소 및 질소는 맥신 및 관능기를 포함하는 저분자량 바인더로부터 유래된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유에 함유된 맥신 : 관능기를 포함하는 저분자량 바인더의 중량비는 1 : 0.01 내지 0.50, 바람직하게는 1 : 0.01 내지 0.30일 수 있다. 상기와 같이 중량비를 만족할 경우, 맥신 및 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 결합하여 상호작용함으로써, 단일 섬유화에 어려움이 있었던 맥신의 섬유화를 가능하게 하였다. 더욱이, 맥신 고유의 물성 저하 없이 오히려 현저히 향상된 기계적 물성 및 전기전도성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 인장강도가 60MPa이상일 수 있다. 구체적으로는 상기 맥신 섬유는 인장강도가 60 내지 200MPa일 수 있고, 바람직하게는 인장강도가 80 내지 200MPa일 수 있고, 더 바람직하게는 인장강도가 100 내지 200MPa일 수 있다. 상기와 같이 우수한 인장강도를 구현함으로써, 섬유 자체의 변형 및 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 장기적인 내구성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 전기 전도도가 800 S/㎝이상, 구체적으로는 800 내지 2000 S/㎝일 수 있다. 상기와 같이 우수한 전기 전도도를 구현함으로써, 우수한 전기적 특성을 요구하는 다양한 전기화학 소자에 다양하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 맥신 섬유를 열처리하여 제조된 맥신 섬유를 제공한다. 이하의 설명에서 상술한 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합된 맥신 섬유는 맥신 섬유(I)로, 맥신 섬유(I)를 열처리하여 제조된 맥신 섬유는 맥신 섬유(II)로 정의한다.
본 발명의 일 양태에 따라, 상기 열처리는 100 내지 500℃, 구체적으로 350 내지 500℃에서 이루어질 수 있다. 이때, 상기 열처리는 30분 내지 5시간, 구체적으로 30분 내지 2시간동안 수행한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 열처리는 불활성 기체 하에서 수행할 수 있다. 상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 네온 및 헬륨 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 맥신 섬유(II)는 열처리됨으로써, 더욱 치밀한 구조를 가질 수 있다. 이러한 치밀 구조에 의해 맥신 섬유(II)의 인장강도 등의 기계적 물성이 향상될 수 있으며, 전기전도성 또한 현저하게 향상될 수 있다. 또한, 열처리 시, 맥신 섬유(I) 표면에 존재하는 산소관능기 또한 제거될 수 있으며, 특히 수산화기(-OH)를 포함하는 산소관능기가 제거될 수 있다. 이러한 산소관능기의 제거에 의해 맥신 섬유(II)의 전하 이동도 또는 전하 농도가 증가하게 되며, 이로 인해 맥신의 전기적 물성이 향상될 수 있어 유리하다.
본 발명의 일 양태에 따라, 맥신 섬유(II)는, 전이금속 1몰을 기준으로, 0.1 내지 1 몰의 탄소 원자, 0.1 내지 1 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 0.1 몰의 질소 원자를 포함할 수 있다. 구체적으로 맥신 섬유(II)는 전이금속 1몰을 기준으로, 0.2 내지 0.6 몰의 탄소 원자, 0.2 내지 0.6 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 0.05 몰의 질소 원자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전이금속, 탄소, 산소 및 질소는 맥신 섬유(I)에 함유되는 맥신 및 관능기를 포함하는 저분자량 바인더로부터 유래된 것일 수 있다.
상세하게, 상기 맥신 섬유(I) 및 맥신 섬유(II)에 함유되는 전이금속은 열처리 동안 중량 변화가 일어나지 않음에 따라, 상기 맥신 섬유(I)와 맥신 섬유(II)의 조성 변화는 전이금속의 원자 농도를 기준으로 설명될 수 있다. 즉, 상기 맥신 섬유(II)는 전이금속의 원자 농도를 기준으로, 맥신 섬유(I) 대비 50 내지 98%, 구체적으로 70 내지 95% 감소된 탄소 원자, 30 내지 70%, 구체적으로 40 내지 60% 감소된 산소 원자 및 70 내지 99%, 구체적으로 85 내지 95% 감소된 질소 원자를 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 일 양태에 따른 맥신 섬유(II)는 열처리를 통해 맥신 섬유(I)의 내부 및 표면에 존재하는 탄소, 질소 및 산소관능기를 제거하여, 더욱 치밀한 구조의 섬유를 유도할 수 있고, 기계적 특성, 전기적 특성 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 열처리 전후에 따라, 하기 식 1을 만족할 수 있다.
