KR20180104799A - A method for preparation of a cellulose hybrid fiber comprising an oxygen-containing graphene crosslinked by metal ions - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a production method of a cellulose hybrid fiber crosslinked by metal ions and comprising graphene with oxygen atoms on the surface. The present invention also relates to the cellulose hybrid fiber which is produced by the method, and has improved both or either of the tensile strength and elongation compared to hybrid fibers which are not crosslinked.

Description

산소를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법{A method for preparation of a cellulose hybrid fiber comprising an oxygen-containing graphene crosslinked by metal ions}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a cellulose composite fiber including graphene having an oxygen-containing crosslinked structure and a crosslinked metal ion,

본 발명은 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법 및 이에 따라 제조된, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 셀룰로오스 복합섬유에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and crosslinked with a metal ion and a method for producing the cellulose composite fiber having improved tensile strength, elongation or both, Fiber.

의류뿐만 아니라 산업 분야에 널리 사용되고 있는 석유기반 합성섬유는 생산 공정에서 많은 오염물질이 배출되며, 폐기시 자연환경에서 분해되지 않고 반영구적으로 남게 되어 환경 오염의 심각한 요인이 되고 있다. 세계적으로 환경의식이 높아짐에 따라 이와 같은 문제를 해결하기 위해 친환경 고분자를 이용한 천연섬유에 대한 관심이 높아지고 있다.Petroleum-based synthetic fibers, which are widely used in clothing as well as in industrial fields, are polluted in the production process, and are not decomposed in the natural environment when they are disposed of, resulting in permanent persistence of environmental pollution. As the global awareness of the environment increases, interest in natural fibers using environmentally friendly polymers is increasing to solve these problems.

현재 천연 고분자로 대표되는 셀룰로오스는 연간 천억 톤 이상 생산되며, 석유기반 화석자원과는 달리 고갈에 대한 우려가 없어 생산 비용이 낮을 뿐 아니라 자연 상태에서 구성 분자 단위인 글루코오스(포도당)로 분해되는 생분해성 소재로써 무한한 잠재성을 지닌 친환경 소재이다. 특히 셀룰로오스는 이를 구성하는 글루코오스가 분자간 수소결합을 형성하여 강하게 결합되어 있는 사슬 구조로 이루어져 있으나, 합성 고분자로 제조된 합성섬유에 비해 상대적으로 낮은 기계적 물성으로 인해 전반적인 측면에서 산업적 이용 가능성이 제한되는 단점이 있다.Currently, cellulose, which is represented by natural polymers, produces more than 100 billion tons a year. Unlike petroleum-based fossil resources, cellulose is low in production costs because it has no concern about depletion and is biodegradable in its natural state as glucose (glucose) It is an eco-friendly material with unlimited potential as a material. In particular, cellulose has a chain structure in which glucose constituting the cellulose is strongly bonded by forming intermolecular hydrogen bonds, but has a disadvantage that industrial availability is limited from the overall viewpoint due to relatively low mechanical properties as compared with synthetic fibers made of a synthetic polymer .

따라서, 셀룰로오스와 같은 천연 고분자 수지의 강도를 향상시키기 위한 방법으로 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유와 같은 탄소계 나노물질을 첨가하여 복합섬유를 제조하고 있으나, 이들 첨가물과 고분자 수지와의 계면에서 결합이 잘 이루어지지 않아 기대한 만큼의 물성 향상을 달성하기는 어렵다.Therefore, as a method for improving the strength of a natural polymer resin such as cellulose, a composite fiber is prepared by adding a carbon nanomaterial such as graphene, carbon nanotube, or carbon nanofiber. However, the interface between the additive and the polymer resin It is difficult to achieve the expected improvement in physical properties.

이에, 본 발명자들은 기계적 물성을 향상시키기 위하여 천연 고분자 수지인 셀룰로오스에 그래핀을 첨가하여 복합섬유로 제조하되, 셀룰로오스와 그래핀의 결합을 향상시킬 수 있는 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 산화 그래핀과 같이, 셀룰로오스에 표면에 산소원자를 포함하는 그래핀을 첨가하고, 원료물질에 직접 금속 이온을 첨가하여 방사하여 복합섬유를 제조하거나, 상기 산소원자를 포함하는 그래핀을 첨가하에 제조한 셀룰로오스 복합섬유를 금속 이온 수용액으로 후처리하는 경우 인장강도 및 연신율이 모두 20% 이상 향상된 복합섬유를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.In order to improve the mechanical properties, the present inventors have made intensive researches to find out a method for improving the bonding between cellulose and graphene by preparing grafting agent of conjugated fiber by adding graphene to cellulose, which is a natural polymer resin, Like graphene, by adding graphene containing oxygen atoms to the surface of cellulose, adding metal ions directly to the raw material and spinning it to produce a conjugated fiber, or adding graphene containing the oxygen atom It is possible to provide a composite fiber improved in both tensile strength and elongation by more than 20% when the cellulose composite fiber is post-treated with an aqueous solution of a metal ion.

본 발명의 하나의 목적은 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하는 복합섬유를 준비하는 제1단계; 및 이전단계로부터 수득한 복합 섬유를 금속 이온을 포함하는 용액과 접촉시키는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having a tensile strength, elongation, or both improved compared to a non-crosslinked conjugated fiber, A first step of preparing a conjugate fiber comprising graft having an oxygen atom on the surface of 1 to 10 parts by weight with respect to the cellulose; And a second step of contacting the composite fibers obtained from the previous step with a solution containing metal ions.

본 발명의 다른 하나의 목적은 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬 유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부, 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀 및 최종 0.05 내지 0.2 M 농도로 금속 이온을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 및 상기 혼합 용액으로부터 복합섬유를 제조하는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a cellulose composite filament comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having a tensile strength, elongation, or both improved compared to a non-crosslinked conjugated fiber and crosslinked with a metal ion, A first step of preparing a mixed solution containing graphene having an oxygen atom at a surface of 1 to 10 parts by weight based on the cellulose and a metal ion at a final concentration of 0.05 to 0.2 M; And a second step of preparing a composite fiber from the mixed solution.

본 발명의 또 다른 목적은 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고, 상기 셀룰로오스와 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 금속 이온으로 가교되어, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된 것인, 셀룰로오스 복합섬유를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a cellulose film, which comprises 100 parts by weight of cellulose and 1 to 10 parts by weight of the cellulose with graphene having oxygen atoms on its surface, wherein the cellulose and the graphene having oxygen atoms on its surface are crosslinked with metal ions , And the tensile strength, the elongation, or both are improved as compared with the non-crosslinked conjugated fiber.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하는 복합섬유를 준비하는 제1단계; 및 이전단계로부터 수득한 복합 섬유를 금속 이온을 포함하는 용액과 접촉시키는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법을 제공한다.To achieve the above object, a first aspect of the present invention is to provide a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having improved tensile strength, elongation, or both, as compared with a non-crosslinked conjugate fiber, A first step of preparing a composite fiber comprising 100 parts by weight of cellulose and 1 to 10 parts by weight of the conjugated fiber containing graphene having oxygen atoms on the surface of the cellulose; And a second step of contacting the composite fiber obtained from the previous step with a solution containing a metal ion.

본 발명의 제2양태는 가교되지 않은 섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부, 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀 및 최종 0.05 내지 0.2 M 농도로 금속 이온을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 및 상기 혼합 용액으로부터 복합섬유를 제조하는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is a method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having a tensile strength, elongation, or both improved compared to a non-crosslinked fiber and crosslinked with a metal ion, A first step of preparing a mixed solution containing graphene having an oxygen atom on the surface of the cellulose in an amount of 1 to 10 parts by weight and a metal ion at a final concentration of 0.05 to 0.2 M; And a second step of preparing a conjugate fiber from the mixed solution.

본 발명의 제3양태는 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고, 상기 셀룰로오스와 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 금속 이온으로 가교되어, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된 것인, 셀룰로오스 복합섬유를 제공한다.The third aspect of the present invention relates to a cellulose acylate film comprising 100 parts by weight of cellulose and 1 to 10 parts by weight of the cellulose with graphene having an oxygen atom on its surface and the cellulose and graphene having oxygen atoms on its surface are crosslinked with metal ions , And the tensile strength, the elongation, or both are improved as compared with the non-crosslinked conjugated fiber.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 생분해성 천연 고분자인 셀룰로오스의 기계적 강도가 낮은 단점을 보완하기 위하여, 탄소계 나노구조물을 첨가하여 복합섬유로 제조하되, 상기 탄소계 나노구조물로서 표면에 산소원자를 포함하는 그래핀을 사용하고, 금속 이온은 원료물질에 직접 첨가하거나 복합섬유로 압출한 후 금속 이온 수용액으로 처리하여 가교시킴으로써 제조된 복합섬유의 인장강도 및 연신율을 동시에 향상시킬 수 있음을 발견한 것이 기초한다. 특히, 상기의 방법으로 그래핀을 셀룰로오스에 대해 10중량% 이하의 소량으로 사용하고도, 인장강도 및 연신율을 모두 20% 이상 향상시킬 수 있으며, 인장강도의 경우에는 금속 이온의 종류를 변화시킴으로써 약 45%까지 향상시킬 수 있는 것이 본 발명의 특징이다.In order to overcome the disadvantage of low mechanical strength of cellulose, a biodegradable natural polymer, carbon nanostructures are added to produce composite fibers, wherein graphene containing oxygen atoms on the surface is used as the carbon nanostructure And that the metal ion can be directly added to the raw material, or extruded with the composite fiber, and then treated with the aqueous solution of the metal ion to crosslink the composite fiber, thereby improving both the tensile strength and the elongation of the composite fiber. Particularly, even when graphene is used in a small amount of 10% by weight or less with respect to cellulose, the tensile strength and elongation can both be improved by 20% or more. In the case of tensile strength, It is a feature of the present invention that it can be improved up to 45%.

본 발명은 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하는 복합섬유를 준비하는 제1단계; 및 이전단계로부터 수득한 복합 섬유를 금속 이온을 포함하는 용액과 접촉시키는 제2단계;를 포함할 수 있다.The present invention provides a method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having improved tensile strength, elongation, or both, as compared with a non-crosslinked conjugate fiber, A first step of preparing a conjugate fiber comprising graphene having an oxygen atom on the surface of 1 to 10 parts by weight with respect to cellulose; And a second step of contacting the composite fiber obtained from the previous step with a solution containing a metal ion.

이때, 상기 금속 이온은 그래핀 표면의 산소원자 및 셀룰로오스의 산소원자가 정전기적 인력에 의해 결합을 형성하여 가교할 수 있는 이온일 수 있다.At this time, the metal ion may be an ion capable of forming an oxygen atom on the surface of graphene and an oxygen atom of cellulose to form a bond by electrostatic attraction and to be crosslinked.

또한, 본 발명은 가교되지 않은 섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서, 셀룰로오스 100 중량부, 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀 및 최종 0.05 내지 0.2 M 농도로 금속 이온을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 및 상기 혼합 용액으로부터 복합섬유를 제조하는 제2단계;를 포함할 수 있다.The present invention also provides a method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface and having improved tensile strength, elongation, or both, compared with unbridged fiber, A first step of preparing a mixed solution containing graphene having an oxygen atom on the surface of the cellulose in an amount of 1 to 10 parts by weight and a metal ion at a final concentration of 0.05 to 0.2 M; And a second step of preparing a composite fiber from the mixed solution.

이때, 상기 금속 이온은 그래핀 표면의 산소원자 및 셀룰로오스의 산소원자와 화학적 결합을 형성하여 가교할 수 있다.At this time, the metal ion may form a chemical bond with the oxygen atom on the surface of the graphene and the oxygen atom of the cellulose and may be crosslinked.

이상의 복합섬유는, 당업계에 공지된 고분자 섬유 제조방법을 제한없이 이용하여 제조할 수 있다. 예컨대, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀과 셀룰로오스를 포함하고, 금속 이온을 추가로 포함 또는 불포함하는 용액을 압출/방사하고 응고시켜 권취하는 방식으로 수득할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 용액은 유효성분들을 포함하는 고체형태의 도프를 용융시킨 것이거나, 용매에 상기 성분들을 분산시킨 용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 용매로는 표면에 산소원자를 갖는 그래핀 및 셀룰로오스를 모두 균일하세 분산시킬 수 있는 용매인 한, 당업계에 공지된 용매를 제한없이 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 용매는 NMMO(N-메틸몰포린 N-옥사이드), 또는 물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The above conjugated fibers can be produced by using the polymer fiber manufacturing method known in the art without limitation. For example, a solution containing graphene and cellulose having an oxygen atom on its surface and containing a metal ion may be obtained by extruding / radiating and coagulating a solution containing a metal ion, but not limited thereto. The solution may be a solution obtained by melting a solid form of the dope containing the active ingredients, or a solution in which the above components are dispersed in a solvent. As the solvent, any solvent known in the art can be used without limitation as long as it is a solvent capable of uniformly dispersing both graphene and cellulose having oxygen atoms on their surface. For example, the solvent may be NMMO (N-methylmorpholine N-oxide), or water, but is not limited thereto.

예컨대, 상기 금속 이온은 철(Fe), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바륨(Ba), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn), 금(Au), 은(Ag) 및 스트론튬(Sr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 이온일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 용액 중에서 산소원자와 2 이상의 결합을 형성할 수 있어 셀룰로오스의 산소원자와 그래핀 표면의 산소원자를 통해 가교할 수 있는 한 금속의 종류에 제한되지 않는다.For example, the metal ion may be at least one selected from the group consisting of Fe, Ca, Mg, Cu, Ni, Ba, Cd, Pb, Zn, (Au), silver (Ag) and strontium (Sr), but it is not limited thereto, and it is possible to form two or more bonds with oxygen atoms in the solution, Is not limited to a kind of metal as long as it can crosslink through the oxygen atom of the graphene surface and the oxygen atom of the graphene surface.

예컨대, 상기 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 산화 그래핀, 산화된 다층 그래핀, 기능화된 그래핀 또는 기능화된 다층 그래핀일 수 있다. 구체적으로, 산화 그래핀 또는 산화된 다층 그래핀일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 산화된 그래핀을 구입하거나, 그래핀을 이용하여 전처리를 통해 표면에 산소원자를 갖도록 한 후 사용할 수도 있다. 상기 본 발명의 제조방법에 사용되는 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 히드록시기, 카르복실기, 케톤기 및/또는 에폭시기와 같은 작용기의 형태로 산소원자를 포함할 수 있다. 상기 작용기들은 이에 포함된 산소원자를 통해 금속 이온과 정전기적 인력으로 또는 화학적으로 결합할 수 있다.For example, the graphene having oxygen atoms on the surface can be oxidized graphene, oxidized multilayer graphene, functionalized graphene, or functionalized multilayer graphene. Specifically, it may be oxidized graphene or oxidized multi-layered graphene. However, it is not limited thereto, and oxidized graphene may be purchased, or may be used after having oxygen atoms on the surface through pretreatment using graphene. The graphene having an oxygen atom on the surface used in the production method of the present invention may contain an oxygen atom in the form of a functional group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, a ketone group and / or an epoxy group. The functional groups may be chemically or electrostatically bound to the metal ion through the oxygen atom contained therein.

예컨대, 상기 셀룰로오스는 목질계 셀룰로오스, 비목질계 셀룰로오스, 박테리아 셀룰로오스 또는 이들을 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the cellulose may be wood-based cellulose, non-wood-based cellulose, bacterial cellulose or a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.

본 발명의 제조방법으로 제조된 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유는 가교되지 않은 셀룰로오스 복합섬유에 비해 인장강도가 28 내지 44% 또는 연신율이 24 내지 29% 향상된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 가교되지 않은 복합섬유에 대한 인장강도 및 연신율의 증가율은 첨가된 금속 이온의 종류에 따라 다소 증감될 수 있다.The cellulose composite fiber crosslinked with a metal ion produced by the production method of the present invention may have a tensile strength of 28 to 44% or an elongation of 24 to 29%, as compared with a non-crosslinked cellulose composite fiber, but is not limited thereto. For example, the rate of increase in tensile strength and elongation for non-crosslinked conjugated fibers may be somewhat increased or decreased depending on the type of metal ion added.

나아가, 본 발명은 셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고, 상기 셀룰로오스와 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 금속 이온으로 가교되어, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된 것일 수 있다.Further, the present invention relates to a coating composition comprising 100 parts by weight of cellulose and 1 to 10 parts by weight of graphene having an oxygen atom on the surface of the cellulose, wherein the cellulose and the graphene having an oxygen atom on the surface thereof are crosslinked with a metal ion, The tensile strength, elongation, or both may be improved as compared to the non-conjugated fibers.

예컨대, 상기 복합섬유는 전술한 본 발명의 제1양태 또는 제2양태에 따른 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the composite fiber may be manufactured by a method according to the first or second aspect of the present invention, but is not limited thereto.

구체적으로, 상기 셀룰로오스 복합섬유는 가교되지 않은 셀룰로오스 복합섬유에 비해 인장강도가 28 내지 44% 또는 연신율이 24 내지 29% 향상된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 가교되지 않은 복합섬유에 대한 인장강도 및 연신율의 증가율은 첨가된 금속 이온의 종류에 따라 다소 증감될 수 있으며, 따라서 적용하고자 하는 생성물에 요구되는 인장강도 및 연신율을 고려하여 적절한 금속 이온을 선택할 수 있다.Specifically, the cellulose composite fiber may have an increased tensile strength of 28 to 44% or an elongation of 24 to 29% as compared with a non-crosslinked cellulose composite fiber, but the present invention is not limited thereto. For example, the rate of increase in tensile strength and elongation to non-crosslinked conjugated fibers may be slightly increased or decreased depending on the type of the added metal ion, and accordingly, a proper metal ion may be selected in consideration of the tensile strength and elongation required for the product to be applied .

본 발명의 제조방법은 천연의 생분해성 섬유 소재인 셀룰로오스에 표면에 산소원자를 포함하는 작용기를 갖는 산화 그래핀을 소량 첨가하여 복합섬유를 제조하되 원료 용액 중에 금속 이온을 첨가하여 압출하거나, 압출 후 금속 이온 수용액으로 후처리하는 간단한 방법으로 인장강도 및 연신율이 모두 20% 이상 증가된 고강도, 고연성의 복합섬유를 제공할 수 있다.The production method of the present invention is characterized in that a small amount of graphene oxide having a functional group containing an oxygen atom on its surface is added to cellulose as a natural biodegradable fiber material to produce a conjugate fiber, A high strength and high ductility composite fiber having both tensile strength and elongation increased by 20% or more can be provided by a simple method of post treatment with a metal ion aqueous solution.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 표면 이미지 및 내부 구조를 나타낸 도이다. (a)는 주사전자현미경 이미지를, b)는 3차원 X-선 토모그래피에 의해 획득한 섬유 내부 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유 내부의 (a) 명시야 투과전자현미경(bright field transmission electron microscopy; BF TEM) 이미지 및 (b) 주사투과전자현미경(scanning transmisstion electron microscopy; STEM) 고각 환형 암장(high angle annular dark field; HAADF) 이미지를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 염화칼슘으로 후처리하여 가교시킨 복합섬유(GO-CeHFs) 및 셀룰로오스 섬유(CeFs)의 염화칼슘 처리 시간에 따른 (a) 인장강도 및 (b) 연신율을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 염화칼슘으로 후처리하여 가교시킨 인장강도 및 연신율이 향상된 복합섬유를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 염화칼슘으로 후처리하여 가교시킨 복합섬유(GO-CeHFs)의 STEM HAADF 이미지와 EDS 원소 맵핑 이미지를 나타낸 도이다. (a)는 STEM HAADF 이미지를, (b) 내지 (c)는 각각 EDS 원소 맵핑에 의한 탄소, 산소 및 칼슘 원소 분포를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 금속 이온 용액으로 후처리하여 가교시킨 복합섬유의 XPS 분석 결과 및 이를 통해 도출한 화학적 구조를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 금속 이온 용액으로 후처리하여 가교시킨 복합섬유의 인장강도를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유를 금속 이온 용액으로 후처리하여 가교시킨 복합섬유의 연신율을 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 이온을 함유하는 용매를 사용하여 제조한 산화 그래핀을 포함하는 셀룰로오스 복합섬유 방사 도프를 나타낸 도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a surface image and an internal structure of a cellulose composite fiber including an oxidized graphene according to an embodiment of the present invention. FIG. (a) shows a scanning electron microscope image, and (b) shows a fiber internal structure obtained by three-dimensional X-ray tomography.
FIG. 2 is a graph showing the results of (a) bright field transmission electron microscopy (BF TEM) image and (b) scanning transmission electron microscope (SEM) images of the cellulose composite fiber containing oxidized graphene according to an embodiment of the present invention. (STEM) high angle annular dark field (HAADF) images.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the calcium chloride treatment time of the composite fibers (GO-CeHFs) and the cellulose fibers (CeFs) cross-linked with the calcium chloride after treatment with the grafted oxide graphene according to an embodiment of the present invention, Tensile strength and (b) elongation.
FIG. 4 is a view showing a composite fiber having improved tensile strength and elongation, obtained by post-treating a cellulose composite fiber including graphene oxide with calcium chloride according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an STEM HAADF image and an EDS element mapping image of a composite fiber (GO-CeHFs) obtained by post-treating a cellulose composite fiber including oxidized graphene with calcium chloride according to an embodiment of the present invention. (a) shows the STEM HAADF image, and (b) to (c) show the carbon, oxygen and calcium element distribution by EDS element mapping, respectively.
FIG. 6 is a diagram showing the XPS analysis results of the composite fiber obtained by post-treating the cellulose composite fiber including the graft oxide according to the embodiment of the present invention with a metal ion solution and the chemical structure derived therefrom.
FIG. 7 is a graph showing the tensile strength of a composite fiber obtained by post-treating and crosslinking a cellulose composite fiber including a graphene oxide according to an embodiment of the present invention. FIG.
8 is a graph showing elongation of a composite fiber obtained by post-treating a cellulose composite fiber including a graft oxide with a metal ion solution and crosslinking according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a cellulose composite fiber spinning dope comprising oxidized graphene prepared using a solvent containing a metal ion according to an embodiment of the present invention.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

제조예Manufacturing example 1: 산화  1: Oxidation 그래핀이Grapin 첨가된 셀룰로오스 복합 섬유의 제조 Preparation of Added Cellulose Composite Fiber

NMMO(N-메틸몰포린 N-옥사이드) 50중량% 수용액에 산화 그래핀을 셀룰로오스 대비 0.2중량%로 첨가한 후 감압 증류하여 수분을 제거함으로써 86.7중량%의 산화 그래핀/NMMO 방사 용액을 제조하고, 이를 실온에서 고체화하여 산화 그래핀/NMMO 분말로 제조하였다. 고체상의 산화 그래핀/NMMO와 셀룰로오스에 산화방지제로 n-프로필 갈레이트(n-propyl gallate)를 셀룰로오스 대비 0.2중량%로 첨가하여 분쇄하면서, 믹서기에서 발생하는 열로 분말을 혼합하여, NMMO 입자가 복합체를 이루는 과립(granules)을 제조하였다. 제조된 과립을 120℃로 유지된 유조(oil bath)에서 40분 동안 교반한 뒤 실온에서 고화시켜 고체상의 도프(dope)를 제조하였다. 제조된 도프의 구성물질함량은 86.7% NMMO 88 g, 셀룰로오스 12 g, 및 산화그래핀 0.24 g이었다.The graphene oxide was added to an aqueous solution of 50 wt% of NMMO (N-methylmorpholine N-oxide) in an amount of 0.2 wt% relative to the cellulose, and then the water was removed by distillation under reduced pressure to prepare 86.7 wt% of a graft oxide / NMMO spinning solution , Which was solidified at room temperature to prepare an oxidized graphene / NMMO powder. N-propyl gallate was added as an antioxidant to solid phase oxide graphene / NMMO and cellulose to 0.2 wt% of cellulose, and powder was mixed with heat generated in the blender while the NMMO particles were mixed with the composite Were prepared. ≪ tb > < TABLE > The prepared granules were stirred in an oil bath maintained at 120 캜 for 40 minutes and then solidified at room temperature to prepare a solid phase dope. The constituent material content of the prepared dope was 86.7% NMMO 88 g, cellulose 12 g, and oxidized graphene 0.24 g.

이상과 같이 제조한 고체상의 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 도프 분말을 방사장치에 넣고, 110℃에서 90분 동안 진공상태를 유지하여 용융시켰다. 이후, 방사온도를 105℃로 하여, 방사노즐의 표면과 응고욕 간의 거리에 10 cm 공기층을 두는 건습식 방사로 섬유를 제조하였다. 홀 수는 3홀, 직경은 0.3 mm인 방사노즐을 사용하였으며, L/D는 1로 하고, 질소압력을 일정하게 유지하면서 방사하였다. 이때, 약 110 m/min의 속도로 권취(winding)하였으며, 방사기로부터 공기층으로 압출된 복합 섬유는 증류수를 채운 응고욕과 수세욕을 차례로 통과한 후 보빈(bobbin)에 권취하였다. 보빈에 권취된 복합섬유는 24시간 동안 증류수에 두어 NMMO를 제거하고, 24시간 동안 실온(25℃)에 방치하여 건조하였다.The cellulose dope powder to which solid oxide graphene was added was put into a spinning apparatus and melted by maintaining the vacuum state at 110 DEG C for 90 minutes. Then, the spinning temperature was set to 105 ° C, and a dry air wet spinning fiber was produced by placing a 10 cm air layer between the surface of the spinning nozzle and the coagulating bath. A spinning nozzle with a hole number of 3 holes and a diameter of 0.3 mm was used, and L / D was set to 1, and the nozzle was spun while maintaining the nitrogen pressure constant. The composite fiber extruded from the radiator into the air layer was passed through a coagulation bath filled with distilled water and a water bath, and then wound on a bobbin. The composite fibers wound on a bobbin were placed in distilled water for 24 hours to remove NMMO and left to stand at room temperature (25 ° C) for 24 hours.

상기 수득한 복합섬유의 표면을 관찰하고 그 결과를 도 1a에, 3차원 X-선 토모그래피(X-ray tomography, XRadia XRM, Carl Zeiss, USA)에 의해 섬유 내부 구조를 관찰하고 그 결과를 도 1b에 나타내었다. 도 1a 및 1b에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 섬유는 그 표면이 매끈할 뿐만 아니라, 내부에는 그라핀 옥사이드가 고르게 분산되어 분포된 것을 확인하였다. 나아가, 상기 복합섬유의 내부를 명시야 투과전자현미경(bright field transmission electron microscopy; BF TEM) 이미지와 주사투과전자현미경(scanning transmisstion electron microscopy; STEM) 고각 환형 암장(high angle annular dark field; HAADF) 이미지로 관찰하였으며, 이로부터 관찰된, 실제로 콘트라스트 차이가 나는, 나노입자가 산화 그래핀인 것을 확인하기 위하여 EDS 포인트 프로파일을 측정하고, 그 결과를 각각 도 2 및 하기 표 1에 나타내었다. 도 2a에 나타난 바와 같이, 복합섬유의 내부에는 현저한 콘트라스트 차이가 나는 나노입자가 존재하는 것으로 확인되었으며, 도 2b에 표시한 바와 같이 이에 해당 영역 내에서 선택된 하나의 지점 및 이외의 영역에서 선택된 동일한 면적의 다른 하나의 지점에서 EDS 포인트 프로파일을 측정하여 원자 함량의 차이를 확인하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The surface of the resultant composite fiber was observed and the result was shown in FIG. 1A. The internal structure of the fiber was observed by three-dimensional X-ray tomography (XRadia XRM, Carl Zeiss, USA) Respectively. As shown in FIGS. 1A and 1B, it was confirmed that the composite fibers according to the present invention had smooth surfaces as well as uniformly dispersed and distributed graphen oxide. Further, the inside of the composite fiber is subjected to a bright field transmission electron microscopy (BF) TEM image and a scanning transmission electron microscopy (STEM) high angle annular dark field (HAADF) image , And the EDS point profile was observed to confirm that the nanoparticles were graphene grains which had actually observed a contrast difference. The results are shown in FIG. 2 and Table 1, respectively. As shown in FIG. 2A, it was confirmed that nanoparticles having a remarkable contrast difference exist in the inside of the conjugate fiber, and as shown in FIG. 2B, the same area selected at one point and the other areas selected in the corresponding area The EDS point profile was measured at the other point of the sample, and the difference in atomic content was confirmed. The results are shown in Table 1 below.

Point 1Point 1 Point 2Point 2 C-KC-K 93.7193.71 78.5778.57 O-KO-K 3.933.93 11.0611.06

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 포인트 2에 비해 포인트 1에서 탄소 함량이 현저히 높았으며, 이는 콘트라스트 차이를 나타내는 나노입자가 산화 그래핀임을 나타내는 것이다.As shown in Table 1 above, the carbon content was significantly higher at point 1 compared to point 2, indicating that the nanoparticles exhibiting contrast differences are oxidized graphene.

나아가, 상기 수득한 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유와 대조군으로서 셀룰로오스 섬유 자체의 인장강도(tensile strength), 탄성계수(modulus) 및 연신율(elongation)을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Further, the tensile strength, modulus and elongation of the cellulose composite fiber to which the oxidized graphene fiber was added and the cellulose fiber itself as a control group were measured and the results are shown in Table 2 below .

셀룰로오스 섬유Cellulose fiber 산화 그래핀/셀룰로오스 섬유Oxidized graphene / cellulose fibers 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 362.1±46.6362.1 + - 46.6 403.5±76.0403.5 + - 76.0 탄성계수(GPa)Elastic modulus (GPa) 2.1±0.22.1 ± 0.2 2.3±0.52.3 ± 0.5 연신율(%)Elongation (%) 6.0±0.66.0 ± 0.6 4.5±0.54.5 ± 0.5

실시예Example 1: 칼슘 이온으로  1: with calcium ion 후처리한Post-processed 가교된Bridged 셀룰로오스 섬유 및 셀룰로오스/산화  Cellulose fiber and cellulose / oxidation 그래핀Grapina 복합섬유의 제조 Manufacture of composite fibers

상기 제조예 1에 따라 제조된 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유 및 대조군으로서, 산화 그래핀을 포함하지 않는 셀룰로오스 섬유를 0.1 M 농도의 염화칼슘 수용액에 침지시켰다. 처리 시간에 따른 효과를 확인하기 위하여, 10분으로부터 60분까지 10분 간격으로 샘플링하였다. 상기 염화칼슘 수용액에 침지한 섬유를 꺼내어 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 세척한 후, 장력을 주면서 50℃에서 2시간 동안 건조시켜 수분을 제거하였다. 이와 같이 수득한 칼슘 이온을 후처리하여 가교시킨 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유(GO-CeHFs) 및 셀룰로오스 섬유(CeFs)의 인장강도, 탄성계수 및 연신율을 측정하여, 도 3 및 하기 표 3에 나타내었다.Cellulose composite fiber to which oxidized graphene prepared according to Preparation Example 1 was added and cellulose fiber not containing oxidized graphene as a control group were immersed in a calcium chloride aqueous solution having a concentration of 0.1 M. In order to confirm the effect of the treatment time, samples were sampled every 10 minutes from 10 minutes to 60 minutes. The fibers immersed in the calcium chloride aqueous solution were taken out, washed with distilled water until the pH became neutral, and then dried at 50 ° C for 2 hours under tension to remove moisture. The tensile strength, elastic modulus and elongation of the cellulosic composite fibers (GO-CeHFs) and cellulose fibers (CeFs) to which the grafted oxide grafted with calcium ions thus obtained had been post-treated and crosslinked were measured, Respectively.

처리시간Processing time 0분0 minutes 10분10 minutes 20분20 minutes 30분30 minutes 40분40 minutes 50분50 minutes 60분60 minutes CeFsCeFs 인장강도
(MPa)
The tensile strength
(MPa)
362.1
±46.6
362.1
± 46.6
377.3
±35.2
377.3
± 35.2
422.4
±32.5
422.4
± 32.5
423.9
±56.2
423.9
± 56.2
416.2
±43.0
416.2
± 43.0
413.5
±40.6
413.5
± 40.6
414.1
±47.6
414.1
± 47.6
탄성계수
(GPa)
Modulus of elasticity
(GPa)
2.1
±0.2
2.1
± 0.2
2.3
±0.3
2.3
± 0.3
2.2
±0.3
2.2
± 0.3
2.2
±0.3
2.2
± 0.3
2.3
±0.4
2.3
± 0.4
2.2
±0.2
2.2
± 0.2
2.1
±0.3
2.1
± 0.3
연신율
(%)
Elongation
(%)
6.0
±0.6
6.0
± 0.6
6.0
±0.4
6.0
± 0.4
6.2
±0.5
6.2
± 0.5
6.2
±0.3
6.2
± 0.3
6.2
±0.5
6.2
± 0.5
6.1
±0.5
6.1
± 0.5
6.3
±0.2
6.3
± 0.2
GO-CeHFsGO-CeHFs 인장강도
(MPa)
The tensile strength
(MPa)
403.5
±76.0
403.5
± 76.0
504.6
±54.2
504.6
± 54.2
544.7
±37.0
544.7
± 37.0
550.4
±37.5
550.4
± 37.5
544.1
±45.4
544.1
± 45.4
533.5
±46.9
533.5
± 46.9
542.9
±15.8
542.9
± 15.8
탄성계수
(GPa)
Modulus of elasticity
(GPa)
2.3
±0.5
2.3
± 0.5
2.8
±0.3
2.8
± 0.3
3.0
±0.3
3.0
± 0.3
2.9
±0.2
2.9
± 0.2
3.0
±0.3
3.0
± 0.3
2.9
±0.2
2.9
± 0.2
2.9
±0.3
2.9
± 0.3
연신율
(%)
Elongation
(%)
4.5
±0.5
4.5
± 0.5
5.8
±0.3
5.8
± 0.3
6.0
±0.3
6.0
± 0.3
5.8
±0.4
5.8
± 0.4
5.8
±0.2
5.8
± 0.2
5.7
±0.3
5.7
± 0.3
5.7
±0.1
5.7
± 0.1

도 3 및 표 3에 나타난 바와 같이, 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유의 경우 염화칼슘 용액으로 처리하여 가교시킴에 따라 인장강도, 탄성계수 및 연신율 모두가 현저히 향상되었으나, 대조군으로 사용한 셀룰로오스 섬유의 경우 염화칼슘에 따라 인장강도는 다소 향상되기는 하였으나, 그 증가율은 본 발명에 따른 산화 그래핀을 포함하는 복합섬유에 비해 현저히 낮았으며, 탄성계수 및 연신율은 거의 변화하지 않았다.As shown in FIG. 3 and Table 3, in the case of the cellulose composite fiber to which the oxidized graphene was added, both the tensile strength, the elastic modulus and the elongation were remarkably improved by treating with a calcium chloride solution and crosslinking. However, Although the tensile strength was somewhat improved according to calcium chloride, the rate of increase was significantly lower than that of the composite fiber including the graphene oxide according to the present invention, and the modulus of elasticity and the elongation were hardly changed.

실시예Example 2: 칼슘 이온으로  2: with calcium ion 후처리한Post-processed 가교된Bridged 복합섬유의 제조 Manufacture of composite fibers

상기 제조예 1에 따라 제조된 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유를 0.1 M 염화칼슘 수용액에 30분 동안 침지시켰다. 상기 칼슘 수용액에 침지한 섬유를 꺼내어 pH가 중성이 될 때까지 증류수로 세척한 후, 장력을 주면서 50℃에서 2시간 동안 건조시켜 수분을 제거하였다. 이와 같이 수득한 칼슘 이온을 후처리하여 가교시킨 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유의 형태를 사진으로 찍어 도 4에 나타내었다.The cellulose composite fiber to which the oxidized graphene fiber prepared according to Preparation Example 1 was added was immersed in a 0.1 M aqueous solution of calcium chloride for 30 minutes. The fibers immersed in the calcium aqueous solution were taken out, washed with distilled water until the pH became neutral, and dried at 50 ° C for 2 hours under tension to remove water. FIG. 4 is a photograph showing the shape of the cellulose composite fiber to which the oxidized graphene grafted with the crosslinked calcium ion thus obtained is post-treated.

나아가, TEM을 통한 EDS 맵핑 분석을 통해 상기 칼슘이온을 처리하여 가교시킨, 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합 섬유에 존재하는 원자들의 분포를 확인하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 칼슘 이온으로 처리한 복합섬유의 STEM HADDF 이미지 및 EDS 원소 맵핑 이미지로서, 도 5a로부터 복합섬유 내부에 나노미터 크기의 입자가 존재함을 확인할 수 있었으며, 도 5b 및 도 5c로부터 상기 나노미터 크기의 입자가 존재하는 영역에서 이외의 영역에 비해 상대적으로 탄소 및 산소 원자가 많이 분포되어 있는 것을 확인하였다. 이는 상기 복합섬유 내부에 존재하는 나노미터 크기의 입자가 산화 그래핀임을 나타내는 것이다. 한편, 도 5d는 상기 복합섬유에서 칼슘 원자의 분포를 나타내는 것으로, 산화 그래핀이 존재하는 영역에서 보다 선명한 칼슘 원자의 분포를 나타내었다. 이는 금속 이온이 상대적으로 셀룰로오스와 산화 그래핀의 계면에 침투되어 계면결합력에 영향을 미침을 나타내는 것이다.Further, the distribution of atoms present in the grafted cellulose composite fiber to which the calcium ion was treated by cross-linking through EDS mapping analysis through TEM was confirmed, and the results are shown in FIG. FIG. 5 is a STEM HADDF image and an EDS element mapping image of the composite fiber treated with calcium ions. From FIG. 5A, it was confirmed that nanometer-sized particles were present inside the conjugate fiber. From FIGS. 5B and 5C, Sized particles are distributed in a relatively large proportion compared to the other regions. This indicates that nanometer-sized particles existing in the composite fiber are graphene grains. On the other hand, FIG. 5D shows the distribution of calcium atoms in the composite fibers, and shows a distribution of sharper calcium atoms in the region where the graphene oxide is present. This indicates that the metal ion penetrates the interface between the cellulose and the oxide graphene to relatively influence the interfacial bonding force.

또한, XPS 분석을 통해 화학적 구조를 도출하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, XPS 상에서 Ca에 해당하는 피크는 물론 O-Ca 피크가 함께 관찰되었다. 이는, 도 6 하단에 나타난 바와 같이, 금속 이온이 에폭시기와 결합하면서 유도되는 고리 열림(ring opening) 현상 및 카르복시기와의 결합에 의해 카르복실 킬레이트 구조를 형성하는 것에 기인한다.In addition, the chemical structure was derived by XPS analysis, and the results are shown in Fig. As shown in Fig. 6, peaks corresponding to Ca and O-Ca peaks were observed together on XPS. This is due to the formation of a carboxyl chelate structure by the ring opening phenomenon induced by binding of the metal ion to the epoxy group and bonding with the carboxyl group, as shown in the lower part of Fig.

또한, 상기 칼슘 이온을 후처리하여 가교시킨 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유의 인장강도 및 연신율을 측정하여, 도 7 및 8에 나타내고, 구체적인 수치는 하기 표 4에 나타내었다.The tensile strength and elongation of the cellulose composite fiber to which the grafted oxide grafted with the calcium ion had been post-treated and crosslinked were measured, And 8, and specific values are shown in Table 4 below.

실시예Example 3: 마그네슘 이온으로  3: with magnesium ion 후처리한Post-processed 가교된Bridged 복합섬유의 제조 Manufacture of composite fibers

0.1 M 염화칼슘 수용액 대신에 0.1 M 염화마그네슘 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로, 마그네슘 이온을 후처리하여 가교시킨 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유를 제조하고, 이의 인장강도 및 연신율을 측정하여, 도 7 및 8에 나타내고, 구체적인 수치는 하기 표 4에 나타내었다.A cellulose composite fiber to which a grafted oxide grafted with magnesium ions was post-treated by the same method as in Example 2 except that 0.1 M aqueous magnesium chloride solution was used instead of 0.1 M calcium chloride aqueous solution was prepared, Strength and elongation were measured, And 8, and specific values are shown in Table 4 below.

실시예Example 4: 바륨 이온으로  4: with barium ion 후처리한Post-processed 가교된Bridged 복합섬유의 제조 Manufacture of composite fibers

0.1 M 염화칼슘 수용액 대신에 0.1 M 염화바륨 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로, 바륨 이온을 후처리하여 가교시킨 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유를 제조하고, 이의 인장강도 및 연신율을 측정하여, 도 7 및 8에 나타내고, 구체적인 수치는 하기 표 4에 나타내었다.A cellulose composite fiber to which a graft oxide grafted with barium ions was subjected to post treatment to prepare a cellulose composite fiber was prepared in the same manner as in Example 2 except that 0.1 M aqueous barium chloride solution was used instead of 0.1 M calcium chloride aqueous solution, Strength and elongation were measured, And 8, and specific values are shown in Table 4 below.

비교예Comparative Example 1: 이온 처리하지 않은 복합섬유 1: Compound fiber not subjected to ion treatment

제조예 1로부터 수득한 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 복합섬유를 그대로 비교예 1의 시료로 사용하여 인장강도 및 연신율을 측정하고, 그 결과를 도 2 및 3에 나타내었으며, 구체적인 수치는 하기 표 4에 나타내었다.The cellulose composite fiber to which oxidized graphene obtained in Production Example 1 was added was directly used as a sample of Comparative Example 1 to measure tensile strength and elongation. The results are shown in Figs. 2 and 3. Specific values are shown in Table 4 Respectively.

인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 실시예 2Example 2 550.4±54.2550.4 ± 54.2 5.8±0.45.8 ± 0.4 실시예 3Example 3 514.4±36.4514.4 ± 36.4 5.7±0.45.7 ± 0.4 실시예 4Example 4 578.9±24.9578.9 ± 24.9 5.6±0.35.6 ± 0.3 비교예 1Comparative Example 1 403.5±76.0403.5 + - 76.0 4.5±0.54.5 ± 0.5

도 7 및 상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2 내지 4에 따라 제조된 금속 이온으로 후처리한 가교된 복합섬유의 인장강도는 금속 이온 처리하지 않은 복합섬유에 비해(비교예 1) 약 28 내지 44% 증가된 인장강도를 갖는 것을 확인하였다. 구체적으로, 마그네슘으로부터 바륨까지 이온의 크기가 증가함에 따라 인장강도 증가율은 28%로부터 44%까지 금속 이온 의존적으로 증가하였다.As shown in FIG. 7 and Table 4, the tensile strength of the crosslinked composite fibers after the treatment with metal ions prepared according to Examples 2 to 4 of the present invention was higher than that of the composite fibers without the metal ion treatment (Comparative Example 1 ) ≪ / RTI > increased by about 28 to 44%. Specifically, as the size of ions from magnesium to barium increased, the tensile strength increase rate increased from 28% to 44% depending on the metal ion.

한편, 도 8 및 상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2 내지 4에 따라 제조된 금속 이온으로 후처리한 가교된 복합섬유의 연신율은 금속 이온 처리하지 않은 복합섬유에 비해(비교예 1) 약 24 내지 29% 증가된 연신율을 갖는 것을 확인하였으나, 금속 이온의 종류에 따른 증가율의 변화는 오차 범위 이내로 금속 이온의 종류와 무관하게 유사한 증가율을 나타내었다.On the other hand, as shown in FIG. 8 and Table 4, the elongation ratios of the crosslinked conjugated fibers after the treatment with the metal ions prepared according to Examples 2 to 4 of the present invention were higher than those of the untreated conjugated fibers 1) It was confirmed that the elongation was increased by about 24 to 29%. However, the rate of increase of the rate of increase according to the type of metal ion showed a similar rate of increase regardless of the type of metal ion within the error range.

이상과 같은, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 금속 이온 처리에 의해 가교된 복합섬유에서 인장강도 및 연신율을 나타내는 것은 금속 이온이 산화 그래핀과 셀룰로오스 계면에 도입되어 작용기들을 통한 가교결합을 형성하여 계면의 결합력을 향상시키기 때문인 것으로 사료된다. 이때, 연신율은 금속 처리한 금속 이온의 종류와 무관하게 비슷한 증가율을 나타내는 반면, 인장강도는 처리한 금속 이온의 크기가 증가함에 따라 그 증가율도 함께 증가하는 데, 이는 보다 큰 크기의 금속 이온이 산화 그래핀과 셀룰로오스 사이가 도입됨으로서 계면의 빈 공간을 보다 더 채울 수 있으므로 상대적으로 외부에서 가해지는 힘에 대해 버티는 힘이 강해져 기계적 물성이 더 높아진 것으로 사료된다. 이는 적절한 금속 이온을 선택하여 처리함으로써 제조되는 복합섬유의 강도를 조절할 수 있음을 나타내는 것이다.In comparison with the non-crosslinked composite fibers as described above, the tensile strength and the elongation ratio of the composite fibers crosslinked by the metal ion treatment are shown by the fact that metal ions are introduced at the interface between the oxidized graphene and the cellulose to form crosslinks through the functional groups, It is believed that this is because it improves the bonding force. At this time, the elongation rate shows a similar rate of increase regardless of the type of metal ion treated, whereas the tensile strength increases with increasing size of the treated metal ion, As the gap between the graphene and the cellulose is introduced, the void space at the interface can be filled more, so that the force against the force externally applied is strengthened and the mechanical properties are considered to be higher. This indicates that it is possible to control the strength of the composite fiber produced by selecting and treating the appropriate metal ions.

실시예Example 5: 금속 이온을 첨가한 용매를 사용하는  5: Using metal ion added solvent 가교된Bridged 복합섬유의 제조 Manufacture of composite fibers

각각 0.1 M의 염화마그네슘, 염화칼슘, 염화바륨을 첨가한 NMMO 용매를 이용하여, 0.2중량% 산화 그래핀이 첨가된 셀룰로오스 도프를 제조하고, 이를 고체화시켜 보관하였다. 상기 고체화시킨 도프의 형태를 사진으로 찍어 도 9에 나타내었다. 금속 이온 수용액으로 후처리하여 가교시키는 실시예 2 내지 4와 달리, 원료를 용해시키는 용매에 직접 금속 이온을 첨가하여 제조하더라도, 정전기적 각 원료가 정전기적 인력이 아닌 공유결합으로 연결되어 이로부터 제조되는 물질의 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이는 원료에 직접 금속 이온을 첨가하고 이를 성형함으로써 추가적인 공정 없이도 기계적 물성이 향상된 제품을 제공할 수 있음을 나타내는 것이며, 이를 토대로 기존의 합성 섬유를 이용한 타이어코드용 및 차량용 내장제 소재 및 가정용 제품을 포함한 다양한 제품군에 친환경 소재로 폭넓게 응용될 수 있다.Cellulose dope to which 0.2 wt% of graphene oxide was added was prepared using an NMMO solvent containing 0.1 M of magnesium chloride, calcium chloride and barium chloride, respectively, and solidified. The form of the solidified dope was photographed and shown in Fig. Unlike Examples 2 to 4, which are post-treated with a metal ion aqueous solution and crosslinked, even when the metal ion is directly added to a solvent for dissolving the raw material, the electrostatic raw materials are connected by covalent bonds instead of electrostatic attraction, It is possible to further improve the mechanical properties of the material. This indicates that it is possible to provide a product with improved mechanical properties without additional processing by directly adding metal ions to the raw material and molding the same. Based on this, it is possible to provide a variety of products including tire cord, automobile interior material, It can be widely applied to eco-friendly materials in the product group.

Claims (11)

가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서,
셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하는 복합섬유를 준비하는 제1단계; 및
이전단계로부터 수득한 복합 섬유를 금속 이온을 포함하는 용액과 접촉시키는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법.
A method for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface, which is improved in tensile strength, elongation, or both, as compared with a non-crosslinked conjugate fiber,
A first step of preparing a composite fiber comprising 100 parts by weight of cellulose and 1 to 10 parts by weight with respect to the cellulose, the composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface; And
And a second step of contacting the composite fiber obtained from the previous step with a solution containing a metal ion.
제1항에 있어서,
상기 금속 이온은 그래핀 표면의 산소원자 및 셀룰로오스의 산소원자와 정전기적 인력에 의해 결합을 형성하여 가교할 수 있는 이온인 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal ion is an ion capable of forming a bond with an oxygen atom on the surface of graphene and an oxygen atom of cellulose to form a bond by an electrostatic attractive force.
가교되지 않은 섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된, 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법으로서,
셀룰로오스 100 중량부, 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀 및 최종 0.05 내지 0.2 M 농도로 금속 이온을 포함하는 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 및
상기 혼합 용액으로부터 복합섬유를 제조하는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 복합섬유의 제조방법.
A process for producing a cellulose composite fiber comprising graphene having an oxygen atom on its surface, which is improved in tensile strength, elongation, or both, compared with unbridged fibers, and which is crosslinked with metal ions,
Preparing a mixed solution comprising 100 parts by weight of cellulose, 1 to 10 parts by weight of the cellulose with graphene having an oxygen atom on its surface, and a final concentration of 0.05 to 0.2 M metal ions; And
And a second step of preparing a composite fiber from the mixed solution.
제3항에 있어서,
상기 금속 이온은 그래핀 표면의 산소원자 및 셀룰로오스의 산소원자와 화학적 결합을 형성하여 가교할 수 있는 이온인 것인 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the metal ion is an ion capable of forming a chemical bond with the oxygen atom on the surface of the graphene and the oxygen atom of the cellulose and capable of crosslinking.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 이온은 철(Fe), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바륨(Ba), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn), 금(Au), 은(Ag) 및 스트론튬(Sr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 이온인 것인 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The metal ion may be at least one selected from the group consisting of Fe, Ca, Mg, Cu, Ni, Ba, Cd, Pb, Is at least one metal ion selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag) and strontium (Sr).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 산화 그래핀, 산화된 다층 그래핀, 기능화된 그래핀 및 기능화된 다층 그래핀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the graphene having oxygen atoms on the surface is at least one selected from the group consisting of oxide graphene, oxidized multilayer graphene, functionalized graphene, and functionalized multilayer graphene.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀룰로오스는 목질계 셀룰로오스, 비목질계 셀룰로오스 및 박테리아 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the cellulose is at least one selected from the group consisting of woody cellulosic, non-woody cellulose and bacterial cellulose.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 이온으로 가교된 셀룰로오스 복합섬유는 가교되지 않은 셀룰로오스 복합섬유에 비해 인장강도가 28 내지 44% 또는 연신율이 24 내지 29% 향상된 것인 제조방법.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein the cellulose composite fiber crosslinked with the metal ion has a tensile strength of 28 to 44% or an elongation of 24 to 29% higher than that of the non-crosslinked cellulose composite fiber.
셀룰로오스 100 중량부 및 상기 셀룰로오스에 대해 1 내지 10 중량부의 표면에 산소원자를 갖는 그래핀을 포함하고, 상기 셀룰로오스와 표면에 산소원자를 갖는 그래핀은 금속 이온으로 가교되어, 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도, 연신율 또는 둘 모두가 향상된 것인, 셀룰로오스 복합섬유.
And a graphene having oxygen atoms on the surface of the cellulose in an amount of 1 to 10 parts by weight based on the cellulose, wherein the cellulose and the graphene having an oxygen atom on the surface are crosslinked with a metal ion, Wherein the tensile strength, elongation, or both are improved.
제9항에 있어서,
상기 복합섬유는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 것인 복합섬유.
10. The method of claim 9,
Wherein the composite fiber is produced by the method of any one of claims 1 to 4.
제9항에 있어서,
상기 셀룰로오스 복합섬유는 가교되지 않은 복합섬유에 비해 인장강도가 28 내지 44% 또는 연신율이 24 내지 29% 향상된 것인 복합섬유.
10. The method of claim 9,
Wherein the cellulose composite fiber has a tensile strength of 28 to 44% or an elongation of 24 to 29% higher than that of the non-crosslinked composite fiber.
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