KR20240127251A - Nanocomposite fiber using organic silicon compounds and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기실리콘화합물과 제1 유기용매를 혼합하고, 금속화합물을 첨가하여 제1 용액을 제조하는 단계; 상기 제1 용액을 제1 점도가 되도록 가열하여 전기방사 용액을 제조하는 단계; 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 섬유형태의 섬유전구체로 제조하는 단계; 및 상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는 복합나노섬유의 제조방법의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to a method for producing composite nanofibers, comprising the steps of: mixing an organosilicon compound and a first organic solvent, and adding a metal compound to produce a first solution; heating the first solution to have a first viscosity to produce an electrospinning solution; electrospinning the electrospinning solution to produce a fiber precursor in the form of fibers; and heat-treating the fiber precursor at a first temperature.
Description
본 발명은 유기실리콘화합물을 이용한 복합나노섬유 및 이의 제조방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로, 높은 중합도를 갖는 유기실리콘화합물과 다양한 금속을 포함하는 복합나노섬유 및 이의 제조방법에 관련된 것이다.The present invention relates to a composite nanofiber using an organosilicon compound and a method for producing the same, and more specifically, to a composite nanofiber including an organosilicon compound having a high degree of polymerization and various metals and a method for producing the same.
최근 섬유 산업에서 나노 기술을 접목하여 직경이 나노 사이즈인 섬유를 개발하고 응용하는 것에 많은 관심이 집중되고 있다. 나노 섬유의 가장 두드러진 특징 중 하나는 질량 대비 높은 비 표면적을 가진다. 이는 기능성 그룹의 도입, 이온화 반응, 입자의 흡착 등을 용이하게 한다. 이를 통해 센서, 필터, 촉매, 배터리 등 다양한 영역으로 적용되고 있다. Recently, much attention has been focused on developing and applying nano-sized fibers by incorporating nanotechnology into the textile industry. One of the most notable characteristics of nanofibers is their high surface area to mass ratio. This facilitates the introduction of functional groups, ionization reactions, and particle adsorption. Through this, they are being applied in various fields such as sensors, filters, catalysts, and batteries.
나노 섬유를 제조하는 방법의 하나인 전기방사법은 18세기 초에 전기적으로 하전 된 금속으로부터 고체 섬유가 만들어지는 것이 알려진 이후로 많은 연구가 진행되었다. 이후 1960년대 후반 G. I. Taylor은 전기장 하에서 고분자 용융액 방울에서 생성된 깔때기 형상 (Taylor cone)에 대해 정의하였고, 전기방사의 이론적 토대를 완성시켰다. 전기방사 공정은 PVP, PAN, PVA등의 같은 고분자 용액에 고전압을 인가시켜 짧은 시간 내에 젯을 통해 수백 나노에서 수 마이크에 이르는 섬유를 제조하는 공정이다. Electrospinning, a method for producing nanofibers, has been studied extensively since it was known in the early 18th century that solid fibers could be created from electrically charged metals. In the late 1960s, G. I. Taylor defined the funnel shape (Taylor cone) created from a polymer melt droplet under an electric field, and completed the theoretical foundation of electrospinning. The electrospinning process is a process of applying high voltage to a polymer solution such as PVP, PAN, and PVA to produce fibers ranging from hundreds of nanometers to several micrometers in a short period of time through a jet.
전기방사 공정은 나노 구조 소재를 효율적이면서도, 저렴한 비용으로 구현할 수 있는 매우 실용적인 기술로 인식되어 오고 있다. 섬유를 제조를 위한 전기방사 공정에서는 방사가 가능한 점도 조건을 최적화하는 것이 중요하다. 초기 연구들은 고분자 나노 섬유를 방사하는 방식이 주를 이뤘으나 전기방사 기술의 연구 영역이 고분자 나노 섬유에서 무기 나노 섬유로 확장됨에 재료에 제한이 없이 고분자, 세라믹, 금속을 포함하여 전 소재 분야로 확장되고 있다. 그에 따라 최근연구들은 유기 고분자와 무기 소재를 섞어서 사용하거나 섬유 소재를 커플링제로서 이용하는 방법으로 진행되어왔다. 이에 다양한 소재를 이용하여 다양한 기능을 갖는 나노 섬유에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.The electrospinning process has been recognized as a very practical technology that can efficiently and inexpensively implement nanostructured materials. In the electrospinning process for manufacturing fibers, it is important to optimize the viscosity conditions that enable spinning. Early studies mainly focused on spinning polymer nanofibers, but as the research area of electrospinning technology has expanded from polymer nanofibers to inorganic nanofibers, it has expanded to all material fields including polymers, ceramics, and metals without any limitations on the material. Accordingly, recent studies have been conducted on methods of mixing organic polymers and inorganic materials or using fiber materials as coupling agents. Accordingly, research on nanofibers with various functions using various materials is continuously being conducted.
선행특허: 한국등록특허 10-0871440 (2008.11.25)Prior patent: Korean registered patent 10-0871440 (2008.11.25)
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 신규한 제조방법을 이용한 유기실리콘화합물을 이용한 복합나노섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.The technical problem that this application seeks to solve is to provide a composite nanofiber using an organosilicon compound using a novel manufacturing method and a manufacturing method thereof.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 높은 중합도를 갖는 유기 실세스퀴옥산을 이용하고, 다양한 금속과 혼합하여 다양한 기능성을 갖는 복합나노섬유 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem that the present application seeks to solve is to provide a composite nanofiber having various functions by using an organic silsesquioxane having a high degree of polymerization and mixing it with various metals, and a method for producing the same.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전술한 것에 제한되지 않는다.The technical problems that this application seeks to solve are not limited to those described above.
상기 기술적 과제를 해결하기 본 발명은 복합나노섬유 및 이의 제조방법을 제공한다. To solve the above technical problems, the present invention provides a composite nanofiber and a method for manufacturing the same.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예는 유기실리콘화합물과 제1 유기용매를 혼합하고, 금속화합물을 첨가하여 제1 용액을 제조하는 단계; 상기 제1 용액을 제1 점도가 되도록 가열하여 전기방사 용액을 제조하는 단계; 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 섬유형태의 섬유전구체로 제조하는 단계; 및 상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는 복합나노섬유의 제조방법을 제공한다.In one embodiment, the present invention provides a method for producing a composite nanofiber, including the steps of: mixing an organosilicon compound and a first organic solvent, and adding a metal compound to prepare a first solution; heating the first solution to have a first viscosity to prepare an electrospinning solution; electrospinning the electrospinning solution to produce a fiber precursor in the form of a fiber; and heat-treating the fiber precursor at a first temperature.
일 실시예에 있어서, 상기 유기실리콘화합물은 3차원 구조로 구비되고, 상기 제1 용액의 점도는 25 ℃에서 50 poise 내지 100 poise이고, 상기 전기방사 용액의 상기 제1 점도는 25 ℃에서 120 poise 내지 180 poise일 수 있다.In one embodiment, the organosilicon compound may have a three-dimensional structure, the viscosity of the first solution may be 50 poise to 100 poise at 25° C., and the first viscosity of the electrospinning solution may be 120 poise to 180 poise at 25° C.
일 실시예에 있어서, 상기 유기실리콘화합물은 입자형태로 구비되고, 상기 입자형태는 평균입경이 50 nm 내지 5㎛일 수 있다.In one embodiment, the organosilicon compound is provided in a particle form, and the particle form may have an average particle diameter of 50 nm to 5 μm.
일 실시예에 있어서, 상기 유리실리콘화합물은 표면에 작용기가 구비된 입자형태로 구비되고, 상기 작용기는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기 및 티오황산기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the glass silicon compound is provided in the form of particles having a functional group on the surface, and the functional group may include at least one of a cyanide group, an amine group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a halide group, a nitrate group, a thiocyanate group, and a thiosulfate group.
일 실시예에 있어서, 상기 유기실리콘화합물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되고, 오르모실 (ormosil)의 구형입자 또는 펠렛형태의 고체분말을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organosilicon compound is represented by the following chemical formula 1 or chemical formula 2, and may include a solid powder in the form of spherical particles or pellets of ormosil.
(화학식 1) (R1SiO3/2)(Chemical formula 1) (R1SiO 3/2 )
(화학식 2) (R1SiO3/2)-(R2SiO3/2)(Chemical Formula 2) (R1SiO 3/2 )-(R2SiO 3/2 )
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, R1은 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기이고, R2는 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-18의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된다.In the above chemical formula 1 or chemical formula 2, R1 is a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group, and R2 is independently selected from the group consisting of hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1-18 alkyl group, and a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group.
일 실시예에 있어서, 상기 R1은 페닐기이고, R2는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기일 수 있다.In one embodiment, R1 may be a phenyl group, and R2 may be a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group, or a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group.
일 실시예에 있어서, 상기 R1은 페닐기이고, R2는 페닐기 또는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기이고, R1 : R2의 몰비율이 10:0~5일 수 있다.In one embodiment, R1 is a phenyl group, R2 is a phenyl group or a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group, and the molar ratio of R1:R2 can be 10:0 to 5.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유기용매는 테트라히드로푸란(THF), N,N-디메틸포름아미드(DMF), N-메틸포름아미드(NMF), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 및 아민계용매 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first organic solvent may include at least one of tetrahydrofuran (THF), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methylformamide (NMF), N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, and an amine solvent.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 용액을 제조하는 단계는 상기 유기실리콘화합물을 제조하는 것을 더 포함하고, 상기 유기실리콘화합물을 제조하는 단계는, 제1 염기용액 실란화합물을 첨가한 후 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 150rpm 내지 500rpm으로 교반하여 고형물을 제조하고, 상기 고형물은 여과 및 건조하는 것을 포함하고, 상기 유기실리콘화합물은 페닐트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 3-머캡토프로필트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 클로로프로필트리메톡시실란, 2-페닐에틸트리메톡시실란, 클로로프로필메톡시실란 및 2-페닐에틸트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of preparing the first solution further includes preparing the organosilicon compound, and the step of preparing the organosilicon compound includes adding a first base solution silane compound and stirring at a temperature of 50° C. to 80° C. and 150 rpm to 500 rpm to prepare a solid, and filtering and drying the solid, and the organosilicon compound may include at least one of phenyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, chloropropyltrimethoxysilane, 2-phenylethyltrimethoxysilane, chloropropylmethoxysilane, and 2-phenylethyltrimethoxysilane.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 용액을 제조하는 단계는 금속원소를 이용하여 상기 금속화합물을 제조하는 것을 더 포함하고, 상기 금속화합물을 제조하는 것은, 제2 염기용액 중에 리간드를 첨가한 후 40 ℃ 내지 60 ℃에서 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반하고, 상기 금속원소가 용해되어 있는 금속용액을 첨가하여 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반하여 침전물을 제조하고, 상기 침전물을 여과 및 세척을 3회 이상 반복한 후, 오븐에서 건조시켜 분말형태로 제조되고, 상기 금속원소는 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In one embodiment, the step of preparing the first solution further includes preparing the metal compound using a metal element, wherein preparing the metal compound comprises adding a ligand to a second base solution, stirring the solution at 40 to 60° C. for 0.5 to 3 hours, adding a metal solution in which the metal element is dissolved, stirring the solution for 0.5 to 3 hours to prepare a precipitate, filtering and washing the precipitate three or more times, and then drying the precipitate in an oven to prepare a powder form, and the metal element may be selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd, and Yb.
일 실시예에 있어서, 상기 전기방사 용액은 상기 제1 용액 전체 중량에 대해서 50 wt% 내지 90 wt%가 되도록 50 ℃ 내지 110 ℃의 온도로 가열하여 용매를 증발시켜 제조될 수 있다.In one embodiment, the electrospinning solution can be prepared by heating at a temperature of 50° C. to 110° C. to evaporate the solvent so that the amount of the electrospinning solution is 50 wt% to 90 wt% based on the total weight of the first solution.
일 실시예에 있어서, 상기 전기방사 용액은 하기 화학식 3으로 표시되는 오르모실 (ormosil)의 무기 고분자-수지 형태의 화합물과 금속 전구체의 혼합물로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the electrospinning solution may be composed of a mixture of an inorganic polymer-resin type compound of ormosil represented by the following chemical formula 3 and a metal precursor.
(화학식 3)(chemical formula 3)
(RSiO3/2) + MLx(RSiO 3/2 ) + MLx
여기서, R은 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기이고, M은 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되고, L은 -NO3, -OR(R은 C1-6 알킬), -NR2(R은 C1-6 알킬), -COOR(R은 C1-6 알킬), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 베타-케토네이트(beta-ketonate), 디아미드(diamide), 및 디톨레이트(ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택되고, x는 M의 산화수에 따르는 리간드의 수일 수 있다.Here, R is a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group, M is selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, and Yb, L is selected from the group consisting of -NO 3 , -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetate, acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate, and x can be the number of ligands depending on the oxidation number of M.
일 실시예에 있어서, 상기 L은 유기 용매에 높은 용해성을 보여주는 -OR(R은 C1-6 알킬), -NR2(R은 C1-6 알킬), -COOR(R은 C1-6 알킬), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 베타-케토네이트(beta-ketonate), 디아미드(diamide), 및 디톨레이트(ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기금속 착화합물의 일종일 수 있다.In one embodiment, the L may be a kind of organometallic complex selected from the group consisting of -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate, which exhibit high solubility in an organic solvent.
일 실시예에 있어서, 상기 전기방사 용액 내에서 상기 유기실리콘화합물과, 상기 금속화합물의 몰 비율 1:0.1~1로 혼합될 수 있다.In one embodiment, the organosilicon compound and the metal compound may be mixed in the electrospinning solution at a molar ratio of 1:0.1 to 1.
일 실시예에 있어서, 상기 전기방사는 단일 노즐 (single nozzle)을 이용하여 수행되며, 상기 전기방사 용액을 방사전압 8-15 kV, 방사거리 10-30 cm 및 방사유량 1-3 mL/hr의 조건에서 수행할 수 있다.In one embodiment, the electrospinning is performed using a single nozzle, and the electrospinning solution can be performed under the conditions of a spinning voltage of 8-15 kV, a spinning distance of 10-30 cm, and a spinning flow rate of 1-3 mL/hr.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 온도는 200 ℃ 내지 600 ℃ 미만이고, 상기 복합나노섬유는 탄소를 포함하는 유-무기 하이브리드의 형태일 수 있다.In one embodiment, the first temperature is less than 200° C. to 600° C., and the composite nanofibers may be in the form of an organic-inorganic hybrid including carbon.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 온도는 600 ℃ 내지 1500 ℃이고, 상기 복합나노섬유는 SiO2와 금속을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first temperature is 600° C. to 1500° C., and the composite nanofibers may include SiO 2 and a metal.
일 실시예에 있어서, 상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계 이후에, 후처리 단계를 더 포함하고, 상기 후처리 단계는, 상기 열처리된 섬유전구체를 표면 처리하거나 또는 식각 과정을 수행할 수 있다.In one embodiment, after the step of heat-treating the fiber precursor at the first temperature, a post-treatment step is further included, wherein the post-treatment step may perform a surface treatment or an etching process on the heat-treated fiber precursor.
일 실시예에 있어서, 상기 식각 과정은 불산 용액을 이용하여 상기 열처리된 섬유전구체의 표면을 식각하여 세공하여 표면적을 증가시킬 수 있다.In one embodiment, the etching process may increase the surface area by etching the surface of the heat-treated fiber precursor using a hydrofluoric acid solution to form pores.
일 실시예에 있어서, 전술한 제조방법에 따라 제조된 복합나노섬유를 포함한다.In one embodiment, the invention includes a composite nanofiber manufactured according to the manufacturing method described above.
일 실시예에 있어서, 상기 복합나노섬유는 직경이 100 내지 1000 nm일 수 있다.In one embodiment, the composite nanofibers may have a diameter of 100 to 1000 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 복합나노섬유는 하나 이상의 금속입자를 포함하고, 상기 금속입자는 직경이 5 nm 내지 70 nm이고, 상기 금속입자는 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In one embodiment, the composite nanofiber comprises one or more metal particles, the metal particles having a diameter of 5 nm to 70 nm, and the metal particles can be selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd and Yb.
일 실시예에 있어서, 상기 복합나노섬유를 이용하여 제조된 페브릭 (fabric) 또는 필름형태의 소재를 포함한다.In one embodiment, the present invention includes a fabric or film-shaped material manufactured using the composite nanofibers.
일 실시예에 있어서, 상기 복합나노섬유와 고분자 수지를 이용하여 제조된 유-무기 복합 수지 소재를 포함한다.In one embodiment, the invention includes an organic-inorganic composite resin material manufactured using the composite nanofibers and polymer resin.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 유기실리콘화합물을 이용한 복합나노섬유 및 이의 제조방법은 다양한 공정 조건을 제어하여 다양한 성능을 가지면서 균일한 직경으로 구비되어 생체재료 및 전자재료로 이용이 가능하다. According to the present invention as described above, the composite nanofibers using the organosilicon compound according to the present invention and the method for manufacturing the same are provided with a uniform diameter while having various performances by controlling various process conditions, and thus can be used as biomaterials and electronic materials.
또한, 본 발명에 따른 유기실리콘화합물을 이용한 복합나노섬유 및 이의 제조방법은 높은 중합도를 갖는 유기실리콘화합물을 이용하고, 3차원 구조를 갖도록 제조함으로써 금속이 균일하게 분산되어 다양한 용도에 적용이 가능하도록 성능을 제어할 수 있다.In addition, the composite nanofiber using an organosilicon compound according to the present invention and the method for manufacturing the same use an organosilicon compound having a high degree of polymerization is manufactured to have a three-dimensional structure, thereby controlling performance so that the metal is uniformly dispersed and can be applied to various purposes.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에서 사용된 전기방사 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 실세스퀴옥산 (Organo-Silsesquioxane)을 이용한 복합나노섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 (a) PTMS-Ti(acac)2(OiPr)2, (b) PTMS-V(acac)3, (c) PTMS-Cu(ND)2, (d) PTMS-Ag(ND) 혼합 전구체 용액 및 (e) 전기방사한 greed body 형태의 복합나노섬유를 각각 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 광학현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 (a) PTMS 기반의 green fiber 와 (b) PTMS-Copper ND composite green fiber의 열중량 곡선이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 열처리 후 결정 구조 분석한 결과이다.
도 10은 (a) 300 ℃, (b) 500 ℃, (c) 800 ℃, (d) 1000 ℃의 온도 조건에 따른 SiO2-TiO2 복합나노섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 11은 (a) PTMS 섬유 및 (b) TiO2-PTMS 섬유의 TGA결과이다.
도 12는 2:1 몰비의 SiO2-TiO2 복합나노섬유의 열처리에 따른 용매 저항성을 확인한 결과이다.
도 13은 1000 ℃의 열처리 후 (a) SiO2-TiO2, (b) SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유의 XRD를 비교한 결과이다.
도 14는 1000 ℃의 열처리 후 SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유의 TEM을 이용한 분석결과이다.
도 15는 SEM-EDX를 통한 (a) Si, (b) Ti, (c) Ag에 대한 복합나노섬유 표면의 특정 원자 분포 분석 결과이다.
도 16은 1000 ℃ 열처리한 복합나노섬유의 (a) 식각 전, (b) 식각 후 식각 TEM 이미지이다.
도 17은 (a) SiO2-TiO2 복합나노섬유, (b) SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유, (c) SiO2-TiO2 Etching 복합나노섬유, (d) SiO2-TiO2/Ag Etching 복합나노섬유의 각각에 대한 UV 스펙트럼 Rhodamine B 광촉매 분해 결과이다.
도 18은 Rhodamine B에 대한 광 촉매 분해율 비교한 결과이다.Figure 1 is a flow chart of a method for manufacturing composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a drawing showing a composite nanofiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of the electrospinning device used in this example.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a method for manufacturing composite nanofibers using organo-silsesquioxane according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 is an image showing (a) PTMS-Ti(acac) 2 (OiPr) 2 , (b) PTMS-V(acac) 3 , (c) PTMS-Cu(ND) 2 , (d) PTMS-Ag(ND) mixed precursor solutions and (e) composite nanofibers in the form of an electrospun greedy body according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is an optical microscope image of a composite nanofiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows SEM and TEM images of composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a thermogravimetric curve of (a) PTMS-based green fiber and (b) PTMS-Copper ND composite green fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the results of analyzing the crystal structure after heat treatment of composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 shows FT-IR spectra of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers at temperature conditions of (a) 300 ℃, (b) 500 ℃, (c) 800 ℃, and (d) 1000 ℃.
