KR20240023815A - Composite fiber and method for manufacturing the same - Google Patents

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전홍찬
전상수
조현대
김지정
정소라
황진호
한태희
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강동준
신환수
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Abstract

본 발명에 따른 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene)을 적절한 함량으로 포함함으로써 기계적 물성, 기계적 안정성 및 산화 안정성을 극대화시킬 수 있다.The composite fiber according to the present invention can maximize mechanical properties, mechanical stability, and oxidation stability by including a substrate containing a polymer and having the shape of a fiber, and MXene distributed inside the substrate at an appropriate content.

Description

복합 섬유 및 이의 제조방법{COMPOSITE FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Composite fiber and method for manufacturing the same {COMPOSITE FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 복합 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to composite fibers and methods for producing the same.

맥신은 금속과 유사한 높은 전기전도도 및 전기화학적 특성을 갖는 신규 이차원 물질이다. 전기화학적 에너지 저장 소자, 전극, 가스 및 수분 센서, 전도성 필러 등 많은 분야에서 우수한 성능을 보여주고 있다.MXene is a new two-dimensional material with high electrical conductivity and electrochemical properties similar to metals. It shows excellent performance in many fields such as electrochemical energy storage devices, electrodes, gas and moisture sensors, and conductive fillers.

또한, 맥신은 표면에 친수성 작용기들로 인해 뛰어난 분산성을 가진다. 따라서 고분산된 맥신 용액은 섬유화로도 제작이 가능하다. 하지만 맥신 시트 한장의 우수한 성능에 비해, 구조체로 제작한 섬유는 기계적 물성이 약하고 산화 안정성이 매우 떨어진다. 따라서 맥신을 전선, 전열 및 발열 소재, 웨어러블(wearable) 전자 소재 등으로 사용하기 위해서는 더욱 향상된 화학적 안정화와 기계적 물성이 확보되어야 한다.Additionally, MXene has excellent dispersibility due to the hydrophilic functional groups on its surface. Therefore, highly dispersed MXene solutions can also be produced by fiberization. However, compared to the excellent performance of a single MXene sheet, fibers made as a structure have weak mechanical properties and very poor oxidation stability. Therefore, in order to use MXene as an electric wire, electrical and heating material, and wearable electronic material, further improved chemical stabilization and mechanical properties must be secured.

대한민국공개특허 제10-2020-0176009호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0176009

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 맥신과 고분자를 혼합하여 맥신 내부의 공극을 고분자로 채워 기계적 특성이 향상된 복합 섬유를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and its purpose is to provide a composite fiber with improved mechanical properties by mixing MXene and a polymer and filling the voids inside the MXene with the polymer.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the objects mentioned above. The object of the present invention will become clearer from the following description and may be realized by means and combinations thereof as set forth in the claims.

본 발명에 따른 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함하고, 상기 맥신(Mxene)을 10중량% 내지 40중량%로 포함할 수 있다.The composite fiber according to the present invention includes a substrate containing a polymer and having the shape of a fiber; and Mxene distributed inside the substrate, and may include Mxene in an amount of 10% by weight to 40% by weight.

상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)를 포함할 수 있다.The polymer may include polyacrylonitrile (PAN).

상기 맥신은 복수 개의 나노 시트가 적층된 것이고, 상기 나노 시트 사이에 상기 고분자가 충진되어 있는 것일 수 있다.The MXene may be a stack of a plurality of nanosheets, and the polymer may be filled between the nanosheets.

상기 고분자와 상기 맥신은 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결합할 수 있다.The polymer and the MXene may be combined by electrostatic interaction.

상기 복합 섬유는 단면 형상이 원형, 타원형, 중공형 또는 플랫(flat)형일 수 있다.The composite fiber may have a circular, oval, hollow, or flat cross-sectional shape.

상기 복합 섬유는 전기전도도가 10S/cm 내지 200S/cm일 수 있다.The composite fiber may have an electrical conductivity of 10 S/cm to 200 S/cm.

상기 복합 섬유는 인장강도가 10MPa 내지 200MPa일 수 있다.The composite fiber may have a tensile strength of 10 MPa to 200 MPa.

상기 복합 섬유는 밀도가 1.0g/cm 내지 2.5g/cm일 수 있다.The composite fiber may have a density of 1.0 g/cm to 2.5 g/cm.

본 발명에 따른 복합 섬유의 제조방법은 맥신(Mxene) 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하는 단계; 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하는 단계; 상기 제1 분산액 및 제2 분산액을 포함하는 혼합용액을 얻는 단계; 및 상기 혼합용액을 습식방사하여 복합 섬유를 얻는 단계;를 포함하고, 상기 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함하고, 상기 맥신(Mxene)을 10중량% 내지 40중량%로 포함할 수 있다.The method for producing composite fibers according to the present invention includes preparing a first dispersion containing Mxene and a first solvent; Preparing a second dispersion containing a polymer and a second solvent; Obtaining a mixed solution containing the first dispersion and the second dispersion; and wet spinning the mixed solution to obtain composite fibers, wherein the composite fibers include a base material containing a polymer and having the shape of a fiber; and Mxene distributed inside the substrate, and may include Mxene in an amount of 10% by weight to 40% by weight.

상기 제1 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The first solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , dimethyl sulfoxide (DMSO), and combinations thereof.

상기 제1 분산액은 맥신의 농도가 10mg/mL 내지 45mg/mL일 수 있다.The first dispersion may have a MXene concentration of 10 mg/mL to 45 mg/mL.

상기 제2 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The second solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , dimethyl sulfoxide (DMSO), and combinations thereof.

상기 제2 분산액은 고분자의 농도가 50mg/mL 내지 500mg/mL일 수 있다.The second dispersion may have a polymer concentration of 50 mg/mL to 500 mg/mL.

상기 혼합용액은 맥신을 10중량% 내지 60중량%로 포함할 수 있다.The mixed solution may contain 10% to 60% by weight of MXene.

상기 복합 섬유를 얻는 단계는 혼합용액을 응고액에 습식방사하여 복합 섬유를 얻을 수 있다.In the step of obtaining the composite fiber, the composite fiber can be obtained by wet spinning the mixed solution into the coagulation solution.