(식 1)
Figure 112020013535508-pat00002
상기 식 1에 있어서, 상기 D0은 Cu Kα 선을 이용한 열처리 전 맥신 섬유(I)의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(d-spacing)(nm)이고, 상기 D1은 Cu Kα 선을 이용한 열처리 후 맥신 섬유(II)의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(nm)이다.
구체적으로는 식 1은 0.98 미만일 수 있고, 바람직하게는 0.50 내지 0.97일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 맥신 섬유(II)는 열처리를 통해 관능기를 포함하는 저분자량 바인더 및 표면의 산소관능기가 제거되어, 더욱 조밀하고 치밀하게 고밀도의 섬유상을 형성할 수 있다. 이 때, 더욱 바람직하게는 200 내지 500℃에서 열처리한 맥신 섬유의 경우 상기 식 1을 만족할 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 일 양태에 따라, 상기 열처리 후 맥신 섬유(II)는 보다 향상된 전기 전도도를 가질 수 있다. 구체적으로 열처리 후 맥신 섬유(II)의 전기 전도도는 1050 S/㎝ 이상, 구체적으로 1050 내지 10,000 S/㎝일 수 있고, 바람직하게는 전기 전도도가 1,150 내지 8,000 S/㎝일 수 있고, 가장 바람직하게는 전기 전도도가 3,000 내지 6,000 S/㎝일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 맥신 섬유는 열처리 전후에 따라, 하기 식 2를 만족할 수 있다.
(식 2)
Figure 112020013535508-pat00003
상기 식 2에 있어서,
상기 σ0은 열처리 전 맥신 섬유(I)의 전기 전도도(S/㎝)이고, 상기 σ1은 열처리 후 맥신 섬유(II)의 전기 전도도(S/㎝)이다.
구체적으로는 식 2는 2.0 내지 10.0일 수 있고, 바람직하게는 2.5 내지 8.0, 더 바람직하게는 3.0 내지 8.0, 가장 바람직하게는 3.5 내지 6.0일 수 있다. 본 발명에 따른 맥신 섬유는 열처리 후, 더욱 조밀하고 치밀하게 고밀도의 섬유상을 형성함으로써, 상기 식 2를 만족할 수 있는 것이다. 이 때, 더욱 바람직하게는 350 내지 500℃에서 열처리한 맥신 섬유(II)의 경우 상기 식 2를 만족할 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 일 양태에 따라, 상기 맥신 섬유는 열처리 전후에 따라, 하기 식 3을 만족할 수 있다.
(식 3]
Figure 112020013535508-pat00004
상기 식 2에 있어서,
상기 TS0은 열처리 전 맥신 섬유(I)의 인장강도(MPa)이고, 상기 TS1은 열처리 후 맥신 섬유(II)의 인장강도(MPa)이다.
구체적으로는 식 3은 1.2 내지 3.0일 수 있고, 바람직하게는 1.3 내지 2.0, 더 바람직하게는 1.5 내지 2.0일 수 있다. 본 발명에 따른 맥신 섬유는 열처리 후, 습한 외부 환경에서도 안정성이 우수하여 섬유의 손상 및 성능 감소를 방지할 수 있는 우수한 인장강도 구현이 가능하여 상기 식 3을 만족할 수 있는 것이다. 이 때, 바람직하게는 350 내지 500℃에서 열처리한 맥신 섬유의 경우 상기 식 3을 만족할 수 있다.
본 발명에 따른 맥신 박막 또는 맥신 섬유는 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 요구하는 다양한 분야에 적용할 수 있고, 예를 들어, 전기화학, 전자, 섬유, 항공, 군사 및 자동차 등의 다양한 본 발명에 따른 효과를 요구하는 분야에 적용할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[물성측정방법]
1. 인장강도
실시예로 제조된 맥신 섬유는 Microforce Testing Machine(Instron 8848) 장비를 사용하여 측정하였다. 5N Load cell에 2 cm (L0) 길이의 섬유의 양 끝을 공압그립을 이용해 장비에 고정시키고, 2 mm/min 의 속도로 인장을 가하면서 양끝단에 가해지는 힘(N)을 측정하였다. 이렇게 측정 된 힘을 섬유의 단면적(A)로 나누어 인장강도로 변환되었다.