Figure 11 shows the TGA results of (a) PTMS fibers and (b) TiO 2 -PTMS fibers.
Figure 12 shows the results of confirming the solvent resistance according to heat treatment of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers with a molar ratio of 2:1.
Figure 13 shows the results of comparing XRD of (a) SiO 2 -TiO 2 and (b) SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers after heat treatment at 1000 ℃.
Figure 14 shows the results of analysis using TEM of SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers after heat treatment at 1000 ℃.
Figure 15 shows the results of specific atomic distribution analysis of the surface of composite nanofibers for (a) Si, (b) Ti, and (c) Ag using SEM-EDX.
Figure 16 shows etching TEM images of composite nanofibers heat-treated at 1000°C (a) before etching and (b) after etching.
Figure 17 shows the UV spectrum of Rhodamine B photocatalytic degradation results for each of (a) SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers, (b) SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers, (c) SiO 2 -TiO 2 Etching composite nanofibers, and (d) SiO 2 -TiO 2 /Ag Etching composite nanofibers.
Figure 18 shows the results of comparing the photocatalytic decomposition rates for Rhodamine B.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the technical idea of 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 can be thorough and complete and so that the idea of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when it is mentioned that a component is on another component, it means that it can be formed directly on the other component, or a third component can be interposed between them. Also, in the drawings, the thickness of films and regions is exaggerated for the effective explanation of the technical contents.
또한, 본 명세서의 다양한 실시예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, although terms such as first, second, third, etc. have been used in various embodiments of this specification to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiments. Also, "and/or" has been used herein to mean including at least one of the components listed before and after.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. In the specification, singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, terms such as "comprises" or "has" are intended to specify the presence of a feature, number, step, component, or combination thereof described in the specification, but should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, components, or combinations thereof.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, when describing the present invention below, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 제조방법의 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a flow chart of a method for manufacturing composite nanofibers according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a drawing showing composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예는 복합나노섬유의 제조방법은 유기실리콘화합물과 제1 유기용매를 혼합하고, 금속화합물을 첨가하여 제1 용액을 제조하는 단계; 상기 제1 용액을 제1 점도가 되도록 가열하여 전기방사 용액을 제조하는 단계; 상기 전기방사 용액을 전기방사하여 섬유형태의 섬유전구체로 제조하는 단계; 및 상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계; 를 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2, an embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a composite nanofiber, the method including: a step of mixing an organosilicon compound and a first organic solvent, and adding a metal compound to prepare a first solution; a step of heating the first solution to have a first viscosity to prepare an electrospinning solution; a step of electrospinning the electrospinning solution to produce a fiber precursor in the form of a fiber; and a step of heat-treating the fiber precursor at a first temperature.
통상, 복합나노섬유에 대한 대부분의 연구는 유기고분자와 무기원료를 혼용하여 섬유로 제조하거나 기존의 섬유 소재를 개질하여 커플링제로서 이용하는 등의 한정적인 연구만 진행되었다. 이러한 방식은 공정 단계가 복잡해지고 많은 시간이 소모되며, 열처리를 통해 유기고분자를 제거 시 소재의 표면이 거칠어지고, 섬유의 물리적 형상이 열악해지며, 기능기의 불균일한 분포와 결정성 감소와 더불어, 경제적이지 못하다는 문제점이 있다. 그럼에도 순수한 무기원료를 이용한 섬유 제조에 관한 연구는 거의 진행되지 못한 이유는 유기고분자를 사용하지 않고 전기방사가 가능한 적절한 점도를 갖는 무기원료를 포함한 용액을 제조하는데 있어 어려움이 있기 때문이다. 따라서 이러한 문제점을 극복한 무기 고분자/수자 기반의 복합 섬유 제조 기술은 전반적인 산업 분야에 매우 중요하다.Typically, most research on composite nanofibers has been limited to manufacturing fibers by mixing organic polymers and inorganic raw materials or modifying existing fiber materials to use them as coupling agents. These methods have the following problems: the process steps are complicated and time-consuming, the surface of the material becomes rough when the organic polymer is removed through heat treatment, the physical shape of the fiber becomes poor, there is an uneven distribution of functional groups, a decrease in crystallinity, and it is not economical. Nevertheless, the reason why research on manufacturing fibers using pure inorganic raw materials has not been conducted is because it is difficult to manufacture a solution containing inorganic raw materials with an appropriate viscosity that allows electrospinning without using organic polymers. Therefore, a technology for manufacturing composite fibers based on inorganic polymers/resin that overcomes these problems is very important for the overall industrial sector.
반면, 본 실시예에 따른 복합나노섬유의 제조방법은 무기계 고분자/수지 기반의 유기-실세스퀴옥산 (Organo-Silsesquioxane)을 전구체로 이용하여 유기 고분자를 이용하지 않고도 전기방사 공정을 통해 기능성 유-무기 하이브리드 섬유 복합나노섬유 또는 무기 복합나노섬유를 제조할 수 있다. 상기 복합나노섬유를 제조하는 과정에서, 제1 및 제2 용액의 농도, 전기방사 용액의 점도, 전압, 방출속도 등의 공정 변수를 제어하여 균일한 직경을 갖는 복합나노섬유를 제조할 수 있다. 또한, 전기방사를 통하여 제조된 섬유형태의 섬유전구체에 대해서 열처리 온도와 공정 조건을 조절함으로서 다양한 화학적 구조 및 물리적 특성을 갖도록 할 수 있다. 또한, 열처리 후 식각 공정을 도입함으로써 복합나노섬유의 기능성 및 비표면적을 향상할 수 있었다.On the other hand, the method for manufacturing composite nanofibers according to the present embodiment uses an inorganic polymer/resin-based organo-silsesquioxane as a precursor, so that functional organic-inorganic hybrid fiber composite nanofibers or inorganic composite nanofibers can be manufactured through an electrospinning process without using an organic polymer. In the process of manufacturing the composite nanofibers, process variables such as the concentration of the first and second solutions, the viscosity of the electrospinning solution, voltage, and release rate can be controlled to manufacture composite nanofibers having a uniform diameter. In addition, the fiber precursor in the form of a fiber manufactured through electrospinning can be made to have various chemical structures and physical properties by controlling the heat treatment temperature and process conditions. In addition, by introducing an etching process after the heat treatment, the functionality and specific surface area of the composite nanofibers could be improved.
상기 유기실리콘화합물은 3차원 구조로 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 용액의 점도는 25 ℃에서 50 poise 내지 100 poise이고, 상기 전기방사 용액의 상기 제1 점도는 25 ℃에서 120 poise 내지 180 poise일 수 있다.The above organosilicon compound may be provided in a three-dimensional structure. In addition, the viscosity of the first solution may be 50 poise to 100 poise at 25° C., and the first viscosity of the electrospinning solution may be 120 poise to 180 poise at 25° C.
상기 제1 용액의 점도가 50 poise 미만인 경우 상기 유기실리콘화합물과 상기 금속화합물이 용액 내에서 서로 균일하게 혼합되지 않아 문제되고, 100 poise 초과인 경우에는 상기 유기실리콘화합물과 상기 금속화합물이 상기 용액 내에서 충분히 용해되지 않아 문제된다. 또한, 상기 전기방사 용액의 제1 점도는 전술한 범위 내로 유지함으로써, 전기방사 과정에서 노즐이 막히거나 전기방사가 수행되지 않는 등의 문제가 발생하지 않고 상기 전기방사를 효율적으로 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 점도는 25 ℃에서 50 poise 내지 90 poise, 또는 60 poise 내지 90 poise이고, 상기 제2 점도는 25 ℃에서 120 poise 내지 170 poise, 또는 120 poise 내지 160 poise, 또는 130 poise 내지 160 poise일 수 있다.When the viscosity of the first solution is less than 50 poise, the organosilicon compound and the metal compound are not uniformly mixed with each other in the solution, which causes a problem, and when it exceeds 100 poise, the organosilicon compound and the metal compound are not sufficiently dissolved in the solution, which causes a problem. In addition, by maintaining the first viscosity of the electrospinning solution within the above-mentioned range, the electrospinning can be efficiently performed without problems such as nozzle clogging or electrospinning not being performed during the electrospinning process. Specifically, the first viscosity may be 50 poise to 90 poise, or 60 poise to 90 poise at 25°C, and the second viscosity may be 120 poise to 170 poise, or 120 poise to 160 poise, or 130 poise to 160 poise at 25°C.
상기 유기실리콘화합물은 입자형태로 구비되고, 상기 입자형태는 평균입경이 50 nm 내지 5㎛일 수 있다. The above organosilicon compound is provided in a particle form, and the particle form may have an average particle diameter of 50 nm to 5 μm.
상기 유기실리콘화합물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되고, 오르모실 (ormosil, organically modified silicates)의 구형입자 또는 펠렛형태의 고체분말을 포함할 수 있다.The above organosilicon compound is represented by the following chemical formula 1 or chemical formula 2, and may include a solid powder in the form of spherical particles or pellets of ormosil (organically modified silicates).
(화학식 1)(chemical formula 1)
(R1SiO3/2)(R1SiO 3/2 )
(화학식 2)(chemical formula 2)
(R1SiO3/2)-(R2SiO3/2)(R1SiO 3/2 )-(R2SiO 3/2 )
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, R1은 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기이고, R2는 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-18의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된다.In the above chemical formula 1 or chemical formula 2, R1 is a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group, and R2 is independently selected from the group consisting of hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1-18 alkyl group, and a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group.
구체적으로, 상기 R1은 페닐기이고, R2는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기일 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 R1은 페닐기이고, R2는 페닐기 또는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기이고, R1: R2의 몰비율이 10:0~5일 수 있다. 상기 R1에 대한 R2의 몰비율에서, R2가 5를 초과하는 경우 상기 유기실리콘화합물의 물성이 저하되어 이어지는 공정 수행이 어렵다는 문제가 있다. Specifically, R1 is a phenyl group, R2 can be a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group, and a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group, and more specifically, R1 is a phenyl group, R2 is a phenyl group or a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group, and the molar ratio of R1: R2 can be 10:0 to 5. In the molar ratio of R2 to R1, when R2 exceeds 5, there is a problem that the properties of the organosilicon compound deteriorate, making it difficult to perform a subsequent process.
구체적으로, 상기 유기실리콘화합물이 화학식 1인 경우, 하기와 같은 구조식으로 나타날 수 있다.Specifically, when the above organosilicon compound has chemical formula 1, it can be represented by the structural formula below.
(구조식)(constitutional formula)
또한, 상기 유기실리콘화합물이 화학식 2인 경우, (R1SiO3/2)와 (R2SiO3/2)가 화학결합으로 연결된 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 R1: R2의 몰비율은 10:0.01~5일 수 있다.In addition, when the organosilicon compound has chemical formula 2, (R1SiO 3/2 ) and (R2SiO 3/2 ) may be connected by a chemical bond. Specifically, the molar ratio of R1: R2 may be 10:0.01 to 5.
별법으로, 상기 유리실리콘화합물은 표면에 작용기가 구비된 입자형태로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 작용기는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기 및 티오황산기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 유기실리콘화합물을 염기성 촉매 또는 산성 촉매를 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 상기 혼합용액을 20 ℃ 내지 60 ℃의 온도에서 교반하면서 반응시켜 상기 유기실리콘화합물의 표면에 작용기를 구비시킬 수 있다. 상기 유기실리콘화합물은 상기 혼합용액 내에서 가수분해 반응 또는 축중합 반응 등을 수행함으로써, 상기 작용기 중 1종 이상을 표면에 구비하는 입자형태로 제조될 수 있다. 상기 유기실리콘화합물은 다공성인 오르모실 (ormosil)의 구형형태로 구비되고, 상기 작용기는 상기 유기실리콘화합물의 다공성 내에 안정적으로 구비될 수 있다.Alternatively, the glass silicon compound may be provided in the form of particles having a functional group on the surface. Specifically, the functional group may include at least one of a cyanogen group, an amine group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a halide group, a nitrate group, a thiocyanate group, and a thiosulfuric acid group. The organosilicon compound may be provided with a functional group on the surface by adding a basic catalyst or an acidic catalyst to the mixture solution, and the mixture solution may be reacted while stirring at a temperature of 20° C. to 60° C. The organosilicon compound may be prepared in the form of particles having at least one of the functional groups on the surface by performing a hydrolysis reaction or a condensation polymerization reaction, etc., in the mixture solution. The organosilicon compound is provided in the form of a porous ormosil spherical particle, and the functional group may be stably provided within the pores of the organosilicon compound.
구체적으로, 표면에 작용기를 갖는 유기실리콘화합물은 상기 염기성 촉매를 이용하여 제조될 수 있으며, 상기 염기성 촉매는 트리에틸아민, 암모니아수 및 테트라메틸암모니움하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.Specifically, an organosilicon compound having a functional group on the surface can be produced using the basic catalyst, and the basic catalyst can be any one selected from the group consisting of triethylamine, ammonia water, and tetramethylammonium hydroxide.
상기 제1 유기용매는 테트라히드로푸란 (THF), N,N-디메틸포름아미드 (DMF), N-메틸포름아미드 (NMF), N-메틸피롤리돈 (NMP), 아세톤, 및 아민계용매 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The first organic solvent may include at least one of tetrahydrofuran (THF), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methylformamide (NMF), N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, and an amine solvent.
상기 제1 용액을 제조하는 단계는 상기 유기실리콘화합물을 제조하는 것을 더 포함할 수 있다.The step of preparing the first solution may further include preparing the organosilicon compound.
상기 유기실리콘화합물을 제조하는 단계는 제1 염기용액에 실란화합물을 첨가한 후 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 150 rpm 내지 500 rpm으로 교반하여 고형물을 제조할 수 있다. 상기 고형물은 여과 및 건조하여 유기실리콘화합물로 제조될 수 있다. The step of producing the above organosilicon compound can be performed by adding a silane compound to a first base solution and stirring at 150 to 500 rpm at a temperature of 50 to 80° C. to produce a solid. The solid can be filtered and dried to produce an organosilicon compound.
상기 제1 염기용액은 증류수에 무수 암모니아, 수산화암모늄, 또는 수산화나트륨 등의 염기성물질을 첨가하여 제조되고, 상기 유기실리콘화합물은 페닐트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 3-머캡토프로필트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 클로로프로필트리메톡시실란, 2-페닐에틸트리메톡시실란, 클로로프로필메톡시실란 및 2-페닐에틸트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The above first base solution is prepared by adding a basic substance such as anhydrous ammonia, ammonium hydroxide, or sodium hydroxide to distilled water, and the organosilicon compound may include at least one of phenyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, chloropropyltrimethoxysilane, 2-phenylethyltrimethoxysilane, chloropropylmethoxysilane, and 2-phenylethyltrimethoxysilane.
구체적으로, 상기 실란화합물은 상기 제1 염기용액 중에 가수분해 및 축합 반응에 의해 고형물로 제조되고, 얻어진 고형물을 멤브레인 필터를 이용해 여과하고, 정제수로 여러 번 세척하여 제조될 수 있다. 상기 건조는 진공오븐을 이용할 수 있으며, 100 ℃ 내지 150 ℃에서 1 시간 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다. Specifically, the silane compound can be manufactured into a solid by hydrolysis and condensation reaction in the first base solution, filtering the obtained solid using a membrane filter, and washing it several times with purified water. The drying can be performed using a vacuum oven at 100° C. to 150° C. for 1 to 5 hours.
상기 금속화합물을 금속원소를 포함하는 화합물의 형태로 구비될 수 있다. 상기 금속원소는 알칼리 및 알칼리 토금속 (Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr 등), 주족 금속 (Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb 등), 및 전이금속 (Ti, Zr, Cu, Ag, Cd 등의 d족 전이금속 과 Er, Pr, Yb등의 f족 전이금속 등)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. The above metal compound may be provided in the form of a compound containing a metal element. The above metal element may be selected from the group consisting of alkali and alkaline earth metals (Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, etc.), main group metals (Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, etc.), and transition metals (d-group transition metals such as Ti, Zr, Cu, Ag, Cd, and f-group transition metals such as Er, Pr, Yb, etc.).
상기 금속화합물은 상기 금속원소를 이용하여 제조될 수 있다. 구체적으로 제2 염기용액 중에 착화합물 형성을 위한 리간드를 첨가한 후 40 ℃ 내지 60 ℃에서 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반 하고, 여기에 상기 금속원소가 용해되어 있는 금속용액을 첨가하여 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반함으로써, 착화합물이 제조될 수 있다. 상기 착화합물은 침전물 형태로 구비되고, 여과 및 세척을 3회 이상 반복한 후, 오븐에서 건조시켜 분말형태로 제조될 수 있다.The above metal compound can be prepared using the above metal element. Specifically, a complex compound can be prepared by adding a ligand for forming a complex compound to a second base solution, stirring at 40° C. to 60° C. for 0.5 to 3 hours, and then adding a metal solution in which the metal element is dissolved therein, and stirring for 0.5 to 3 hours. The complex compound is provided in the form of a precipitate, and after filtering and washing are repeated three or more times, it can be prepared in the form of a powder by drying in an oven.
상기 리간드는 수용성 용액에서는 고체로 존재하나, 유기 용매에서는 가용성인 착화합물 형태의 금속 전구체 화합물을 제조하기 위하여 사용되는 유기 배위 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 리간드는 네오데칸산, 탄소수 8개~18개 사이를 갖는 카르복실산, 탄소수 6개 이상을 갖는 알킬 아민 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 리간드는 네오데간산을 포함하고, 상기 착화합물은 네오데칸산금속염일 수 있다.The ligand may include an organic coordination material used to prepare a metal precursor compound in the form of a complex compound that exists as a solid in an aqueous solution but is soluble in an organic solvent. Specifically, the ligand may include at least one of neodecanoic acid, a carboxylic acid having 8 to 18 carbon atoms, and an alkyl amine having 6 or more carbon atoms. More specifically, the ligand may include neodecanoic acid, and the complex compound may be a neodecanoic acid metal salt.
구체적으로, 상기 제2 염기용액은 무수 암모니아, 수산화암모늄, 또는 수산화나트륨을 증류수에 녹여 제조되고, 상기 금속용액은 질산은염을 증류수에 녹여 제조될 수 있다. 상기 여과는 멤브레인 필터를 이용하고 정제수를 이용하여 3회 이상 세척할 수 있으며, 마지막으로 메탄올로 1 회 이상 세척할 수 있다. 상기 오븐은 진공오븐을 포함하고, 28 ℃ 내지 40 ℃에서 10 시간 내지 24 시간 동안 건조를 수행할 수 있다.Specifically, the second base solution can be prepared by dissolving anhydrous ammonia, ammonium hydroxide, or sodium hydroxide in distilled water, and the metal solution can be prepared by dissolving silver nitrate in distilled water. The filtration can be performed using a membrane filter and washing three or more times with purified water, and finally washing once or more with methanol. The oven includes a vacuum oven, and drying can be performed at 28° C. to 40° C. for 10 to 24 hours.
상기 전기방사 용액은 상기 제1 용액 전체 중량에 대해서 50 wt% 내지 90 wt%가 되도록 50 ℃ 내지 110 ℃의 온도로 가열하여 용매를 증발시켜 제조될 수 있다. 상기 전기방사 용액은 상기 제1 용액 전체 중량에 대해서 50 wt% 내지 90 wt%의 범위로 구비됨으로써 후속하는 전기방사 공정을 용이하게 수행할 수 있고, 제조된 복합나노섬유의 물성을 효율적으로 유지시킬 수 있다.The above electrospinning solution can be prepared by heating at a temperature of 50° C. to 110° C. to evaporate the solvent so that the amount of the electrospinning solution is 50 wt% to 90 wt% based on the total weight of the first solution. Since the electrospinning solution is provided in a range of 50 wt% to 90 wt% based on the total weight of the first solution, the subsequent electrospinning process can be easily performed, and the properties of the manufactured composite nanofibers can be efficiently maintained.
또한, 상기 용매를 증발시키는 경우 온도가 50 ℃ 미만이면 용매를 효율적으로 증발시키기 어렵고, 110 ℃을 초과하는 경우 상기 전기방사 용액의 물성을 변질시키거나 또는 점도가 제어되지 않아 전기방사 공정에 문제가 생길 수 있다.In addition, when evaporating the solvent, if the temperature is below 50°C, it is difficult to efficiently evaporate the solvent, and if it exceeds 110°C, the properties of the electrospinning solution may be altered or the viscosity may not be controlled, which may cause problems in the electrospinning process.
상기 전기방사 용액은 하기 화학식 3으로 표시되는 오르모실 (ormosil)의 무기 고분자-수지 형태의 화합물과 금속 전구체의 혼합물로 이루어질 수 있다.The above electrospinning solution may be composed of a mixture of an inorganic polymer-resin type compound of ormosil represented by the following chemical formula 3 and a metal precursor.
(화학식 3)(chemical formula 3)
(RSiO3/2) + MLx(RSiO 3/2 ) + MLx
여기서, R은 치환 또는 비치환된 C6-15의 아릴기이고, M은 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되고, L은 -NO3, -OR (R은 C1-6 알킬), -NR2 (R은 C1-6 알킬), -COOR (R은 C1-6 알킬), 아세테이트 (acetate), 아세틸아세토네이트 (acetylacetonate), 베타-케토네이트 (beta-ketonate), 디아미드 (diamide), 및 디톨레이트 (ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 여기서 상기 x는 M의 산화수에 따르는 리간드의 수이다.Here, R is a substituted or unsubstituted C 6-15 aryl group, M is selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, and Yb, and L can be selected from the group consisting of -NO 3 , -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetate, acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate. Herein, x is the number of ligands depending on the oxidation number of M.
상기 L은 유기 용매에 높은 용해성을 보여주는 -OR (R은 C1-6 알킬), -NR2 (R은 C1-6 알킬), -COOR (R은 C1-6 알킬), 아세틸아세토네이트 (acetylacetonate), 베타-케토네이트 (beta-ketonate), 디아미드 (diamide), 및 디톨레이트 (ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The above L can be selected from the group consisting of -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate, which show high solubility in organic solvents.
상기 전기방사 용액 내에서 상기 유기실리콘화합물과, 상기 금속화합물의 몰 비율 1:0.1~1로 혼합될 수 있다. 상기 유기실리콘화합물에 대해서 상기 금속화합물의 몰비율이 0.1 미만인 경우 상기 복합나노섬유의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 1 초과인 경우 복합나노섬유의 직경을 제어하기 어렵고 전기방사 공정의 효율성을 저하시켜 문제된다.In the above electrospinning solution, the organosilicon compound and the metal compound can be mixed in a molar ratio of 1:0.1 to 1. If the molar ratio of the organosilicon compound to the metal compound is less than 0.1, the mechanical properties of the composite nanofiber may deteriorate, and if it exceeds 1, it is difficult to control the diameter of the composite nanofiber and the efficiency of the electrospinning process is reduced, which is a problem.
도 3은 본 실시예에서 사용된 전기방사 장치의 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of the electrospinning device used in this example.
도 3을 참조하면, 상기 전기방사는 상기 전기방사는 단일 노즐 (single nozzle)을 이용하여 수행되며, 상기 전기방사 용액을 방사전압 8-15 kV, 방사거리 10-30 cm 및 방사유량 1-3 mL/hr의 조건에서 수행할 수 있다. 상기 전기방사 용액은 상기 제1 점도로 제어하고, 상기 방사전압, 방사거리 및 방사유량을 전술한 범위로 제어하여 상기 전기방사 공정을 수행함으로써 상기 복합나노섬유의 직경을 소정의 범위 내로 유지하면서 균일한 물성을 갖도록 할 수 있다.Referring to FIG. 3, the electrospinning is performed using a single nozzle, and the electrospinning solution can be performed under the conditions of a spinning voltage of 8-15 kV, a spinning distance of 10-30 cm, and a spinning flow rate of 1-3 mL/hr. The electrospinning solution is controlled to the first viscosity, and the spinning voltage, spinning distance, and spinning flow rate are controlled within the above-mentioned ranges to perform the electrospinning process, thereby maintaining the diameter of the composite nanofiber within a predetermined range and having uniform physical properties.
상기 전기방사 장치는, 전기방사 용액을 주입할 수 있는 하나 이상의 인렛과, 전기장을 인가시켜 줄 수 있는 고전압 발생기, 전류 집전체, 및 전기방사 용액을 일정속도로 토출시키는 실린지 펌프로 구성될 수 있다. 상기 전기방사 용액을 실린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 토출시키면서 노즐과 전류 집전체 사이에 전압을 인가함으로써 섬유형태로 제조할 수 있다. The above-mentioned electrospinning device may be composed of one or more inlets capable of injecting an electrospinning solution, a high voltage generator capable of applying an electric field, a current collector, and a syringe pump capable of discharging the electrospinning solution at a constant speed. By discharging the electrospinning solution at a constant speed using the syringe pump and applying voltage between the nozzle and the current collector, the solution can be manufactured into a fiber shape.
본 실시예에 따른 복합나노섬유의 제조방법은 하나의 단일 노즐을 통하여 하나 이상의 금속을 포함하는 복합나노섬유를 제조할 수 있다. 단일 노즐을 통하여 제조함으로써, 후처리 공정을 필요로 하지 않아 전기방사 공정의 효율성을 향상시킬 수 있으며 다량의 복합나노섬유를 배치당 물성차이가 없이 제조할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 복합나노섬유는 다양한 금속을 용이하게 포함시킬 수 있어 다양한 기능을 갖는 복합나노섬유를 제공할 수 있다.The method for manufacturing composite nanofibers according to the present embodiment can manufacture composite nanofibers containing one or more metals through a single nozzle. By manufacturing through a single nozzle, a post-processing process is not required, thereby improving the efficiency of the electrospinning process, and a large amount of composite nanofibers can be manufactured without differences in physical properties per batch. In addition, the composite nanofibers according to the present embodiment can easily include various metals, thereby providing composite nanofibers having various functions.
본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유는 전기방사에 사용되는 전기방사 용액의 점도 제1 점도 내에서 다양하게 제어할 수 있어, 다양한 직경을 갖는 복합나노섬유를 균일한 두께로 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 추가적인 고분자를 첨가하지 않고, 전기방사 공정을 이용하여 유기실리콘화합물과 금속을 포함하는 복합나노섬유를 제조할 수 있다.Composite nanofibers according to an embodiment of the present invention can be variously controlled within the first viscosity of the electrospinning solution used for electrospinning, so that composite nanofibers having various diameters can be easily manufactured with a uniform thickness. In addition, composite nanofibers including an organosilicon compound and a metal can be manufactured using an electrospinning process without adding an additional polymer.
상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계에서, 상기 제1 온도에 따라 상기 복합나노섬유의 형태가 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 온도가 200 ℃ 내지 600 ℃ 미만인 경우, 상기 복합나노섬유는 탄소를 포함하는 유-무기 하이브리드의 형태일 수 있다. 또한, 상기 제1 온도는 600 ℃ 내지 1500 ℃인 경우, 상기 복합나노섬유는 SiO2와 금속을 포함하는 무기 하이브리드의 형태일 수 있다.In the step of heat-treating the fiber precursor at a first temperature, the form of the composite nanofiber may vary depending on the first temperature. Specifically, when the first temperature is less than 200°C to 600°C, the composite nanofiber may be in the form of an organic-inorganic hybrid including carbon. In addition, when the first temperature is 600°C to 1500°C, the composite nanofiber may be in the form of an inorganic hybrid including SiO 2 and a metal.
상기 제1 온도가 200 ℃ 내지 600 ℃ 미만인 경우, 상기 복합나노섬유를 구성하는 고분자가 분해되지 않은 상태로, 상기 복합나노섬유는 실리콘 고분자/수지 및 금속을 포함하는 유-무기 하이브리드의 형태로 구비될 수 있다. 상기 제1 온도는 600 ℃ 내지 1500 ℃인 경우, 상기 유기실리콘화합물내의 고분자가 분해되고 실리콘이 산화되어 SiO2를 형성하고 상기 복합나노섬유는 무기 하이브리드 형태로 구비될 수 있다.When the first temperature is less than 200° C. to 600° C., the polymer constituting the composite nanofibers is not decomposed, and the composite nanofibers can be provided in the form of an organic-inorganic hybrid including a silicone polymer/resin and a metal. When the first temperature is 600° C. to 1500° C., the polymer in the organic silicon compound is decomposed and the silicon is oxidized to form SiO 2 , and the composite nanofibers can be provided in the form of an inorganic hybrid.
본 실시예에 따른 복합나노섬유의 제조방법은 상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계 이후에, 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing a composite nanofiber according to the present embodiment may further include a post-treatment step after the step of heat-treating the fiber precursor at a first temperature.
상기 후처리 단계는, 상기 열처리된 섬유전구체를 표면 처리하거나 또는 식각 과정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.The above post-processing step may include surface treating the heat-treated fiber precursor or performing an etching process.
상기 후처리 단계에 따라서, 상기 복합나노섬유의 표면을 다양한 형태로 제어할 수 있어 본 실시예에 따른 복합나노섬유를 보다 다양한 분야에 이용할 수 있다. According to the above post-processing step, the surface of the composite nanofiber can be controlled into various shapes, so that the composite nanofiber according to the present embodiment can be used in a wider range of fields.
상기 표면처리는 상기 복합나노섬유를 작용기를 포함한 용액 등에 함침시키거나 혹은 저온 플라즈마를 이용하여 상기 복합나노섬유의 표면에 하이드록시기 (-OH), 카르복시기 (-COOH), 및 퍼옥시산 (-COOOH) 중 어느 하나 이상의 작용기를 구비시킬 수 있다.The above surface treatment can be performed by impregnating the composite nanofibers with a solution containing a functional group or by using low-temperature plasma to provide the surface of the composite nanofibers with at least one functional group among a hydroxyl group (-OH), a carboxyl group (-COOH), and a peroxy acid (-COOOH).
상기 식각 과정은 불산 용액을 이용하여 상기 열처리된 섬유전구체의 표면 식각하여 세공 및 표면적을 증가시킬 수 있다. 상기 식각 과정을 통하여 상기 복합나노섬유의 표면을 부분적으로 용해시켜, 상기 복합나노섬유의 표면적을 증가시키고 상기 금속의 외부로 노출시킬 수 있다.The above etching process can increase the pores and surface area by etching the surface of the heat-treated fiber precursor using a hydrofluoric acid solution. Through the etching process, the surface of the composite nanofiber is partially dissolved, thereby increasing the surface area of the composite nanofiber and exposing it to the outside of the metal.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 방법에 따라 제조된 복합나노섬유를 포함한다.According to another aspect of the present invention, the present invention comprises a composite nanofiber manufactured according to the method described above.
상기 복합나노섬유는 직경이 50 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 상기 복합나노섬유의 직경이 50 nm 미만인 경우 내부 입자형태로 구비되는 금속원소 또는 실리콘산화물을 균일하게 고정시키기 어렵고, 1000 nm 초과이면 전기방사 공정을 효율적으로 수행하기 어렵다.The above composite nanofibers may have a diameter of 50 nm to 1000 nm. If the diameter of the composite nanofibers is less than 50 nm, it is difficult to uniformly fix the metal element or silicon oxide provided in the form of internal particles, and if it exceeds 1000 nm, it is difficult to efficiently perform the electrospinning process.
또한, 상기 복합나노섬유는 하나 이상의 금속입자를 포함하고, 상기 금속입자는 직경이 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. Additionally, the composite nanofibers include one or more metal particles, and the metal particles may have a diameter of 1 nm to 100 nm.
상기 금속입자는 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The above metal particles may be selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd and Yb.
본 발명은 전술한 따른 복합나노섬유를 이용하여 제조된 페브릭(fabric) 또는 필름형태의 소재를 포함한다.The present invention includes a fabric or film-shaped material manufactured using the composite nanofibers described above.
또한, 본 발명은 전술한 복합나노섬유와 고분자 수지를 이용하여 제조된 유-무기 복합 수지 소재를 포함한다.In addition, the present invention includes an organic-inorganic composite resin material manufactured using the above-described composite nanofibers and polymer resin.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 실세스퀴옥산 (Organo-Silsesquioxane)을 이용한 복합나노섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a drawing schematically illustrating a method for manufacturing composite nanofibers using organo-silsesquioxane according to another embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 유기실리콘화합물은 유기 실세스퀴옥산 (Organo-Silsesquioxane)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, the organosilicon compound according to the present embodiment may include organo-silsesquioxane.
상기 유기 실세스퀴옥산을 용액 내에서 용해시킨 후, 하나 이상의 금속화합물을 첨가하여 제1 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하고, 상기 전기방사 용액을 전기방사를 통하여 다양한 수 나노미터에서 마이크로미터까지의 직경을 갖는 복합나노섬유를 제조할 수 있다. After dissolving the above organic silsesquioxane in a solution, one or more metal compounds are added to prepare an electrospinning solution having a first viscosity, and the electrospinning solution can be used to prepare composite nanofibers having diameters ranging from several nanometers to micrometers through electrospinning.
상기 유기 실세스퀴옥산은 페닐트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 3-머캡토프로필트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 클로로프로필트리메톡시실란, 2-페닐에틸트리메톡시실란, 클로로프로필메톡시실란 및 2-페닐에틸트리메톡시실란 중 어느 하나 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 실세스퀴옥산은 페닐트리메톡실실란, 페닐에틸트리메톡시실란 및 2-페닐에틸트리메톡시실란 중 어느 하나 이상일 수 있다.The above organic silsesquioxane may be at least one of phenyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, chloropropyltrimethoxysilane, 2-phenylethyltrimethoxysilane, chloropropylmethoxysilane, and 2-phenylethyltrimethoxysilane. Specifically, the above organic silsesquioxane may be at least one of phenyltrimethoxysilane, phenylethyltrimethoxysilane, and 2-phenylethyltrimethoxysilane.
상기 금속화합물은 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 금속화합물은 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속원소를 포함할 수 있다.The above metal compound may include one or more, and the metal compound may include a metal element selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd and Yb.
상기 전기방사 용액은 점도가 25 ℃에서 120 poise 내지 180 poise로 제어될 수 있으며, 점도가 제어된 전기방사 용액은 전기방사 장치를 통하여 복합나노섬유로 제조될 수 있다. The above electrospinning solution can have a viscosity controlled from 120 poise to 180 poise at 25°C, and the electrospinning solution with controlled viscosity can be manufactured into composite nanofibers through an electrospinning device.
상기 복합나노섬유는 Organo-Silsesquioxane 하이브리드 소재로, 무기물이 갖는 특성인 내부식성, 고강도, 내열 특성, 내화학성 등과 유기물이 갖는 우수한 성형성, 소수성 및 유연성 등 특성의 시너지 효과를 끌어내서 기존의 유기 고분자 섬유들의 갖는 물성의 한계를 극복한 신소재를 제공한다. 따라서 본 발명에 의해서 제조된 기능성 복합나노섬유는 생체재료 또는 전자재료로 다양하게 적용이 가능하며, 예컨대, 촉매, 바이오, 이차전지 등의 전반적인 산업 분야에서 사용될 수 있다.The above composite nanofiber is an organo-silsesquioxane hybrid material, and provides a new material that overcomes the limitations of the properties of existing organic polymer fibers by drawing out the synergistic effect of the properties of inorganic materials such as corrosion resistance, high strength, heat resistance, and chemical resistance, and organic materials such as excellent formability, hydrophobicity, and flexibility. Therefore, the functional composite nanofiber manufactured by the present invention can be applied in various ways as a biomaterial or electronic material, and can be used in a wide range of industrial fields such as catalysts, bio, and secondary batteries, for example.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the scope of the rights of the present invention is not limited by the following examples.
1. 재료1. Materials
복합나노섬유를 제조하기 위하여, 페닐트리메톡시실란 (Phenyltrimethoxysilane, PTMS, 97%, Alfa-Aesar), 비닐트리메톡시실란 (vinyltrimethoxysilane, VTMS, 97%, Alfa-Aesar), 암모늄 하이드록사이드즈 (Ammonium hydroxide, NH4OH, 25-28%, Daejung), 아세틸아세톤 (Acetylacetone, acacH, 97%, Alfa-Aesar) 티타늄 이소프로폭사이드 (Titanium isopropoxide, TTIP, 97%, Alfa-Aesar), 티타늄 디이소프로폭사이드 비스 (아세틸아세토네이트) in 75 wt% 이소프로판올(Titanium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate) 75wt % in isopropanol, Ti(acac)2(OiPr)2, 98%, STREM), 지르코늄 이소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide, Zr(OiPr)4, 99.8%, Sigma-Aldrich), 카드뮴 아세테이트 (Cadmium(II) acetate, Cd(acetate)2, 99.8%, Sigma-Aldrich), 아르븀 나이트레이트 (Erbium Nitrate, Er(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 트리에틸아민 (triethylamine, TEA, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산은염 (Ag(NO3), 99.8%, JUNSEI, 네오데칸산 (Neo-decanoic aicd, ND, 99.8%, STREM), 질산알루미늄 (Aluminium(III) nitrate, Al(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산갈륨 (Gallium(III) nitrate, Ga(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산인듐 (Indium(III) nitrate, In(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 지르코늄 이소프록사이드 (Zirconium(IV) isopropoxide, Zr(OPr)4, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산카드뮴 (Cadmium nitrate, Cd(NO3)2, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산리튬 (Lithium nitrate, Li(NO3), 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산프라세오디뮴 (Praseodymium(III) nitrate, Pr(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산아르븀 (Erbium(III) nitrate, Er(NO3)3, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산구리 (Copper(II) nitrate, Cu(NO3)2, 99.8%, Sigma-Aldrich), 에틸아세토아세테이트산 (ethyl acetoacetic acid, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산프라세오디뮴염 (praseodymium nitrate, 99.8%, Sigma-Aldrich), 질산구리 (Copper(II) nitrate, Cu(NO3)2, 99.8%, Sigma-Aldrich), 무수 다이메틸폼아마이드 (N,N-Dimethylformamide anhydrous, DMF, 99.8%, Sigma-Aldrich)를 구매하여 정제 없이 사용하였다.To prepare composite nanofibers, phenyltrimethoxysilane (PTMS, 97%, Alfa-Aesar), vinyltrimethoxysilane (VTMS, 97%, Alfa-Aesar), ammonium hydroxide (NH4OH, 25-28%, Daejung), acetylacetone (acacH, 97%, Alfa-Aesar), titanium isopropoxide (TTIP, 97%, Alfa-Aesar), titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) in 75 wt % isopropanol (Ti(acac) 2 (OiPr) 2 , 98%, STREM), zirconium isopropoxide (Zr(OiPr) 4, 99.8%, Sigma-Aldrich), cadmium(II) acetate (Cd(acetate) 2, 99.8%, Sigma-Aldrich), erbium nitrate (Er(NO 3 ) 3, 99.8%, Sigma-Aldrich), triethylamine (TEA , 99.8%, Sigma-Aldrich), silver nitrate (Ag(NO 3 ), 99.8%, JUNSEI, neodecanoic acid (ND, 99.8%, STREM), aluminum nitrate (Al(NO 3 ) 3, 99.8%, Sigma-Aldrich), Gallium(III) nitrate, Ga( NO3 ) 3, 99.8%, Sigma-Aldrich), Indium(III) nitrate, In( NO3 ) 3, 99.8%, Sigma-Aldrich, Zirconium(IV) isopropoxide, Zr(OPr) 4, 99.8%, Sigma-Aldrich, Cadmium nitrate, Cd( NO3 ) 2, 99.8%, Sigma-Aldrich, Lithium nitrate, Li( NO3 ) , 99.8%, Sigma-Aldrich, Praseodymium(III) nitrate, Pr( NO3 ) 3, Erbium(III) nitrate (Er( NO3 ) 3, 99.8%, Sigma-Aldrich), copper(II) nitrate (Cu( NO3 ) 2, 99.8%, Sigma-Aldrich), ethyl acetoacetic acid (99.8%, Sigma-Aldrich), praseodymium nitrate (praseodymium nitrate , 99.8% , Sigma-Aldrich), copper(II) nitrate (Cu( NO3 ) 2, 99.8%, Sigma-Aldrich), N,N-Dimethylformamide anhydrous (DMF, 99.8%, Sigma-Aldrich) were purchased and used without purification.
2. 분석방법2. Analysis method
열중량-열량 동시 측정기 (STA, Simultaneous Thermal Analyzer, STA 449 F3 Jupiter, NETZSCH)을 이용하여 한번의 분석으로 온도변화와 무게변화의 열적특성을 동시에 측정하였다. 측정 조건은 공기 상태에서 10 ℃/min 승온 속도에 따라 금속 화합물과 유기기의 분해에 해당하는 온도, 섬유에서의 각각의 함량, 온도 별 섬유의 물질 특성 변화를 분석하였다. Using a Simultaneous Thermal Analyzer (STA, STA 449 F3 Jupiter, NETZSCH), thermal characteristics of temperature change and weight change were measured simultaneously in a single analysis. The measurement conditions were a heating rate of 10 ℃/min in air, and the temperature corresponding to the decomposition of metal compounds and organic groups, their respective contents in the fiber, and changes in the material properties of the fiber according to temperature were analyzed.
제조된 섬유 및 열처리 온도에 따라 달라지는 섬유의 화학적 구조변화를 확인하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT-IR, AAB FTLA2000)을 이용하여 분석하였다. To confirm the change in the chemical structure of the fiber depending on the manufactured fiber and heat treatment temperature, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR, AAB FTLA2000) was used for analysis.
섬유의 물리적 유연성, 용매의 저항성 및 전구체들의 분산 형상을 확인하기 위해서 탄소 코팅된 구리 그리드에 섬유를 에탄올로 분산시킨 샘플 한 방울을 적용하여 주사 전자 현미경 (EF-TEM, JEM-2000EXLL JEOL)으로 분석하였다. To investigate the physical flexibility of the fibers, solvent resistance, and dispersion morphology of the precursors, a drop of the sample of the fibers dispersed in ethanol was applied to a carbon-coated copper grid and analyzed by scanning electron microscopy (EF-TEM, JEM-2000EXLL JEOL).
TiO2 나노입자와 Ag 금속의 결정상은 40 kV 및 100 mA에서 Cu-Kα 방사선 (λ = 1.5418 nm)을 사용하는 Rigaku D/RAD-C 회절계를 사용하여 X-선 분말 회절 (XRD) 패턴으로 분석하였다. The crystal phases of TiO 2 nanoparticles and Ag metal were characterized by X-ray powder diffraction (XRD) patterns using a Rigaku D/RAD-C diffractometer with Cu-Kα radiation (λ = 1.5418 nm) at 40 kV and 100 mA.
열처리 온도에 따른 각각의 금속들의 결정화도 변화를 확인하였다. 나노섬유의 표면에서 존재하는 TiO2와 Ag에 각각에 해당하는 금속 분포들의 차이를 알 수 없어 주사전자현미경 (FE-SEM-EDX, Verios G4UC)를 이용하여 색상에 따른 TiO2 및 Ag 각각에 해당하는 분포가 어떻게 되어있는 확인하였다.The change in the crystallinity of each metal according to the heat treatment temperature was confirmed. Since the difference in the distribution of each metal corresponding to TiO 2 and Ag on the surface of the nanofibers could not be known, the distribution corresponding to each TiO 2 and Ag according to the color was confirmed using a scanning electron microscope (FE-SEM-EDX, Verios G4UC).
3. 나노섬유의 제조3. Manufacturing of nanofibers
제조예 1 (PTMS-기반 유기 실세스퀴녹산 입자)Manufacturing Example 1 (PTMS-based organic silsesquinoxane particles)
250 ml 삼구 플라스크에 정제수 100 ml와 NH4OH (0.1 ml, 2.9 mmol)를 넣어준 후, 70 ℃로 온도를 맞추고 350 rpm으로 교반하였다. 10분 후, 14.36 ml의 PTMS (phenyltrimethoxysilane) (0.0775 mol)를 주사기를 이용하여 용액에 넣어 3 시간 동안 반응시켰다. 가수분해 및 축합 반응에 의해 PTMS 입자가 형성되었다. 3 시간 후 얻어진 PTMS 입자를 멤브레인 필터를 이용해 여과하고, 정제수로 여러 번 세척하였다. 진공 오븐에서 110 ℃에서 2 시간 동안 건조시켜 9.98 g의 PTMS 입자를 제조하고 표 1에 나타내었다. PTMS의 입자는 99.8 %의 수율로 얻어졌다. A 250-ml three-necked flask was filled with 100 ml of purified water and NH4OH (0.1 ml, 2.9 mmol), the temperature was adjusted to 70 ℃, and the mixture was stirred at 350 rpm. After 10 minutes, 14.36 ml of PTMS (phenyltrimethoxysilane) (0.0775 mol) was added to the solution using a syringe and reacted for 3 hours. PTMS particles were formed by hydrolysis and condensation reactions. The obtained PTMS particles after 3 hours were filtered using a membrane filter and washed several times with purified water. 9.98 g of PTMS particles were prepared by drying in a vacuum oven at 110 ℃ for 2 hours, and the results are shown in Table 1. The PTMS particles were obtained in a yield of 99.8%.
제조예 2 (PTMS/VTMS-기반 복합 유기 실세스퀴녹산 입자)Manufacturing Example 2 (PTMS/VTMS-based composite organic silsesquinoxane particles)
250 ml 삼구 플라스크에 정제수를 100 ml와 10 ml의 메틸 알콜 및 10 ml의 NH4OH를 넣어준 후, 60 ℃로 온도를 맞추고 450 rpm으로 교반하였다. 1 분 후, 5.4 ml의 PTMS (0.0289 mol)를 주사기를 이용해 용액에 넣은 후 1.5 시간 동안 반응시켰다. 이 후 0.6 ml의 VTMS (Vinyltrimethoxysilane) (0.0029mmol)를 주사기를 이용해 추가로 투입한 후 추가로 1.5 시간 동안 교반 하였다. 가수분해 및 축합 반응에 의해 9:1의 비율을 갖는 PTMS-VTMS 기반 복합 성분 입자가 형성되었다. 3 시간 후 얻어진 복합 성분 입자를 멤브레인 필터를 이용해 여과하고, 정제수로 여러 번 세척하였다. 진공 오븐에서 110 ℃에서 2 시간 동안 건조시켜 9.8 g의 PTMS-VTMS 복합 성분 입자를 제조하고 표 1에 나타내었다. 복합 성분 입자의 수율은 99.2 %로 얻어졌다.A 250-ml three-necked flask was charged with 100 ml of purified water, 10 ml of methyl alcohol, and 10 ml of NH4OH , the temperature was adjusted to 60 ℃, and the mixture was stirred at 450 rpm. After 1 minute, 5.4 ml of PTMS (0.0289 mol) was added to the solution using a syringe, and the mixture was reacted for 1.5 hours. After that, 0.6 ml of VTMS (Vinyltrimethoxysilane) (0.0029 mmol) was additionally added using a syringe, and the mixture was stirred for an additional 1.5 hours. PTMS-VTMS-based composite component particles having a ratio of 9:1 were formed by hydrolysis and condensation reactions. After 3 hours, the obtained composite particles were filtered using a membrane filter and washed several times with purified water. 9.8 g of PTMS-VTMS composite particles were prepared by drying in a vacuum oven at 110 ℃ for 2 hours, and the results are shown in Table 1. The yield of composite particles was obtained as 99.2%.
제조예 3 내지 제조예 5 (Ti 전구체, Zr 전구체, Cd 전구체)Manufacturing Examples 3 to 5 (Ti precursor, Zr precursor, Cd precursor)
Ti 전구체로 티타늄 디이소프로폭사이드 비스 (아세틸아세토네이트) (Titanium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), Ti(acac)2(OiPr)2)를 다음의 방식으로 제조하였다. 3.1 g (23.0 mmol)의 아세틸아세톤 (Acetylacetone, acacH)에 4.4 g (11.5 mmol) 티타늄 이소프로폭사이드 (Titanium isopropoxide, TTIP)를 첨가하여 30 분간 300 rpm의 속도로 교반하여 Ti(acac)2(OiPr)2을 합성하였다. Titanium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate) (Ti(acac) 2 (OiPr) 2 ) was prepared as a Ti precursor by the following method. 4.4 g (11.5 mmol) of titanium isopropoxide (TTIP) was added to 3.1 g (23.0 mmol) of acetylacetone (acacH), and the mixture was stirred at 300 rpm for 30 minutes to synthesize Ti(acac) 2 (OiPr) 2 .
또한, Zr 전구체로 지르코늄 디이소프로폭사이드 비스 (아세틸아세토네이트) (Zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), Zr(acac)2(OiPr)2)와 Cd 전구체로 카드뮴 아세틸아세토네이트 (Cadmium acetylacetonate, Cd(acac)2)를 각각 제조하였다. Zr 전구체와 Cd 전구체는 각각 지르코늄 이소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide, Zr(OiPr)4)와 카드뮴 아세테이트 (Cadmium(II) acetate, Cd(acetate)2)를 금속의 원료로 이용한 것을 제외하고는 전술한 Ti 전구체와 동일한 방법으로 제조하고 표 1에 나타내었다.In addition, zirconium diisopropoxide bis(acetylacetonate) (Zirconium(IV) diisopropoxide bis(acetylacetonate), Zr(acac) 2 (OiPr) 2 ) was prepared as a Zr precursor and cadmium acetylacetonate (Cd(acac) 2 ) was prepared as a Cd precursor, respectively. The Zr and Cd precursors were prepared in the same manner as the Ti precursor described above, except that zirconium isopropoxide (Zr(OiPr) 4 ) and cadmium acetate (Cadmium(II) acetate, Cd(acetate) 2 ) were used as the metal raw materials, respectively, and are shown in Table 1.
제조예 6 내지 제조예 8 (Er 전구체, In 전구체, V 전구체)Manufacturing Examples 6 to 8 (Er precursor, In precursor, V precursor)
Er 전구체로 에르븀 아세틸아세토네이트 (Erbium(III) acetylacetonate, Er(acac)3)를 다음의 방식으로 제조하였다. 32.6 ml의 1M 아르븀 나이트레이트 (Erbium Nitrate, Er(NO3)3) (42.55 mmol) 용액을 100 ml의 증류수에 첨가하였다. 12.8 g의 아세틸아세톤 (Acetylacetone, acacH) (127.8 mmole)를 첨가한 후 24.9 ml의 트리에틸아민 (triethylamine, TEA) (178.7 mmole)를 3분간 적가한 후 300 rpm의 속도로 교반하여 Er(acac)3을 합성하였다.Erbium(III) acetylacetonate (Er(acac) 3 ) as an Er precursor was prepared by the following method. 32.6 ml of 1 M erbium nitrate (Er(NO 3 ) 3 ) (42.55 mmol) solution was added to 100 ml of distilled water. 12.8 g of acetylacetone (acacH) (127.8 mmole) was added, and 24.9 ml of triethylamine (TEA) (178.7 mmole) was added dropwise over 3 minutes, followed by stirring at a speed of 300 rpm to synthesize Er(acac) 3 .
또한, In 전구체로 인듐 아세틸아세토네이트 (Indium(III) acetylacetonate, In(acac)3) 및 V 전구체로 바나듐 아세틸아세토네이트 (Vanadium(III) acetylacetonate, V(acac)3)를 각각 제조하였다. In 전구체는 인듐 나이트레이트 (Indium(III) nitrate, In(NO3)3)를 V 전구체는 바나듐 옥시나이트레이트 (Vanadium(V) oxytrinitrate, VO(NO3)3)를 금속의 원료로 이용한 것을 제외하고는 전술한 Er 전구체와 동일한 방법으로 제조하고 표 1에 나타내었다.In addition, indium acetylacetonate (Indium(III) acetylacetonate, In(acac) 3 ) as an In precursor and vanadium acetylacetonate (Vanadium(III) acetylacetonate, V(acac) 3 ) as a V precursor were respectively manufactured. Except that indium nitrate (Indium(III) nitrate, In(NO 3 ) 3 ) was used as the metal raw material for the In precursor and vanadium oxynitrate (Vanadium(V) oxytrinitrate, VO(NO 3 ) 3 ) for the V precursor were used as the metal raw material, the manufacturing methods were the same as those for the Er precursor described above and are shown in Table 1.
제조예 9 내지 제조예 18 (Ag 전구체, Al 전구체, Ga 전구체, In 전구체, Zr 전구체, Cd 전구체, Li 전구체, Pr 전구체, Er 전구체, Cu 전구체)Manufacturing Examples 9 to 18 (Ag precursor, Al precursor, Ga precursor, In precursor, Zr precursor, Cd precursor, Li precursor, Pr precursor, Er precursor, Cu precursor)
0.7 g의 수산화 나트륨 (0.0179 mol)을 50 ml의 증류수에 넣어 녹인 후, 3.08 g의 네오데칸산 (neodecaoic acid, 0.0179 mol)을 넣어 50 ℃로 온도를 맞추고 1 시간 동안 교반하였다. 여기에, 3.04g의 질산은염 (Ag(NO3) (0.0179 mol)을 50 ml의 증류수에 넣어 녹인 용액을 가하여 1 시간 동안 교반하였다. 하얀색 침전물인 네오데칸산은화염 (Ag(ND))이 생성되었고, 이를 멤브레인 필터를 이용해 여과하고, 정제수로 3회 이상 세척한 후, 마지막으로 메탄올로 1회 세척하였다. 30 ℃의 진공 오븐에서 12 시간 동안 건조하였다. 4.44 g의 네오데칸산은화염 (Ag(ND)) 분말 (수율 88.8 %)을 얻었다. 0.7 g of sodium hydroxide (0.0179 mol) was dissolved in 50 ml of distilled water, 3.08 g of neodecanoic acid (0.0179 mol) was added, the temperature was adjusted to 50 ℃, and the mixture was stirred for 1 hour. Here, a solution of 3.04 g of silver nitrate (Ag( NO3 ) (0.0179 mol) dissolved in 50 ml of distilled water was added and stirred for 1 hour. A white precipitate of silver neodecanoate (Ag(ND)) was generated, which was filtered using a membrane filter, washed with purified water at least three times, and finally washed once with methanol. It was dried in a vacuum oven at 30°C for 12 hours. 4.44 g of silver neodecanoate (Ag(ND)) powder (yield 88.8%) was obtained.
또한, 질산알루미늄 (Aluminium(III) nitrate, Al(NO3)3), 질산갈륨 (Gallium(III) nitrate, Ga(NO3)3), 질산인듐 (Indium(III) nitrate, In(NO3)3), 지르코늄 이소프록사이드 (Zirconium(IV) isopropoxide, Zr(OPr)4), 질산카드뮴 (Cadmium nitrate, Cd(NO3)2), 질산리튬 (Lithium nitrate, Li(NO3)), 질산프라세오디뮴 (Praseodymium(III) nitrate, Pr(NO3)3), 질산아르븀 (Erbium(III) nitrate, Er(NO3)3), 질산구리 (Copper(II) nitrate, Cu(NO3)2)를 금속의 원료로 이용한 것을 제외하고는 전술한 Ag 전구체와 동일한 방법으로 Al 전구체 (Al(ND)3), Ga 전구체 (Ga(ND)3), In 전구체 (In(ND)3), Zr 전구체 (Zr(ND)4), Cd 전구체 (Cd(ND)2), Li 전구체 (LiND), Pr 전구체 (Pr(ND)3), Er 전구체 (Er(ND)3) 및 Cu 전구체 (Cu(ND)2)를 각각 제조하고 표 2에 나타내었다.Also, aluminum nitrate (Al( NO3 ) 3 ), gallium nitrate (Gallium(III) nitrate) (Ga( NO3 ) 3 ), indium nitrate (In( NO3 ) 3 ), zirconium(IV) isopropoxide (Zr(OPr) 4 ), cadmium nitrate (Cd( NO3 ) 2 ), lithium nitrate (Li( NO3 )), praseodymium nitrate (Pr( NO3 ) 3 ), erbium nitrate (Er( NO3 ) 3 ), copper nitrate (Copper(II) nitrate) (Cu( NO3 ) 2 ) was used as a metal raw material in the same manner as the Ag precursor described above, except that the Al precursor (Al(ND) 3 ), Ga precursor (Ga(ND) 3 ), In precursor (In(ND) 3 ), Zr precursor (Zr(ND) 4 ), Cd precursor (Cd(ND) 2 ), Li precursor (LiND), Pr precursor (Pr(ND) 3 ), Er precursor (Er(ND) 3 ), and Cu precursor (Cu(ND) 2 ) were manufactured, respectively, and are shown in Table 2.
제조예 19 및 제조예 20 (Pr-EAA 전구체, Cu-EAA 전구체)Manufacturing Examples 19 and 20 (Pr-EAA precursor, Cu-EAA precursor)
0.7 g의 수산화 나트륨 (0.017 9mol)을 50 ml의 증류수에 넣어 녹인 후, 3.08 g의 에틸 아세토 아세테이트산 (ethyl acetoacetic acid, 130.14, 1.02 g/ml 0.0179 mol)을 넣어 50 ℃로 온도를 맞추고 1 시간 동안 교반하였다. 여기에, 3.04 g의 질산프라세오디뮴염 (praseodymium nitrate, 326.92, 0.0179 mol)을 50 ml의 증류수에 넣어 녹인 용액을 가하여 1 시간 동안 교반하였다. 하얀색 침전물인 프라세오디뮴 에틸 아세토아세테이트 (Praseodymium ethyl acetoacetate, Pr(EAA)3) (Pr-EAA 전구체) 이 생성되었고, 이를 멤브레인 필터를 이용해 여과하고, 정제수로 3회 이상 세척한 후, 마지막으로 메탄올로 1회 세척하였다. 30 ℃의 진공 오븐에서 12 시간 동안 건조하였다. 4.44 g의 네오데칸산프라세오디뮴화염 (Pr-EAA 전구체) 분말 (수율 88.8 %)을 얻었다. 0.7 g of sodium hydroxide (0.017 9 mol) was dissolved in 50 ml of distilled water, 3.08 g of ethyl acetoacetic acid (130.14, 1.02 g/ml 0.0179 mol) was added, the temperature was adjusted to 50 ℃, and the mixture was stirred for 1 hour. To this, a solution of 3.04 g of praseodymium nitrate (326.92, 0.0179 mol) dissolved in 50 ml of distilled water was added, and the mixture was stirred for 1 hour. Praseodymium ethyl acetoacetate (Pr(EAA) 3 ) (Pr-EAA precursor) as a white precipitate was generated, filtered using a membrane filter, washed with purified water three times or more, and finally washed once with methanol. It was dried in a vacuum oven at 30 ℃ for 12 hours. 4.44 g of praseodymium neodecanoate (Pr-EAA precursor) powder (yield 88.8%) was obtained.
또한, Cu-EAA 전구체로 구리 에틸아세토아세테이트 (Copper(II) ethyl acetoacetate, Cu(EAA)2)를 제조하였다. Cu-EAA 전구체는 질산구리 (Copper(II) nitrate, Cu(NO3)2)를 금속의 원료로 이용한 것을 제외하고는 전술한 Pr-EAA 전구체와 동일한 방법으로 제조하고 표 3에 나타내었다.In addition, copper(II) ethyl acetoacetate (Cu(EAA) 2 ) was prepared as a Cu-EAA precursor. The Cu-EAA precursor was prepared in the same manner as the Pr-EAA precursor described above, except that copper(II) nitrate (Cu(NO 3 ) 2 ) was used as the metal raw material, and is shown in Table 3.
실험예 1 내지 실험예 8 (유기 실세스퀴옥산 입자를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 1 to 8 (Preparation of precursor solution for electrospinning using organic silsesquioxane particles)
제조예 1 또는 제조예 2에서 제조한 PTMS-기반 유기 실세스퀴옥산 입자 (이하, PTMS 입자) 또는 (PTMS/VTMS-기반 복합 유기 실세스퀴옥산 입자 (이하, PTMS/VTMS 입자)를 각각 무수 DMF에 녹여서 전기방사 용액을 제조하였다. PTMS 입자 또는 PTMS/VTMS 입자의 양을 3 g으로 고정하고 용매의 양을 조절하여 각 68, 70, 72 및 74 wt%의 고형분의 함량이 되도록 3 시간 동안 50 ℃로 150 rpm의 속도로 교반하여 용해하여 방사용 전구체 용액을 제조하고 표 4에 나타내었다. 표 4는 고형분의 함량을 다르게 하여 제조된 전기방사 용액이다.The PTMS-based organic silsesquioxane particles (hereinafter, PTMS particles) or (PTMS/VTMS-based composite organic silsesquioxane particles (hereinafter, PTMS/VTMS particles) manufactured in Manufacturing Example 1 or Manufacturing Example 2 were each dissolved in anhydrous DMF to prepare an electrospinning solution. The amount of the PTMS particles or PTMS/VTMS particles was fixed to 3 g, and the amount of the solvent was adjusted so that the solid contents were 68, 70, 72, and 74 wt%, respectively, and the particles were dissolved by stirring at a speed of 150 rpm at 50 °C for 3 hours to prepare a precursor solution for spinning, which is shown in Table 4. Table 4 shows electrospinning solutions manufactured with different solid contents.
실험예 9 내지 실험예 12 (PTMS 입자 및 Ti 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 9 to 12 (Preparation of precursor solution for electrospinning using PTMS particles and Ti precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체로 Ti(acac)2(OiPr)2를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. 3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and then Ti(acac) 2 (OiPr) 2 as a Ti precursor was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100 °C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was approximately 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체로 Ti(acac)2(OiPr)2를 4:1, 3:1 1.5:1의 몰비로 첨가하여 전술한 방법과 동일한 방법으로 각각 다른 비율의 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하고 표 5에 나타내었다. In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, Ti(acac) 2 (OiPr) 2 as a Ti precursor was added to the solution at molar ratios of 4:1, 3:1, and 1.5:1, and inorganic composite fiber precursor solutions having different ratios were manufactured using the same method as described above, and the results are shown in Table 5.
실험예 13 내지 실험예 16 (PTMS 입자 및 Er 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 13 to 16 (Preparation of precursor solution for electrospinning using PTMS particles and Er precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Er 전구체로 Er(acac)3를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. 3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and then Er(acac) 3 as an Er precursor was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100 °C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was approximately 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Er 전구체로 Er(acac)3를 4:1, 3:1 1.5:1의 몰비로 첨가하여 전술한 방법과 동일한 방법으로 각각 다른 비율의 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하고 표 6에 나타내었다. In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, Er(acac) 3 as an Er precursor was added to the solution at molar ratios of 4:1, 3:1, and 1.5:1, and inorganic composite fiber precursor solutions having different ratios were manufactured using the same method as described above, and the results are shown in Table 6.
실험예 17 내지 실험예 20 (PTMS 입자 및 Ag 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 17 to 20 (Preparation of precursor solution for electrospinning using PTMS particles and Ag precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ag 전구체로 Ag(ND)를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. 3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and Ag(ND) as an Ag precursor was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100°C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was approximately 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ag 전구체로 Ag(ND)를 4:1, 3:1 1.5:1의 몰비로 첨가하여 전술한 방법과 동일한 방법으로 각각 다른 비율의 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하고 표 7에 나타내었다. In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, Ag(ND) as an Ag precursor was added to the solution at molar ratios of 4:1, 3:1, and 1.5:1, and inorganic composite fiber precursor solutions having different ratios were manufactured using the same method as described above, and are shown in Table 7.
실험예 21 내지 실험예 24 (PTMS 입자 및 Pr-EAA 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 21 to 24 (Preparation of precursor solution for electrospinning using PTMS particles and Pr-EAA precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Pr-EAA 전구체로 Pr(EAA)3를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. 3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and then Pr(EAA) 3 as a Pr-EAA precursor was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100°C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was approximately 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Pr-EAA 전구체로 Pr(EAA)3를 4:1, 3:1 1.5:1의 몰비로 첨가하여 각각 다른 비율의 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하고 표 8에 나타내었다.In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, Pr(EAA) 3 as a Pr-EAA precursor was added to the solution at molar ratios of 4:1, 3:1, and 1.5:1 to manufacture inorganic composite fiber precursor solutions at different ratios, which are shown in Table 8.
실험예 25 내지 실험예 28 (PTMS 입자 및 Ti 전구체, Ag 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 25 to 28 (Preparation of precursor solution for electrospinning using PTMS particles and Ti precursor, Ag precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3 g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체로 Ti(acac)2(OiPr)2를 2:1의 몰비로 첨가하여 혼합용액을 제조하였다. Ti를 함유한 용해액에 Ag 전구체 (Ag(ND))를 Ti와 Ag의 몰비 1:1로 맞추어 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이 때 점도는 약 140 poise이었다. According to Manufacturing Example 1, 3 g of PTMS particles were dissolved in anhydrous DMF, and then Ti(acac) 2 (OiPr) 2 as a Ti precursor was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a mixed solution. A solution was prepared by adding Ag precursor (Ag(ND)) to the solution containing Ti at a molar ratio of Ti to Ag of 1:1. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm at 100 °C for 1 hour to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was about 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체와 Ag 전구체의 몰비를 2:1, 1.5:1 및 0.5:1의 몰비로 첨가하여 각각 다른 비율의 금속 전구체를 함유하는 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하고 표 9에 나타내었다.In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, the molar ratios of Ti precursor and Ag precursor were added to the solution at molar ratios of 2:1, 1.5:1, and 0.5:1, thereby manufacturing inorganic composite fiber precursor solutions containing different ratios of metal precursors, which are shown in Table 9.
실험예 29 (PTMS 입자, Ag 전구체, Cu 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental Example 29 (Preparation of Precursor Solution for Electrospinning Using PTMS Particles, Ag Precursor, and Cu Precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ag 전구체로 Ag(ND)를 첨가하여 용액을 제조하였다. Ag를 함유한 용해액에 Cu 전구체 (Cu(ND)2)를 첨가하였고, PTMS:Ag:Cu의 몰비가 3:0.5:0.5가 되도록 하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하고 표 10에 나타냈다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. According to Manufacturing Example 1, 3 g of PTMS particles were dissolved in anhydrous DMF, and Ag(ND) was added as an Ag precursor to the solution to prepare a solution. A Cu precursor (Cu(ND) 2 ) was added to the solution containing Ag, and the molar ratio of PTMS:Ag:Cu was 3:0.5:0.5. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100 °C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity, which is shown in Table 10. At this time, the viscosity was about 140 poise.
실험예 30 내지 실험예 47 (PTMS 입자 및 다양한 금속 전구체를 이용한 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 30 to 47 (Preparation of precursor solutions for electrospinning using PTMS particles and various metal precursors)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3 g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체 (Ti(acac)2(OiPr)2)를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하여 적절한 점도를 갖는 전기방사 용액으로 제조하였다. 이때 점도는 약 140 poise이었다. 3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and then a Ti precursor (Ti(acac) 2 (OiPr) 2 ) was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. In order to control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100 °C to prepare an electrospinning solution having an appropriate viscosity. At this time, the viscosity was approximately 140 poise.
또한, 제조한 PTMS 입자를 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체 대신, 표 11에 기재된 금속 전구체를 동일한 방법 및 몰비로 첨가하고 각각 다른 종류의 금속 전구체를 함유하는 무기 복합 섬유 전구체 용액들을 제조하였다.In addition, after dissolving the manufactured PTMS particles in anhydrous DMF, instead of the Ti precursor, the metal precursors listed in Table 11 were added to the solution using the same method and molar ratio, and inorganic composite fiber precursor solutions containing different types of metal precursors were manufactured.
실험예 48 내지 실험예 51 (PTMS 입자 및 Ti 전구체를 이용한 점도에 따른 전기방사용 전구체 용액 제조)Experimental examples 48 to 51 (Preparation of precursor solution for electrospinning according to viscosity using PTMS particles and Ti precursor)
제조예 1에 따라 제조된 PTMS 입자 3 g을 무수 DMF에 용해시킨 후, 용해액에 Ti 전구체 (Ti(acac)2(OiPr)2)를 2:1의 몰비로 첨가하여 용액을 제조하였다. 점도를 조절하기 위해 100 ℃에서 1 시간 동안 240 rpm으로 교반하였다. 이때 점도는 표 12에 기재된 것과 같이 다양하도록 용매의 증발량을 제어하여 전기방사 용액 제조하였다.3 g of PTMS particles manufactured according to Manufacturing Example 1 were dissolved in anhydrous DMF, and then a Ti precursor (Ti(acac) 2 (OiPr) 2 ) was added to the solution at a molar ratio of 2:1 to prepare a solution. To control the viscosity, the solution was stirred at 240 rpm for 1 hour at 100 °C. At this time, the viscosity was varied by controlling the amount of solvent evaporation as described in Table 12 to prepare an electrospinning solution.
전기방사를 이용한 복합 무기 섬유 제조Manufacturing of composite inorganic fibers using electrospinning
본 실험에서 사용된 전기방사 장치는 나노섬유 제조용 전기방사 장비와 나노~마이크로 입자를 제조할 수 있는 전기분사 장비를 전문적으로 제작판매하는 벤처업체의 나노엔씨 (Nano NC)에서 판매하는 lab형 수평, 전기방사 장비 (NNC-ESP200)와 방사 장비의 구성품인 Syringe Pump, 고전압 전원 공급 장치 (NNC-HV60), 컬렉터 (78-1200, KDS-200, 206395), 노즐을 사용하였다. 전기방사 장치는 용액을 공급해주는 주사기 펌프 (syringe pump, KDS-200), 전압을 공급해주는 고전압 전원 공급 장치 (Power supply), 섬유가 수집되는 수집부 (Collector)로 구성되어 있다. 전술한 실험예에서 제조한 전구체 용액 중 하나를 10ml 주사기에 주입한 후, 주사기 펌프에 장착한다. 주사기 팁은 21G (0.49 mm)를 사용하였고, 펌프를 통해 용액이 방출되는 속도를 1 ml/hr까지 조절하여 용액을 공급하였다. 주사기 팁 부분에 전압을 8 kV 범위 내에서 조절하여 공급했고, 주사기와 팁의 거리 (TCD, Tip to Collector Distance)를 15 cm로 조절하였다. 수집부는 알루미늄 포일이 감싸져 있는 평평한 판을 이용하여 섬유를 포집하였다. 주사기 팁 끝에 맺힌 용액이 전압에 공급을 받아 젯을 형성하여 수집부에 섬유를 얻어진다. The electrospinning device used in this experiment was a lab-type horizontal electrospinning device (NNC-ESP200) and components of the spinning device, including a syringe pump, a high-voltage power supply (NNC-HV60), a collector (78-1200, KDS-200, 206395), and a nozzle, sold by Nano NC, a venture company specializing in manufacturing and selling electrospinning devices for producing nanofibers and electrospray devices capable of producing nano- to micro-particles. The electrospinning device consists of a syringe pump (KDS-200) that supplies the solution, a high-voltage power supply (Power supply) that supplies voltage, and a collector where the fibers are collected. One of the precursor solutions manufactured in the experimental example described above is injected into a 10 ml syringe and then mounted on the syringe pump. A 21G (0.49 mm) syringe tip was used, and the solution was supplied by adjusting the solution discharge speed through the pump to 1 ml/hr. The voltage to the syringe tip was adjusted within the range of 8 kV and supplied, and the distance between the syringe and the tip (TCD, Tip to Collector Distance) was adjusted to 15 cm. The collector used a flat plate wrapped with aluminum foil to capture fibers. The solution formed at the tip of the syringe tip forms a jet by receiving voltage, and fibers are obtained at the collector.
전기방사 된 무기 복합 섬유의 열처리를 통한 유-무기 hybrid 섬유 및 복합 무기 섬유의 제조Preparation of organic-inorganic hybrid fibers and composite inorganic fibers by heat treatment of electrospun inorganic composite fibers
전기방사를 이용하여 제조된 무기 섬유를 공기 분위기 속에서 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, 1000 ℃ 온도에서 열처리하였다. 열처리는 10 ℃/min의 승온 속도로 해당 온도까지 가열한 후 해당 온도에서 한 시간 동안 유지한 후 실온으로 냉각하였다. 열처리 후, 에탄올, 아세톤, DMF의 용매에 넣어서 열처리된 섬유의 용매 저항성에 관하여 확인하였다.Inorganic fibers manufactured using electrospinning were heat-treated at temperatures of 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, and 1000 ℃ in an air atmosphere. The heat treatment was performed by heating to the corresponding temperature at a heating rate of 10 ℃/min, maintaining the temperature for one hour, and then cooling to room temperature. After the heat treatment, the solvent resistance of the heat-treated fibers was confirmed by putting them in solvents such as ethanol, acetone, and DMF.
유-무기 hybrid 섬유 및 무기 복합 섬유의 표면 식각(용해) 공정Surface etching (dissolution) process of organic-inorganic hybrid fibers and inorganic composite fibers
열처리된 유-무기 hybrid 섬유 및 무기 복합 섬유의 비표면적과 세공 증가 및 섬유에 속에 분포되어 있는 금속을 외부로 노출하여 기능성을 증가시키고 표면적을 증가시키기 위해 섬유의 표면을 부분적으로 용해하였다. 이를 위하여 9 mL의 정제수에 0.1 ml HF (50% 수용액)을 가하여 0.5 M로 맞춘 용액에 열처리한 SiO2-TiO2 섬유 1 g을 용액에 담지 한 후 10 분 동안 유지하였다. 또한 산 용액에 담지하는 시간을 20 분, 30 분으로 변화하면서 표면 용해 정도를 조절하였다.In order to increase the specific surface area and pores of heat-treated organic-inorganic hybrid fibers and inorganic composite fibers and to expose the metal distributed inside the fibers to the outside to increase the functionality and increase the surface area, the surface of the fibers was partially dissolved. To this end, 1 g of heat-treated SiO 2 -TiO 2 fibers were immersed in a solution prepared by adding 0.1 ml HF (50% aqueous solution) to 9 mL of purified water to make a 0.5 M solution and maintained for 10 minutes. In addition, the degree of surface dissolution was controlled by changing the immersion time in the acid solution to 20 and 30 minutes.
Ag의 함유 여부에 따른 티타니아 복합섬유들의 광 촉매 특성을 확인하였다. 0.01 g의 섬유들을 30 ml (1 x 10-5 M) Rhodamine B 유기 염료 수용액에 넣고 빛이 들어오지 않도록 알루미늄 호일로 감싼 후 15분정도 교반하여 분산시켰다. UV광원 (300-420 nm 영역을 광원, 365 nm에서 최대강도 7.6 mW/cm2, Raynics co.)을 사용하였다. Rhodamine B의 농도 변화는 30, 60, 90, 120, 150, 180 min 단위의 시간 별로 바이알에서 꺼내 주사기로 약 3ml 용액을 추출하여 흡광도를 측정하였다. 식각 여부에 대한 광 촉매 실험의 경우, 섬유 속 TiO2를 기준으로 동일한 함량을 사용하였다The photocatalytic properties of titania composite fibers were investigated according to the presence or absence of Ag. 0.01 g of fibers were placed in 30 ml (1 x 10 -5 M) of Rhodamine B organic dye aqueous solution, wrapped with aluminum foil to block light, and stirred for about 15 minutes to disperse them. A UV light source (light source in the range of 300-420 nm, maximum intensity 7.6 mW/cm 2 at 365 nm, Raynics co.) was used. The concentration of Rhodamine B was measured by taking it out of the vial at time intervals of 30, 60, 90, 120, 150, and 180 min, extracting about 3 ml of the solution with a syringe, and measuring the absorbance. In the case of the photocatalytic experiment for etching, the same content was used based on the TiO 2 in the fiber.
4. 평가 및 결과4. Evaluation and Results
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 (a) PTMS-Ti(acac)2(OiPr)2, (b) PTMS-V(acac)3, (c) PTMS-Cu(ND)2, (d) PTMS-Ag(ND) 혼합 전구체 용액 및 (e) 전기방사한 greed body 형태의 복합나노섬유를 각각 나타낸 이미지이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 광학현미경 이미지이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 SEM 및 TEM 이미지이다. FIG. 5 is an image showing (a) PTMS-Ti(acac) 2 (OiPr) 2 , (b) PTMS-V(acac) 3 , (c) PTMS-Cu(ND) 2 , (d) PTMS-Ag(ND) mixed precursor solutions and (e) electrospun greedy body-shaped composite nanofibers according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is an optical microscope image of composite nanofibers according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is SEM and TEM images of composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
도 5에서, (a)는 실험예 9, (b)는 실험예 35, (c)는 실험예 45, (d)는 실험예 36의 각각의 전기방사용 전구체 용액의 사진을 나타내었다. 도 5의 (e)와, 도 6 및 도 7은 실험예 9의 전기방사용 전구체를 이용하여 전기방사를 수행하여 제조된 복합나노섬유의 사진이다. 전기방사를 수행시 공정변수를 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 방사하였다. In Fig. 5, (a) shows photographs of the precursor solutions for electrospinning of Experimental Example 9, (b) shows photographs of Experimental Example 35, (c) shows photographs of Experimental Example 45, and (d) shows photographs of Experimental Example 36. Fig. 5 (e) and Figs. 6 and 7 show photographs of composite nanofibers manufactured by performing electrospinning using the precursor for electrospinning of Experimental Example 9. When performing electrospinning, spinning was performed by fixing the process variables at an injection rate of 1 ml/hr, a voltage of 8 kV, and a TCD of 15 cm.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 제조된 전기방사용 전구체 용액 내에는 고체물질은 보이지 않고, PTMS 입자 및 금속 전구체가 모두 균일하게 용해되어 있음을 확인할 수 있었다. 제조된 전기방사용 전구체 용액으로 전기방사를 수행하였을 때 전기방사는 노즐이 막히는 등의 문제가 발생하지 않았고, 두께가 균일한 대략 500 nm로 섬유가 중간에 끊어지지 않고 제조되었고, 대량생산이 가능함을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 5 to 7, it was confirmed that no solid material was visible in the manufactured precursor solution for electrospinning, and that both PTMS particles and metal precursors were uniformly dissolved. When electrospinning was performed with the manufactured precursor solution for electrospinning, no problems such as nozzle clogging occurred, and fibers with a uniform thickness of approximately 500 nm were manufactured without breaking in the middle, confirming that mass production was possible.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 (a) PTMS 기반의 green fiber와 (b) PTMS 및 Cu(ND)2 복합나노섬유의 열중량 곡선이다. Figure 8 shows thermogravimetric curves of (a) PTMS-based green fiber and (b) PTMS and Cu(ND) 2 composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
도 8의 (a)는 실험예 1을 이용하여 제조된 복합나노섬유이고, (b)는 실험예 45에 따라서 제조된 복합나노섬유이다. 도 8을 참조하면, PTMS만을 이용한 복합나노섬유와는 다르게 구리를 더 포함한 복합나노섬유의 경우에는 단계별로 열중량 곡선이 나타남을 확인할 수 있었다.Fig. 8 (a) shows a composite nanofiber manufactured using Experimental Example 1, and (b) shows a composite nanofiber manufactured according to Experimental Example 45. Referring to Fig. 8, it was confirmed that, unlike the composite nanofiber using only PTMS, the thermogravimetric curve appeared step by step in the case of the composite nanofiber containing more copper.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유의 열처리 후 결정 구조 분석한 결과이다.Figure 9 shows the results of analyzing the crystal structure after heat treatment of composite nanofibers according to an embodiment of the present invention.
도 9는 전기방사용 전구체 용액을 이용하여 전기방사를 수행한 후 복합나노섬유를 제조하고, 제조된 복합나노섬유를 800 ℃에서 1 시간 동안 열처리한 후 결정 구조를 확인하였다. 도 9에서, (a)는 실험예 17, (b)는 실험예 25, (c)는 실험예 43, (d)는 실험예 44에 대한 결과이다. 도 9을 참조하면, 각각의 전기방사용 전구체 용액을 이용하여 제조된 복합나노섬유는 상기 전기방사용 전구체 용액 중에 포함된 금속이 열처리후에도 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 일부 금속 전구체의 경우, 금속 전구체에 포함되어 있던 금속은 열처리 후 금속산화물의 형태로 나타남을 확인할 수 있었다.Fig. 9 shows the results of fabricating composite nanofibers by electrospinning using an electrospinning precursor solution, heat-treating the fabricated composite nanofibers at 800°C for 1 hour, and confirming the crystal structure. In Fig. 9, (a) shows the results for Experimental Example 17, (b) shows the results for Experimental Example 25, (c) shows the results for Experimental Example 43, and (d) shows the results for Experimental Example 44. Referring to Fig. 9, it was confirmed that the composite nanofibers fabricated using each electrospinning precursor solution maintained the metal included in the electrospinning precursor solution even after the heat treatment. In addition, in the case of some metal precursors, it was confirmed that the metal included in the metal precursor appeared in the form of metal oxide after the heat treatment.
실험예 9 내지 실험예 12를 참조하면, PTMS 입자를 용해시킨 PTMS 용해액에 Ti 전구체로 Ti(acac)2(OiPr)2를 넣어 다양한 몰비 (4:1, 2:1, 1.5:1, 1:1)로 전기방사용 전구체 용액을 제조하였다. 전기방사를 수행시 공정변수를 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 방사하였다. 몰비가 4:1 미만의 경우 티타니아의 함량이 적어, 열처리 후 티타니아 결정성을 확인할 수 없었다. 반면 몰비가 1.5:1인 경우 전기방사는 가능하나 PTMS의 섬유가 부분적으로 녹아 섬유의 형상을 유지하기 어려웠다. 몰비가 1:1인 경우 전기방사가 불가함을 확인하였다. 즉, 실리카의 몰비와 동일한 몰비의 금속 전구체를 혼용할 경우 전기방사로 섬유를 얻을 수 없었다. Referring to Experimental Examples 9 to 12, Ti(acac) 2 (OiPr) 2 as a Ti precursor was added to the PTMS solution in which PTMS particles were dissolved to prepare precursor solutions for electrospinning at various molar ratios (4:1, 2:1, 1.5:1, 1:1). When electrospinning was performed, the process variables were fixed to an injection rate of 1 ml/hr, a voltage of 8 kV, and a TCD of 15 cm, and spinning was performed. When the molar ratio was less than 4:1, the titania content was low, and the titania crystallinity could not be confirmed after heat treatment. On the other hand, when the molar ratio was 1.5:1, electrospinning was possible, but the PTMS fibers were partially melted, making it difficult to maintain the shape of the fibers. It was confirmed that electrospinning was not possible when the molar ratio was 1:1. That is, when a metal precursor having the same molar ratio as that of silica was mixed, fibers could not be obtained by electrospinning.
실험예 9에 따른 2:1 몰비의 전기방사용 전구체 용액 샘플을 사용하여 얻은 전기방사 무기 복합 섬유를 진공오븐에서 80 ℃의 1 시간 건조와 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, 1000 ℃ 온도에 따라 승온 속도를 10 ℃/min로 조절하였고. 이후 1 시간동안 온도 유지하여 열처리하였다. 열처리 전, 후를 육안으로 비교하였다. 열처리를 수행하기 전 제조된 직후의 복합나노섬유와 80 ℃에서 건조시킨 후의 복합나노섬유는 Ti 전구체로 Ti(acac)2(OiPr)2 시약이 혼용되어 있어 연한 노란색을 나타냈다. 반면, 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃ 이상은 각각 진한 노란색, 상아색, 하얀색으로 나타나는 복합나노섬유를 확인할 수 있었다. Electrospun inorganic composite fibers obtained using a 2:1 molar ratio electrospinning precursor solution sample according to Experimental Example 9 were dried in a vacuum oven at 80 ℃ for 1 hour and then heated at temperatures of 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, and 1000 ℃ at a heating rate of 10 ℃/min. Then, the temperature was maintained for 1 hour and heat-treated. The before and after heat treatment were visually compared. The composite nanofibers immediately after fabrication before heat treatment and the composite nanofibers after drying at 80 ℃ exhibited a light yellow color due to the mixed use of Ti(acac) 2 (OiPr) 2 reagent as a Ti precursor. On the other hand, composite nanofibers exhibited colors of dark yellow, ivory, and white above 300 ℃, 500 ℃, and 800 ℃, respectively.
도 10은 (a) 300 ℃, (b) 500 ℃, (c) 800 ℃, (d) 1000 ℃의 온도 조건에 따른 SiO2-TiO2 복합나노섬유의 FT-IR 스펙트럼이다.Figure 10 shows FT-IR spectra of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers at temperature conditions of (a) 300 ℃, (b) 500 ℃, (c) 800 ℃, and (d) 1000 ℃.
도 10을 참조하면, 2:1 몰비를 갖는 실험예 9의 무기 복합 섬유에 대해서 FT-IR 분석법을 이용하여 열처리 온도 조건인 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, 1000 ℃에 따른 화학적 변화를 확인하였다. Referring to Fig. 10, the chemical changes in the inorganic composite fiber of Experimental Example 9 having a molar ratio of 2:1 were confirmed according to the heat treatment temperature conditions of 300 ℃, 500 ℃, 800 ℃, and 1000 ℃ using FT-IR analysis.
300 ℃의 온도 조건에서는 phenyl기에서 나타나는 C-H peak은 2915 cm-1, 2848 cm-1, C=C peak은 1432 cm-1, C-C peak은 739 cm-1, 682 cm-1이며, Si-O-Si의 peak는 1136 cm-1, 1030 cm-1, C=O의 peak은 1595 cm-1, 1644 cm-1, Ti-O-Si의 peak은 948 cm-1, iso-propoxide에 해당하는 C-H peak은 1429 cm-1에서 확인하였다. 500 ℃의 온도 조건에서는 phenyl기에 해당하는 peak들이 열분해 되어 사라졌다. 1000 ℃ 이상에서의 온도에서는 Ti-O-Ti의 Peak이 652cm-1에서 나타났고, Ti-O-Si peak은 Ti-O-Ti peak의 성장과는 반대로 감소하는 것을 확인하였다.At a temperature of 300 ℃, the CH peaks appearing in the phenyl group were 2915 cm -1 , 2848 cm -1 , the C = C peak was 1432 cm -1 , the C - C peak was 739 cm -1 , 682 cm -1 , the peaks of Si-O-Si were 1136 cm -1 , 1030 cm -1 , the peaks of C = O were 1595 cm -1 , 1644 cm -1 , the peak of Ti-O-Si was 948 cm -1 , and the CH peak corresponding to iso-propoxide was confirmed at 1429 cm -1 . At a temperature of 500 ℃, the peaks corresponding to the phenyl group were thermally decomposed and disappeared. At temperatures above 1000 ℃, the peak of Ti-O-Ti appeared at 652 cm -1 , and it was confirmed that the Ti-O-Si peak decreased in contrast to the growth of the Ti-O-Ti peak.
도 11은 (a) PTMS 섬유 및 (b) TiO2-PTMS 섬유의 TGA결과이다. 도 11에서, (a)는 실험예 1, (b)는 실험예 9를 전기방사용 전구체로 이용하였고, 전기방사하여 섬유형태로 제조하여 확인하였다. Figure 11 shows the TGA results of (a) PTMS fibers and (b) TiO 2 -PTMS fibers. In Figure 11, (a) Experimental Example 1 and (b) Experimental Example 9 were used as precursors for electrospinning, and the fibers were manufactured by electrospinning and confirmed.
열 처리 온도 별 무기 복합 나노 섬유의 색상 변화에 착안하여 TGA분석을 이용하여 분해물질에 해당하는 구간의 온도와 질량변화를 확인하였다. 2:1 몰비의 섬유 샘플을 전기방사를 수행하여 섬유형태로 제조하여 (열처리를 하지 않고) TGA를 수행하였으며, 상온에서 700 ℃온도까지 공기 하에서의 분당 10 ℃의 승온 속도 조건으로 진행하였다. 100 ℃ 부근에서 샘플에 존재하는 DMF 용매 및 수분의 기화로 인한 질량 감소가 나타났다. 245 ℃에서 Ti(acac)2(OiPr)2에 해당하는 acac 및 isopropoxide가 분해되기 시작하고, 500 ℃ 이후의 온도에서는 phenyl기가 열분해 되기 시작하여 질량이 감소했다. Based on the color change of inorganic composite nanofibers according to heat treatment temperature, TGA analysis was used to confirm the temperature and mass change in the section corresponding to the decomposition substance. TGA was performed on a 2:1 molar ratio fiber sample manufactured in the form of fibers by electrospinning (without heat treatment), and the temperature was increased from room temperature to 700 ℃ at a heating rate of 10 ℃ per minute in air. A mass decrease occurred around 100 ℃ due to the vaporization of DMF solvent and moisture present in the sample. At 245 ℃, acac and isopropoxide corresponding to Ti(acac) 2 (OiPr) 2 began to decompose, and at temperatures above 500 ℃, phenyl groups began to thermally decompose, resulting in a mass decrease.
추가적으로 티타니아 전구체 첨가 여부에 따른 실란기반의 섬유와의 차이를 확인하기 위해 PTMS섬유의 TGA 분석을 통하여 비교하였다. PTMS 섬유는 실리카와 유기기 함량비는 각각 약 46%, 54%이다. TGA결과에 따르면 PTMS 섬유의 잔여물은 49%로 나타났다. 열 처리 과정에서 분해되지 않은 유기기가 남아있을 수 있다고 판단된다. 티타니아가 들어있는 섬유는 열 처리 과정에 따른 잔여물이 36%으로 나타났지만 처음 용매 및 수분에 의한 질량 감소로 해당되는 10%를 계산하여 환산할 경우 약 46%로 확인하였다. PTMS 섬유는 600 ℃ 이후의 온도에서 phenyl기의 분해가 시작하면서 급격하게 질량이 감소했다. 따라서 티타니아 금속 전구체가 함유되어 있는 복합 섬유에서 유기기의 분해 온도는 PTMS 자체의 섬유보다 낮은 온도에서 일어나는 것을 확인하였다.Additionally, in order to confirm the difference with the silane-based fiber depending on the addition of the titania precursor, the PTMS fiber was compared through TGA analysis. The PTMS fiber has a silica and organic group content of approximately 46% and 54%, respectively. According to the TGA results, the residue of the PTMS fiber was 49%. It is judged that organic groups that were not decomposed during the heat treatment may remain. The fiber containing titania showed a residue of 36% due to the heat treatment process, but when converted by calculating the corresponding 10% due to the initial mass loss due to the solvent and moisture, it was confirmed to be approximately 46%. The PTMS fiber rapidly decreased in mass after 600 ℃ as the decomposition of the phenyl group began. Therefore, it was confirmed that the decomposition temperature of the organic group in the composite fiber containing the titania metal precursor occurred at a lower temperature than that of the PTMS fiber itself.
도 12는 2:1 몰비의 SiO2-TiO2 복합나노섬유의 열처리에 따른 용매 저항성을 확인한 결과이다. 도 12에서, (a) 80 ℃ 건조 후 EtOH 용매, (b) 80 ℃ 건조 후 Acetone 용매, (C) 80 ℃ 건조 후 DMF 용매, (d) 300 ℃ 열처리 후 DMF 용매에 대하여 확인하였다. Figure 12 shows the results of confirming the solvent resistance according to the heat treatment of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers with a molar ratio of 2:1. In Figure 12, (a) EtOH solvent after drying at 80°C, (b) Acetone solvent after drying at 80°C, (C) DMF solvent after drying at 80°C, and (d) DMF solvent after heat treatment at 300°C were confirmed.
성분 비와 열 처리에 따른 광 촉매 섬유의 물리적 안정성을 확인하기 위해 4:1 몰비 (실험예 10), 2:1 몰비 (실험예 9)의 섬유를 진공 오븐에서 80 ℃ 및 1 시간과 300 ℃ 및 1 시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리 후, 에탄올 (Ethanol), 아세톤 (Acetone)과 DMF의 용매에 첨가하여 이들에 대한 용해성을 광학 현미경을 통해 확인하였다. To verify the physical stability of the photocatalytic fibers according to the component ratio and heat treatment, fibers with a molar ratio of 4:1 (Experimental Example 10) and 2:1 (Experimental Example 9) were heat-treated in a vacuum oven at 80°C for 1 hour and 300°C for 1 hour. After the heat treatment, the fibers were added to solvents such as ethanol, acetone, and DMF, and their solubility in these was verified using an optical microscope.
80 ℃ 및 1 시간에서 열처리한 경우에는 4:1 몰비 미만의 조건에서는 Ti의 함량이 적어 건조만으로 섬유의 가교가 일어나지 않아 용매에 바로 용해되는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 반면 4:1 몰비 이상인 조건에서는 건조시킨 후 에탄올과 아세톤에서 녹지 않았고 섬유의 형상이 유지되었고, DMF에서 시간이 지난 후에 녹는 것을 확인하였다. When heat-treated at 80 ℃ for 1 hour, it was confirmed with the naked eye that the fibers dissolved immediately in the solvent because the Ti content was low under conditions of a molar ratio of less than 4:1 and cross-linking of the fibers did not occur by drying alone. On the other hand, under conditions of a molar ratio of 4:1 or more, the fibers did not dissolve in ethanol and acetone after drying, and the shape of the fibers was maintained, and they dissolved in DMF after a period of time.
300 ℃ 이상의 온도에서 열처리한 후에는 몰비와 무관하게 제조된 모든 섬유가 모든 용매에 용해되지 않는 것을 확인하였다. After heat treatment at temperatures above 300°C, it was confirmed that all fibers manufactured regardless of molar ratio were insoluble in all solvents.
도 13은 1000 ℃의 열처리 후 (a) SiO2-TiO2, (b) SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유의 XRD를 비교한 결과이다. 도 13에서, (a)는 실험예 9이고, (b)는 실험예 25이다.Figure 13 shows the results of comparing XRD of (a) SiO 2 -TiO 2 and (b) SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers after heat treatment at 1000°C. In Figure 13, (a) is Experimental Example 9, and (b) is Experimental Example 25.
Ag 전구체로 사용되는 Ag(ND)의 경우, 네오데칸산에 수산화 나트륨을 이용하여, 질산은을 치환시키는 반응을 통해 금속 화합물을 제조하였다. 카복실산의 지방산을 이용한 카복실산화은은 유기 용매에 용해되지 않지만, 네오데칸산은 가지 사슬 구조의 지방산으로, 가지 구조에 해당하는 탄소에 두개의 메틸그룹이 결합되어 있어 약한 결합을 하게 되어 유기 용매에 용해되는 현상을 확인할 수 있었다. 따라서 Ag(ND)를 무수 DMF에 용해시켜 티타니아 전구체를 PTMS 용액에 섞은 용해 액에 첨가하여 티타니아 (TiO2)와 Ag의 1:1 몰비로 전기방사용 전구체 용액을 제조하였다 (실험예 25). In the case of Ag(ND) used as an Ag precursor, a metal compound was prepared through a reaction of substituting silver nitrate using sodium hydroxide in neodecanoic acid. Carboxylated silver oxide using a carboxylic acid fatty acid does not dissolve in organic solvents, but neodecanoic acid is a fatty acid with a branched chain structure, and since two methyl groups are bonded to the carbon corresponding to the branch structure, a weak bond was formed, so it was confirmed that it was dissolved in an organic solvent. Therefore, Ag(ND) was dissolved in anhydrous DMF, and the titania precursor was added to the solution mixed with the PTMS solution to prepare a precursor solution for electrospinning with a molar ratio of titania (TiO 2 ) and Ag of 1:1 (Experimental Example 25).
전기방사를 수행하는 경우, 공정 변수를 주입 속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 방사하였다. 실험예 25 내지 실험예 28을 참조하면, 티타니아와 은의 혼합된 몰비가 1:1을 초과하는 혼합 비율 이상으로 티타니아와 은의 함량이 증가하면 주사기 노즐에 고전압을 주었을 때, 상기 복합나노섬유 속 금속 사이에서 가교가 일어나 주사기 팁에서 전기방사용 전구체 용액이 굳는 현상을 확인하였다.When performing electrospinning, the process variables were fixed as injection rate 1 ml/hr, voltage 8 kV, and TCD 15 cm, and spinning was performed. Referring to Experimental Examples 25 to 28, when the content of titania and silver increased beyond the mixing ratio of titania and silver exceeding 1:1, when a high voltage was applied to the syringe nozzle, cross-linking occurred between the metals in the composite nanofibers, and the phenomenon of the precursor solution for electrospinning solidifying at the syringe tip was confirmed.
열처리 온도에 따른 (800 ℃ 및 1000 ℃) 섬유 샘플의 결정상 변화를 확인하기 위해 티타니아/은 복합나노섬유의 샘플 (실험예 25)을 이용하여 X-선 회절 분석을 진행하였다. 티타니아/은 복합나노섬유는 온도가 올라감에 따라 800 ℃에서 입방 구조의 금속성 Ag의 결정 상이 나타나기 시작하고, 1000 ℃에서 티타니아 Anatase 결정 상과 Ag의 결정 상을 확인하였다. 일반적으로 티타니아의 입자는 200 ℃에서 비결정질에서 Anatatse 상으로 성장하고 700 ℃ 이상의 온도에서는 안정한 Rutile 상으로 상 전이가 일어난다. 반면, 섬유에서의 티타니아는 1000 ℃ 열 처리 조건에서 Anatase 결정 상을 확인하였다. 이에 대하여는 실리카로 인한 티타니아 입자의 이동 방해로 상전이를 억제하는 것으로 판단된다.In order to confirm the crystal phase change of the fiber sample according to the heat treatment temperature (800 ℃ and 1000 ℃), X-ray diffraction analysis was performed using a sample of titania/silver composite nanofibers (Experimental Example 25). As the temperature increased, the titania/silver composite nanofibers began to show a cubic metallic Ag crystal phase at 800 ℃, and the titania Anatase crystal phase and the Ag crystal phase were confirmed at 1000 ℃. Generally, titania particles grow from an amorphous to an Anatase phase at 200 ℃, and a phase transition occurs to a stable Rutile phase at a temperature of 700 ℃ or higher. On the other hand, the titania in the fibers showed an Anatase crystal phase under the heat treatment condition of 1000 ℃. This is thought to be due to the inhibition of the phase transition by the movement of the titania particles caused by silica.
추가적으로 티타니아 복합섬유인 실험예 9와 은을 첨가한 티타니아 복합 섬유인 실험예 25의 800 ℃, 1000 ℃에서의 열처리에 따른 결정성 차이를 비교 분석하였다. 1000 ℃로 열처리 과정에서 성장한 티타니아의 Anatase 입자의 크기를 Scherrer equation을 이용하여 두개의 섬유를 비교하였다. TiO2 복합 섬유와 TiO2/Ag 복합 섬유에서 티타니아 결정은 각각 약 7.78 nm, 9.45 nm이고 은은 11.35 nm크기의 결정이 형성됨을 확인하였다.Additionally, the difference in crystallinity according to heat treatment at 800 ℃ and 1000 ℃ of the titania composite fiber Experimental Example 9 and the silver-doped titania composite fiber Experimental Example 25 was compared. The size of the anatase particles of titania grown during the heat treatment at 1000 ℃ was compared between the two fibers using the Scherrer equation. It was confirmed that titania crystals in the TiO 2 composite fiber and TiO 2 /Ag composite fiber were approximately 7.78 nm and 9.45 nm in size, respectively, and silver crystals were formed with a size of 11.35 nm.
도 14는 1000 ℃의 열처리 후 SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유의 TEM을 이용한 분석결과이다. 도 15는 SEM-EDX를 통한 (a) Si, (b) Ti, (c) Ag에 대한 복합나노섬유 표면의 특정 원자 분포 분석 결과이다. Figure 14 shows the results of analysis using TEM of SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers after heat treatment at 1000 ℃. Figure 15 shows the results of analysis of specific atomic distributions of (a) Si, (b) Ti, and (c) Ag on the surface of composite nanofibers using SEM-EDX.
실험예 25를 이용한 Ag을 첨가한 TiO2 복합나노섬유의 1000 ℃ 열처리에 따른 섬유의 형상 확인하기 위해서 TEM을 분석을 수행하였다. 도 14를 참조하면, TEM으로 확인된 무기 복합 섬유는 1000 ℃에서 열처리 후에도 약 533 nm의 직경을 갖는 표면이 매끈한 섬유로 나타남을 확인할 수 있었다. 섬유 속 내부 형상은 금속 전구체가 구형에 가까운 입자의 형태로 결정의 크기가 평균적으로 18.77 nm (대략 ±0.19 nm)를 갖으며 섬유 내에 분포되어 있다. In order to confirm the shape of the fiber according to the heat treatment at 1000 ℃ of the TiO 2 composite nanofibers with added Ag using Experimental Example 25, TEM analysis was performed. Referring to Fig. 14, it was confirmed that the inorganic composite fibers confirmed by TEM appeared as smooth fibers with a diameter of about 533 nm even after the heat treatment at 1000 ℃. The internal shape of the fiber is that the metal precursor is distributed within the fiber in the form of particles close to spherical in shape, with an average crystal size of 18.77 nm (approximately ±0.19 nm).
TEM을 통해서 금속의 종류에 따른 분포를 확인하기 어려워 표면에 존재하는 Si, Ti, Ag 각각의 분포를 확인하기 위해 SEM-EDX를 이용하여 1000 ℃에서 열 처리한 섬유 표면을 mapping 하였다. 도 15에는, Si, Ti, Ag 각각에 해당하는 원자 성분 분포의 결과를 나타냈다. 섬유 표면에 Si, Ti, Ag의 원자의 분포는 섬유의 형태를 나타내며 전반적으로 고르게 분포되어 있는 것을 확인하였다. 반면, 특정 원소 Si에 해당하는 성분이 조금 우세하게 분포되어 있는 걸로 보이며 Ti와 Ag의 금속 분포는 1:1의 몰비에 해당하는 하는 것과 같이 비슷한 밀도로 고르게 분포되어 있는 걸로 보인다. Since it is difficult to confirm the distribution by type of metal through TEM, the surface of the fiber heat-treated at 1000 ℃ was mapped using SEM-EDX to confirm the distribution of each of Si, Ti, and Ag present on the surface. Figure 15 shows the results of the distribution of atomic components corresponding to Si, Ti, and Ag, respectively. The distribution of Si, Ti, and Ag atoms on the surface of the fiber shows the shape of the fiber and was confirmed to be evenly distributed overall. On the other hand, the component corresponding to a specific element Si seems to be slightly preferentially distributed, and the metal distributions of Ti and Ag seem to be evenly distributed with a similar density as if they correspond to a molar ratio of 1:1.
도 16은 1000 ℃에서 열처리한 복합나노섬유의 (a) 식각 전, (b) 식각 후 식각 TEM 이미지이다. Figure 16 shows etching TEM images of composite nanofibers heat-treated at 1000°C (a) before etching and (b) after etching.
광분해 효율을 높이기 위하여 1000 ℃에서 열처리한 TiO2/Ag 무기 복합 나노 섬유 (실험예 25)의 표면을 산으로 식각하는 실험을 진행하였다. 식각의 여부와 식각 전과 후의 섬유 형상을 비교하기 위해 TEM으로 확인하였다. 식각 후 육안으로 보이는 색상 및 무게 변화는 나타나지 않았고, 식각 전과 후의 직경 차이를 확인하였다. 식각 전은 583 nm 직경의 섬유를 0.05 % 불산으로 10분 식각하여 433 nm을 갖게 되었다. 약 150 nm 정도 식각됨을 확인하였다. 이를 통하여 30분 정도 식각하여 섬유 직경의 반정도를 식각하여 표면을 거칠게 만든 후 광분해 실험을 진행하였다.In order to increase the photodegradation efficiency, an experiment was conducted to etch the surface of TiO 2 /Ag inorganic composite nanofibers (Experimental Example 25) heat-treated at 1000 ℃ with acid. TEM was used to compare the etching presence and the fiber shapes before and after etching. No changes in color and weight were observed with the naked eye after etching, and the difference in diameter before and after etching was confirmed. Before etching, the fiber had a diameter of 583 nm, and after etching with 0.05% hydrofluoric acid for 10 minutes, it became 433 nm. It was confirmed that approximately 150 nm was etched. Through this, the surface was roughened by etching about half of the fiber diameter for approximately 30 minutes, and then a photodegradation experiment was conducted.
도 17은 (a) SiO2-TiO2 복합나노섬유, (b) SiO2-TiO2/Ag 복합나노섬유, (c) SiO2-TiO2 Etching 복합나노섬유, (d) SiO2-TiO2/Ag Etching 복합나노섬유의 각각에 대한 UV 스펙트럼 Rhodamine B 광촉매 분해 결과이다. 도 18은 Rhodamine B에 대한 광 촉매 분해율 비교한 결과이다.Figure 17 shows the UV spectrum of Rhodamine B photocatalytic degradation results for (a) SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers, (b) SiO 2 -TiO 2 /Ag composite nanofibers, (c) SiO 2 -TiO 2 Etching composite nanofibers, and (d) SiO 2 -TiO 2 /Ag Etching composite nanofibers, respectively. Figure 18 shows the results of comparing the photocatalytic degradation rates for Rhodamine B.
도 17에서, (a)는 금속전구체로 Ti 전구체만 이용한 후 열처리한 경우이고, (b)는 Ti 전구체와 Ag 전구체를 이용하고 열처리한 경우, (c)는 (a)의 복합나노섬유를 불산으로 식각처리한 경우이고, (d)는 (b)의 복합나노섬유를 불산으로 식각처리한 경우이다.In Fig. 17, (a) is the case where only a Ti precursor is used as a metal precursor and then heat-treated, (b) is the case where a Ti precursor and an Ag precursor are used and then heat-treated, (c) is the case where the composite nanofibers of (a) are etched with hydrofluoric acid, and (d) is the case where the composite nanofibers of (b) are etched with hydrofluoric acid.
1000 ℃ 열처리한 SiO2-TiO2 섬유 (실험예 9)와 SiO2-TiO2/Ag (실험예 25)와 식각을 통하여 제조한 섬유들에 대한 광 촉매 특성을 Rhodamine B에 대한 광 분해 실험을 통하여 조사하였다. UV-Vis spectroscopy (S-4100, Scinco)을 이용하여 Rhodamine B의 최대 흡수 파장인 554 nm에서의 흡광도의 변화를 측정하였다. 30 분 간격으로 180 분 간 Rhodamine B의 분해를 진행하였다. UV 측정 결과에 따른 흡수 스펙트럼 변화를 확인하였다. The photocatalytic properties of SiO 2 -TiO 2 fibers heat-treated at 1000 ℃ (Experimental Example 9) and SiO 2 -TiO 2 /Ag (Experimental Example 25) and fibers manufactured through etching were investigated through a photodecomposition experiment for Rhodamine B. The change in absorbance at 554 nm, which is the maximum absorption wavelength of Rhodamine B, was measured using UV-Vis spectroscopy (S-4100, Scinco). Rhodamine B decomposition was performed for 180 minutes at 30-minute intervals. The change in absorption spectrum according to the UV measurement results was confirmed.
UV를 조사하기 전에는 염료 흡착으로 인한 농도 변화가 나타나지 않았다. 180 분 동안 광분해를 진행하였을 때, SiO2-TiO2, SiO2-TiO2/Ag, SiO2-TiO2 Etching, SiO2-TiO2/Ag Etching 복합나노섬유의 샘플은 각각 51%, 72%, 75%, 91%의 분해율로 점점 증가함을 확인하였다. 흡광도 데이터를 이용하여 염료가 시간에 따라 분해되는 정도를 현재 농도를 초기 농도로 나누어 계산하여 분해율을 도 18에 나타냈다. Before UV irradiation, no concentration change due to dye adsorption was observed. When photodegradation was performed for 180 minutes, the samples of SiO 2 -TiO 2 , SiO 2 -TiO 2 /Ag, SiO 2 -TiO 2 Etching, and SiO 2 -TiO 2 /Ag Etching composite nanofibers were confirmed to have gradually increased decomposition rates of 51%, 72%, 75%, and 91%, respectively. Using the absorbance data, the degree of dye decomposition over time was calculated by dividing the current concentration by the initial concentration, and the decomposition rate is shown in Fig. 18.
종래 연구에 의하면 TiO2@mercaptopropyl-functionalized silica(TiO2@MPS) Particles를 이용한 Rhodamine B에 대한 광분해 실험은 10 분만에 50%의 광분해 효율을 나타냈다 (G. M. Bang, Y. J. Kim, S.H. Kim, Preparation of Mesoporous Titanium Oxides by Template Synthesis and Phase Transition of TiO2 inside Mesoporous Silica, Korean Chem. Eng. Res., 2018, 56, 261-268). 반면, 본 실시예에 따른 SiO2-TiO2, SiO2-TiO2/Ag, SiO2-TiO2 Etching, SiO2-TiO2/Ag Etching 복합나노섬유의 광분해는 전체가 모두 180 분 지난 후 50 % 이상의 분해 효율을 확인할 수 있었다. Previous studies have shown that photodegradation of Rhodamine B using TiO 2 @mercaptopropyl-functionalized silica(TiO 2 @MPS) particles exhibited 50% photodegradation efficiency in just 10 minutes (GM Bang, YJ Kim, SH Kim, Preparation of Mesoporous Titanium Oxides by Template Synthesis and Phase Transition of TiO2 inside Mesoporous Silica, Korean Chem. Eng. Res ., 2018, 56, 261-268). On the other hand, the photodegradation of SiO 2 -TiO 2 , SiO 2 -TiO 2 /Ag, SiO 2 -TiO 2 Etching, and SiO 2 -TiO 2 /Ag Etching composite nanofibers according to the present example all showed a decomposition efficiency of more than 50% after 180 minutes.
또한, 종래 연구인 TiO2@mercaptopropyl-functionalized silica(TiO2@MPS) Particles에서는 실리카와 티타니아의 몰비가 1:1의 비율로 혼용되는 반면 본 실시예에서는 SiO2-TiO2의 섬유는 2:1 몰비로서 광촉매 소재인 티타니아의 함량이 적게 포함되어 있고, 티타니아와 염료와의 반응점이 섬유의 표면에 존재하는 경우보다 입자의 형태일 때 더 많은 반응점을 갖기에 높은 분해 효율을 나타내는 것으로 판단된다. 또한, 본 실시예에 따른 복합나노섬유는 표면 식각에 의하여 섬유 속에 존재하는 티타니아에 염료가 투과할 수 있는 한계를 극복할 수 있었고, 수용액상에서 염료와의 노출되는 영역을 증가시킬 수 있었다. In addition, in the previous study of TiO 2 @mercaptopropyl-functionalized silica(TiO 2 @MPS) Particles, the molar ratio of silica and titania was mixed at a 1:1 ratio, whereas in the present example, the SiO 2 -TiO 2 fibers have a molar ratio of 2:1 and contain a small content of titania, which is a photocatalytic material, and it is judged that they exhibit high decomposition efficiency because they have more reaction sites between titania and dye when they are in the form of particles than when they are present on the surface of the fiber. In addition, the composite nanofibers according to the present example were able to overcome the limitation of dye penetration into titania present in the fiber due to surface etching, and to increase the exposed area with dye in an aqueous solution.
SiO2-TiO2 복합나노섬유의 광분해 효율은 식각 전/후 큰 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 종래 연구에서는 실리카와 티타니아의 2:1의 비율의 Core-Shell 형태로 섬유를 제조하여 섬유의 표면적을 높여 티타니아로부터 염료와의 반응점을 높였고, 180분의 반응시간 동안 약 90%의 분해율을 나타냈다 (H. H. Yun, J. S. Kim, E. H. Kim, Enhanced photocatalytic activity of TiO2@mercapto@functionalized silica toward colored organic dyes, J Mater Sci, 2015, 50, 2577-2586). 반면, 본 실시예에서는 같은 조건에서 분해 반응을 진행하였을 때, SiO2-TiO2 복합나노섬유를 산을 이용한 표면 식각 작업 후 120 분에 약 80% 분해율을 확인할 수 있었다. It was confirmed that the photodegradation efficiency of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers showed a large difference before and after etching. In the previous study, the fibers were manufactured in the form of a core-shell with a ratio of silica and titania of 2:1 to increase the surface area of the fibers and increase the reaction site from titania to dye, and a decomposition rate of about 90% was observed during a reaction time of 180 minutes (HH Yun, JS Kim, EH Kim, Enhanced photocatalytic activity of TiO2@mercapto@functionalized silica toward colored organic dyes, J Mater Sci, 2015, 50, 2577-2586). On the other hand, in the present example, when the decomposition reaction was performed under the same conditions, a decomposition rate of about 80% was observed 120 minutes after surface etching of SiO 2 -TiO 2 composite nanofibers using acid.
통상 광촉매 소재인 TiO2의 섬유에 광촉매 성능 강화를 위해 Pt, Au와 같은 귀금속을 혼입하지만 합성 과정이 복잡하여 TiO2 결정 구조의 변형이 나타나고, 고비용이라는 단점이 있다.Typically, precious metals such as Pt and Au are mixed into the fibers of TiO 2 , a photocatalytic material, to enhance the photocatalytic performance. However, the synthesis process is complex, which causes deformation of the TiO 2 crystal structure and has the disadvantage of high cost.
반면, 본 실시예에 따른 복합나노섬유는 TiO2의 섬유에 Ag를 도입한 복합나노섬유을 효율적으로 제조할 수 있었다. 또한, Ag를 도입하였을 경우, 180 분 동안 약 60% 정도의 분해율을 나타냈다. 티타니아만 존재하는 것보다 Ag를 도입할 경우 효율이 향상되는 경향을 확인하였다. 추가적으로 식각 과정에서 진행 시, 120 분 만에 Rhodamine B의 염료가 모두 분해된 것을 확인하였다. 광분해 반응이 티타니아 또는 은과의 노출 표면적으로 인해 광 분해 효율이 크게 향상되었다. Ag 나노 입자가 TiO2 내에 여기된 전자와 정공간의 결합 반응을 억제하며, Ag 나노 입자 자체 또한 광촉매 효율을 증가시키는 것으로 판단된다.On the other hand, the composite nanofibers according to the present example were able to efficiently manufacture composite nanofibers by introducing Ag into the fibers of TiO 2 . In addition, when Ag was introduced, a decomposition rate of about 60% was shown for 180 minutes. It was confirmed that the efficiency tended to improve when Ag was introduced compared to when only titania was present. Additionally, when the etching process was performed, it was confirmed that all of the Rhodamine B dye was decomposed in just 120 minutes. The photodecomposition reaction was greatly improved in photodecomposition efficiency due to the exposed surface area of titania or silver. It is judged that Ag nanoparticles suppress the binding reaction of excited electrons and positive spaces in TiO 2 , and that the Ag nanoparticles themselves also increase the photocatalytic efficiency.
실험예 1 내지 실험예 8에서는 PTMS 입자와, PTMS/VTMS 입자를 다양한 고형분 함량이 되도록 무수 DMF에 용해시키고, 전기방사 장치를 이용하여 전기방사 공정이 수행되는 지를 확인하였다. 실험예 1 내지 실험예 8은 모두 동일한 점도인 140 poise가 되도록 용매를 증발시킨 후 전기방사 공정을 수행했다. 전기방사를 수행시 공정변수를 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 방사하였다. 전기방사 공정을 수행한 결과, 노즐의 막힘이 발생하지 않고 섬유형태로 잘 방사됨을 확인할 수 있었다. 즉, PTMS 또는 PTMS/VTMS의 고형분의 함량은 68 wt% 내지 74 wt%는 모두 적정하게 전기방사에 사용될 수 있으며, 복합나노섬유의 물성 또는 금속 전구체의 특성에 따라 고형분의 함량을 제어하여 전기방사용 전구체 용액으로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.In Experimental Examples 1 to 8, PTMS particles and PTMS/VTMS particles were dissolved in anhydrous DMF to have various solid contents, and it was confirmed whether the electrospinning process was performed using an electrospinning device. In Experimental Examples 1 to 8, the solvent was evaporated to the same viscosity of 140 poise, and then the electrospinning process was performed. When performing electrospinning, the process variables were fixed to an injection speed of 1 ml/hr, a voltage of 8 kV, and a TCD of 15 cm, and spinning was performed. As a result of performing the electrospinning process, it was confirmed that the nozzle was not clogged and that the particles were well spun into a fiber shape. That is, it was confirmed that a solid content of 68 wt% to 74 wt% of PTMS or PTMS/VTMS can all be appropriately used for electrospinning, and that the solid content can be controlled depending on the properties of the composite nanofiber or the characteristics of the metal precursor and used as a precursor solution for electrospinning.
실험예 13 내지 실험예 16에서는 Er 전구체를 이용하여 다양한 금속의 몰비로 전기방사용 전구체 용액을 제조하고, 전기방사를 수행하였다. 전기방사를 수행시 공정변수를 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 방사하였다. PTMS 입자를 용해시킨 PTMS 용해액에서 PTMS 입자의 농도는 동일하게 하였으며, 첨가되는 Er 전구체인 Er(acac)3의 몰비는 4:1, 2:1, 1.5:1, 1:1로 다양하게 변형시켰다. 몰비가 4:1인 경우 제조된 복합나노섬유 중 포함된 Er의 함량이 너무 낮게 나타났으며, 몰비가 1:1인 경우에는 전기방사가 불가능 하였다.In Experimental Examples 13 to 16, precursor solutions for electrospinning were prepared using Er precursors at various molar ratios of metals, and electrospinning was performed. When performing electrospinning, the process variables were fixed to an injection rate of 1 ml/hr, a voltage of 8 kV, and a TCD of 15 cm. The concentration of PTMS particles in the PTMS solution in which the PTMS particles were dissolved was kept the same, and the molar ratio of Er(acac) 3 , which is an Er precursor added, was variously changed to 4:1, 2:1, 1.5:1, and 1:1. When the molar ratio was 4:1, the content of Er included in the prepared composite nanofibers was too low, and when the molar ratio was 1:1, electrospinning was impossible.
실험예 17 내지 실험예 20에서는 Ag 전구체를 이용하여 다양한 몰비로 전기방사용 전구체 용액을 제조하였다. 전기방사는 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 수행하였다. 첨가되는 Ag 전구체인 Ag(ND)의 함량이 증가할수록 전기방사시 섬유를 제조하기 어려웠으나, 4:1, 2:1, 1.5:1의 범위에서는 전기방사가 잘 수행되었다.In Experimental Examples 17 to 20, precursor solutions for electrospinning were prepared at various molar ratios using Ag precursors. Electrospinning was performed at a fixed injection rate of 1 ml/hr, voltage of 8 kV, and TCD of 15 cm. As the content of Ag(ND), which is the added Ag precursor, increased, it became difficult to prepare fibers during electrospinning, but electrospinning was performed well in the ranges of 4:1, 2:1, and 1.5:1.
실험예 21 내지 실험예 24에서는 Pr-EAA 전구체를 이용하여 다양한 몰비로 전기방사용 전구체 용액을 제조하였다. 전기방사는 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 수행하였다. 전술한 다른 금속 전구체와 유사하게, 다른 몰비에서는 전기방사가 가능하였으나, 몰비가 1:1인 경우에는 전기방사가 불가능함을 확인할 수 있었다. 즉, 다른 실시예와 같이 네오데칸산은화염 (AgND) 등의 형태가 아는 본 실시예와 같이 Pr(EAA)3의 금속에 결합된 리간드가 상이한 경우에도 유사한 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.In Experimental Examples 21 to 24, precursor solutions for electrospinning were prepared at various molar ratios using Pr-EAA precursors. Electrospinning was performed at a fixed injection rate of 1 ml/hr, voltage of 8 kV, and TCD of 15 cm. Similar to the other metal precursors described above, it was confirmed that electrospinning was possible at other molar ratios, but electrospinning was not possible when the molar ratio was 1:1. That is, it was confirmed that similar effects were exhibited even when the ligand bound to the metal of Pr(EAA) 3 in the form of silver neodecanoate (AgND) or the like was different as in the present example, as in other examples.
실험예 30 내지 실험예 47에서는, 제조예 3 내지 제조예 30에 따라 제조된 다양한 금속 전구체를 이용하여 동일한 조건으로 전기방사용 전구체 용액을 제조하고, 동일한 조건으로 전기방사를 수행하였다. 전기방사는 주입속도 1 ml/hr, 전압 8 kv, TCD 15 cm로 고정하여 수행하였다. 실험예 30 내지 실험예 47에 따라 제조된 복합나노섬유는 유사한 두께 (대략 500 nm 내지 550 nm 범위)로, 전기방사가 모두 잘 수행되었다. 또한, 대량으로 제조한 경우에도, 상기 복합나노섬유의 전체적으로 균일한 물성으로 균일한 두께로 제조됨을 확인할 수 있었다.In Experimental Examples 30 to 47, precursor solutions for electrospinning were prepared under the same conditions using various metal precursors prepared according to Preparation Examples 3 to 30, and electrospinning was performed under the same conditions. Electrospinning was performed at a fixed injection rate of 1 ml/hr, voltage of 8 kV, and TCD of 15 cm. The composite nanofibers prepared according to Experimental Examples 30 to 47 had similar thicknesses (in the range of approximately 500 nm to 550 nm), and electrospinning was performed well for all of them. In addition, it was confirmed that the composite nanofibers were prepared with uniform thickness and overall uniform physical properties, even when they were prepared in large quantities.
실험예 48 내지 실험예 51에서는 Ti 전구체를 이용하여 전기방사용 전구체 용액을 제조하였다. 이때, 전기방사용 전구체 용액을 가열하는 온도 및 시간을 변경하여, 제조된 전기방사용 전구체 용액의 점도가 다르도록 제어하였다. 실험예 48의 점도가 100 poise인 경우, 전기방사를 수행하기 어려웠고 실험예 51의 점도가 200 poise인 경우, 전기방사는 수행되었으나 제조된 복합나노섬유의 두께가 균일하지 않았다. In Experimental Examples 48 to 51, precursor solutions for electrospinning were prepared using a Ti precursor. At this time, the temperature and time for heating the precursor solution for electrospinning were changed to control the viscosity of the prepared precursor solution for electrospinning to be different. When the viscosity of Experimental Example 48 was 100 poise, electrospinning was difficult, and when the viscosity of Experimental Example 51 was 200 poise, electrospinning was performed, but the thickness of the prepared composite nanofibers was not uniform.
본 발명의 실시예에 따른 복합나노섬유에서, 실록산의 망상 구조에 일부분이 유기기로 결합해 있는 유-무기 하이브리드 복합체 소재로서 구형 PTMS 입자를 제조하였고, 제조한 입자를 이용하여 전기방사 공정에서 유기 고분자를 사용하지 않고도 전기방사 가능한 용액을 제조하였다. 전기방사를 통해 유기 실란인 PTMS를 기반으로 기능성 섬유를 제조하였다. 섬유 제조시 용액의 농도, 전기방사의 전압, 방출속도의 공정변수를 제어하여 균일한 두께의 수백 nm인 복합나노섬유를 제조하였다. In a composite nanofiber according to an embodiment of the present invention, spherical PTMS particles were prepared as an organic-inorganic hybrid composite material in which a portion of the network structure of siloxane is bonded to an organic group, and an electrospinning solution was prepared using the prepared particles without using an organic polymer in the electrospinning process. Functional fibers were prepared based on PTMS, which is an organic silane, through electrospinning. Composite nanofibers with a uniform thickness of several hundred nm were prepared by controlling the process variables of solution concentration, electrospinning voltage, and release rate during fiber preparation.
phenyl를 기반으로 한 기능성 섬유에 다양한 활용을 위해 무기 소재를 첨가하였다. Ti 전구체를 포함한 다양한 금속 전구체를 유기 실세스퀴옥산이 녹아있는 용액에 혼합하여 방사가 가능한 용액의 비율까지 제조하여 방사하였다. 섬유의 열처리 온도에 따른 변화를 파악하기 위해 열처리 후 화학적 구조, 용매에 따른 물리적 형상 변화 등을 분석하였다. 열처리 과정에서 금속 전구체를 혼합시, phneyl기를 기반으로한 PTMS 섬유에서 보다 더 낮은 온도에서 phenyl기가 열 분해되어 SiO2-TiO2의 섬유로 전환되고, 1000 ℃ 열처리 과정을 통해 anatase 결정 상의 티타니아가 섬유에 고르게 분포되어 있는 것을 확인하였다. 또한 Ti 전구체를 도입한 후 Ag 전구체를 더 도입한 경우에도, 섬유의 화학적 구조와 물리적 형상의 변화는 크게 달라진 바 없음을 열처리 온도에 따른 금속의 결정성 분석을 통하여 확인할 수 있었다. 800 ℃의 열처리 과정을 통해 입방 구조의 은 결정상이 나타나고, 1000 ℃에서 anatase 결정상의 티타니아와 함께 나타나 은과 티타니아가 고르게 분포되어 있는 복합나노섬유를 제조하였다. Inorganic materials were added to functional fibers based on phenyl for various applications. Various metal precursors, including Ti precursors, were mixed with a solution containing organic silsesquioxane and spun to prepare a ratio of a spinnable solution. In order to understand the changes in the fibers according to the heat treatment temperature, the chemical structure after heat treatment, and the physical shape changes according to the solvent were analyzed. When the metal precursors were mixed during the heat treatment, the phenyl group was thermally decomposed at a lower temperature than in the phneyl group-based PTMS fibers and converted to SiO 2 -TiO 2 fibers, and it was confirmed that titania in the anatase crystal phase was evenly distributed in the fibers through the 1000 ℃ heat treatment process. In addition, even when an Ag precursor was further introduced after the introduction of the Ti precursor, it was confirmed through the analysis of the crystallinity of the metal according to the heat treatment temperature that the chemical structure and physical shape of the fibers did not change significantly. Through a heat treatment process at 800°C, a cubic silver crystal phase appeared, and at 1000°C, an anatase crystal phase of titania appeared together, producing a composite nanofiber in which silver and titania were evenly distributed.
대표적인 광 촉매 소재인 티타니아는 주로 나노입자의 형태로 사용되고 있는데, 수용액 상의 나노입자로 인한 분산성 및 빛에 의해 여기된 전자와 생성된 정공이 빠르게 재결합하여 광촉매 효율을 저해하는 문제점을 극복하려고 하였다. 일반적으로 TiO2의 광촉매 효율을 저해하는 문제를 해결하는 방법 중 하나인 값비싼 Pt, Au와 같은 귀금속을 혼입하지만 합성 과정 복잡하여 TiO2 결정 구조의 변형과 고비용이라는 단점을 해결하여 Ag를 도입하여 SiO2-TiO2/Ag 복합 섬유를 제조하였다. 광 분해 효율을 높이기 위해 SiO2-TiO2/Ag 복합 섬유에 식각 작업을 진행하였다. 식각 전/후 섬유에서 모두 광 분해 효율을 확인하였다. Titania, a representative photocatalytic material, is mainly used in the form of nanoparticles. However, this study attempted to overcome the problems of dispersibility due to nanoparticles in aqueous solution and rapid recombination of electrons and holes excited by light, which lowers the photocatalytic efficiency. One of the methods to generally solve the problem of lowering the photocatalytic efficiency of TiO 2 is to mix in expensive noble metals such as Pt and Au, but the synthesis process is complicated, which causes deformation of the TiO 2 crystal structure and has the disadvantage of high cost. To solve this problem, Ag was introduced to manufacture SiO 2 -TiO 2 /Ag composite fibers. Etching was performed on the SiO 2 -TiO 2 /Ag composite fibers to increase the photodegradation efficiency. The photodegradation efficiency was confirmed in the fibers both before and after etching.
전기방사 공정을 통하여 순수한 유기 실란 기반의 다양한 금속 전구체를 함유한 유/무기 복합 나노 섬유의 제조로 열 및 물리적 안정성이 우수한 기능성 나노 섬유 제조 가능성을 확인하였다. 제조된 다양한 금속 산화물 나노 섬유는 표면적이 크고 기공이 있는 구조를 이용하여 센서, 촉매, 전지 등 여러 분야에 활용될 것으로 보여진다.The possibility of manufacturing functional nanofibers with excellent thermal and physical stability was confirmed by manufacturing organic/inorganic composite nanofibers containing various metal precursors based on pure organic silane through the electrospinning process. The manufactured various metal oxide nanofibers are expected to be utilized in various fields such as sensors, catalysts, and batteries by utilizing their large surface area and porous structure.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential characteristics. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (24)
상기 제1 용액을 제1 점도가 되도록 가열하여 전기방사 용액을 제조하는 단계;
상기 전기방사 용액을 전기방사하여 섬유형태의 섬유전구체로 제조하는 단계; 및
상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하는 복합나노섬유의 제조방법.A step of preparing a first solution by mixing an organosilicon compound and a first organic solvent and adding a metal compound;
A step of preparing an electrospinning solution by heating the first solution to have a first viscosity;
A step of manufacturing a fiber precursor in the form of fibers by electrospinning the above electrospinning solution; and
A method for manufacturing a composite nanofiber, comprising: a step of heat-treating the fiber precursor at a first temperature.
상기 유기실리콘화합물은 3차원 구조로 구비되고,
상기 제1 용액의 점도는 25 ℃에서 50 poise 내지 100 poise이고,
상기 전기방사 용액의 상기 제1 점도는 25 ℃에서 120 poise 내지 180 poise인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above organosilicon compound has a three-dimensional structure,
The viscosity of the first solution is 50 poise to 100 poise at 25°C,
A method for producing composite nanofibers, wherein the first viscosity of the electrospinning solution is 120 poise to 180 poise at 25°C.
상기 유기실리콘화합물은 입자형태로 구비되고,
상기 입자형태는 평균입경이 50 nm 내지 5㎛인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above organic silicon compound is provided in particle form,
A method for manufacturing composite nanofibers having the above particle shape and an average particle diameter of 50 nm to 5 μm.
상기 유리실리콘화합물은 표면에 작용기가 구비된 입자형태로 구비되고,
상기 작용기는 시안기, 아민기, 히드록시기, 카르복실기, 할라이드기, 질산기, 티오시안기 및 티오황산기 중 어느 하나 이상을 포함하는 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above glass silicon compound is provided in the form of particles having functional groups on the surface,
A method for producing a composite nanofiber, wherein the functional group includes at least one of a cyanogen group, an amine group, a hydroxyl group, a carboxyl group, a halide group, a nitrate group, a thiocyanate group, and a thiosulfate group.
상기 유기실리콘화합물은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되고, 오르모실(ormosil)의 구형입자 또는 펠렛형태의 고체분말을 포함하는 것인 복합나노섬유의 제조방법.
(화학식 1)
(R1SiO3/2)
(화학식 2)
(R1SiO3/2)-(R2SiO3/2)
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서, R1은 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기이고, R2는 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1-18의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기로 이루어진 군으로부터 선택된다.In the first paragraph,
A method for producing a composite nanofiber, wherein the above organosilicon compound is represented by the following chemical formula 1 or chemical formula 2 and includes a solid powder in the form of spherical particles or pellets of ormosil.
(chemical formula 1)
(R1SiO 3/2 )
(chemical formula 2)
(R1SiO 3/2 )-(R2SiO 3/2 )
In the above chemical formula 1 or chemical formula 2, R1 is a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group, and R2 is independently selected from the group consisting of hydrogen, a substituted or unsubstituted C 1-18 alkyl group, and a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group.
상기 R1은 페닐기이고, R2는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기, 및 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In paragraph 5,
A method for producing a composite nanofiber, wherein the above R1 is a phenyl group, R2 is a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group, and a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group.
상기 R1은 페닐기이고, R2는 페닐기 또는 치환 또는 비치환된 C1-3의 알킬기이고,
R1 : R2의 몰비율이 10:0~5인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In Article 6,
The above R1 is a phenyl group, R2 is a phenyl group or a substituted or unsubstituted C 1-3 alkyl group,
A method for manufacturing a composite nanofiber having a molar ratio of R1:R2 of 10:0 to 5.
상기 제1 유기용매는 테트라히드로푸란(THF), N,N-디메틸포름아미드(DMF), N-메틸포름아미드(NMF), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤, 및 아민계용매 중 어느 하나 이상을 포함하는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
A method for producing composite nanofibers, wherein the first organic solvent comprises at least one of tetrahydrofuran (THF), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methylformamide (NMF), N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, and an amine solvent.
상기 제1 용액을 제조하는 단계는 상기 유기실리콘화합물을 제조하는 것을 더 포함하고,
상기 유기실리콘화합물을 제조하는 단계는,
제1 염기용액 실란화합물을 첨가한 후 50 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 150rpm 내지 500rpm으로 교반하여 고형물을 제조하고,
상기 고형물은 여과 및 건조하는 것을 포함하고,
상기 유기실리콘화합물은 페닐트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 3-머캡토프로필트리메톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 클로로프로필트리메톡시실란, 2-페닐에틸트리메톡시실란, 클로로프로필메톡시실란 및 2-페닐에틸트리메톡시실란 중 어느 하나 이상을 포함하는 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The step of preparing the first solution further includes preparing the organosilicon compound,
The step of manufacturing the above organosilicon compound is:
After adding the first base solution silane compound, a solid is prepared by stirring at 150 rpm to 500 rpm at a temperature of 50 ℃ to 80 ℃,
The above solid comprises filtering and drying,
A method for producing a composite nanofiber, wherein the above organosilicon compound comprises at least one of phenyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, aminopropyltrimethoxysilane, 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, chloropropyltrimethoxysilane, 2-phenylethyltrimethoxysilane, chloropropylmethoxysilane, and 2-phenylethyltrimethoxysilane.
상기 제1 용액을 제조하는 단계는 금속원소를 이용하여 상기 금속화합물을 제조하는 것을 더 포함하고,
상기 금속화합물을 제조하는 것은,
제2 염기용액 중에 리간드를 첨가한 후 40 ℃ 내지 60 ℃에서 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반 하고,
상기 금속원소가 용해되어 있는 금속용액을 첨가하여 0.5 시간 내지 3 시간 동안 교반하여 침전물을 제조하고,
상기 침전물을 여과 및 세척을 3회 이상 반복한 후, 오븐에서 건조시켜 분말형태로 제조되고,
상기 금속원소는 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The step of preparing the first solution further includes preparing the metal compound using a metal element,
The production of the above metal compound comprises:
After adding the ligand to the second base solution, stir at 40°C to 60°C for 0.5 to 3 hours.
A metal solution containing the above metal elements is added and stirred for 0.5 to 3 hours to produce a precipitate.
After filtering and washing the above sediment three or more times, it is dried in an oven and manufactured into a powder form.
A method for manufacturing a composite nanofiber, wherein the metal element is selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd and Yb.
상기 전기방사 용액은 상기 제1 용액 전체 중량에 대해서 50 wt% 내지 90 wt%가 되도록 50 ℃ 내지 110 ℃의 온도로 가열하여 용매를 증발시켜 제조되는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
A method for producing composite nanofibers, wherein the electrospinning solution is heated at a temperature of 50° C. to 110° C. to evaporate the solvent so that the electrospinning solution is 50 wt% to 90 wt% based on the total weight of the first solution.
상기 전기방사 용액은 하기 화학식 3으로 표시되는 오르모실(ormosil)의 무기 고분자-수지 형태의 화합물과 금속 전구체의 혼합물로 이루어지는 복합나노섬유의 제조방법:
(화학식 3)
(RSiO3/2) + MLx
여기서, R은 치환 또는 비치환된 C5-15의 아릴기이고,
M은 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되고,
L은 -NO3, -OR(R은 C1-6 알킬), -NR2(R은 C1-6 알킬), -COOR(R은 C1-6 알킬), 아세테이트(acetate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 베타-케토네이트(beta-ketonate), 디아미드(diamide), 및 디톨레이트(ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택되고,
x는 M의 산화수에 따르는 리간드의 수이다.In the first paragraph,
The above electrospinning solution is a method for manufacturing composite nanofibers comprising a mixture of an inorganic polymer-resin type compound of ormosil represented by the following chemical formula 3 and a metal precursor:
(chemical formula 3)
(RSiO 3/2 ) + MLx
Here, R is a substituted or unsubstituted C 5-15 aryl group,
M is selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, and Yb,
L is selected from the group consisting of -NO 3 , -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetate, acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate,
x is the number of ligands depending on the oxidation number of M.
상기 L은 유기 용매에 높은 용해성을 보여주는 -OR(R은 C1-6 알킬), -NR2(R은 C1-6 알킬), -COOR(R은 C1-6 알킬), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 베타-케토네이트(beta-ketonate), 디아미드(diamide), 및 디톨레이트(ditholate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기금속 착화합물의 일종인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In Article 12,
A method for producing a composite nanofiber, wherein the above L is a type of organometallic complex selected from the group consisting of -OR (R is C 1-6 alkyl), -NR 2 (R is C 1-6 alkyl), -COOR (R is C 1-6 alkyl), acetylacetonate, beta-ketonate, diamide, and ditholate, which exhibit high solubility in organic solvents.
상기 전기방사 용액 내에서 상기 유기실리콘화합물과, 상기 금속화합물의 몰 비율 1:0.1~1로 혼합되는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In Article 12,
A method for producing composite nanofibers, wherein the organosilicon compound and the metal compound are mixed in a molar ratio of 1:0.1 to 1 in the electrospinning solution.
상기 전기방사는 단일 노즐 (single nozzle)을 이용하여 수행되며,
상기 전기방사 용액을 방사전압 8-15 kV, 방사거리 10-30 cm 및 방사유량 1-3 mL/hr의 조건에서 수행하는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above electrospinning is performed using a single nozzle.
A method for producing composite nanofibers, wherein the electrospinning solution is performed under the conditions of a spinning voltage of 8-15 kV, a spinning distance of 10-30 cm, and a spinning flow rate of 1-3 mL/hr.
상기 제1 온도는 200 ℃ 내지 600 ℃ 미만이고,
상기 복합나노섬유는 탄소를 포함하는 유-무기 하이브리드의 형태인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above first temperature is less than 200 ℃ to 600 ℃,
A method for manufacturing a composite nanofiber, wherein the composite nanofiber is in the form of an organic-inorganic hybrid containing carbon.
상기 제1 온도는 600 ℃ 내지 1500 ℃이고,
상기 복합나노섬유는 SiO2와 금속을 포함하는 무기 하이브리드의 형태인 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
The above first temperature is 600 ℃ to 1500 ℃,
A method for manufacturing a composite nanofiber, wherein the composite nanofiber is in the form of an inorganic hybrid containing SiO 2 and a metal.
상기 섬유전구체를 제1 온도에서 열처리하는 단계 이후에, 후처리 단계를 더 포함하고,
상기 후처리 단계는,
상기 열처리된 섬유전구체를 표면 처리하거나 또는 식각 과정을 수행하는 것을 포함하는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In the first paragraph,
After the step of heat-treating the fiber precursor at the first temperature, a post-treatment step is further included,
The above post-processing step is,
A method for manufacturing a composite nanofiber, comprising surface-treating or etching the heat-treated fiber precursor.
상기 식각 과정은 불산 용액을 이용하여 상기 열처리된 섬유전구체의 표면을 식각하여 세공하여 표면적을 증가시키는 것인 복합나노섬유의 제조방법.In Article 18,
The above etching process is a method for manufacturing a composite nanofiber by etching the surface of the heat-treated fiber precursor using a hydrofluoric acid solution to form holes and increase the surface area.
상기 복합나노섬유는 직경이 100 내지 1000 nm인 것인 복합나노섬유.In Article 20,
The above composite nanofiber is a composite nanofiber having a diameter of 100 to 1000 nm.
상기 복합나노섬유는 하나 이상의 금속입자를 포함하고,
상기 금속입자는 직경이 5 nm 내지 70 nm이고,
상기 금속입자는 Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd 및 Yb로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 복합나노섬유.In Article 20,
The above composite nanofibers contain one or more metal particles,
The above metal particles have a diameter of 5 nm to 70 nm,
A composite nanofiber wherein the metal particles are selected from the group consisting of Li, Cs, Be, Mg, Ca, Ba, Sr, Al, Ga, In, Ge, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Ti, Zr, Cu, Ag, Er, Pr, Cd and Yb.
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