상기 응고액은 물(Water), 아세톤(Acetone), 메탄올(Methyl alcohol), 에탄올(Ethyl alcohol), 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol), 아세트산메틸(Methyl acetate), 아세트산에틸(Ethyl acetate), 아세트산프로필(Propyl acetate), 아세트산(Acetic acid), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The coagulating liquid is water, acetone, methanol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl acetate, ethyl acetate, and propyl acetate. (Propyl acetate), Acetic acid, Acetonitrile, 1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (N, N- It may include one or more selected from the group consisting of Dimethylformamide (DMF), Dimethylacetamide (DMAc), Dimethyl Sulfoxide (DMSO), Tetrahydrofuran (THF), and combinations thereof. .

상기 응고액의 온도는 20 ℃ 내지 60 ℃일 수 있다.The temperature of the coagulating liquid may be 20°C to 60°C.

상기 습식방사는 직경이 10μm 내지 1500μm인 방사구금을 사용할 수 있다.The wet spinning can use a spinneret with a diameter of 10 μm to 1500 μm.

상기 복합 섬유를 비활성 기체 분위기에서 400℃ 내지 600℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.It may further include heat treating the composite fiber at a temperature of 400°C to 600°C in an inert gas atmosphere.

본 발명에 따른 복합섬유는 기계적 물성, 산화안정성이 크게 향상되었으며, 추가적인 열처리로 인해 전기 전도성과 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있다.The composite fiber according to the present invention has greatly improved mechanical properties and oxidation stability, and can simultaneously improve electrical conductivity and mechanical properties through additional heat treatment.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. The effects of the present invention should be understood to include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 복합 섬유의 제조방법을 간단히 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조예 5에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 제조예 6에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1, 7, 8에 따른 복합섬유의 인장강도를 측정한 것이다.
도 6은 본 발명의 제조예 7에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 7은 본 발명의 제조예 8에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 9는 본 발명의 제조예 1에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 10은 본 발명의 제조예 2에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 11은 본 발명의 제조예 3에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 12는 본 발명의 제조예 4에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 13은 본 발명의 제조예 9에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 14는 본 발명의 제조예 10에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 15는 본 발명의 제조예 11에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 16은 본 발명의 제조예 12에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다.
도 17은 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 인장강도를 측정한 것이다.
도 18은 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 인성을 측정한 것이다.
도 19는 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 전기전도도를 측정한 것이다.
도 20은 은 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 밀도를 측정한 것이다.
1 is a flowchart briefly showing the method for manufacturing composite fibers according to the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 1 of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 5 of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 6 of the present invention.
Figure 5 shows the measured tensile strength of composite fibers according to Preparation Examples 1, 7, and 8 of the present invention.
Figure 6 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 7 of the present invention.
Figure 7 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 8 of the present invention.
Figure 9 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 1 of the present invention.
Figure 10 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 2 of the present invention.
Figure 11 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 3 of the present invention.
Figure 12 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 4 of the present invention.
Figure 13 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 9 of the present invention.
Figure 14 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 10 of the present invention.
Figure 15 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 11 of the present invention.
Figure 16 is a cross-sectional photograph of the composite fiber according to Preparation Example 12 of the present invention.
Figure 17 shows the measured tensile strength of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention.
Figure 18 shows measurements of the toughness of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention.
Figure 19 shows the electrical conductivity of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention.
Figure 20 shows the density of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Additionally, when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be “on” another part, this includes not only being “directly above” the other part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be "underneath" another part, this includes not only being "immediately below" the other part, but also cases where there is another part in between.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values, and/or expressions used herein expressing quantities of components, reaction conditions, polymer compositions, and formulations are intended to represent, among other things, how such numbers inherently occur in obtaining such values. Since they are approximations reflecting the various uncertainties of measurement, they should be understood in all cases as being qualified by the term "approximately". Additionally, where a numerical range is disclosed herein, such range is continuous and, unless otherwise indicated, includes all values from the minimum to the maximum of such range inclusively. Furthermore, when such range refers to an integer, all integers from the minimum value up to and including the maximum value are included, unless otherwise indicated.

본 발명에 따른 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함할 수 있다.The composite fiber according to the present invention includes a substrate containing a polymer and having the shape of a fiber; And it may include; Mxene distributed inside the substrate.

맥신(Mxene)은 금속과 유사한 높은 전기전도도 및 전기화학적 특성을 갖는 신규 이차원 물질이다. 표면이 친수성이고 음전하를 띈 작용기(OH, O, F)로 인하여 분산성이 뛰어나고, 구조체로의 조립에 용이하다. 또한, 산화 그래핀과 같이 후처리를 필요로 하지 않기 때문에 공정에 드는 기대 비용이 적다. 구조체로 제작한 섬유의 경우, 전기적 및 기계적 물성이 매우 하락한다. 이러한 물성이 약한 이유는 상기 맥신은 복수 개의 나노 시트가 적층된 것으로, 맥신 내부의 나노 시트와 나노 시트간의 공극으로 인한 낮은 결합력 때문이다.Mxene is a new two-dimensional material with high electrical conductivity and electrochemical properties similar to metals. Due to the hydrophilic surface and negatively charged functional groups (OH, O, F), it has excellent dispersibility and is easy to assemble into structures. Additionally, because it does not require post-processing like graphene oxide, the expected cost of the process is low. In the case of fibers manufactured as structures, electrical and mechanical properties are greatly reduced. The reason why these physical properties are weak is because the MXene is made of a plurality of nanosheets stacked, and the bonding force is low due to the pores between the nanosheets inside the MXene.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 맥신의 약한 물성을 해결하기 위해, 맥신과 고분자를 혼합함으로써, 상기 나노 시트 사이의 공극을 상기 고분자가 충진함으로써 향상된 물성을 가질 수 있다.Therefore, in order to solve the weak physical properties of MXene as described above, the present invention can have improved physical properties by mixing MXene and a polymer and filling the pores between the nanosheets with the polymer.

상기 맥신의 함량은 10중량% 내지 40중량%일 수 있다. 상기 맥신의 함량이 10중량% 미만이면 높은 저항으로 인해 전기 전도성이 떨어질 수 있고, 40중량%를 초과하면 맥신이 불순물로 작용하여 섬유 구조체 형성 시 섬유 끊김 등과 같은 방사성 문제가 있을 수 있다.The content of MXene may be 10% to 40% by weight. If the content of MXene is less than 10% by weight, electrical conductivity may be reduced due to high resistance, and if it exceeds 40% by weight, MXene may act as an impurity and cause radioactivity problems such as fiber breakage when forming a fiber structure.

상기 고분자는 C≡N 관능기를 가진 모노머들과 C≡N 관능기를 가진 모노머로 중합된 모든 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)일 수 있다.The polymer may include monomers having a C≡N functional group and all polymers polymerized with monomers having a C≡N functional group. For example, it may be polyacrylonitrile (PAN).

상기 고분자와 상기 맥신은 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결합될 수 있다.The polymer and the MXene may be combined by electrostatic interaction.

상기 맥신의 작용기인 -OH, -O와 상기 고분자의 작용기인 -C≡N-가 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결합함으로써, 복합 섬유의 분산성을 높일 수 있다.The dispersibility of the composite fiber can be increased by combining -OH, -O, the functional groups of the MXene, and -C≡N-, the functional group of the polymer, through electrostatic interaction.

상기 복합 섬유는 단면 형상이 원형, 타원형, 중공형 또는 플랫(flat)형일 수 있다.The composite fiber may have a circular, oval, hollow, or flat cross-sectional shape.

구체적으로, 본 발명에서 상기 원형 및 플랫(flat)형은, 애스팩트비(aspect ratio)가 1 내지 30인 경우이다.Specifically, in the present invention, the circular and flat types have an aspect ratio of 1 to 30.

상기 복합 섬유는 전기전도도가 10S/cm 내지 200 S/cm일 수 있다.The composite fiber may have an electrical conductivity of 10 S/cm to 200 S/cm.

상기 복합 섬유는 인장강도가 10MPa 내지 200MPa일 수 있다.The composite fiber may have a tensile strength of 10 MPa to 200 MPa.

상기 복합 섬유는 밀도가 1.0g/cm 내지 2.5g/cm일 수 있다.The composite fiber may have a density of 1.0 g/cm to 2.5 g/cm.

이하 본 발명에 따른 복합 섬유의 제조방법에 대해 상세하게 설명한다. 상기 제조방법에서 고분자를 포함하는 기재 및 맥신에 관한 구성은 상기 복합 섬유에서 전술한 것과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.Hereinafter, the method for producing composite fibers according to the present invention will be described in detail. In the above manufacturing method, the composition of the polymer-containing base material and MXene is the same as that described above for the composite fiber, so detailed description is omitted.

도 1은 본 발명에 따른 복합 섬유의 제조방법을 간단히 도시한 순서도이다. 상기 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 섬유의 제조방법은 맥신(Mxene) 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하는 단계(S10); 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하는 단계(S20); 상기 제1 분산액 및 제2 분산액을 포함하는 혼합용액을 얻는 단계(S30); 및 상기 혼합용액을 습식방사하여 복합 섬유를 얻는 단계(S40);를 포함하고, 상기 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함하고, 상기 맥신(Mxene)을 10중량% 내지 40중량%로 포함할 수 있다.1 is a flowchart briefly showing the method for manufacturing composite fibers according to the present invention. Referring to FIG. 1, the method for producing composite fibers according to the present invention includes preparing a first dispersion containing Mxene and a first solvent (S10); Preparing a second dispersion containing a polymer and a second solvent (S20); Obtaining a mixed solution containing the first dispersion and the second dispersion (S30); and wet spinning the mixed solution to obtain composite fibers (S40), wherein the composite fibers include a base material containing a polymer and having the shape of a fiber; and Mxene distributed inside the substrate, and may include Mxene in an amount of 10% by weight to 40% by weight.

먼저, S10은 맥신(Mxene) 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하는 단계이다.First, S10 is a step of preparing a first dispersion containing Mxene and a first solvent.

상기 제1 분산액은 맥신의 농도가 10mg/mL 내지 45mg/mL일 수 있다. 상기 맥신의 농도가 10mg/mL 미만이면 고분자와 혼합 하였을 때, 낮은 점도의 혼합용액이 제조되어 방사성이 떨어질 수 있고, 45mg/mL을 초과하면 맥신과 고분자의 응집 현상이 일어나며 점도가 매우 높아 방사성이 떨어질 수 있다.The first dispersion may have a MXene concentration of 10 mg/mL to 45 mg/mL. If the concentration of MXene is less than 10 mg/mL, when mixed with polymer, a mixed solution with low viscosity may be produced and radioactivity may be reduced. If it exceeds 45 mg/mL, aggregation of MXene and polymer occurs, and the viscosity is very high, making radioactivity less likely. It may fall.

상기 제1 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The first solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , dimethyl sulfoxide (DMSO), and combinations thereof.

맥신은 표면에 친수성 작용기를 갖기 때문에 물에 뛰어난 분산성을 가진다. 그러나 물에 분산된 맥신은 고농도로 제작할 시 실질적인 사용이 어렵다. 그 이유는 물에 재분산이 어렵기 때문이다. 또한, 맥신 내 나노 시트들이 서로 응집하는 현상이 발생하기 때문에 균일한 분산액을 제조하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 상기 제1 용매로 유기 용매를 사용할 수 있다.MXene has excellent dispersibility in water because it has hydrophilic functional groups on the surface. However, MXene dispersed in water is difficult to use practically when produced in high concentration. The reason is that it is difficult to redisperse in water. In addition, it is difficult to prepare a uniform dispersion because the nanosheets in MXene tend to agglomerate with each other. Therefore, in the present invention, an organic solvent can be used as the first solvent.

다음으로, S20는 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하는 단계이다.Next, S20 is a step of preparing a second dispersion containing a polymer and a second solvent.

상기 제2 분산액은 고분자의 농도가 50mg/mL 내지 500mg/mL일 수 있다. 상기 고분자의 농도가 50mg/mL 미만이면 혼합용액이 응고되지 않을 수 있고, 500mg/mL을 초과하면 혼합용액의 높은 전도로 인해 균일한 방사가 되지 않을 수 있다.The second dispersion may have a polymer concentration of 50 mg/mL to 500 mg/mL. If the concentration of the polymer is less than 50 mg/mL, the mixed solution may not solidify, and if it exceeds 500 mg/mL, uniform radiation may not be achieved due to the high conductivity of the mixed solution.

상기 제2 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The second solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , dimethyl sulfoxide (DMSO), and combinations thereof.

전술한 바와 같이, 상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 포함할 수 있고, 상기 폴리아크릴로니트릴은 수분에 분산되지 않기 때문에 상기와 같이 제2 용매로 유기 용매를 사용할 수 있다.As described above, the polymer may include polyacrylonitrile (PAN), and since polyacrylonitrile is not dispersed in moisture, an organic solvent may be used as the second solvent as described above.

다음으로, S30은 상기 제1 분산액 및 제2 분산액을 포함하는 혼합용액을 얻는 단계이다.Next, S30 is a step of obtaining a mixed solution containing the first dispersion and the second dispersion.

상기 맥신과 상기 제1 분산액 및 제2 분산액 모두 용매로 유기용매를 사용했을 시, 고 농도에서 안정적인 모습을 보이기 때문에, 맥신의 응집 현상 없이 균일한 혼합용액을 얻을 수 있다. 또한, 유기용매에 분산된 맥신은 표면 작용기로 인해 폴리아크릴로니트릴 용액과 높은 친화도를 보이기 때문에 안정적인 혼합 용액을 얻을 수 있다. 즉, 용액 안정성이 우수하고, 고농도의 방사 용액을 제조할 수 있고, 높은 산화 안정성을 가진 혼합 용액을 얻을 수 있다.When an organic solvent is used as a solvent for both the MXene and the first and second dispersions, they are stable at high concentrations, so a uniform mixed solution can be obtained without agglomeration of the MXene. In addition, MXene dispersed in an organic solvent shows high affinity with polyacrylonitrile solution due to its surface functional group, so a stable mixed solution can be obtained. That is, solution stability is excellent, a high concentration spinning solution can be prepared, and a mixed solution with high oxidation stability can be obtained.

상기 혼합용액은 맥신을 10중량% 내지 60중량%로 포함할 수 있다. 예를 들면, 10중량% 내지 50중량%, 또는 20중량% 내지 60중량%로 포함할 수 있다. 상기 맥신의 함량이 10중량% 미만이면 전기 저항 증가로 전도성이 하락할 수 있고, 60중량%를 초과하면 섬유 방사 가능한 겔 형성이 불가능해 방사가 되지 않을 수 있다.The mixed solution may contain 10% to 60% by weight of MXene. For example, it may be included in 10% by weight to 50% by weight, or 20% by weight to 60% by weight. If the content of MXene is less than 10% by weight, conductivity may decrease due to increased electrical resistance, and if it exceeds 60% by weight, formation of a gel capable of spinning fiber may not be possible and spinning may not be possible.

마지막으로, S40은 상기 혼합용액을 습식방사하여 복합 섬유를 얻는 단계이다.Finally, S40 is the step of wet spinning the mixed solution to obtain composite fibers.

상기 S40은 혼합용액을 응고액에 습식방사하여 복합 섬유를 얻을 수 있다.In S40, composite fibers can be obtained by wet spinning the mixed solution into a coagulating solution.

구체적으로, 본 발명에서 습식 방사는 예를 들어, 혼합용액에 압력을 가하여 방사구금(노즐)을 통해 섬유가 응고되는 응고액 속으로 방사시켜 응고액 속으로 용매의 확산에 의한 고화가 진행되어 침출됨에 따라 섬유가 형성되도록 하는 방법이다.Specifically, in the present invention, wet spinning, for example, applies pressure to the mixed solution and spins it through a spinneret (nozzle) into a coagulating liquid where the fibers are solidified, and solidification proceeds by diffusion of the solvent into the coagulating liquid, resulting in leaching. This is a method in which fibers are formed as the process progresses.

상기 혼합용액은 0.1mL/h 내지 35mL/h의 속도로 방사될 수 있다. 상기 방사 속도가 35mL/h를 초과하면 혼합용액 내에 일정한 전단 응력을 받지 못해 불균일한 섬유가 방사되는 문제가 있을 수 있다.The mixed solution may be spun at a rate of 0.1 mL/h to 35 mL/h. If the spinning speed exceeds 35 mL/h, there may be a problem in that non-uniform fibers are spun due to lack of constant shear stress in the mixed solution.

상기 응고액은 물(Water), 아세톤(Acetone), 메탄올(Methyl alcohol), 에탄올(Ethyl alcohol), 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol), 아세트산메틸(Methyl acetate), 아세트산에틸(Ethyl acetate), 아세트산프로필(Propyl acetate), 아세트산(Acetic acid), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 응고액은 물과 에탄올을 3:7 내지 7:3의 부피비로 포함할 수 있다.The coagulating liquid is water, acetone, methanol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl acetate, ethyl acetate, and propyl acetate. (Propyl acetate), Acetic acid, Acetonitrile, 1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (N, N- It may include one or more selected from the group consisting of Dimethylformamide (DMF), Dimethylacetamide (DMAc), Dimethyl Sulfoxide (DMSO), Tetrahydrofuran (THF), and combinations thereof. . For example, the coagulating liquid may include water and ethanol in a volume ratio of 3:7 to 7:3.

상기 응고액의 온도는 20 ℃ 내지 60 ℃일 수 있다. 상기 응고액의 온도가 20 ℃ 미만이면 응고 속도가 느려 잔여 용매 건조 과정에서 불규칙 수축이 일어나 물성이 저하될 수 있고, 60 ℃를 초과하면 용매 확산 속도 증가로 섬유의 표면 부분의 용매가 빠르게 빠져나와 응고되어 섬유 내부의 용매가 잔존할 수 있어 물성이 저하될 수 있다.The temperature of the coagulating liquid may be 20°C to 60°C. If the temperature of the coagulating liquid is less than 20 ℃, the coagulation speed is slow, and irregular shrinkage may occur during the drying process of the remaining solvent, which may deteriorate the physical properties. If it exceeds 60 ℃, the solvent diffusion rate increases and the solvent on the surface of the fiber quickly escapes. As it solidifies, the solvent inside the fiber may remain, which may deteriorate its physical properties.

상기 습식방사는 직경이 10μm 내지 1500μm인 방사구금을 사용할 수 있다. 예를 들면, 100μm 내지 1000μm, 또는 100μm 내지 500, 바람직하게는 100μm 내지 410μm일 수 있다. 상기 방사구금의 직경이 10μm 미만이면 노즐을 통한 방사가 진행되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 1500μm을 초과하면 부족한 전단 응력에 의해 섬유의 배향도와 밀도가 낮아져 기계적 특성이 저하할 수 있다.The wet spinning can use a spinneret with a diameter of 10 μm to 1500 μm. For example, it may be 100 μm to 1000 μm, or 100 μm to 500 μm, preferably 100 μm to 410 μm. If the diameter of the spinneret is less than 10 μm, a problem may occur in which spinning through the nozzle does not proceed, and if it exceeds 1500 μm, the orientation and density of the fibers may decrease due to insufficient shear stress, which may deteriorate mechanical properties.

상기 복합 섬유는 1 내지 20배 연신될 수 있다. 상기 연신을 통해 맥신 내 나노 시트들과 고분자가 섬유의 축방향을 따라 정렬되는 정도 즉, 배향도가 향상 될 수 있다.The composite fiber may be stretched 1 to 20 times. Through the stretching, the degree to which the nanosheets and polymers in the MXene are aligned along the axial direction of the fiber, that is, the degree of orientation, can be improved.

상기 복합 섬유를 비활성 기체 분위기에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.It may further include heat treating the composite fiber in an inert gas atmosphere.

상기 열처리를 통해, 폴리아크릴로니트릴은 고리화 반응 및 탄화 작용을 하여 기계적 물성이 강해질 수 있다. 또한, 맥신은 표면 작용기들 중 일부가 제거됨으로써 수분에 의한 산화 안정성이 향상되고, 나노 시트 간 간격이 좁아진다. 이로 인해, 전자들이 호핑(hopping)할 수 있는 거리가 줄어들게 되어 전기적 물성이 향상될 수 있다. 또한, 시트 간 간격이 좁아져 조밀해지므로, 밀도가 증가하여 기계적 물성도 향상할 수 있다.Through the heat treatment, polyacrylonitrile can undergo a cyclization reaction and carbonization, thereby strengthening its mechanical properties. In addition, as some of the surface functional groups of MXene are removed, the stability of oxidation due to moisture is improved and the gap between nanosheets is narrowed. As a result, the distance over which electrons can hop is reduced, thereby improving electrical properties. Additionally, since the gap between sheets narrows and becomes denser, density increases and mechanical properties can be improved.

상기 열처리는 400℃ 내지 600℃의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 열처리의 온도가 400℃ 미만이면 PAN의 고리화가 진행되지 않아 전기 전도성과 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 600℃를 초과하면 PAN의 탄화로 정상적인 고리화 반응 결과물을 얻을 수 없는 문제가 생길 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 400°C to 600°C. If the temperature of the heat treatment is less than 400°C, cyclization of PAN does not proceed, which may cause problems with deterioration of electrical conductivity and mechanical properties. If it exceeds 600°C, normal cyclization reaction results cannot be obtained due to carbonization of PAN. It can happen.

상기 비활성 기체는 Ar(아르곤), N(질소) 등을 포함할 수 있다.The inert gas may include Ar (argon), N (nitrogen), etc.

상기 열처리는 1℃/min 내지 10℃/min의 승온 속도로 30분 내지 2시간동안 진행될 수 있다.The heat treatment may be performed for 30 minutes to 2 hours at a temperature increase rate of 1°C/min to 10°C/min.

상기 복합 섬유는 그 이용되는 분야에 제한이 없으나, 웨어러블(wearable) 섬유 소재, 전선, 열선에 적용될 수 있다. 또한, 자동차분야, 항공분야 및 다양한 케이블 및 전열 제품 분야에 적용될 수 있다.The composite fiber is not limited in its field of use, but can be applied to wearable textile materials, electric wires, and heating wires. Additionally, it can be applied to the automotive field, aviation field, and various cable and electric heating product fields.

이하, 하기 제조예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following production examples. However, the technical idea of the present invention is not limited or restricted thereby.

혼합용액 제조예 1 내지 4Mixed solution preparation examples 1 to 4

농도가 9.09 mg/mL인 맥신 및 다이메틸설폭사이드를 포함하는 제1 분산액과 농도가 100 mg/mL인 폴리아크릴로니트릴 및 다이메틸설폭사이드를 포함하는 제2 분산액을 혼합하여 맥신 함량이 각각 다른 혼합용액 제조예 1 내지 4를 제조하였다.A first dispersion containing MXene and dimethyl sulfoxide at a concentration of 9.09 mg/mL was mixed with a second dispersion containing polyacrylonitrile and dimethyl sulfoxide at a concentration of 100 mg/mL, each having different MXene contents. Mixed solution preparation examples 1 to 4 were prepared.

혼합 용액 제조예Mixed solution preparation example 혼합용액 내 맥신 함량MXene content in mixed solution 혼합 용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 10wt%10wt% 혼합 용액 제조예 2Mixed solution preparation example 2 20wt%20wt% 혼합 용액 제조예 3Mixed solution preparation example 3 30wt%30wt% 혼합 용액 제조예 4Mixed solution preparation example 4 40wt%40wt%

복합 섬유 제조예 1 내지 4Composite fiber production examples 1 to 4

상기 혼합용액 제조예 1 내지 4로부터 얻어진 각 혼합용액을 직경이 100 μm인 방사구금을 구비하는 플라스틱 주사기 내에 넣고, 인젝션 펌프를 사용하여 15mL/h의 속도로 응고조 내에 방사하여 복합 섬유를 얻었다. 이 때, 응고조 내의 응고액의 온도는 20 ℃이고, 물과 에탄올이 3:7의 부피비로 혼합된 혼합액이었다. 상기 얻어진 복합 섬유 제조예 1 내지 4는 60 ℃의 건조 히터를 통해 건조되었고, 열 고정을 위해 80 ℃에서 추가 건조 되었다.Each mixed solution obtained from Mixed Solution Preparation Examples 1 to 4 was placed in a plastic syringe equipped with a spinneret with a diameter of 100 μm, and spun into a coagulation bath at a rate of 15 mL/h using an injection pump to obtain composite fibers. At this time, the temperature of the coagulating liquid in the coagulating tank was 20°C, and it was a mixed liquid of water and ethanol in a volume ratio of 3:7. The obtained composite fibers Preparation Examples 1 to 4 were dried through a drying heater at 60°C and further dried at 80°C for heat fixation.

복합 섬유 제조예Composite fiber manufacturing example 혼합용액 제조예Example of mixed solution preparation 혼합용액 내 맥신 함량MXene content in mixed solution 복합 섬유 제조예 1Composite fiber manufacturing example 1 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 10wt%10wt% 복합 섬유 제조예 2Composite fiber production example 2 혼합용액 제조예 2Mixed solution preparation example 2 20wt%20wt% 복합 섬유 제조예 3Composite fiber production example 3 혼합용액 제조예 3Mixed solution preparation example 3 30wt%30wt% 복합 섬유 제조예 4Composite fiber production example 4 혼합용액 제조예 4Mixed solution preparation example 4 40wt%40wt%

복합 섬유 제조예 5 내지 6Composite fiber production examples 5 to 6

상기 복합 섬유 제조예 1과 방사구금의 직경이 다른 것을 사용한 것을 제외하고는 복합 섬유 제조예 1과 동일하게 준비하였다.It was prepared in the same manner as in Composite Fiber Preparation Example 1, except that a spinneret with a different diameter from the composite fiber Preparation Example 1 was used.

복합 섬유 제조예Composite fiber manufacturing example 혼합용액 제조예Example of mixed solution preparation 방사구금 직경spinneret diameter 복합 섬유 제조예 1Composite fiber manufacturing example 1 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 100μm100μm 복합 섬유 제조예 5Composite fiber production example 5 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 250μm250μm 복합 섬유 제조예 6Composite fiber production example 6 혼합 액 제조예 1Mixed liquid preparation example 1 410μm410μm

복합 섬유 제조예 7 내지 8Composite fiber production examples 7 to 8

상기 복합 섬유 제조예 1과 응고액의 온도가 다른 것을 사용한 것을 제외하고는 복합 섬유 제조예 1과 동일하게 준비하였다.It was prepared in the same manner as in Composite Fiber Preparation Example 1, except that a coagulating solution having a different temperature from that in Preparation Example 1 of the composite fiber was used.

복합 섬유 제조예Composite fiber manufacturing example 혼합용액 제조예Example of mixed solution preparation 응고액 온도coagulant temperature 복합 섬유 제조예 1Composite fiber manufacturing example 1 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 20℃20℃ 복합 섬유 제조예 7Composite fiber production example 7 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 40℃40℃ 복합 섬유 제조예 8Composite fiber production example 8 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 60℃60℃

복합 섬유 제조예 9 내지 12Composite fiber production examples 9 to 12

상기 혼합용액 제조예 1 내지 4로부터 얻어진 각 혼합용액을 직경이 100 μm인 방사구금을 구비하는 플라스틱 주사기 내에 넣고, 인젝션 펌프를 사용하여 15mL/h의 속도로 응고조 내에 방사하여 복합 섬유를 얻었다. 이 때, 응고조 내의 응고액의 온도는 20 ℃이고, 물과 에탄올이 3:7의 부피비로 혼합된 혼합액이었다. 상기 얻어진 복합 섬유 제조예 5 내지 8은 아르곤 분위기에서 섬유의 양 끝단을 고정시킨채 수축을 방지하며 5 ℃/min의 승온 속도로 500 ℃의 온도에서 1시간동안 열처리 하였다.Each mixed solution obtained from Mixed Solution Preparation Examples 1 to 4 was placed in a plastic syringe equipped with a spinneret with a diameter of 100 μm, and spun into a coagulation bath at a rate of 15 mL/h using an injection pump to obtain composite fibers. At this time, the temperature of the coagulating liquid in the coagulating tank was 20°C, and it was a mixed liquid of water and ethanol in a volume ratio of 3:7. The obtained composite fibers Preparation Examples 5 to 8 were heat treated in an argon atmosphere at a temperature of 500°C for 1 hour at a temperature increase rate of 5°C/min while preventing shrinkage while fixing both ends of the fiber.

복합 섬유 제조예Composite fiber manufacturing example 혼합용액 제조예Example of mixed solution preparation 혼합용액 내 맥신 함량MXene content in mixed solution 복합 섬유 제조예 9Composite fiber production example 9 혼합용액 제조예 1Mixed solution preparation example 1 10wt%10wt% 복합 섬유 제조예 10Composite fiber production example 10 혼합용액 제조예 2Mixed solution preparation example 2 20wt%20wt% 복합 섬유 제조예 11Composite fiber production example 11 혼합 액 제조예 3Mixed liquid preparation example 3 30wt%30wt% 복합 섬유 제조예 12Composite fiber production example 12 혼합용액 제조예 4Mixed solution preparation example 4 40wt%40wt%

실험예 1: 방사구금의 직경에 따른 복합 섬유의 물성 및 단면의 형태학적 변화Experimental Example 1: Morphological changes in physical properties and cross-section of composite fibers depending on the diameter of the spinneret

복합 섬유 제조예 1, 5, 6의 물성 및 단면의 형태학적 변화를 관찰하였다. 그 결과는 하기 표 6 및 도 2 내지 4와 같다.Morphological changes in physical properties and cross sections of composite fiber preparation examples 1, 5, and 6 were observed. The results are shown in Table 6 below and Figures 2 to 4.

복합 섬유 제조예Composite fiber manufacturing example 방사구금 직경spinneret diameter 인장강도tensile strength 복합 섬유 제조예 1Composite fiber production example 1 100μm100μm 105MPa105MPa 복합 섬유 제조예 5Composite fiber production example 5 250μm250μm 95MPa95MPa 복합 섬유 제조예 6Composite fiber production example 6 410μm410μm 92MPa92MPa

도 2 내지 4는 본 발명의 제조예 1, 5, 6에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다. 상기 표 6 및 도 2 내지 4를 참조하면, 형상학적 변화와 무관하게 방사 구금의 직경에 따라 전단 응력이 증가하게 되고, 전단 응력이 증가하게 되면 섬유의 배향 및 밀도 등을 조절할 수 있음을 알 수 있다.Figures 2 to 4 are cross-sectional photographs of composite fibers according to Preparation Examples 1, 5, and 6 of the present invention. Referring to Table 6 and Figures 2 to 4, it can be seen that the shear stress increases with the diameter of the spinneret regardless of the change in shape, and that as the shear stress increases, the orientation and density of the fibers can be adjusted. there is.

실험예 2: 응고액의 온도에 따른 복합 섬유의 물성 및 단면의 형태학적 변화Experimental Example 2: Morphological changes in physical properties and cross-section of composite fibers depending on the temperature of the coagulating liquid

복합 섬유 제조예 1, 7, 8의 물성 및 단면의 형태학적 변화를 관찰하였다. 그 결과는 도 5 내지 7과 같다.Morphological changes in physical properties and cross sections of composite fiber preparation examples 1, 7, and 8 were observed. The results are shown in Figures 5 to 7.

도 5는 본 발명의 제조예 1, 7, 8에 따른 복합섬유의 물성인 인장강도를 측정한 것이다. 도 6 내지 7은 본 발명의 제조예 7, 8에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다. 상기 도 5 내지 7을 참조하면, 응고조의 온도를 높임에 따라 겔 섬유 내의 용매 교환이 가속되어 섬유에 불균일 구조가 발생하게 되어 기계적 물성이 저하되는 것을 알 수 있다.Figure 5 shows the measured tensile strength, which is a physical property of composite fibers according to Preparation Examples 1, 7, and 8 of the present invention. Figures 6 and 7 are cross-sectional photographs of composite fibers according to Preparation Examples 7 and 8 of the present invention. Referring to Figures 5 to 7, it can be seen that as the temperature of the coagulation bath is increased, solvent exchange within the gel fiber is accelerated, resulting in a non-uniform structure in the fiber, thereby deteriorating the mechanical properties.

실험예 3: 열처리 여부에 따른 복합 섬유의 물성 및 단면의 형태학적 변화Experimental Example 3: Morphological changes in physical properties and cross-section of composite fibers depending on heat treatment

복합 섬유 제조예 1 내지 4, 9 내지 12의 물성 및 단면의 형태학적 변화를 관찰하였다. 그 결과는 도 9 내지 20과 같다.Morphological changes in physical properties and cross sections of composite fiber preparation examples 1 to 4 and 9 to 12 were observed. The results are shown in Figures 9 to 20.

도 9 내지 16은 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 단면 사진이다. 도 17 내지 20은 본 발명의 제조예 1 내지 4, 9 내지 12에 따른 복합 섬유의 물성들을 측정한 것이다. 상기 도 9 내지 16을 참조하면, 열처리 공정을 통해 PAN의 고리화 및 탈수소화를 유도하여 섬유의 기계적 물성과 전기적 특성을 개선할 수 있음을 알 수 있다.9 to 16 are cross-sectional photographs of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention. Figures 17 to 20 show the measured physical properties of composite fibers according to Preparation Examples 1 to 4 and 9 to 12 of the present invention. Referring to Figures 9 to 16, it can be seen that the mechanical and electrical properties of the fiber can be improved by inducing cyclization and dehydrogenation of PAN through the heat treatment process.

또한, 도 17 내지 20을 참조하면, 열처리를 한 제조예 9 내지 12의 경우, 열처리를 하지 않은 제조예 1 내지 4보다 인장강도, 인성, 전기전도도 및 밀도가 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.Additionally, referring to Figures 17 to 20, it can be seen that Preparation Examples 9 to 12 subjected to heat treatment are all superior in tensile strength, toughness, electrical conductivity and density to Preparation Examples 1 to 4 without heat treatment.

즉, 이를 통해 열처리로 인해 고분자의 기계적 물성이 강해지고, 맥신 표면의 작용기가 일부 제거되어, 나노 시트 간 간격이 좁아져 조밀해지기 때문에, 밀도가 증가하여 기계적 물성이 강해지는 것을 알 수 있다.That is, through this, it can be seen that the mechanical properties of the polymer become stronger due to heat treatment, and some of the functional groups on the surface of MXene are removed, and the gap between nanosheets narrows and becomes denser, so the density increases and the mechanical properties become stronger.

따라서, 본 발명에 따른 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene)을 적절한 함량으로 포함함으로써 기계적 물성, 기계적 안정성 및 산화 안정성을 극대화시킬 수 있다.Therefore, the composite fiber according to the present invention can maximize mechanical properties, mechanical stability, and oxidation stability by including a substrate containing a polymer and having the shape of a fiber and an appropriate content of MXene distributed inside the substrate. .

이상, 본 발명의 제조예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 제조예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the manufacturing example of the present invention has been described above, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. . Therefore, the manufacturing examples described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

Claims (20)

고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및
상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함하고,
상기 맥신(Mxene)을 10중량% 내지 40중량%로 포함하는 복합 섬유.
A substrate containing a polymer and having the shape of a fiber; and
It includes; Mxene distributed inside the substrate,
A composite fiber containing 10% to 40% by weight of Mxene.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)를 포함하는 복합 섬유.
According to paragraph 1,
The polymer is a composite fiber containing polyacrylonitrile (PAN).
제1항에 있어서,
상기 맥신은 복수 개의 나노 시트가 적층된 것이고, 상기 나노 시트 사이에 상기 고분자가 충진되어 있는 것인 복합 섬유.
According to paragraph 1,
The MXene is a composite fiber in which a plurality of nanosheets are stacked, and the polymer is filled between the nanosheets.
제1항에 있어서,
상기 고분자와 상기 맥신은 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결합하는 복합 섬유.
According to paragraph 1,
A composite fiber in which the polymer and the MXene are combined by electrostatic interaction.
제1항에 있어서,
상기 복합 섬유는 단면 형상이 원형, 타원형, 중공형 또는 플랫(flat)형인 복합 섬유.
According to paragraph 1,
The composite fiber is a composite fiber whose cross-sectional shape is circular, oval, hollow, or flat.
제1항에 있어서,
전기전도도가 10S/cm 내지 200 S/cm이고,
인장강도가 10MPa 내지 200MPa이고,
밀도가 1.0g/cm 내지 2.5g/cm인 복합 섬유.
According to paragraph 1,
Electrical conductivity is 10 S/cm to 200 S/cm,
The tensile strength is 10 MPa to 200 MPa,
Composite fibers with a density of 1.0 g/cm to 2.5 g/cm.
맥신(Mxene) 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하는 단계;
고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하는 단계;
상기 제1 분산액 및 제2 분산액을 포함하는 혼합용액을 얻는 단계; 및
상기 혼합용액을 습식방사하여 복합 섬유를 얻는 단계;를 포함하고,
상기 복합 섬유는 고분자를 포함하고 섬유의 형상을 갖는 기재; 및 상기 기재의 내부에 분포된 맥신(Mxene);을 포함하고, 상기 맥신(Mxene)을 10중량% 내지 40중량%로 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
Preparing a first dispersion containing Mxene and a first solvent;
Preparing a second dispersion containing a polymer and a second solvent;
Obtaining a mixed solution containing the first dispersion and the second dispersion; and
It includes the step of wet spinning the mixed solution to obtain composite fibers,
The composite fiber includes a substrate containing a polymer and having the shape of a fiber; And Mxene distributed inside the substrate; A method of producing a composite fiber comprising 10% to 40% by weight of Mxene.
제7항에 있어서,
상기 제1 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The first solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , Dimethyl Sulfoxide (DMSO), and a method of producing a composite fiber containing at least one selected from the group consisting of combinations thereof.
제7항에 있어서,
상기 제1 분산액은 맥신의 농도가 10mg/mL 내지 45mg/mL인 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The first dispersion is a method of producing composite fibers wherein the MXene concentration is 10 mg/mL to 45 mg/mL.
제7항에 있어서,
상기 제2 용매는 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The second solvent is methylpyrrolidone (1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), dimethylformamide (N, N-Dimethylformamide, DMF), and dimethylacetamide (DMAc). , Dimethyl Sulfoxide (DMSO), and a method of producing a composite fiber containing at least one selected from the group consisting of combinations thereof.
제7항에 있어서,
상기 제2 분산액은 고분자의 농도가 50mg/mL 내지 500mg/mL인 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The second dispersion is a method of producing composite fibers in which the polymer concentration is 50 mg/mL to 500 mg/mL.
제7항에 있어서,
상기 혼합용액은 맥신을 10중량% 내지 60중량%로 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The mixed solution is a method of producing a composite fiber containing 10% to 60% by weight of MXene.
제7항에 있어서,
상기 복합 섬유를 얻는 단계는 혼합용액을 응고액에 습식방사하여 복합 섬유를 얻고,
상기 응고액은 물(Water), 아세톤(Acetone), 메탄올(Methyl alcohol), 에탄올(Ethyl alcohol), 아이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol), 아세트산메틸(Methyl acetate), 아세트산에틸(Ethyl acetate), 아세트산프로필(Propyl acetate), 아세트산(Acetic acid), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 메틸피롤리돈(1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP), 디메틸포름아마이드(N, N-Dimethylformamide, DMF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
In the step of obtaining the composite fiber, the mixed solution is wet-spun into the coagulating solution to obtain the composite fiber,
The coagulating liquid is water, acetone, methanol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, methyl acetate, ethyl acetate, and propyl acetate. (Propyl acetate), Acetic acid, Acetonitrile, 1-Methyl-2-pyrrolidinone-N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (N, N- Composite fibers containing one or more selected from the group consisting of Dimethylformamide (DMF), Dimethylacetamide (DMAc), Dimethyl Sulfoxide (DMSO), Tetrahydrofuran (THF), and combinations thereof Manufacturing method.
제13항에 있어서,
상기 응고액의 온도는 20 ℃ 내지 60 ℃인 복합 섬유의 제조방법.
According to clause 13,
A method for producing composite fibers wherein the temperature of the coagulating liquid is 20°C to 60°C.
제7항에 있어서,
상기 습식방사는 직경이 10μm 내지 1500μm인 방사구금을 사용하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The wet spinning is a method of producing composite fibers using a spinneret with a diameter of 10 μm to 1500 μm.
제7항에 있어서,
상기 복합 섬유를 비활성 기체 분위기에서 400℃ 내지 600℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
A method of producing a composite fiber further comprising heat-treating the composite fiber at a temperature of 400°C to 600°C in an inert gas atmosphere.
제7항에 있어서,
상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN)를 포함하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The polymer is a method of producing a composite fiber containing polyacrylonitrile (PAN).
제7항에 있어서,
상기 맥신은 복수 개의 나노 시트가 적층된 것이고, 상기 나노 시트 사이에 상기 고분자가 충진되어 있는 것인 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The MXene is a stack of a plurality of nanosheets, and the polymer is filled between the nanosheets.
제7항에 있어서,
상기 고분자와 상기 맥신은 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결합하는 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
A method of producing a composite fiber in which the polymer and the MXene are combined by electrostatic interaction.
제7항에 있어서,
상기 복합 섬유는 단면 형상이 원형, 타원형, 중공형 또는 플랫(flat)형이고,
전기전도도가 10S/cm 내지 200S/cm이고,
인장강도가 10MPa 내지 200MPa이고,
밀도가 1.0g/cm 내지 2.5g/cm인 복합 섬유의 제조방법.
In clause 7,
The composite fiber has a circular, oval, hollow or flat cross-sectional shape,
Electrical conductivity is 10S/cm to 200S/cm,
The tensile strength is 10 MPa to 200 MPa,
Method for producing composite fibers having a density of 1.0 g/cm to 2.5 g/cm.
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