2. 전기 전도도
실시예의 맥신 섬유의 전기 전도도는 1 cm 섬유를 양 끝단을 Siver paste로 고정시키고, KYORITSU 사의 MODEL 1009 멀티미터 장비를 이용하여 섬유의 저항을 측정하였으며, 측정 된 저항을 섬유 길이와 단면적을 이용해 전기 전도도(S/cm)로 변환하였다. 단면적의 경우, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정되었다.
[실시예 1]
4.8g의 불화리튬(LiF) 및 9M 농도의 염산(HCl) 수용액 60㎖에 맥신의 전구체인 맥스(MAX) 파우더를 3g첨가한 후 35 ℃에서 24시간 동안 반응시켜 화학적으로 박리시켜 맥신을 제조하였다. 용액 내에 박리가 되지 않은 맥스는 3,500 rpm 원심분리를 통해서 제거하였다. 상기와 같이 제조된 맥신을 17,000rpm, 30분 조건으로 원심분리 수행한 후, 상층액을 제거하여 15중량% 농도의 맥신 수분산액으로 제조하였다.
상기 맥신 수분산액을 원형의 방사노즐 직경 500㎛인 방사구금(노즐)을 사용하여 25 ℃에서 습식 방사하였다. 이 때, 토출속도를 0.2㎖/min으로 25 ℃에서, 0.1M 에틸렌디아민 수용액인 응고액 속으로 방사하였다. 이 때, 권취속도는 1m/min이었다.
방사된 섬유를 증류수에서 세척한 후, 섬유의 양말단을 도 2에 도시된 바와 같이 고정하여 공기 중 상온에서 1시간동안 건조하였다.
실시예 1에서 제조된 맥신 섬유는 도 1의 a 및 b에 도시된 바와 같이 주사전자현미경(SEM, Hitachi S-4800)을 통하여 치밀한 고밀도로 섬유가 제조되었음을 확인하였다. 이 때, 맥신 섬유의 평균 직경은 140㎛이었다.
추가적으로, 실시예 1의 맥신 섬유 방사 시, 방사노즐의 단면 형태가 원형이 아닌 타원형 또는 직각형인 방사노즐을 이용한 후, 주사전자현미경(SEM)을 통하여 맥신 섬유의 단면 형상을 관찰하였다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, (a) 타원형 및 (b) 직각형의 방사노즐 이용하여 제조된 맥신 섬유의 단면은 각각 타원형 및 직각형의 형태로 성공적으로 제조되었다. 또한 제조된 맥신 섬유는 상기 주사전자현미경 단면 형상으로부터 확인할 수 있듯이, 매우 조밀한 단면을 가지는 섬유임을 확인할 수 있다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 직경이 250㎛인 원형의 방사구금을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 실시에 2에서 제조된 맥신 섬유는 도 1의 c 및 d에 도시된 바와 같이 주사전자현미경(SEM, Hitachi S-4800)을 통하여 치밀한 고밀도로 섬유가 제조되었음을 확인하였다. 이 때, 맥신 섬유의 평균 직경은 65㎛이었다.
[실시예 3]
상기 실시예 1에서 수득한 최종 맥신 섬유를 아르곤 분위기 하에서 100℃로 1시간동안 열처리 한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 1에서 수득한 최종 맥신 섬유를 아르곤 분위기 하에서 200℃로 1시간동안 열처리 한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 5]
상기 실시예 1에서 수득한 최종 맥신 섬유를 아르곤 분위기 하에서 400℃로 1시간동안 열처리 한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 6]
상기 실시예 1에서 응고액을 0.12M 에탄올아민 수용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 7]
상기 실시예 1에서 응고액을 0.07M 폴리에틸렌이민(수평균분자량: 600, Merck) 수용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 8]
상기 실시예 1에서 응고액을 0.1M 1,4-디아미노부탄 수용액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 응고액을 증류수 및 이소프로판올을 3:1 중량비의 용매에 5중량%로 염화칼슘(CaCl2)을 혼합한 응고액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이 때, 제조된 맥신 섬유는 방사 시, 응고는 되지만 건조하는 과정에서 섬유가 끊어져서 섬유형상을 유지하기 어려웠다.
[비교예 2]
상기 비교예 1에서 맥신 수분산액에 그래핀 산화물(GO)을 5중량%가 되도록 더 혼합한 맥신/GO 혼합액을 방사한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이 때, 제조된 맥신 섬유는, 도시하지 않았으나, 방사는 되었으나, 기계적 강도가 약해 권취가 불가능 하였다.
[비교예 3]
상기 비교예 2에서 응고액을 증류수 및 이소프로판올을 3:1 중량비의 용매에 5중량%로 염화칼슘(CaCl2)을 혼합한 응고액을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이 때, 제조된 맥신 섬유는, 도시하지 않았으나, 방사는 되었으나 기계적 강도가 약해 권취가 불가능 하였다.
[실험예 1]
맥신 섬유 형상 분석.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 2로 제조된 맥신 섬유의 단면을 주사전자현미경으로 관찰하였다. 도시된 바와 같이, 맥신 섬유의 단면은 맥신 층간격이 조밀하고 치밀한 구조를 가지며, 고밀도로 제조된 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
맥신 섬유 조성 분석.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1, 실시예 3(열처리 온도 100℃), 실시예 4(열처리 온도 200℃) 및 실시예 5(열처리 온도 400℃)로 제조된 맥신 섬유의 조성을 X-선 회절 분석(XRD)으로 분석하였다. 도시된 바와 같이, 실시예에서 제조된 맥신 섬유는 10°미만에서 [002] 회절 피크가 나타나는 것으로 보아 열처리의 유무와 관계없이 이차원의 층상 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 그러나 열처리 온도가 증가할수록 TiO2로의 상변화가 발생하여 [002] 회절 피크의 강도가 감소하는 것을 알 수 있다.
표 1은 XRD 분석 결과를 바탕으로 분석된 이차원 층상 구조의 면간거리 분석 결과이다. 도시된 바와 같이, 열처리 온도가 증가할수록 면간거리가 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 실험예 1의 결과와 일치한다.
구분 (002) peak d spacing (nm)
실시예 1 6.24 1.416
실시예 3 6.24 1.416
실시예 4 6.44 1.372
실시예 5 6.56 1.347
[실험예 3]
맥신 섬유 물성 분석.
실시예 1 및 실시예 5(열처리 온도 400℃)로 제조된 맥신 섬유의 물성을 X-선 광전자 분광법(XPS)으로 분석하고 그 결과를 도 5 및 표 2에 도시하였다. 맥신으로부터 유래한 전이금속인 티타늄(Ti) 원자의 농도를 기준으로 살펴보면, 400℃에서 열처리 후 맥신 섬유 응고액인 에틸렌디아민으로부터 유래한 탄소(C), 산소(O) 및 질소(N) 원자의 농도가 감소되었음 알 수 있다.
구분 원소% Ti 기준 원소비
실시예 1 실시예 5 실시예 1 실시예 5
Ti 19.26 51.25 1 1
C 53.47 21.75 2.78 0.42
O 19.68 25.35 1.02 0.49
N 7.59 1.65 0.39 0.03
[실험예 4]
맥신 섬유의 기계적 물성 및 전기전도성 측정.
실시예로 제조된 맥신 섬유의 인장강도 및 전기 전도도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
인장강도(MPa) 전기 전도도(S/㎝)
실시예 1 88.6 985.40
실시예 2 65.8 1013.02
실시예 3 67.2 1219.39
실시예 4 85.9 1193.49
실시예 5 106.0 4165.90
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 맥신 섬유는 맥신으로만 이루어진 분산액을 방사함에도 불구하고 조밀한 고밀도의 섬유가 제조되었을 뿐만 아니라 우수한 인장강도 및 전기 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 본 발명에 따른 맥신 섬유를 열처리하였을 때, 더욱 향상된 인장강도 및 전기 전도도를 달성할 수 있는 것을 확인하였다. 구체적으로, 350℃이상에서 열처리하였을 때, 열처리 전 맥신 섬유 대비 인장강도는 1.6배 이상 향상되었고, 전기 전도도는 4.11배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이를 통하여 본 발명에 따른 맥신 섬유는 이종물질을 포함하지 않고, 맥신을 포함하는 분산액을 디아민계 화합물을 포함하는 응고액에 방사함으로써, 현저히 향상된 기계적 물성 및 전기전도성을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 맥신 섬유는 우수한 기계적 물성 및 전기전도성을 구현할 수 있어, 상기 물성을 요구하는 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 예를 들어, 전기도선, 슈퍼캐퍼시터 및 웨어러블 소자 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유가 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (19)

  1. a) 맥신을 포함하는 분산액을 준비하는 단계; 및
    b) 상기 분산액을 응고액에 방사하여 맥신 섬유를 수득하는 단계;를 포함하되, 상기 응고액은 관능기를 포함하는 분자량이 10 내지 600인 저분자량 바인더를 포함하는 맥신 섬유의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합되는 맥신 섬유의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더는 아민계 화합물 또는 이민계 화합물인 맥신 섬유의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 아민계 화합물은 지방족 디아민인 맥신 섬유의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 b)단계 이후, 상기 맥신 섬유를 100 내지 500℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 맥신 섬유의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 분산액은 총 중량에 대하여, 맥신 5 내지 30중량%를 포함하는 맥신 섬유의 제조방법.
  8. 원형, 타원형 또는 납작한 단면 형태를 가지되, 맥신 : 관능기를 포함하는 분자량이 10 내지 600인 저분자량 바인더의 중량비가 1 : 0.01 내지 0.5인 맥신 섬유.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 맥신 섬유는 맥신 층간에 관능기를 포함하는 저분자량 바인더가 삽입되어 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용에서 선택되는 어느 하나 이상의 인력에 의해 결합된 맥신 섬유.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 맥신 섬유는, 상기 맥신으로부터 유래한 전이금속 1 몰을 기준으로, 1.5 내지 10 몰의 탄소 원자, 0.5 내지 4 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 1 몰의 질소 원자를 포함하는 맥신 섬유.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 관능기를 포함하는 저분자량 바인더는 아민계 화합물 또는 이민계 화합물인 맥신 섬유.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 아민계 화합물은 지방족 디아민인 맥신 섬유.
  13. 삭제
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 맥신 섬유는 평균 직경이 10 내지 500㎛인 맥신 섬유.
  15. 제 8항에 있어서,
    전기 전도도가 800 S/㎝ 이상인 맥신 섬유.
  16. 제 9항에 따른 맥신 섬유를 열처리하여 제조되고, 전이금속 1몰을 기준으로, 0.1 내지 1 몰의 탄소 원자, 0.1 내지 1 몰의 산소 원자 및 0.01 내지 0.1 몰의 질소 원자를 포함하며, 전기 전도도가 1050 S/㎝ 이상인 맥신 섬유.
  17. 삭제
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 열처리는 100 내지 500 ℃에서 이루어지는 맥신 섬유.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 맥신 섬유는 하기 식 1을 만족하는 맥신 섬유.
    (식 1)
    Figure 112021017646360-pat00005

    (상기 식 1에 있어서, 상기 D0은 Cu Kα 선을 이용한 제9항에 따른 맥신 섬유의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(d-spacing)(nm)이고, 상기 D1은 Cu Kα 선을 이용한 제16항에 따른 맥신 섬유의 X선 회절 패턴으로부터 산출되는 (002) 면의 면간 거리(nm)이다)
KR1020200015422A 2020-02-10 2020-02-10 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유 KR102301706B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200015422A KR102301706B1 (ko) 2020-02-10 2020-02-10 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유
US17/172,736 US20210262121A1 (en) 2020-02-10 2021-02-10 Method of mxene fiber and mxene fiber manufactured therefrom

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200015422A KR102301706B1 (ko) 2020-02-10 2020-02-10 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210101433A KR20210101433A (ko) 2021-08-19
KR102301706B1 true KR102301706B1 (ko) 2021-09-14

Family

ID=77365160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200015422A KR102301706B1 (ko) 2020-02-10 2020-02-10 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20210262121A1 (ko)
KR (1) KR102301706B1 (ko)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113718371B (zh) * 2021-09-24 2023-07-21 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 MXene气凝胶纤维、其制备方法及应用
CN113881040B (zh) * 2021-09-26 2022-05-31 上海交通大学 一种二维MXene/聚多巴胺复合脱盐电极材料的制备方法及应用
CN113774523B (zh) * 2021-10-29 2023-10-24 哈尔滨工业大学 一种MXene/海藻酸钠复合无纺织物的制备方法
CN114232137B (zh) * 2021-12-29 2023-05-02 广东省科学院新材料研究所 一种二维碳化钛纤维及其三维支架以及其制备方法与应用
CN114344544B (zh) * 2022-01-05 2022-12-02 四川大学 光激活抗菌敷料及其制备方法
CN114472914B (zh) * 2022-01-06 2022-11-25 中山大学 一种多枝状银纳米线的制备方法
