KR102611275B1 - High toughness based hierarchical porous structures and the manufacturing method of the same - Google Patents
High toughness based hierarchical porous structures and the manufacturing method of the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102611275B1 KR102611275B1 KR1020210052330A KR20210052330A KR102611275B1 KR 102611275 B1 KR102611275 B1 KR 102611275B1 KR 1020210052330 A KR1020210052330 A KR 1020210052330A KR 20210052330 A KR20210052330 A KR 20210052330A KR 102611275 B1 KR102611275 B1 KR 102611275B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- pore structure
- pores
- toughness
- reaction
- size
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 94
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 39
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 11
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 7
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 6
- 239000002149 hierarchical pore Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 51
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 26
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 20
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 14
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- AMQJEAYHLZJPGS-UHFFFAOYSA-N N-Pentanol Chemical group CCCCCO AMQJEAYHLZJPGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 4
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 4
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 4
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 4
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 4
- QPRQEDXDYOZYLA-UHFFFAOYSA-N 2-methylbutan-1-ol Chemical compound CCC(C)CO QPRQEDXDYOZYLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N Ethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1 YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N Hydrazine Chemical compound NN OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- PHTQWCKDNZKARW-UHFFFAOYSA-N isoamylol Chemical compound CC(C)CCO PHTQWCKDNZKARW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BFXIKLCIZHOAAZ-UHFFFAOYSA-N methyltrimethoxysilane Chemical compound CO[Si](C)(OC)OC BFXIKLCIZHOAAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- JYVLIDXNZAXMDK-UHFFFAOYSA-N pentan-2-ol Chemical compound CCCC(C)O JYVLIDXNZAXMDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AQIXEPGDORPWBJ-UHFFFAOYSA-N pentan-3-ol Chemical compound CCC(O)CC AQIXEPGDORPWBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 229920002959 polymer blend Polymers 0.000 description 2
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 description 2
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 description 2
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N tetramethyl orthosilicate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)OC LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N triethoxysilane Chemical compound CCO[SiH](OCC)OCC QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000011380 COVID-19–associated multisystem inflammatory syndrome in children Diseases 0.000 description 1
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006750 UV protection Effects 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- KPSSIOMAKSHJJG-UHFFFAOYSA-N neopentyl alcohol Chemical compound CC(C)(C)CO KPSSIOMAKSHJJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000002319 photoionisation mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019795 sodium metasilicate Nutrition 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 239000002993 sponge (artificial) Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 229920003169 water-soluble polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
- C04B38/007—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore distribution, e.g. inhomogeneous distribution of pores
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
- C04B38/0003—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof containing continuous channels, e.g. of the "dead-end" type or obtained by pushing bars in the green ceramic product
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
- C04B38/0045—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by a process involving the formation of a sol or a gel, e.g. sol-gel or precipitation processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
- C04B38/0051—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
Abstract
본 발명은 고인성 기반의 계층화 기공 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 차원 성장 제어를 통해 기계적 물성이 튜너블(Tunable)하게 조절될 수 있어 물성이 향상되는 효과를 가지며, 음의 푸아송 비(Negarive Poisson's ratio)를 가짐으로써 외부에서 가해지는 에너지의 흡수를 통해 탄성 계수가 높고, 변형 에너지 또한 잘 흡수할 수 있는 기계적으로 안정한 기공구조를 형성하여 높은 기계적 특성과 피로도를 개선하는 구조로 적용이 가능하다. 본 발명의 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법을 통해 기계적으로 안정하고 오제틱(auxetic) 구조의 도입을 통해 고인성의 특성을 나타내는 계층화 기공 구조체를 제공할 수 있다.The present invention relates to a high-toughness-based layered pore structure and a method of manufacturing the same. The mechanical properties can be tunably adjusted through dimensional growth control, which has the effect of improving the physical properties, and has the effect of improving the physical properties, with a negative Poisson's ratio ( By having a Negarive Poisson's ratio, it has a high elastic modulus through the absorption of energy applied from the outside, and can be applied as a structure that improves high mechanical properties and fatigue by forming a mechanically stable pore structure that can also absorb strain energy well. do. Through the manufacturing method of the high toughness-based layered pore structure of the present invention, it is possible to provide a layered pore structure that is mechanically stable and exhibits high toughness characteristics through the introduction of an auxetic structure.
Description
본 발명은 고인성 기반의 계층화 기공 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 저차원으로의 구성 소재 성장을 통해 오제틱(auxetic) 특성을 갖는 고인성 기반의 계층화 기공 구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-toughness-based layered pore structure and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a high-toughness-based layered pore structure having auxetic properties through growth of constituent materials in low dimensions and a manufacturing method thereof.
기공 구조체는 촉매 및 촉매담체, 필터, 분리/투과막, 흡착재, 구조체 등 다양한 응용분야에서 활용이 가능하며, 기공 구조체의 형상제어 및 기공구조의 제어는 이의 특성을 증대하는데 있어 중요한 역할을 한다. Pore structures can be used in various application fields such as catalysts and catalyst carriers, filters, separation/permeation membranes, adsorbents, and structures, and control of the shape and pore structure of the pore structure plays an important role in increasing its properties.
한편, 해면동물(sea sponge)류에서 발견되는 스피큘(spicule) 구조는 세라믹 성분으로 구성되었음에도 기계적 강도와 인성이 높은 물질로 알려져 있다. 이와 더불어, 무수히 많은 미세 기공조직을 가지면서도 인조 스펀지의 3배 이상 강한 기계적 강도와 함께 높은 마찰 저항력과 탄력성을 가지고 있는 이상적인 다공성 고강도 계층화 기공구조로 알려져 있다. Meanwhile, the spicule structure found in sea sponges is known to be a material with high mechanical strength and toughness even though it is composed of ceramic components. In addition, it is known as an ideal porous, high-strength layered pore structure that has countless fine pore structures and has a mechanical strength three times stronger than that of an artificial sponge, as well as high friction resistance and elasticity.
계층화 기공구조는 마크로(macro-), 마이크로(micro-), 나노스케일(nano-scale)의 3차원 구조를 계층적으로 형성하고 이러한 계층 구조가 모여 하나의 생물학적 구조체를 형성한다. 이 구조는 대부분 무기성분으로 구성되었으며 높은 기계적 안정성을 가지는 특성으로 인해 ‘깨지지 않는 유리’의 개발 소재로 주목을 받고 있다. The layered pore structure forms a hierarchical three-dimensional structure of macro-, micro-, and nano-scale, and these hierarchical structures come together to form one biological structure. This structure is composed mostly of inorganic components, and is attracting attention as a material for the development of ‘unbreakable glass’ due to its characteristics of high mechanical stability.
하지만 일반적으로 기공률이 증가할수록 기계적 취성(mechanical brittleness)이 급격하게 증가하여 다양한 응용분야의 적용에 제약이 따른다. 이러한 기계적 취성의 급격한 증가를 극복하기 위해 다양한 복합화에 대한 기술개발이 시도되고 있지만 아직까지 응용화할 수 있는 실질적인 구조 및 합성기술이 확보되지 않았다.However, in general, as porosity increases, mechanical brittleness increases rapidly, which limits its application in various application fields. To overcome this rapid increase in mechanical brittleness, attempts are being made to develop various composite technologies, but practical structures and synthesis technologies that can be applied have not yet been secured.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하는 것으로, 기공률의 증가에 따른 기계적 강도의 저하를 해결할 수 있는 기계적으로 안정한 오제틱(auxetic) 구조의 도입을 통해 고인성의 특성을 나타내는 계층화 기공 구조체를 제공하는 데 있다. The purpose of the present invention is to solve the conventional problems, and to provide a layered pore structure that exhibits high toughness characteristics through the introduction of a mechanically stable auxetic structure that can solve the decrease in mechanical strength due to an increase in porosity. It is there.
본 발명의 또 다른 목적은 고인성의 계층화 기공 구조체의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a layered pore structure with high toughness.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above objectives,
본 발명은 나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상과 마크로(Macro) 기공이 상호연결되어 계층적 기공구조를 형성하고,In the present invention, one or more of nano pores or micro pores and macro pores are interconnected to form a hierarchical pore structure,
뼈대 구조로서 마크로(Macro) 기공 구조체가 형성되고,A macro pore structure is formed as a framework structure,
계층구조의 뼈대 구조로서 나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상이 오제틱(auxetic) 구조의 기공 구조체로 형성된, It is a hierarchical framework structure in which at least one of nano pores or micro pores is formed as an auxetic pore structure,
고인성 기반의 계층화 기공 구조체를 제공한다.Provides a layered pore structure based on high toughness.
상기 나노 기공은 1 내지 100 nm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The nanopores are preferably 1 to 100 nm in size.
상기 마이크로 기공은 0.1 내지 1 μm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The micro pores are preferably 0.1 to 1 μm in size.
상기 마크로 기공은 1 내지 100 μm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The macro pores are preferably pores with a size of 1 to 100 μm.
상기 계층구조의 뼈대 구조는 오제틱(auxetic) 구조로서, 열린 기공(open pore)을 가지면서 기공의 안쪽으로 휘어져 들어간 형태의 미세구조를 갖도록 오거닉 링커(organic linker)로 교차(cross-link) 결합된 것이 바람직하다.The framework structure of the hierarchical structure is an auxetic structure, and is cross-linked with an organic linker to have an open pore and a microstructure curved inward of the pore. It is preferable that they are combined.
또한, i) 고분자 템플레이트 용액을 제조하는 단계;Additionally, i) preparing a polymer template solution;
ii) 전구체 용액을 제조하는 단계;ii) preparing a precursor solution;
iii) 상기 고분자 템플레이트 용액에 전구체 용액을 혼합 및 반응시키는 단계; iii) mixing and reacting the precursor solution with the polymer template solution;
iv) 상기 단계 iii)에서 혼합된 용액을 소수성 용액에 침적하여 졸-겔 반응시켜 뼈대 구조를 형성하는 단계; 및iv) depositing the solution mixed in step iii) into a hydrophobic solution and performing a sol-gel reaction to form a framework structure; and
v) 상기 뼈대 구조를 70 내지 90℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하고, 세척 및 건조시키는 단계;를 포함하는 제1항의 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법을 제공한다.v) heat treating the framework structure at a temperature of 70 to 90°C for 1 to 5 hours, washing and drying; providing a method for manufacturing the high toughness-based layered pore structure of claim 1, comprising the steps:
상기 단계 iii)의 고분자 템플레이트 용액 및 전구체 용액의 혼합액은 상분법을 이용하여 물방울 형태로 에멀젼화하는 것이 바람직하다.The mixture of the polymer template solution and the precursor solution in step iii) is preferably emulsified in the form of water droplets using a phase separation method.
상기 단계 iii)의 반응은 실리카 전구체, 알코올 용매, 물 및 염기 촉매를 통해 가수분해시키는 것이 바람직하다.The reaction in step iii) is preferably hydrolyzed using a silica precursor, alcohol solvent, water, and a base catalyst.
상기 단계 v)의 건조는 진공 하에서 50 내지 80℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.The drying in step v) is preferably carried out under vacuum at a temperature of 50 to 80°C.
삭제delete
아울러, 상기의 제조방법으로 제조된 고인성 기반의 계층화 기공 구조체를 제공한다.In addition, a high-toughness-based layered pore structure manufactured by the above manufacturing method is provided.
본 발명의 고인성 기반의 계층화 기공 구조체는 차원 성장 제어를 통해 기계적 물성이 튜너블(Tunable)하게 조절될 수 있어 물성이 향상되는 효과를 가질 수 있다.The high toughness-based layered pore structure of the present invention can have tunable mechanical properties through dimensional growth control, thereby improving the physical properties.
또한, 음의 푸아송 비(Negarive Poisson's ratio)를 가짐으로써 외부에서 가해지는 에너지의 흡수를 통해 탄성 계수가 높고, 변형 에너지 또한 잘 흡수할 수 있는 기계적으로 안정한 기공구조를 형성하여 높은 기계적 특성과 피로도를 개선하는 구조로 적용이 가능하다. In addition, by having a negative Poisson's ratio, the elastic modulus is high through the absorption of energy applied from the outside, and a mechanically stable pore structure is formed that can well absorb strain energy, resulting in high mechanical properties and fatigue resistance. It can be applied as a structure to improve.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 SEM 분석 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 FT-IR 분석 사진이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 길이와 직경변화에 대한 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 비표면적과 기공크기 분포에 대한 데이터이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노섬유의 온도와 시간에 따른 길이 직경 변화에 대한 SEM 분석 사진이다.Figure 1 is a SEM analysis photo of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a photograph of FT-IR analysis of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows data on changes in length and diameter of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows data on the specific surface area and pore size distribution of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a SEM analysis photo of the change in length and diameter over time and temperature of nanofibers according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. .
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "함유하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise,” “contain,” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, or a combination thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or It should be understood that this does not preclude the existence or addition of other features, numbers, steps, operations, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.
본 발명은 고인성 기반의 계층화 기공 구조체를 제공한다.The present invention provides a layered pore structure based on high toughness.
본 발명에 따른 고인성 기반의 계층화 기공 구조체는 나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상과 마크로(Macro) 기공이 상호연결되어 계층적 기공구조를 형성하고,In the high-toughness-based layered pore structure according to the present invention, one or more of nano pores or micro pores and macro pores are interconnected to form a hierarchical pore structure,
뼈대 구조로서 마크로(Macro) 기공 구조체가 형성되고,A macro pore structure is formed as a framework structure,
계층구조의 뼈대 구조로서 나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상이 오제틱(auxetic) 구조의 기공 구조체로 형성된다.As a hierarchical framework structure, at least one of nano pores or micro pores is formed as an auxetic pore structure.
상기 나노 기공은 1 내지 100 nm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The nanopores are preferably 1 to 100 nm in size.
상기 마이크로 기공은 0.1 내지 1 μm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The micro pores are preferably 0.1 to 1 μm in size.
상기 마크로 기공은 1 내지 100 μm 사이즈의 기공인 것이 바람직하다.The macro pores are preferably pores with a size of 1 to 100 μm.
상기 마크로 기공의 경우 다양한 기공 구조의 모양과 스케일의 변화를 통해 기계적 물성을 튜너블(tunable)하게 조절할 수 있다.In the case of the macro pores, mechanical properties can be tunably adjusted through changes in the shape and scale of various pore structures.
상기 계층구조의 뼈대 구조는 오제틱(auxetic) 구조로서, 열린 기공(open pore)을 가지면서 기공의 안쪽으로 휘어져 들어간 형태의 미세구조를 갖도록 오거닉 링커(organic linker)로 교차(cross-link) 결합된 것이 바람직하다.The framework structure of the hierarchical structure is an auxetic structure, and is cross-linked with an organic linker to have an open pore and a microstructure curved inward of the pore. It is preferable that they are combined.
계층구조는 기공의 크기, 모양, 분포 등에 따라 기계적 강도가 조절되며, 상기 오거닉 링커(organic linker)의 반응기 위치 및 종류를 조절하여 기공 구조와 기계적 특성을 조절할 수 있다.The hierarchical structure has mechanical strength adjusted according to the size, shape, and distribution of pores, and the pore structure and mechanical properties can be adjusted by adjusting the location and type of the reactor of the organic linker.
상기 오제틱(auxetic) 구조는 음의 푸아송 비(Negative Poisson’ratio)를 가질 수 있는데, 푸아송 비(υ)는 체적탄성계수(bulk modulus, B)와 전단탄성률(shear modulus, G)에 의해서 결정이 된다. 만약 B/G >>1 라면, υ→0.5의 값을 갖고 고무(rubbery), 비압축(incompressive) 특성을 나타낸다. B/G <<1 라면, υ→-1의 값을 갖기 때문에 오제틱 특성, 즉 우수한 압축 특성(highly compressive)을 가진다. 음의 푸아송 비를 갖는 구조 중 푸아송 비가 -1에 가까워질수록 강도(stiffness)는 감소하지만 파괴 인성과 에너지 흡수력은 향상된다. The auxetic structure may have a negative Poisson'ratio, where Poisson's ratio (υ) is determined by the bulk modulus (B) and shear modulus (G). It is decided by If B/G >>1, it has a value of υ→0.5 and exhibits rubbery and incompressive characteristics. If B/G <<1, it has the value υ→-1, so it has augetic properties, that is, it has excellent compression properties (highly compressive). Among structures with a negative Poisson's ratio, as the Poisson's ratio approaches -1, the stiffness decreases, but fracture toughness and energy absorption improve.
대부분의 일반 재료는 인장실험을 할 때 단면이 얇아지므로 푸아송 비는 양의 값을 가지고, 이는 원자간 결합이 변형으로 재조정되기 때문으로 알려져 있다. For most general materials, the cross section becomes thinner during a tensile test, so Poisson's ratio has a positive value, and this is known to be because the bonds between atoms are readjusted by strain.
하지만 음의 푸아송 비를 갖는 구조의 경우 기존의 재료와 다르게 인장 실험 시 단면이 두꺼워지고 압축 시 단면의 부피가 오히려 줄어드는 특성을 나타낸다. 이러한 음의 푸아송 비는 소재 및 조성에 의해 발현되는 특성이 아닌 재료의 구조적 특성에 의해 발현되는 성질이다. However, in the case of a structure with a negative Poisson's ratio, unlike existing materials, the cross-section becomes thicker during tensile testing and the cross-sectional volume decreases during compression. This negative Poisson's ratio is a property expressed by the structural characteristics of the material, not a characteristic expressed by the material and composition.
상기 고인성 기반의 계층화 기공 구조체는 오제틱(auxetic) 구조 외에, 수평, 수직 또는 사선 방향으로 일정하게 배치 또는 나열되는 구조, 오목(re-entrant), 카랄(chiral), 회전(rotation) 구조 등 음의 푸아송비(Negative Poisson’ratio)를 갖는 모든 구조체를 포함할 수 있으며, 이로 인해 외부 하중으로 인가된 인장에 대해 직교하는 수평방향으로 팽창하고 압축에 대해서는 수축하는 고인성의 특성을 구현한다.In addition to the auxetic structure, the high-toughness-based layered pore structure has a structure that is arranged or arranged in a horizontal, vertical, or diagonal direction, a re-entrant structure, a chiral structure, a rotation structure, etc. It can include all structures with a negative Poisson's ratio, and as a result, it expands in the horizontal direction orthogonal to tension applied as an external load and contracts in response to compression, thereby realizing high toughness characteristics.
본 발명은 기공 구조에서 발현되는 기공률의 증가에 따른 기계적 강도의 저하 문제를 해결하고자 기계적으로 안정하고 고인성의 특성을 나타내는 오제틱(auxetic) 구조로의 나노, 마이크로 기공 구조의 도입 및 다양한 모양과 스케일의 마크로 기공 구조의 도입을 통해 계층화 기공구조를 형성한다.The present invention introduces nano- and micro-pore structures into an auxetic structure that is mechanically stable and exhibits high toughness characteristics and various shapes and scales in order to solve the problem of lowering mechanical strength due to an increase in porosity expressed in the pore structure. A layered pore structure is formed through the introduction of a macro pore structure.
본 발명에 따른 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법은 i) 고분자 템플레이트 용액을 제조하는 단계;The method for manufacturing a high-toughness-based layered pore structure according to the present invention includes the steps of i) preparing a polymer template solution;
ii) 전구체 용액을 제조하는 단계;ii) preparing a precursor solution;
iii) 상기 고분자 템플레이트 용액에 전구체 용액을 혼합 및 반응시키는 단계; iii) mixing and reacting the precursor solution with the polymer template solution;
iv) 상기 단계 iii)에서 혼합된 용액을 소수성 용액에 침적하여 졸-겔 반응시켜 뼈대 구조를 형성하는 단계; 및iv) depositing the solution mixed in step iii) into a hydrophobic solution and performing a sol-gel reaction to form a framework structure; and
v) 상기 뼈대 구조를 70 내지 90℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하고, 세척 및 건조시키는 단계;를 포함한다.v) heat treating the framework structure at a temperature of 70 to 90° C. for 1 to 5 hours, washing and drying.
상기 단계 iii)의 고분자 템플레이트 용액 및 전구체 용액의 혼합액은 상분법을 이용하여 물방울 형태로 에멀젼화하는 것이 바람직하다.The mixture of the polymer template solution and the precursor solution in step iii) is preferably emulsified in the form of water droplets using a phase separation method.
상기 단계 i)의 고분자 템플레이트 용액은 고분자 수지 및 용매를 혼합하여 제조할 수 있다.The polymer template solution of step i) can be prepared by mixing a polymer resin and a solvent.
상기 고분자는 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethylmetaacrylate, PMMA), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리비닐아세테이트(Poly Vinyl Acetate, PVAc), 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF)으로 이루어지는 수용성 중합체 기반의 고분자 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.The polymers include polyvinylpyrrolidone (PVP), polymethylmetaacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl acetate (PVAc), and polyvinyl alcohol. , PVA), polystyrene (PS), polyacrylonitrile (PAN), and polyvinylidene fluoride (PVDF). It may be any one or more selected from the group of water-soluble polymer-based polymers.
상기 고분자는 낮은 표면 에너지, 내구성, 열 안정성, UV 저항, 높은 가스 투과성, 소수성, 무독성 및 가연성의 특성을 가진다. The polymer has the properties of low surface energy, durability, thermal stability, UV resistance, high gas permeability, hydrophobicity, non-toxicity and flammability.
상기 용매는 1-펜타놀(1-pentanol), 2-펜타놀(2-pentanol), 3-펜타놀(3-pentanol), 2-메틸-1-부타놀 (2-methyl-1-butanol), 3-메틸-1-부타놀 (3-methyl-1-butanol), 에탄올 (ethanol), 메탄올 (methanol), 2,2-디메틸프로파놀(2,2-dimethylpropanol) 및 아이소프로판올 (iso-propanol)으로 이루어지는 소수성 용매군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.The solvent is 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, and 2-methyl-1-butanol. , 3-methyl-1-butanol, ethanol, methanol, 2,2-dimethylpropanol and isopropanol ) may be any one or more selected from the group of hydrophobic solvents consisting of
상기 고분자 템플레이트 용액 100중량부에 있어서, 고분자 수지 10중량부 내지 30중량부 및 용매 70중량부 내지 95중량부인 것이 바람직하다.For 100 parts by weight of the polymer template solution, it is preferable that the polymer resin is 10 to 30 parts by weight and the solvent is 70 to 95 parts by weight.
상기 고분자 수지가 상기의 범위를 초과할 경우 고분자의 응집에 의한 분산성 저하와 같은 문제점이 발생할 수 있으며, 상기의 범위를 미달할 경우 성장 방향 조절의 어려움과 같은 문제점이 발생할 수 있다.If the polymer resin exceeds the above range, problems such as lowering of dispersibility due to polymer aggregation may occur, and if the polymer resin falls below the above range, problems such as difficulty in controlling the growth direction may occur.
상기 용매가 상기의 범위를 초과할 경우 분산성 저하와 같은 문제점이 발생할 수 있다.If the solvent exceeds the above range, problems such as reduced dispersibility may occur.
상기 단계 ii)에서 전구체 용액은 실리카 전구체, 에탄올(Ethanol), 물(DI water), 시트르산나트륨 및 촉매로 구성될 수 있다. In step ii), the precursor solution may be composed of a silica precursor, ethanol, water (DI water), sodium citrate, and a catalyst.
상기 실리카 전구체는 테트라에톡시오르토실란(Tetra Ethyl Ortho Silicate, TEOS), 테트라메틸 오르토실리케이트(Tetramethyl orthosilicate, TMOS), 트리에톡시실란 (Triethoxysilane, TriEOS), 메틸트라이메톡시실란 (Methyltrimethoxysilane, MTMS), 및 규산 나트륨 (Sodium Metasilicate) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The silica precursor includes Tetra Ethyl Ortho Silicate (TEOS), Tetramethyl orthosilicate (TMOS), Triethoxysilane (TriEOS), Methyltrimethoxysilane (MTMS), and sodium silicate (Sodium Metasilicate).
상기 촉매는 암모니아 (ammonia), 암모니아수, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 및 하이드라진으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The catalyst is preferably at least one selected from the group consisting of ammonia, ammonia water, sodium hydroxide, potassium hydroxide, and hydrazine.
상기 단계 iv)의 소수성 용액은 헥세인 (Hexane), 헵테인 (Heptane), 사이클로헥세인 (Cyclohexane), 자일렌 (Xylene), 벤젠 (Benzene), 에틸벤젠 (Ethylbenzene) 및 톨루엔 (Toluene)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The hydrophobic solution in step iv) consists of hexane, heptane, cyclohexane, xylene, benzene, ethylbenzene, and toluene. It is preferable that it is at least one selected from the group.
상기 단계 iv)의 소수성 용액은 단계 iii)에서 혼합된 용액 100중량부에 있어서, 10 내지 20중량부인 것이 바람직하다. The hydrophobic solution in step iv) is preferably 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the solution mixed in step iii).
상기 소수성 용액이 상기 범위를 초과할 경우 입자 표면 반응기 주변의 소수성에 의한 입자성장 저하 또는 구형의 입자 형성과 같은 문제점이 발생할 수 있고, 상기 범위를 미달할 경우 시트형태의 입자 형성과 같은 성장 및 방향 조절의 어려움과 같은 문제점이 발생할 수 있다. If the hydrophobic solution exceeds the above range, problems such as reduced particle growth or formation of spherical particles may occur due to hydrophobicity around the particle surface reactor, and if the hydrophobic solution falls below the above range, growth and direction such as sheet-shaped particle formation may occur. Problems such as difficulty in control may occur.
상기의 졸-겔(sol-gel)법을 기반으로 형성되고, 연속적 다차원을 갖는 상분법으로 두 가지 이상의 스케일의 기공 구조를 포함할 수 있다.It is formed based on the sol-gel method described above, and may include pore structures of two or more scales through a continuous multi-dimensional phase separation method.
또한, 나노, 마이크로, 메조 스케일의 기공과 마크로 스케일의 기공이 혼합되어 형성된 복합 기공 구조에서 각 스케일의 기공 구조를 크기, 형태, 배열 등을 조절하여 원하는 기공 구조의 계층 기공 구조를 형성할 수 있다.In addition, in a composite pore structure formed by mixing nano-, micro-, and meso-scale pores and macro-scale pores, the size, shape, and arrangement of the pore structures at each scale can be adjusted to form a hierarchical pore structure of the desired pore structure. .
상기 상분법은 유기 또는 무기 전구체를 사용하여 블록 공중합체 기반의 미세 상분리(Pilymerization Induced Microphase Separation, PIMS) 공정을 포함하며, 초미세 나노구조 및 다공성 고분자 물질이 형성되도록 한다.The phase separation method includes a block copolymer-based microphase separation (Pilymerization Induced Microphase Separation, PIMS) process using organic or inorganic precursors, and allows the formation of ultrafine nanostructures and porous polymer materials.
섞이지 않는 두 가지 용매를 기반으로 각각 친수 또는 소수화 반응을 통해 상분리를 일으키며, 용매, 전구체의 양에 따라 기공의 크기가 조절되고 계면활성제의 사용으로 더 작은 기공 구조의 형성이 가능하다.Based on two immiscible solvents, phase separation occurs through hydrophilic or hydrophobic reactions, respectively. The size of the pores is adjusted depending on the amount of solvent and precursor, and the use of surfactants allows the formation of smaller pore structures.
특히, 두 반응 중 화학식각 또는 용매화가 가능한 도메인의 형성을 통해 마크로 기공을 형성하고, 이렇게 형성된 마크로 기공은 연속적인 열린 기공을 형성하며 내부에 나노 기공이 형성되어 두 가지 서로 다른 스케일의 기공 구조를 보유하게 된다.In particular, during the two reactions, macropores are formed through the formation of domains capable of chemical etching or solvation, and the macropores thus formed form continuous open pores, and nanopores are formed inside, creating pore structures of two different scales. It will be held.
이렇게 형성된 기공 구조는 기본적인 오제틱(auxetic) 구조의 특성인 팽창성 구조를 통해 고인성의 특성을 가지며, 계층화 조절을 통해 뻣뻣한(stiff) 특성에서부터 유연한(flexible) 특성으로의 조절이 가능한 튜너블(tunable)한 기계적 특성 조절의 구현이 가능하다.The pore structure formed in this way has high toughness characteristics through an expandable structure, which is a characteristic of the basic auxetic structure, and is tunable, capable of adjusting from stiff characteristics to flexible characteristics through layering control. It is possible to implement control of mechanical properties.
상기 단계 iii)의 반응은 실리카 전구체, 알코올 용매, 물 및 염기 촉매를 통해 가수분해시키는 것이 바람직하다.The reaction in step iii) is preferably hydrolyzed using a silica precursor, alcohol solvent, water, and a base catalyst.
가수분해는 알코올 용매, 물 및 염기 촉매 액적 내에서만 공급되며 표면장력으로 인해 다른 곳에서 핵을 형성하는 것이 아닌 하나의 방향으로만 성장을 시킨다.Hydrolysis is supplied only within the alcohol solvent, water and base catalyst droplets, and surface tension causes growth in only one direction rather than forming nuclei elsewhere.
나노섬유의 막대의 직경은 크기에 의해 고정되며, 막대의 길이 및 종횡비는 물 또는 염기 촉매의 농도를 낮출수록, 용매를 짧은 사슬로 바꾸거나 더 많은 양의 용매일수록, 온도를 높일수록 나노섬유의 길이가 길어진다. The diameter of the rod of the nanofiber is fixed by its size, and the length and aspect ratio of the rod are lowered by lowering the concentration of water or base catalyst, changing the solvent to a shorter chain or increasing the amount of solvent, and increasing the temperature. The length becomes longer.
상기 단계 v)의 열처리는 70 내지 90℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다.The heat treatment in step v) is preferably performed at a temperature of 70 to 90°C for 1 to 5 hours.
상기 단계 v)의 건조는 진공 하에서 50 내지 80℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.The drying in step v) is preferably carried out under vacuum at a temperature of 50 to 80°C.
상기의 반응 시간, 온도, 촉매 등의 공정 조건의 변화에 따라 다양한 길이 및 두께를 갖는 나노섬유의 합성이 가능하다. It is possible to synthesize nanofibers with various lengths and thicknesses depending on changes in process conditions such as reaction time, temperature, and catalyst.
아울러, 상기의 제조방법으로 제조된 고인성 기반의 계층화 기공 구조체를 제공한다.In addition, a high-toughness-based layered pore structure manufactured by the above manufacturing method is provided.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .
실시예 1 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 1 Synthesis of Nanofibers
폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP) 5g와 1-펜타놀(1-pentanol) 50ml을 혼합하여 폴리머혼합물을 제조하였다. 상기 폴리머혼합물을 에탄올(Ethanol) 5ml, DI water 2.1ml, 시트르산나트륨(Sodium citrate) 0.5ml 및 촉매 1ml를 혼합한 용액에 넣고, 상분리 공정을 이용하여 물방울 형태로 에멀전화시킨 후, 가수분해시켰다. A polymer mixture was prepared by mixing 5g of polyvinylpyrrolidone (PVP) and 50ml of 1-pentanol. The polymer mixture was added to a solution of 5 ml of ethanol, 2.1 ml of DI water, 0.5 ml of sodium citrate, and 1 ml of catalyst, emulsified into water droplets using a phase separation process, and then hydrolyzed.
상기 가수분해시킨 혼합물에 테트라에톡시오르토실란(Tetra Ethyl Ortho Silicate, TEOS) 용액 1.5ml를 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. 이후, 혼합용액을 반응오븐에 넣고 85℃의 온도에서 3시간 동안 반응시킨 후, 원심분리기를 이용해 2시간 동안 원심분리를 진행하였다. A mixed solution was prepared by adding 1.5 ml of Tetra Ethyl Ortho Silicate (TEOS) solution to the hydrolyzed mixture. Afterwards, the mixed solution was placed in a reaction oven and reacted at a temperature of 85°C for 3 hours, and then centrifuged for 2 hours using a centrifuge.
원심분리를 마친 후, 에탄올(Etanol) 50ml 및 물 50ml의 혼합용매로 세척한 후, 진공 하에서 60℃의 온도로 건조시켜 나노섬유를 제조하였다. After centrifugation was completed, nanofibers were prepared by washing with a mixed solvent of 50 ml of ethanol and 50 ml of water, and then drying at a temperature of 60°C under vacuum.
실시예 2 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 2 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 4시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven for 4 hours.
실시예 3 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 3 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 5시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven for 5 hours.
실시예 4 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 4 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 50℃의 온도에서 3시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 50° C. for 3 hours.
실시예 5 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 5 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 50℃의 온도에서 5시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 50° C. for 5 hours.
실시예 6 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 6 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 50℃의 온도에서 7시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 50°C for 7 hours.
실시예 7 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 7 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 70℃의 온도에서 3시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 70° C. for 3 hours.
실시예 8 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 8 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 70℃의 온도에서 5시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 70° C. for 5 hours.
실시예 9 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 9 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 70℃의 온도에서 7시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 70° C. for 7 hours.
실시예 10 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 10 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 90℃의 온도에서 3시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 90°C for 3 hours.
실시예 11 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 11 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 90℃의 온도에서 5시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 90°C for 5 hours.
실시예 12 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 12 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 90℃의 온도에서 7시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 90°C for 7 hours.
실시예 13 나노섬유(Nanofiber)의 합성Example 13 Synthesis of Nanofibers
반응오븐에서 120℃의 온도에서 3시간 동안 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 나노섬유를 제조하였다.Nanofibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed in a reaction oven at a temperature of 120°C for 3 hours.
실험예 1 SEM 분석(85℃, 3시간, 4시간, 5시간)Experimental Example 1 SEM analysis (85°C, 3 hours, 4 hours, 5 hours)
반응 시간에 따른 나노섬유 길이의 변화를 확인하기 위해 반응온도 85℃, 반응시간은 3시간, 4시간, 5시간으로 증가시키면서 SEM 분석을 진행하였다. 도 1을 참고하면 실리카 전구체의 반응 시간을 증가시켰을 때 성장된 나노섬유의 길이가 증가된 것을 확인할 수 있었다. 이때, 3시간의 반응시간에서 나노섬유의 응집이 발견되었으며, 따라서 3시간의 반응시간은 나노섬유의 성장에 충분하지 않은 반응시간임을 확인하였다. To confirm the change in nanofiber length according to reaction time, SEM analysis was performed while increasing the reaction temperature to 85°C and reaction time to 3, 4, and 5 hours. Referring to Figure 1, it was confirmed that the length of the grown nanofibers increased when the reaction time of the silica precursor was increased. At this time, aggregation of nanofibers was found at a reaction time of 3 hours, and therefore, it was confirmed that the reaction time of 3 hours was not sufficient for the growth of nanofibers.
실험예 2 FT-IR 분석Experimental Example 2 FT-IR analysis
성장된 나노섬유의 소재를 분석하기 위해 FT-IR 분석을 진행하였다. 도 2를 참고하면 1073 cm-1과 800cm-1의 픽을 나타냄에 따라, 성장된 나노섬유는 규소산화물(실리카)로 Si-O-Si 결합이 존재함을 알 수 있었다. 또한, 3200cm-1의 픽을 나타냄에 따라 형성된 나노섬유는 표면에 수산화기(hydroxyl group, -OH)가 존재함을 알 수 있었다. FT-IR analysis was performed to analyze the material of the grown nanofibers. Referring to Figure 2, as the peaks were 1073 cm -1 and 800 cm -1 , it was found that the grown nanofibers were made of silicon oxide (silica) and that Si-O-Si bonds existed. In addition, it was confirmed that the formed nanofibers had a hydroxyl group (-OH) on the surface as they showed a peak of 3200 cm -1 .
실험예 3 시간에 따른 나노섬유(Nanofiber)의 길이와 직경 변화 분석Experimental Example 3 Analysis of changes in length and diameter of nanofibers over time
시간에 따른 나노섬유의 길이와 직경(두께) 변화를 확인하기 위해, 반응시간을 3시간, 4시간, 5기간으로 증가시키면서 SEM 분석을 진행하였다. 도 3을 참고하면, 반응시간을 3시간에서 5시간으로 증가시켰을 때 나노섬유의 길이는 약 48%, 두께는 5% 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 형성된 나노섬유의 길이와 두께는 반응시간에 따라 증가하는 것을 알 수 있었다. To confirm changes in the length and diameter (thickness) of nanofibers over time, SEM analysis was performed while increasing the reaction time to 3 hours, 4 hours, and 5 periods. Referring to Figure 3, it was confirmed that when the reaction time was increased from 3 hours to 5 hours, the length of the nanofiber increased by about 48% and the thickness increased by 5%. Therefore, it was found that the length and thickness of the formed nanofibers increased with reaction time.
실험예 4 비표면적과 기공크기 분포 분석Experimental Example 4 Specific surface area and pore size distribution analysis
나노섬유의 길이에 따른 비표면적과 평균 기공크기 분포를 확인하기 위해 나노기공을 갖는 물질의 비표면적과 평균 기공크기/분포 및 부피를 측정하는 Brunauer-Emmett-Teller(BET)를 이용하여 분석을 진행하였다. 도 4 및 표 1을 참고하면, 나노섬유의 길이가 각각 7, 8, 10μm일 때, 비표면적은 209, 223, 247m2/g으로 측정되었으며, 평균 기공크기는 약 4.9, 6.8, 8.7nm로 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 나노섬유의 길이가 증가함에 따라 비표면적 및 평균 기공크기가 모두 증가함을 알 수 있었다.To determine the specific surface area and average pore size distribution along the length of the nanofiber, analysis was performed using Brunauer-Emmett-Teller (BET), which measures the specific surface area, average pore size/distribution, and volume of materials with nanopores. did. Referring to Figure 4 and Table 1, when the length of the nanofiber was 7, 8, and 10 μm, respectively, the specific surface area was measured to be 209, 223, and 247 m 2 /g, and the average pore size was about 4.9, 6.8, and 8.7 nm. An increase could be confirmed. Therefore, it was found that both the specific surface area and average pore size increased as the length of the nanofiber increased.
실험예 5 SEM 분석(온도와 시간에 따른 길이 직경 변화)Experimental Example 5 SEM analysis (length and diameter change according to temperature and time)
나노섬유의 성장 거동을 확인하기 위해 반응온도 50, 70, 90, 120℃, 반응시간 3, 5, 7시간의 조건 하에 SEM 분석을 진행하였다. 도 5를 참고하면, 낮은 온도 조건에서는 직선의 나노섬유 형성이 가능함을 확인할 수 있으며, 반응온도를 증가할수록 길고 비선형 형태의 나노섬유가 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 120℃ 이상의 온도로 반응을 진행하면 나노섬유가 자라지 않고 나노입자 형태로 존재하여 졸-겔 반응이 일어나지 않음을 확인할 수 있다. To confirm the growth behavior of nanofibers, SEM analysis was performed under the conditions of reaction temperatures of 50, 70, 90, and 120°C and reaction times of 3, 5, and 7 hours. Referring to Figure 5, it can be seen that the formation of straight nanofibers is possible under low temperature conditions, and as the reaction temperature increases, long and non-linear nanofibers are formed. In addition, it can be confirmed that when the reaction is carried out at a temperature of 120°C or higher, the nanofibers do not grow and exist in the form of nanoparticles, so that the sol-gel reaction does not occur.
Claims (11)
뼈대 구조로서 마크로(Macro) 기공 구조체가 형성되고,
계층구조의 뼈대 구조로서 나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상이 열린 기공(open pore)을 가지면서 기공의 안쪽으로 휘어져 들어간 형태의 미세구조를 갖도록 오거닉 링커(organic linker)로 교차(cross-link) 결합되는 오제틱(auxetic) 구조의 기공 구조체로 형성된,
고인성 기반의 계층화 기공 구조체.
At least one of nano pores with a size of 1 to 100 nm or micro pores with a size of 0.1 to 1 μm and macro pores with a size of 1 to 100 μm are interconnected to form a hierarchical pore structure,
A macro pore structure is formed as a framework structure,
It is a hierarchical framework structure in which at least one of nano pores or micro pores has an open pore and is made of an organic linker to have a microstructure curved inward. Formed from a cross-linked auxetic pore structure,
High-toughness-based layered pore structure.
ii) 전구체 용액을 제조하는 단계;
iii) 상기 고분자 템플레이트 용액에 전구체 용액을 혼합 및 반응시키는 단계;
iv) 상기 단계 iii)에서 혼합된 용액을 소수성 용액에 침적하여 졸-겔 반응시켜 뼈대 구조를 형성하는 단계; 및
v) 상기 뼈대 구조를 70 내지 90℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 열처리하고, 세척 및 건조시키는 단계;를 포함하고,
1 내지 100 nm 사이즈의 나노(Nano) 기공 또는 0.1 내지 1 μm 사이즈의 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상과 1 내지 100 μm 사이즈의 마크로(Macro) 기공이 상호연결되어 계층적 기공구조를 형성하고,
나노(Nano) 기공 또는 마이크로(Micro) 기공 중 하나 이상이 오제틱(auxetic) 구조의 기공 구조체로 형성된,
고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법.
i) preparing a polymer template solution;
ii) preparing a precursor solution;
iii) mixing and reacting the precursor solution with the polymer template solution;
iv) depositing the solution mixed in step iii) into a hydrophobic solution and performing a sol-gel reaction to form a framework structure; and
v) heat treating the framework structure at a temperature of 70 to 90° C. for 1 to 5 hours, washing and drying;
At least one of nano pores with a size of 1 to 100 nm or micro pores with a size of 0.1 to 1 μm and macro pores with a size of 1 to 100 μm are interconnected to form a hierarchical pore structure,
At least one of nano pores or micro pores is formed as a pore structure with an auxetic structure,
Method for manufacturing a high-toughness-based layered pore structure.
상기 단계 iii)의 고분자 템플레이트 용액 및 전구체 용액의 혼합액은 상분법을 이용하여 물방울 형태로 에멀젼화하는 것을 특징으로 하는 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법.
According to clause 6,
A method for producing a high-toughness-based layered pore structure, characterized in that the mixture of the polymer template solution and the precursor solution in step iii) is emulsified in the form of water droplets using a phase separation method.
상기 단계 iii)의 반응은 실리카 전구체, 알코올 용매, 물 및 염기 촉매를 통해 가수분해시키는 것을 특징으로 하는 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법.
According to clause 6,
The reaction of step iii) is a method of producing a high toughness-based layered pore structure, characterized in that the reaction is hydrolyzed through a silica precursor, an alcohol solvent, water, and a base catalyst.
상기 단계 v)의 건조는 진공 하에서 50 내지 80℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고인성 기반의 계층화 기공 구조체의 제조방법.
According to clause 6,
A method of manufacturing a high-toughness-based layered pore structure, characterized in that the drying in step v) is carried out under vacuum at a temperature of 50 to 80 ° C.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20200101301 | 2020-08-12 | ||
| KR1020200101301 | 2020-08-12 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220020757A KR20220020757A (en) | 2022-02-21 |
| KR102611275B1 true KR102611275B1 (en) | 2023-12-07 |
Family
ID=80475208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210052330A KR102611275B1 (en) | 2020-08-12 | 2021-04-22 | High toughness based hierarchical porous structures and the manufacturing method of the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102611275B1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116354703A (en) * | 2023-03-15 | 2023-06-30 | 嘉兴饶稷科技有限公司 | Preparation method of negative poisson ratio structure toughened resin permeable ceramic material |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100932949B1 (en) * | 2008-07-14 | 2009-12-21 | 한국기계연구원 | Porous ceramic ball including hierarchically porous structure and the preparation method thereof |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101079012B1 (en) | 2010-01-20 | 2011-11-01 | 엘에스산전 주식회사 | Mccb having current limitting mechanism |
| KR101407624B1 (en) * | 2012-07-03 | 2014-06-16 | 한국기계연구원 | A Fabrication Method of Porous Particles comprising Meso-Macro pores |
| KR20180017607A (en) | 2016-08-10 | 2018-02-21 | 윤용학 | Fixing device for belongins which is installed in the cup holder |
-
2021
- 2021-04-22 KR KR1020210052330A patent/KR102611275B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100932949B1 (en) * | 2008-07-14 | 2009-12-21 | 한국기계연구원 | Porous ceramic ball including hierarchically porous structure and the preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220020757A (en) | 2022-02-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dou et al. | Hierarchical cellular structured ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity for thermal insulation | |
| KR102225357B1 (en) | Mixed Matrix Membrane and manufacturing method thereof | |
| CN107353723B (en) | Super-wetting polymer net film and manufacturing method thereof | |
| KR101942815B1 (en) | A eco-friendly method for manufacturing of a porous silicon carbide structure | |
| Bao et al. | Recent advances in the modification of polyacrylate latexes | |
| KR101422918B1 (en) | Super hydrophobic membrane and manufacturing method thereof | |
| Bao et al. | Fabrication of hollow silica spheres and their application in polyacrylate film forming agent | |
| CN103962074B (en) | A kind of hollow sub-micron, its preparation method and application | |
| Cheng et al. | General suspended printing strategy toward programmatically spatial Kevlar aerogels | |
| KR102611275B1 (en) | High toughness based hierarchical porous structures and the manufacturing method of the same | |
| JP5987514B2 (en) | Two-phase co-continuous silica structure and method for producing the same | |
| Liu et al. | Superflexible/superhydrophilic PVDF-HFP/CuO-nanosheet nanofibrous membrane for efficient microfiltration | |
| Liu et al. | Novel strategy to prepare hierarchically porous ceramic microspheres via a self-assembly method on tunable superamphiphobic surfaces | |
| Fu et al. | FABRICATION OF HOLLOW SILICA NANORODS USING NANOCRYSTALLINE CELLULOSE AS TEMPLATES. | |
| Sen et al. | Novel polysulfone–spray-dried silica composite membrane for water purification: Preparation, characterization and performance evaluation | |
| Ismail et al. | Fabrication of ceramic, hollow-fiber membrane: the effect of bauxite content and sintering temperature | |
| Xu et al. | Double-network MK resin-modified silica aerogels for high-temperature thermal insulation | |
| CN107973615B (en) | Mesoporous gamma-Al2O3Ceramic membrane and preparation method thereof | |
| Li et al. | Fast Solution Blow Spinning of Lotus-Leaf-Inspired SiO2 Nanofiber Sponge for High Efficiency Purification | |
| CN110713645B (en) | Polymer-based two-dimensional topological material and preparation method and application thereof | |
| Yuan et al. | Temporally and spatially controlled silicification for self-generating polymer@ silica hybrid nanotube on substrates with tunable film nanostructure | |
| JP4724858B2 (en) | Porous composite and method for producing the same | |
| KR100876541B1 (en) | PDMS Mixed Membrane Containing Porous Aluminum Silicate Nanoparticles | |
| CN107626215A (en) | A kind of antifouling composite hyperfiltration membrane and preparation method thereof | |
| Huh et al. | Fabrication of hierarchically porous silicon carbonitride monolith using branched polysilazane and freeze casting method without crosslinking step: Effect of polymer additive to aligned macropore structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |