KR20060077982A

KR20060077982A - 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된섬유

Info

Publication number: KR20060077982A
Application number: KR1020040116641A
Authority: KR
Inventors: 최동일; 김범준
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-07-05

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리비닐알콜 10 내지30 중량%, 디메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 70 내지 90 중량%, 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브0.1 내지 60 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 계면 활성제인 리튬 도데실 설페이트(Lithium Dodecyl Sulfate, LDS) 또는 소듐 라우릴 설페이트(Sodium Laulyl Sulfate, SLS) 0.1 내지 5 중량%를 사용하여 디메틸 설폭사이드에 탄소 나노튜브와 소듐 라우릴 설페이트를 40℃ 내지 80℃ 에서 초음파를 사용하여 1 내지 3 시간 혼합한 후, 폴리비닐알콜 고형분을 넣고 60℃ 내지 100℃에서 초음파와 교반기를 이용하여 1 내지 3 시간 혼합한 혼합용액을 제조한 후, 이를 습식방사용 탱크에서 응고욕으로 방사하여 섬유형성 후, 건조와 후연신을 하는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기계적물성 및 전자파 차폐효율이 우수한 탄소 나노튜브 섬유를 제조할 수 있다.

폴리비닐알콜, 탄소 나노튜브, 기계적물성, 전자파차폐

Description

탄소 나노튜브 섬유의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 섬유{Method of Preparing Carbon Nanotube Fibers and Fibers Prepared by the Method}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습식방사법에 의해 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 공정을 도시하는 공정 개략도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

1: 폴리비닐페놀/탄소 나노튜브 저장탱크 2: 방사노즐

3: 응고욕 4: 에어갭 5: 탄소 나노튜브 섬유 6: 테이크업 롤

본 발명은 우수한 기계적, 전기적 성질을 갖는 탄소 나노튜브를 섬유형태로 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리비닐알콜/탄소 나노튜브 용액을 이용하여 습식 방사법에 의해 섬유로 형성함으로써 기계적 물성 및 전기적 물성이 향상된 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

탄소 나노튜브는 이지마(Ijima)에 의해 최초로 발견된 후 최근에 그에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 탄소 나노튜브는 높은 전기 전도도, 높은 기계적 강도등의 많은 장점을 가지므로, 정전기 방지용 전도성 코팅제, 전자파 차폐제, 필터 등 많은 분야에서 활용이 가능하다.

탄소 나노튜브의 제조 방법으로는 화학 증착법, 아크 방전법, 플라즈마 토치법, 이온 충격법 등이 많이 알려져 있다. 화학증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)은 탄소 나노튜브의 대량 생산과 성장 제어에 있어 많은 가능성을 가진 방법으로 인식되고 있다. 촉매 화학증착법은 상기 화학증착법(CVD)에서 사용되는 기질 위에 촉매 입자를 담지 시킨 후 반응시키는 대신에 촉매를 함유한 물질을 사용하여 반응기 내부로 분사시켜 탄소 나노튜브를 제조하는 것이다. 그러나, 아직까지 탄소 나노튜브를 대량으로 생산하는 방법은 일반화 되어있지 않다. 하지만 여러 가지 장점을 가지고 있기 때문에 각종 대량생산 방법이나 특정물성에 더욱 효과를 낼 수 있는 탄소 나노튜브 제조법에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

탄소 나노튜브의 좋은 기계적 물성이나 높은 전기 전도도를 부여하기 위해서 많은 시도들이 이루어져 왔다. 특히 미국특허 제5,643,502호 및 제 5,651,922호에서는 여러 용융 혼입법을 사용하여 탄소 나노튜브를 고분자에 분산시켜 높은 전기전도도 및 기계적 물성을 부여하고 있다. 하지만 용융상태에서는 나노 단위의 지름을 갖는 탄소 나노튜브의 응집이 필연적이라 분산에 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명은 유동성이 큰 용액상에서 탄소 나노튜브를 계면활성제로 분 산상을 만들어 고분자 용액을 제조하고, 탄소 나노튜브의 균일상을 만들어 우수한 기계적 물성과 전기전도도를 나타낼 뿐만 아니라, 이렇게 제조된 용액을 습식 방사법을 이용하여 섬유로 형성함으로써 기계적 물성이 향상된 탄소 나노튜브 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 폴리비닐알콜/탄소 나노튜브 용액은 폴리비닐알콜(분자량 3000 내지 5000) 10 내지 30 중량%, 디메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 70 내지 90 중량%, 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 0.1 내지 60 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 계면 활성제인 리튬 도데실 설페이트(lithium Dodecyl Sulfate, LDS) 또는 소듐 라우릴 설페이트(Sodium Laulyl Sulfate, SLS)가 0.1 내지 5 중량%로 구성된다.

우선, 디메틸 설폭사이드 70 내지 90 중량%에 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 0.1 내지 60 중량% 및 탄소 나노튜브에 대하여 계면 활성제인 소듐 라우릴 설페이트 0.1 내지 5 중량%를 넣어준 후, 40 내지 80℃사이에서 초음파(Ultrasonic)를 사용하여 1 내지 3 시간 혼합한다. 이어서, 폴리비닐알콜 고형분을 넣은 후 초음파와 교반기(Mechanical stirrer)를 사용하여 80 내지 100℃ 사이에서 1 내지 3 시간 교반한다.

여기서 초음파 처리는 탄소 나노튜브의 분산을 위해서 필요한 단계로 폴리비 닐알콜에 탄소 나노튜브의 균일한 분산을 시킬 수 있다. 그리고 탄소 나노튜브의 여러 불순물, 예를 들면, 여러 촉매나 비정질 탄소를 제거하는 역할을 한다. 하지만 6시간을 초과하여 초음파 처리하는 경우는 탄소 나노튜브에 너무 많은 결점을 생기게 하여 물성과 전도도에 결점이 되기도 한다.

본 발명에서 폴리비닐알콜의 함량을 10 내지 30 중량%로 사용하는데, 10 중량% 이하에서는 점도가 너무 낮아 섬유가 형성되기 힘들고 30 중량% 이상에서는 점도가 너무 높아 섬유형성에 적합하지 않다.

한편, 탄소나노튜브는 폴리비닐알콜에 대하여 0.1내지 60 중량%를 사용하는데 0.1 중량% 이하에서는 원하는 전기적 및 기계적 물성을 기대하기 힘들고 60 중량% 이상에서는 너무 높은 점도와 폴리비닐알콜의 접합력 저하로 섬유형성이 힘들게 된다.

본 발명에서 제조된 용액으로 섬유를 형성하는 방법은 다음과 같다. 제조된 용액을 60℃ 이상에서 600poise 정도의 점도를 유지 시킨 후, 습식방사용 탱크에 주입한 후 탱크를 60 내지 90℃로 온도를 올려준다. 응고욕으로는 메탄올을 사용하며 섬유 형성 후에는 건조와 후연신을 해준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 습식방사법에 의해 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 공정을 도시하는 공정 개략도이다. 도 1을 참고하면, 폴리비닐페놀/탄소 나노튜브 저장탱크(1)에 상기 방법으로 제조된 폴리비닐페놀/탄소 나노튜브 용액을 투입한 후, 일정한 압력으로 내린다. 방사노즐(2)에서 혼합 용액이 섬유형태로 만들어진다.

섬유형태로 만들어진 용액은 메탄올과 디메틸 설폭사이드(DMSO) 혼합용액이 채워져 있는 응고욕(3)으로 투입되어 응고된다. 이 때 응고욕 내의 메탄올과 디메틸 설폭사이드(DMSO)의 중량비는 80:20이다. 메탄올이 80중량%보다 높으면 응고속도가 너무 빠르게 되어 섬유의 겉이 고화가 빨리 진행되므로 중앙부분의 디메틸 설폭사이드(DMSO)가 빠져 나오지 못하게 된다. 디메틸 설폭사이드(DMSO)가 30중량% 보다 높으면 고화가 느리게 진행되어 폴리비닐페놀/탄소 나노튜브 용액상의 디메틸 설폭사이드(DMSO)가 모두 빠져 나올 수 없게 된다.

응고욕은 최소 10℃ 이하의 온도로 유지시키며 응고가 진행될수록 디메틸 설폭사이드(DMSO)의 함량이 높아지는 것을 방지하기 위해서 메탄올을 첨가한다. 응고욕과 노즐사이에는 보통 1 내지 3cm 정도의 에어갭을 준다. 이 에어갭에서 탄소나노튜브의 배향을 극대화한다. 에어갭의 길이가 1cm 보다 짧으면 탄소 나노튜브의 배향이 일어나지 않아서 섬유의 물성 및 전도성이 발현되지 않으며 3cm 보다 길면 섬유 형성이 힘들다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 자세히 설명하고자 하나, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폴리비닐알콜 20 중량%에 디메틸 설폭사이드(DMSO) 80 중량%와 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 20 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 소듐 라우릴 설페이트 (SLS) 0.5 중량%를 사용하여 폴리비닐알콜/탄소나노튜브 용액을 제조하였다. 우선 디메틸 설폭사이드(DMSO)에 탄소 나노튜브와 소듐 라우릴 설페이트(SLS)를 60℃에서 초음파를 사용하여 2시간 혼합한 후, 폴리비닐알콜 고형분을 넣고 80℃에서 초음파와 교반기를 사용하여 3시간 혼합하였다. 혼합한 용액을 진공오븐 하에서 기포를 제거한 후, 습식방사기에서 10 m/s의 속도로 방사하였다. 응고욕 속의 응고액은 메탄올을 사용하였으며 방사시 온도는 75℃를 유지하였다.

실시예 2

폴리비닐알콜 20 중량%에 디메틸 설폭사이드(DMSO) 80 중량%와 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 10 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 소듐 라우릴 설페이트(SLS) 0.5 중량%를 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 3

폴리비닐알콜 10 중량%에 디메틸 설폭사이드(DMSO) 90 중량%와 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 20 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 소듐 라우릴 설페이트(SLS) 0.5 중량%를 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 4

폴리비닐알콜 10 중량%에 디메틸 설폭사이드(DMSO) 90 중량%와 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 20 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 소듐 라우릴 설페이트 (SLS) 0.5 중량%를 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 5

폴리비닐알콜 20 중량%에 디메틸 설폭사이드(DMSO) 80 중량%와 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브 50 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 소듐 라우릴 설페이트(SLS) 1 중량%를 사용하여 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

비교예 1

탄소나노튜브와 소듐 라우릴 설페이트(SLS) 없이 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 폴리비닐알콜 섬유를 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따른 인장강도(Tensile Strength), 모듈러스(Modulus) 및 전자파차폐율을 하기 표1에 나타내었다.

표 1

본 발명에 의해 제조된 탄소 나노튜브 섬유는 폴리비닐알콜 섬유에 비해서 기계적 물성이 우수하고, 전자파차폐나 대전 방지효과가 우수하여 고분자 및 금속 보강재 및 전자파차폐 직물 등 여러 가지 응용분야에 사용될 수 있다.

Claims

폴리비닐알콜 10 내지30 중량%, 디메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 70 내지 90 중량%, 폴리비닐알콜에 대하여 탄소 나노튜브0.1 내지 60 중량%, 탄소 나노튜브에 대하여 계면 활성제인 리튬 도데실 설페이트(Lithium Dodecyl Sulfate, LDS) 또는 소듐 라우릴 설페이트(Sodium Laulyl Sulfate, SLS) 0.1 내지 5 중량%를 사용하여 디메틸 설폭사이드에 탄소 나노튜브와 소듐 라우릴 설페이트를 40℃ 내지 80℃ 에서 초음파를 사용하여 1 내지 3 시간 혼합한 후, 폴리비닐알콜 고형분을 넣고 60℃ 내지 100℃에서 초음파와 교반기를 이용하여 1 내지 3 시간 혼합한 혼합용액을 제조한 후, 이를 습식방사용 탱크에서 응고욕으로 방사하여 섬유형성 후, 건조와 후연신을 하는 단계를 포함하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 응고욕이 메탄올과 디메틸 설폭사이드(DMSO)의 혼합용액으로 채워져 있고, 농도는 중량비로 메탄올:DMSO = 75:25 내지 85:15 이며, 온도를 10℃ 이하로 유지시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 섬유 형성시에 응고욕과 노즐의 사이를 1 내지 3 cm 의 에어갭을 두어 탄소 나노튜브의 극도의 배향을 발현하여 물성과 전도도를 극대 화시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 섬유의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 탄소 나노튜브 섬유.