CN114487062A (zh) * 2022-01-20 2022-05-13 南通大学 一种基于Ti3C2Tx-rGO纳米复合材料修饰的GCE电极及其制备方法和应用
CN114982781B (zh) * 2022-06-07 2022-12-09 华中农业大学 一种PEI-MXene QD纳米颗粒及其在提高植物黄萎病抗性中的应用
CN115537972B (zh) * 2022-11-04 2023-09-19 南开大学 一种机械联锁的高性能碳化钛复合导电纤维的制备方法
CN115961371A (zh) * 2023-02-23 2023-04-14 现代纺织技术创新中心(鉴湖实验室) 一种MXene/蚕丝复合纤维及其制备方法和应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107938026A (zh) 2017-11-17 2018-04-20 浙江大学 一种MXene纤维及其制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103019586B (zh) * 2012-11-16 2017-03-15 小米科技有限责任公司 用户界面管理方法及装置
KR101573877B1 (ko) * 2014-04-24 2015-12-11 서울대학교 산학협력단 층간 자기조립을 이용한 그래핀 기반 나노탄소 섬유 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107938026A (zh) 2017-11-17 2018-04-20 浙江大学 一种MXene纤维及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210101433A (ko) 2021-08-19
US20210262121A1 (en) 2021-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102301706B1 (ko) 맥신 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 맥신 섬유
US20170211208A1 (en) Process for Fabric of Continuous Graphitic Fiber Yarns
Chen et al. Amorphous carbon nanotubes with tunable properties via template wetting
EP2511408A1 (en) Flexible carbon fiber nonwoven fabric
US20070059233A1 (en) Carbon material having high surface area and conductivity and preparation method thereof
WO2014178454A1 (ko) 수처리용 나노섬유-그래핀 분리막 제조방법 및 이에 의해 제조된 수처리용 나노섬유—그래핀 분리막
US10995428B2 (en) Graphene fiber and method of manufacturing the same
US20220411971A1 (en) Mxene fibers and preparation method thereof
JP2008528283A (ja) セラミック中空糸アセンブリ、その製造方法およびその使用
US8871140B2 (en) Inorganic hollow yarns and method of manufacturing the same
KR102543105B1 (ko) 맥신 섬유 및 이의 제조방법
KR102480878B1 (ko) 나노섬유 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 가지는 이온교환막
US20020151428A1 (en) Silicon/silicon carbide composite and process for manufacturing the same
KR101704246B1 (ko) 그래핀 옥사이드 및 탄소나노튜브 기반의 도전성 복합 섬유의 제조방법, 이로부터 제조된 복합 섬유 및 이를 포함하는 수퍼커패시터
US20220195192A1 (en) Composite material, sheet, and heat insulator
KR102237968B1 (ko) 2차원 나노물질 섬유 및 이의 제조방법
WO2011007001A2 (de) Verfahren zur herstellung poröser, siliziumbasierter werkstoffe und daraus abgeleiteter keramik-keramik und keramik-metall-verbundwerkstoffe und deren anwendungen
KR101945491B1 (ko) 질화붕소 나노섬유 제조방법
US11649566B2 (en) Graphene fiber and method of manufacturing the same
KR101398294B1 (ko) 전기 방사를 이용한 탄소나노튜브 섬유의 제조방법 및 이를 이용한 유기 태양전지의 제조방법
JP2981023B2 (ja) 多孔性炭素繊維、その製造方法、多孔性黒鉛繊維の製造方法および多孔性炭素繊維の処理方法
CN107640973B (zh) 三维碳纤维预制件增强硅酸钇复合材料及其制备方法
WO2014196601A1 (ja) 炭素膜及び炭素膜の製造方法
KR102208517B1 (ko) SiC 나노튜브 및 그 제조 방법
Li et al. Zr‐doped SiOC ceramics fibers and the high‐temperature thermal performance

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant