KR102596719B1 - 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브를 산처리하여 디번들링(debundling)하는 단계와; 디번들링된 상기 탄소나노튜브를 유기용매와 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계와; 상기 혼합액에 고분자를 혼합하여 섬유용 조성물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 혼합되어 상기 탄소나노튜브에 의해 전도성을 가지는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 탄소나노튜브가 저함량이지만 전도성이 우수하며, 탄소나노튜브가 저함량으로 포함되어 뭉침이 적기 때문에 다섬유로 습식방사가 가능한 효과를 얻을 수 있다. 또한 탄소나노튜브에 비해 고분자의 함량이 높아 연신 단계에서 섬유의 끊어짐이 발생하지 않으며 섬유의 강도가 향상될 수 있다.

Description

탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법 {Composition for carbon nanotube nanocomposite conductive fiber and method for manufacturing the same}
본 발명은 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브가 저함량이지만 전도성이 우수하며, 탄소나노튜브가 저함량으로 포함되어 뭉침이 적기 때문에 다섬유로 습식방사가 가능한 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
육각형 고리형태로 연결된 탄소들이 나노크기의 직경으로 둥글게 말려 긴 튜브 형상을 이루는 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)는 인장강도가 강철보다 100배 강하고, 전류밀도는 구리보다 1000배 높으며, 다이아몬드와 열전도도가 유사한 아주 우수한 특성을 지닌 물질이다. 이러한 탄소나노튜브는 탄소나노튜브를 구성하는 육각형 고리의 배치 및 벽의 수에 따라 기계적, 전기적 성질이 다양하며, 이로 인하여 에너지 저장 재료, 분자 전자 재료, 센서 재료, 구조 재료 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 특히 탄소나노튜브를 이용하여 섬유를 제조할 경우 탄소나노튜브의 구조적 특징과 우수한 기계적 물성 때문에 기존의 아라미드 섬유, 초고분자량 폴리에틸렌 섬유, 탄소 섬유 등과 같은 슈퍼 섬유에 비해 훨씬 높은 고강도 및 고탄성을 가질 것으로 기대된다.
탄소나노튜브 섬유(carbon nanotube fiber)를 제조하는 방법으로는 건식 공정(dry process)과 습식 공정(wet process)으로 구분할 수 있다. 그 중 건식 공정은 순수 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 것으로써 실리콘 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시켜 얻은 탄소나노튜브 집합체로부터 섬유를 인출하는 방법으로, 전통적인 방적 공정과 유사하다. 하지만 건식 공정은 탄소나노튜브 집합체의 제조와 대량 생산이 어렵고, 탄소나노튜브 섬유의 기계적 물성 및 생산성이 탄소나노튜브 집합체에 크게 영향을 받는다는 단점이 있다.
습식 공정은 탄소나노튜브 분산체를 이용해 나노복합체를 제조한 후 이를 응고욕에 방사하여 최종 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유를 제조하는 방법이다. 이러한 습식 공정은 다양한 종류의 탄소나노튜브를 전도성 필러로 사용할 수 있으며, 섬유의 기계적 물성이나 생산성이 탄소나노튜브 분산체 및 후공정에 의해 좌우되므로 상업적 측면에서 건식 공정보다 유리하다는 장점이 있다. 이때 전도성을 가지는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유를 습식 공정으로 제조할 경우, 전도성을 위해 탄소나노튜브가 10wt% 이상으로 이루어진 방사 도프(dope)를 사용하여야 한다. 하지만 탄소나노튜브가 10wt% 이상으로 첨가될 경우 방사 도프 내에서 탄소나노튜브의 뭉침으로 인해 도프가 불균일해 진다는 문제점이 있다.
이러한 도프의 불균일한 영역은 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유 제조공정의 연속성을 저해하는 불순물로써 습식 방사를 통해 섬유 방사시 섬유의 끊어짐을 유발하여 공정성을 저하시킨다는 단점이 있다. 따라서 종래에는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유를 단일 가닥으로 방사하여 방사 도프 내 전도성 필러의 뭉침이 다소 있어도 수 미터 정도의 방사는 가능하였다. 하지만 종래의 도프를 이용하여 다섬유의 제조를 위해 여러 가닥으로 섬유를 방사하는 경우 방사되는 노즐 홀의 개수가 증가하면서 전도성 필러의 뭉침에 의해 섬유 방사 중 섬유 가닥이 끊어질 확률이 크게 증가하게 된다. 또한 방사 단계 및 응고 단계를 거치더라도 강도 향상을 위해 필수적으로 행하게 되는 연신 단계에서 지속적인 끊어짐을 유발하여 최종 단계인 와인딩(winding) 단계에 이르지 못하게 된다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1804577호 대한민국특허청 등록특허 제10-1788634호
따라서 본 발명의 목적은, 탄소나노튜브가 저함량이지만 전도성이 우수하며, 탄소나노튜브가 저함량으로 포함되어 뭉침이 적기 때문에 다섬유로 습식방사가 가능한 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한 탄소나노튜브에 비해 고분자의 함량이 높아 연신 단계에서 섬유의 끊어짐이 발생하지 않으며 강도가 향상될 수 있는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
상기한 목적은, 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브를 산처리하여 디번들링(debundling)하는 단계; 디번들링된 상기 탄소나노튜브를 유기용매와 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계; 상기 혼합액에 고분자를 혼합하여 섬유용 조성물을 형성하는 단계;를 포함하여, 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 혼합되어 상기 탄소나노튜브에 의해 전도성을 가지고, 상기 섬유용 조성물 100wt% 중에서 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자가 혼합된 고형분의 함량은 10 내지 25wt%이고, 상기 유기용매는 75 내지 90wt%로 이루어져, 상기 탄소나노튜브가 상기 고분자에 분산되어 습식방사를 통해 상기 탄소나노튜브가 1 내지 10wt%로 포함된 다섬유로 방사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 제조방법에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 디번들링하는 단계는, 상기 탄소나노튜브가 산화되거나 표면에 카본결합이 끊어지지 않도록 산과 질산염을 혼합하여 산처리하며, 상기 산의 양에 따른 상기 탄소나노튜브의 양은 5 내지 100g/L인 것이 바람직하다.
이때, 상기 산은 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 염산(HCl) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산칼슘(Ca(NO3)2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 디번들링하는 단계 이후에, 상기 산 및 상기 질산염을 제거하기 위해 중화 및 세척 과정을 거치며, 상기 디번들링하는 단계는, 임펠러를 이용하여 교반하면서 상기 탄소나노튜브를 디번들링하는 것이 바람직하다.
상기 유기용매는, 상기 고분자가 용해될 수 있는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼합액을 형성하는 단계 이후에, 고압균질 처리를 통해 상기 탄소나노튜브가 풀린상태로 존재하도록 하며, 상기 고분자와 균일하게 혼합되도록 상기 탄소나노튜브가 10 내지 100㎛로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
삭제
상기 고분자는, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 셀룰로오스(cellulose), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 고분자와; 산처리를 통해 디번들링되며 상기 고분자 내에 균일하게 분산된 탄소나노튜브와; 습식방사가 가능하도록 상기 고분자 및 상기 탄소나노튜브와 혼합된 유기용매를 포함하며, 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 이루어지며, 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자의 혼합량은 10 내지 25wt%이고, 상기 유기용매는 75 내지 90wt%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물에 의해서도 달성된다.
본 발명에 따르면, 탄소나노튜브가 저함량이지만 전도성이 우수하며, 탄소나노튜브가 저함량으로 포함되어 뭉침이 적기 때문에 다섬유로 습식방사가 가능한 효과를 얻을 수 있다.
또한 탄소나노튜브에 비해 고분자의 함량이 높아 연신 단계에서 섬유의 끊어짐이 발생하지 않으며 섬유의 강도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 제조방법의 순서도이고,
도 2는 실시예에 따른 탄소나노튜브 산처리 후 제조한 버키페이퍼의 표면 SEM 사진이고,
도 3은 탄소나노튜브 산처리 전, 후 Raman spectra를 나타낸 것이고,
도 4는 고압균질 처리 후 탄소나노튜브와 유기용매 혼합액의 광학현미경 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 및 그 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성은, 고분자와; 산처리를 통해 디번들링되며 상기 고분자 내에 균일하게 분산된 탄소나노튜브와; 습식방사가 가능하도록 상기 고분자 및 상기 탄소나노튜브와 혼합된 유기용매를 포함하며, 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 이루어지며, 최종 섬유용 조성물 내에 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자가 혼합된 고형분 함량은 10 내지 25wt%이고, 상기 유기용매는 75 내지 90wt%로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물 제조방법은 먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브를 산처리하여 디번들링(debundling) 시킨다(S1).
수mm 급 플레이크(flake)로 뭉쳐있는 탄소나노튜브에 인터컬레이션 에이전트(intercalation agent)를 이용한 산처리를 통해 탄소나노튜브를 디번들링(debundling) 시킨다. 이때 산처리를 수행하더라도 탄소나노튜브는 산화되거나 표면에 카본결합이 끊어지지 않는 조건에서 진행한다. 통상 탄소나노튜브는 직경 대비 길이가 길어 서로 뭉친 번들(bundle) 상태로 존재하는데, 번들 상태의 탄소나노튜브는 섬유용 조성물을 제조하는 데 있어 고분자 내에 고르게 분산이 되지 않으며 서로 뭉침으로 인해 방사가 용이하지 못하다는 단점이 있다. 탄소나노튜브가 번들링 된 상태에서 방사를 진행할 경우 단일 노즐을 이용해 수미터급 비교적 짧은 단일 섬유의 제조는 가능하나 연신 과정에서 끊어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한 복수 개의 노즐을 이용하여 다섬유를 제조할 경우에는 탄소나노튜브가 서로 뭉쳐 제대로 방사되지 못하기 때문에 다섬유를 얻을 수 없다. 따라서 탄소나노튜브를 산처리하여 디번들링 시키는 본 단계를 수행해야 한다.
탄소나노튜브의 산처리는 탄소나노튜브에 산(acid)과 질산염(nitrate)을 혼합하여 교반하는 방법으로 진행되며, 이때 임펠러를 이용하여 교반한다. 이때 산처리를 위한 산의 양에 따른 탄소나노튜브의 양은 5 내지 100g/L인 것이 바람직한데, 탄소나노튜브의 양이 5g/L보다 적은 양으로 산처리가 이루어질 경우 산의 양이 많아 산 폐수 양이 증가되는 단점이 있으며 100g/L를 초과할 경우 혼합용액의 농도가 높아 균일한 임펠러 교반이 어려워 일부 탄소나노튜브가 디번들링되지 않고 뭉쳐진 상태로 존재할 수 있다.
이러한 산은 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 염산(HCl) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 바람직하며, 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산칼슘(Ca(NO3)2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택 가능하나 이에 한정되지는 않는다.
산처리는 탄소나노튜브, 질산염 및 산이 혼합된 혼합용액 상태에서 임펠러를 이용하여 교반하면서 처리 하는 것이 바람직하다. 임펠러 교반은 다수의 날개를 가진 임펠러를 고토크 오버헤드 교반기에 장착하여 임펠러가 혼합용액 내부에서 지속적으로 회전하여 탄소나노튜브가 질산염 및 산과 접촉이 용이하도록 한다. 이에 의해 탄소나노튜브가 산처리를 통해 디번들링 되어 혼합용액 내에 고르게 분산된 상태가 된다. 이와 같은 고농도의 탄소나노튜브를 산처리 시 교반 과정은 임펠러 교반이 필수적이다. 탄소나노튜브의 경우 넓은 비표면적에 의해 산과의 혼합용액 농도가 높을수록 그 점도가 증가하게 되는데, 자석(magnetic bar) 교반은 산 혼합용액의 점도가 낮은 경우에만 가능하다.
탄소나노튜브를 산처리하는 종래기술의 경우에는 자석 교반을 이용하며, 고농도의 혼합산(황산 : 질산 = 6 : 4 부피비, 황산 순도 99%, 질산 순도 60%) 1L에 수mm급 플레이크를 포함한 탄소나노튜브를 최대 2g까지 처리할 수 있고, 자석 교반의 한계에 의해 스케일업에 제한이 있었다. 하지만 본 발명의 경우에는 탄소나노튜브의 고농도 산처리가 용이하게 이루어진다.
이때 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브를 적용 가능하나 본 발명에 가장 바람직한 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브이다.
산처리를 통해 디번들링된 탄소나노튜브는 이후에 질산염 및 산을 제거하기 위해 중화 및 세척 과정을 거쳐 순수한 탄소나노튜브 만을 얻는다.
탄소나노튜브를 유기용매와 혼합하여 혼합액을 형성한다(S2).
산처리를 통해 디번들링된 탄소나노튜브를 습식방사가 가능하도록 유기용매와 혼합한 후 수분을 제거하여 탄소나노튜브가 고르게 분산된 혼합액을 형성한다. 탄소나노튜브를 포함하는 섬유를 다섬유로 제조하기 위해서는 습식방사가 이루어져야 하는데, 습식방사를 위해 다섬유용 조성물에 유기용매가 존재하도록 탄소나노튜브를 유기용매와 혼합하는 과정을 거친다. 이때 유기용매는 탄소나노튜브의 분산이 가능한 용매로, 고체인 고분자의 용해 또한 가능해야 한다.
이와 같은 조성물에 사용될 수 있는 유기용매는 다양한 섬유 고분자에 용해도를 갖는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택 가능하나 전기전도도 및 용해도를 고려하여 가장 바람직한 유기용매는 디메틸아세트아마이드이다.
이와 같이 탄소나노튜브와 유기용매가 혼합된 혼합물에 고분자를 첨가하기 전 고압균질 처리 단계를 더 수행할 수도 있다. 고압균질 처리는 탄소나노튜브가 유기용매와 혼합을 위해 교반되는 과정에서 뭉침이 일어나지 않고 탄소나노튜브가 풀린상태로 존재하도록 하며, 이후에 고분자와 균일하게 혼합되도록 처리하는 단계에 해당한다. 이러한 고압균질 처리를 통해 탄소나노튜브는 10 내지 100㎛ 수준의 길이를 가지는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
혼합액에 고분자를 혼합하여 섬유용 조성물을 형성한다(S3).
탄소나노튜브와 유기용매로 이루어진 혼합액에 고분자를 혼합하여 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유용 조성물을 형성한다. 조성물을 통하여 제조되는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 섬유는 탄소나노튜브를 1 내지 10wt%를 포함하고, 잔부는 고분자로 이루어지도록 중량비를 조절하여 혼합액과 혼합되도록 한다. 더 바람직하게 탄소나노튜브는 1 내지 5wt%가 포함되도록 고분자가 혼합될 수도 있다. 즉 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 혼합되며, 바람직하게는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 5 : 95 내지 99 중량비로 혼합될 수 있다.
또한 섬유용 조성물에서 고형분에 해당하는 탄소나노튜브와 고분자의 혼합량은 섬유용 조성물 전체 100wt% 중 10 내지 25wt%로 이루어지고, 이에 맞춰 유기용매는 75 내지 90wt%로 이루어지는 것이 바람직하다. 이때 고분자는 순수한 고분자 용액을 만들어 탄소나노튜브 혼합액과 혼합하게 된다. 일부 섬유 고분자의 경우 고분자의 화학적 구조에 의해 유기용매에 용해시 고분자의 분자들끼리 서로 코일링(coiling)되면서 피지컬젤(physical gel)이 형성되기도 한다. 피지컬젤은 한번 형성되면 다시 풀리지 않고 섬유용 조성물 내에서 점도를 증가시켜 섬유 방사단계 및 연신단계에서 분자의 정렬(alignment)를 방해하여 섬유의 기계적 강도를 저하시키고, 방사 공정성에 악영향을 주게 된다. 또한 피지컬젤이 형성된 조성물은 탄소나노튜브의 분산이 용이하지 않아 탄소나노튜브의 재응집이 일어나게 된다. 최종 섬유용 조성물인 방사 도프에서 유기용매의 양이 90wt%를 초과할 경우 방사 도프 1kg으로 제조할 수 있는 섬유의 양이 0.1kg임을 의미하는 것으로 생산성이 줄어드는 문제가 있고, 그만큼 탄소나노튜브 및 고분자의 양이 적어 섬유 응고 단계에서 빠져나와야 하는 용매량이 증가하여 다공성 섬유가 형성되기 쉬워 강도가 높은 섬유를 제조하지 못한다는 단점이 있다.
이러한 섬유용 조성물에 혼합되는 고분자의 종류는 의류용 섬유 고분자인 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 셀룰로오스(cellulose), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택 가능하나 가장 바람직한 고분자는 폴리아크릴로니트릴이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 설명한다.
<실시예>
순도 60% 질산(HNO3) 400ml에 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, OCSiAl, Tuball) 10g을 넣고, 오버헤드 교반기에 테플론 소재의 블레이드를 이용해 70rpm으로 임펠러 교반하면서 20분 동안 초음파 처리한다. 여기에 질산칼륨(KNO3) 100g을 녹인 황산(H2SO4) 600ml를 얼음수조 환경에서 혼합한다. 황산 투입이 끝나면 60℃의 오일배스(oil bath)에서 15시간 동안 80rpm으로 교반한다. 이와 같이 탄소나노튜브에 산처리를 하면 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 상태의 탄소나노튜브를 얻을 수 있다. 도 2는 탄소나노튜브의 산처리 후 제조한 버키페이퍼 표면 SEM 사진이고, 이때 전도성 필러의 전기전도도는 2,000S/cm에 이른다. 도 3은 탄소나노튜브 산처리 전, 후 Raman spectra를 나타낸 것으로 산처리 전, 후에 탄소나노튜브가 손상되거나 형태가 변하지 않고 디번들링 된 것을 확인할 수 있다.
교반이 끝나면 SWCNT 혼합산 용액을 상온으로 식힌 후 증류수 8L에 천천히 넣어 중화시킨다. 이후 8,000rpm에서 30분간 원심분리 후 상등액의 pH가 3.0 이상이 될 때까지 증류수를 이용해 산을 세척해준다. 원심분리 후 침전물을 수거해 전도성 필러로 사용하게 된다.
수계 SWCNT 침전물을 방사도프에 사용할 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc) 유기용매와 섞은 후 회전증발기(rotary evaporator)를 이용해 물을 제거해준다. 유기용매로 용매를 전환 후 1 내지 10g/L의 농도를 갖는 SWCNT/DMAc 용액을 GEA Niro Soavi 고압균질기(high pressure homogenizer, PANDAPLUS 2000)를 이용해 300 내지 600bar에서 1회 처리해준다. 도 4는 고압균질 처리 후 탄소나노튜브와 유기용매 혼합액의 광학현미경 사진으로 탄소나노튜브가 유기용매 내에 분산된 것을 확인할 수 있다.
고압균질 처리된 SWCNT/DMAc 용액을 미리 준비해둔 15wt%의 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 용액과 혼합해 준다. 이때 SWCNT/PAN 용액의 중량비는 SWCNT : PAN = 3 : 97이 되도록 한다. 이후 SWCNT/PAN/DMAc 혼합용액을 회전증발기를 이용해 고형분(=(SWCNT+PAN)/(SWCNT+PAN+DMAc)) 함량이 18.5wt%가 될 때까지 DMAc를 증발시킨다. 회전증발 완료 후 수거된 나노복합 전도성 방사도프는 페이스트 믹서를 이용해 혼합(mix) 및 탈포(deform) 후 사용한다.
<비교예>
실시예와 동일하나 고압균질기를 이용하여 고압균질 처리를 수행하지 않는다.
이러한 실시예 및 비교예를 통해 제조된 나노복합 탄소나노튜브 전도성 섬유의 물성은 표 1을 통해 확인할 수 있다.
실시예 비교예
섬도(den=g/9000m) ~180 ~200
전기전도도(S/cm) 3.3 0.1
인장강도(g/den) 2.38 1.20
파단신율(%) 5.59 1.84
표 1을 통해 알 수 있듯이 고압균질 처리를 할 경우 성능이 우수한 나노복합 탄소나노튜브 전도성 섬유를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 전도성 탄소나노튜브 섬유용 조성물을 이용하여 섬유를 제조할 경우, 탄소나노튜브가 서로 뭉친 상태가 아닌 고르게 분산된 상태로 존재하기 때문에 습식방사를 이용하여 한 번에 다섬유로 방사 가능하다. 또한 탄소나노튜브가 저함량으로 포함되더라도 전도성이 우수하며, 탄소나노튜브에 비해 고분자의 함량이 높기 때문에 연신 단계에서도 섬유의 끊어짐이 발생하지 않으며 이를 통해 연속 다섬유를 제조할 수 있고 제조된 섬유의 강도가 매우 높다는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법에 있어서,
    탄소나노튜브를 산처리하여 디번들링(debundling)하는 단계;
    디번들링된 상기 탄소나노튜브를 유기용매와 혼합하여 혼합액을 형성하는 단계;
    상기 혼합액에 고분자를 혼합하여 섬유용 조성물을 형성하는 단계;를 포함하여,
    상기 탄소나노튜브와 상기 고분자는 탄소나노튜브 : 고분자 = 1 내지 10 : 90 내지 99 중량비로 혼합되어 상기 탄소나노튜브에 의해 전도성을 가지고,
    상기 섬유용 조성물 100wt% 중에서 상기 탄소나노튜브와 상기 고분자가 혼합된 고형분의 함량은 10 내지 25wt%이고, 상기 유기용매는 75 내지 90wt%로 이루어져, 상기 탄소나노튜브가 상기 고분자에 분산되어 습식방사를 통해 상기 탄소나노튜브가 1 내지 10wt%로 포함된 다섬유로 방사되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 디번들링하는 단계는,
    상기 탄소나노튜브가 산화되거나 표면에 카본결합이 끊어지지 않도록 산과 질산염을 혼합하여 산처리하며, 상기 산의 양에 따른 상기 탄소나노튜브의 양은 5 내지 100g/L인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산은 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 염산(HCl) 및 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
    상기 질산염은 질산나트륨(NaNO3), 질산칼륨(KNO3), 질산칼슘(Ca(NO3)2) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 디번들링하는 단계 이후에,
    상기 산 및 상기 질산염을 제거하기 위해 중화 및 세척 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 디번들링하는 단계는,
    임펠러를 이용하여 교반하면서 상기 탄소나노튜브를 디번들링하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기용매는, 상기 고분자에 용해도를 갖는 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아마이드(dimethylacetamide, DMAc) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합액을 형성하는 단계 이후에,
    고압균질 처리를 통해 상기 탄소나노튜브가 풀린상태로 존재하도록 하며, 상기 고분자와 균일하게 혼합되도록 상기 탄소나노튜브가 10 내지 100㎛로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자는, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate, PVA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 셀룰로오스(cellulose), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유의 제조방법.
  10. 제 1항 내지 제 7항, 제 9항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 나노복합 전도성 다섬유.
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