KR20210138207A - Bnnt 복합 섬유 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BNNT와 물을 혼합하여 BNNT 분산액을 제조하는 BNNT 분산액 제조 단계와, 상기 BNNT 분산액에 셀룰로오스 나노화이버를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 방사 용액 제조 단계와, 상기 방사 용액을 교반하여 상기 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버를 균일하게 혼합하는 방사 용액 교반 단계 및 상기 방사 용액을 응고액에 방사하여 BNNT 복합 섬유를 제조하는 복합 섬유 방사 단계를 포함하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법을 개시한다.

Description

BNNT 복합 섬유 제조 방법{Manufacturing Method of BNNT Composite Fiber}

본 발명은 BNNT(보론나이트라이드나노튜브)와 셀룰로오스 나노화이버를 포함하는 BNNT 복합 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

BNNT(Boron Nitride Nano Tube)는 일반적으로 방열 특성과 열적 안정성 및 화학적 안정성이 좋은 물질이며, 인체에 무해한 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, BNNT는 자체적으로 뛰어난 방열 특성을 가지며, 열적 안정성과 고온에서의 산화 저항성을 가진다. 또한, 상기 BNNT 는 화학적 안정성을 가지며, 대부분의 산과 염기에 불활성인 특성을 갖는다. 또한, 상기 BNNT는 방사선 흡수와 뛰어난 기계적 성질로 우주 및 국방소재 분야의 활용 가능성이 증가되고 있다.

한편, 상기 BNNT는 다양한 분야에서 응용되기 위하여 유연성을 가지는 BNNT 복합 섬유로 개발되는 것이 필요하다. 상기 BNNT 복합 섬유는 BNNT를 기반으로 하므로 기존 고분자 섬유 구조에 비하여 뛰어난 방열 특성을 가질 수 있으며, 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

기존에, 상기 BNNT 복합 섬유의 제조 방법으로는 BNNT 를 고분자와 함께 섞어서 전기 방사 방법, 3D 프린팅 방법 또는 필름 제조 방법등과 같은 방법으로 섬유로 제조하는 방법이 개발되고 있다. 그러나, 상기 전기 방사 방법은 제조되는 BNNT 복합 섬유의 열전도도가 높으나 기계적 강도가 낮아지는 문제가 있다. 상기 3D 프린팅 방법은 제조되는 BNNT 복합 섬유의 기계적 강도가 낮아지는 문제가 있다. 상기 필름 제조 방법은 열전도도가 높으나 역시 기계적 강도가 높지 않은 문제가 있다.

본 발명은 기계적 강도가 높은 BNNT 복합 섬유를 제조할 수 있는 BNNT 복합 섬유 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 BNNT와 물을 혼합하여 BNNT 분산액을 제조하는 BNNT 분산액 제조 단계와, 상기 BNNT 분산액에 셀룰로오스 나노화이버를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 방사 용액 제조 단계와, 상기 방사 용액을 교반하여 상기 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버를 균일하게 혼합하는 방사 용액 교반 단계 및 상기 방사 용액을 응고액에 방사하여 BNNT 복합 섬유를 제조하는 복합 섬유 방사 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 상기 방사 용액 교반 단계 후에 상기 방사 용액을 농축하는 방사 용액 농축 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 BNNT 분산액은 상기 BNNT가 10 ∼ 50mg/ml의 농도로 혼합될 수 있다.

또한, 상기 BNNT 분산액 제조 단계는 초음파를 인가하여 상기 BNNT를 상기 물에 분산시킬 수 있다.

또한, 상기 방사 용액 제조 단계에서 상기 셀룰로오스 나노화이버는 중량을 기준으로 BNNT와 1:3∼ 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다.

또한, 상기 방사 용액 제조 단계에서 상기 셀룰로오스 나노화이버는 물에 분산된 셀룰로오스 분산액의 형태로 BNNT 분산액에 혼합될 수 있다.

또한, 상기 BNNT는 적어도 10μm의 길이와 10 ∼ 40 nm의 직경으로 형성되며, 상기 셀룰로오스 나노화이버는 1 ∼ 100㎛의 길이와 5 ∼ 100nm의 직경으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 셀룰로오스 분산액은 상기 셀룰로오스 나노화이버가 상기 셀룰로오스 분산액의 전체 중량을 기준으로 1 ∼ 5wt%로 혼합되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 응고액은 고순도 아세톤 용액이며, -90℃ ~ 20℃의 온도로 유지될 수 있다.

또한, 상기 복합 섬유 방사 단계에서 상기 BNNT 복합 섬유는 상기 응고액에서 30분 ~ 3시간 동안 침지된 상태로 유지될 수 있다.

또한, 상기 복합 섬유 방사 단계는 상기 방사 용액을 200 ~ 700㎕/min의 방사 비율로 방사할 수 있다.

본 발명의 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 고분자 물질로 셀룰로오스 나노화이버를 사용하므로 BNNT의 높은 열전도를 유지하면서도 높은 기계적 강도를 가지는 BNNT 복합 섬유를 제조할 수 있다.

또한, 상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 기존의 제조 방법과 대비하여 공정이 간단하여 BNNT 복합 섬유를 보다 간단하게 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 의하여 제조된 BNNT 복합 섬유의 사진이다.
도 3은 도 2의 BNNT 복합 섬유의 TMA 측정 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 의하여 제조된 BNNT 복합 섬유의 사진이다.
도 5는 도 4의 BNNT 복합 섬유의 TMA 측정 결과 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법의 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법은, 도 1을 참조하면, BNNT 분산액 제조 단계(S10)와, 방사 용액 제조 단계(S20)와, 방사 용액 교반 단계(S30) 및 복합 섬유 방사 단계(S40)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 방사 용액 농축 단계(S35)를 더 포함할 수 있다.

상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 BNNT와 혼합되는 고분자 물질로 셀룰로오스 나노화이버를 사용함으로써 제조되는 복합 섬유의 열전도성을 유지하면서도 기계적 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 기존의 제조 방법과 대비하여 공정이 간단하여 BNNT 복합 섬유를 보다 간단하게 제조할 수 있다.

상기 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 의한 BNNT 복합 섬유는 고분자 물질인 셀룰로오스 나노화이버와 혼합됨에도 불구하고 BNNT의 자체 열전도도에 대응되는 열전도도와 방열 특성을 유지하면서 기계적 강도가 증가될 수 있다. 따라서, 상기 BNNT 복합 섬유는 방열 천, 소방복, 우주복 및 군사용 목적 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.

상기 BNNT 분산액 제조 단계(S10)는 BNNT와 물을 혼합하여 BNNT 분산액을 제조하는 단계이다. 상기 BNNT 분산액은 BNNT가 10 ∼ 50mg/ml의 농도로 혼합되어 형성될 수 있다. 상기 BNNT 분산액은 바람직하게는 15 ∼ 30mg/ml의 농도로 혼합되어 형성될 수 있다. 상기 BNNT 분산액의 BNNT의 농도가 너무 낮으면 BNNT의 함량이 너무 작아 BNNT 복합 섬유를 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 BNNT 분산액의 BNNT의 농도가 너무 높으면 BNNT의 분산이 용이하지 않을 수 있다.

상기 BNNT는 적어도 10μm의 길이와 10 ∼ 40 nm의 직경으로 형성될 수 있다. 상기 BNNT 분산액 제조 단계(S10)는 초음파를 인가하여 BNNT를 물에 보다 균일하게 분산시킬 수 있다. 상기 초음파는 BNNT를 물에 분산시키면서 인가하거나 BNNT를 분산시킨 후에 인가할 수 있다.

상기 방사 용액 제조 단계(S20)는 BNNT 분산액에 셀룰로오스 나노화이버를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계이다.

상기 셀룰로오스 나노화이버는 BNNT와 복합 섬유를 형성하기 위하여 혼합되는 고분자 물질이며, 나노화이버의 형상을 가진다. 상기 셀룰로오스 나노화이버는 방사 용액에서 BNNT와 소수성-소수성 작용을 한다. 즉, 상기 셀룰로오스 나노화이버는 BNNT와 결합을 하여 소수성을 부여할 수 있다. 따라서, 상기 셀룰로오스 나노화이버는 BNNT가 방사 용액에서 잘 분산될 수 있도록 한다. 즉, 상기 셀룰로오스 나노화이버는 수용액에서 BNNT의 분산성을 증가시킬 수 있다.

상기 셀룰로오스 나노화이버는 1 ∼ 100㎛의 길이와 5 ∼ 100nm의 직경으로 형성될 수 있다.

상기 셀룰로오스 나노화이버는 BNNT와 1:1 ∼ 1:3의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 셀룰로오스 나노화이버의 함량이 너무 작으면 복합 섬유의 기계적 강도가 낮아질 수 있다. 또한, 상기 셀룰로오스 나노화이버의 함량이 너무 많으면 열전도가 낮아질 수 있다.

상기 셀룰로오스 나노화이버는 물에 분산되어 셀룰로오스 분산액의 상태로 BNNT 분산액에 혼합될 수 있다. 상기 셀룰로오스 분산액은 셀룰로오스 나노화이버가 셀룰로오스 분산액의 전체 중량을 기준으로 1 ∼ 5wt%로 혼합되어 형성될 수 있다.

상기 BNNT 분산액과 셀룰로오스 분산액의 혼합비는 BNNT 복합 섬유에서 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버의 중량비를 반영하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 BNNT 분산액은 20mg/mL로 제조되고 셀룰로오스 분산액은 2wt%이며, BNNT 분산액 3mL에 1 ∼ 5mL로 혼합될 수 있다.

상기 방사 용액 제조 단계(S20)는 초음파를 인가하여 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버가 보다 균일하게 혼합되도록 할 수 있다. 상기 초음파는 셀룰로오스 나노화이버를 BNNT 분산액에 혼합하면서 인가하거나, BNNT 분산액에 셀룰로오스 나노화이버를 분산시킨 후에 인가할 수 있다.

상기 방사 용액 교반 단계(S30)는 방사 용액을 교반하여 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버를 균일하게 혼합하는 단계이다. 상기 방사 용액 교반 단계(S30)는 폴리머 용액 또는 화이버 복합 용액을 교반하는 일반적인 방법으로 진행될 수 있다. 상기 방사 용액 교반 단계(S30)는 10 ∼ 30시간 이상의 교반 시간 동안 진행될 수 있다. 상기 교반 시간이 너무 짧으면 교반이 충분하지 않을 수 있다. 상기 교반 시간이 너무 길면 전체 공정 시간이 불필요하게 길어질 수 있다.

상기 방사 용액 농축 단계(S35)는 방사 용액이 방사에 적정한 점도를 갖도록 물을 증발시켜 농축하는 단계이다. 상기 방사 용액 농축 단계(S35)는 회전증발 농축기와 같은 장치를 이용하여 용매를 증발시키는 방법으로 진행될 수 있다. 상기 회전 증발 농축기는 진공 상태에서 용매의 끓는 점을 이용하여 용매만을 증발시키는 장치이다.

상기 방사 용액은 30 ∼ 80mg/mL의 농도를 갖도록 농축될 수 있다. 상기 방사 용액의 농도가 너무 낮으면 복합 섬유가 원활하게 형성되지 않을 수 있다. 즉, 상기 방사 용액의 농도가 너무 낮으면, 방사 과정에서 복합 용액이 섬유 형태로 길게 나오지 못하고 짧게 끊어지는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 상기 방사 용액의 농도가 너무 높으면 복합 섬유가 브리틀(brittle)해져서 잘 응고되지 않으며, 강도가 낮아지는 현상이 발생될 수 있다.

상기 방사 용액은 30 ∼ 80cP의 점도를 가질 수 있다. 상기 방사 용액의 점도가 너무 낮으면, 방사 용액이 방사되면서 섬유 형태를 유지하지 못하고 실타래처럼 뭉친 형태로 형성될 수 있다. 한편, 상기 방사 용액 교반 단계(S30)에서 형성되는 방사 용액의 점도가 적정한 경우에 방사 용액 농축 단계(S35)는 생략될 수 있다.

상기 복합 섬유 방사 단계(S40)는 방사 용액을 응고액에 방사하여 BNNT 복합 섬유를 제조하는 단계이다. 상기 방사 용액은 방사 노즐에서 섬유 형태로 방사되면서 응고액에 입사되어 섬유 형태를 유지하여 복합 섬유로 형성될 수 있다. 상기 응고액은 아세톤을 포함할 수 있다. 상기 응고액은 바람직하게는 고순도의 아세톤 용액일 수 있다. 예를 들면, 상기 아세톤 용액은 순도가 99.99% 이상인 아세톤 용액일 수 있다.

상기 응고액은 상온보다 낮은 온도로 유지되며, -90℃ ~ 20℃의 온도로 유지될 수 있다. 상기 응고액은 바람직하게는 0℃보다 낮은 온도로 유지될 수 있다. 상기 응고액의 온도가 너무 낮으면 응고액의 점성이 높아지게 되며 복합 섬유가 잘 응고되지 않을 수 있다.

상기 복합 섬유 방사 단계(S40)는 방사 용액이 방사되어 형성된 복합 섬유가 응고액에서 소정 시간동안 침지된 상태로 유지할 수 있다. 예를 들면, 상기 복합 섬유는 응고액에서 30분 ~ 3시간의 침지 시간동안 침지된 생태로 유지되어 충분히 응고될 수 있다.

상기 복합 섬유 방사 단계(S40)는 응고액을 일정 방향으로 회전시키면서 진행할 수 있다. 따라서, 상기 복합 섬유는 응고액의 내부에서 회전 방향을 따라 호를 이루면서 섬유 형태를 유지할 수 있다.

상기 복합 섬유 방사 단계(S40)는 방사 용액을 방사 노즐 또는 주사기를 이용하여 방사할 수 있다. 상기 방사 노즐 또는 주사기는 내부의 분사 통로의 직경이 0.1mm ∼ 0.7mm일 수 있다. 상기 방사 노즐은 필요로 하는 복합 섬유의 직경에 따라 적정한 직경의 분사 통로를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 방사 노즐은 0.31mm의 분사 통로를 가질 수 있다.

상기 복합 섬유 방사 단계(S40)는 방사 용액을 200 ~ 700㎕/min의 방사 비율로 방사할 수 있다. 상기 방사 비율은 방사 용액의 점도와 복합 섬유의 직경에 따라 적정하게 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 방사 비율은 400㎕/min일 수 있다. 상기 방사 비율이 너무 높으면 방사되는 복합 섬유가 끊어지는 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 방사 비율이 너무 낮으면 방사되는 복합 섬유가 뭉치는 문제가 있을 수 있다. 즉, 상기 방사 비율이 너무 낮으면, 방사 용액이 방사되면서 섬유 형태를 유지하지 못하고 실타래처럼 뭉친 형태로 형성될 수 있다.

다음은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 의하여 제조된 BNNT 복합 섬유의 사진이다. 도 3은 도 2의 복합 섬유의 TMA 측정 결과 그래프이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법에 의하여 제조된 BNNT 복합 섬유의 사진이다. 도 5는 도 4의 BNNT 복합 섬유의 TMA 측정 결과 그래프이다.

먼저, 상기 BNNT 분산액은 BNNT 20 mg/mL 농도로 제조하였으며 추가로 초음파 처리를 진행하였다. 상기 BNNT 분산액 3mL에 셀룰로오스 분산액(2wt%) 3mL를 혼합하고 초음파 처리를 진행하여 방사 용액을 제조하였다. 상기 방사 용액은 24시간동안 교반하여 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버가 균일하게 혼합되도록 하였다. 상기 방사 용액은 농축 과정을 통하여 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버의 농도가 증가되고, 점도가 증가되도록 하였다. 상기 방사 용액은 응고액인 아세톤에 방사되고 10분의 응고 시간동안 응고되었다. 이때, 상기 응고액은 회전되면서 상온 이하의 차가운 상태로 유지되었다. 상기 방사 용액은 분사 통로의 직경이 0.292mm(guage G24)인 분사 노즐을 사용하여 방사하였다. 도 2에서 보는 바와 같이, 제조된 BNNT 복합 섬유는 응고액에 섬유 형태로 생성된 것을 확인할 수 있다. 제조된 BNNT 복합 섬유는 TMA 측정을 진행하였으며, 측정된 TMA 그래프는 도 3과 같다. 상기 BNNT 복합 섬유는 변형 상태율이 15mN/tex로 측정되었다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 BNNT 복합 섬유 제조 방법은 위의 실시예와 대비하여 분사 노즐의 분사 통로가 0.51mm(gauge G21)인 점을 제외하고는 동일하게 하였다. 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 BNNT 복합 섬유는 응고액에 섬유 형태로 생성된 것을 확인할 수 있다. 제조된 BNNT 복합 섬유는 도 2의 BNNT 복합 섬유와 대비하여 상대적으로 길이가 긴 것을 확인할 수 있다. 제조된 BNNT 복합 섬유는 TMA 측정을 진행하였으며, 측정된 TMA 그래프는 도 5와 같다. 상기 BNNT 복합 섬유는 변형 상태율이 27mN/tex로 측정되었다. 상기 BNNT 복합 섬유는 변형 상태율도 도 2의 BNNT 복합 섬유와 대비하여 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다. 상기에서 보는 바와 같이 분사 노즐의 분사 통로가 상대적으로 큰 경우에 길이와 상대 변형율이 상대적으로 증가되는 것으로 확인되었다.

지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. BNNT와 물을 혼합하여 BNNT 분산액을 제조하는 BNNT 분산액 제조 단계와,
   상기 BNNT 분산액에 셀룰로오스 나노화이버를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 방사 용액 제조 단계와,
   상기 방사 용액을 교반하여 상기 BNNT와 셀룰로오스 나노화이버를 균일하게 혼합하는 방사 용액 교반 단계 및
   상기 방사 용액을 응고액에 방사하여 BNNT 복합 섬유를 제조하는 복합 섬유 방사 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방사 용액 교반 단계 후에 상기 방사 용액을 농축하는 방사 용액 농축 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 BNNT 분산액은 상기 BNNT가 10 ∼ 50mg/ml의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 BNNT 분산액 제조 단계는 초음파를 인가하여 상기 BNNT를 상기 물에 분산시키는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 방사 용액 제조 단계에서
   상기 셀룰로오스 나노화이버는 중량을 기준으로 BNNT와 1:3 ∼ 1:3의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 방사 용액 제조 단계에서 상기 셀룰로오스 나노화이버는 물에 분산된 셀룰로오스 분산액의 형태로 BNNT 분산액에 혼합되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 BNNT는 적어도 10μm의 길이와 10 ∼ 40 nm의 직경으로 형성되며,
   상기 셀룰로오스 나노화이버는 1 ∼ 100㎛의 길이와 5 ∼ 100nm의 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 셀룰로오스 분산액은 상기 셀룰로오스 나노화이버가 상기 셀룰로오스 분산액의 전체 중량을 기준으로 1 ∼ 5wt%로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 응고액은 고순도 아세톤 용액이며, -90℃ ~ 20℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 섬유 방사 단계에서 상기 BNNT 복합 섬유는 상기 응고액에서 30분 ~ 3시간 동안 침지된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 섬유 방사 단계는 상기 방사 용액을 200 ~ 700㎕/min의 방사 비율로 방사하는 것을 특징으로 하는 BNNT 복합 섬유 제조 방법.

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