그래핀 옥사이드와 마그네타이트 나노복합체의 전자기장 시그날에 의한 유변학적 특성 변화에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 Co-precipitation method를 이용하여 나노사이즈의 마그네타이트(Magnetite, Fe3O4)를 합성한 뒤, 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO) 용액에 분산시킨 후, sol-gel method를 이용해 실리카(Silica, SiO2)를 코팅하여 GO/Fe3O4/SiO2 nanocomposites을 제조하였다. 제조된 입자들을 실리콘 오일에 분산시켜 자기장과 전기장 모두에 반응하여 shear stress 및 viscosity가 증가하는 등의 유변학적 특징을 보일 뿐만 아니라 분산안정성 또한 향상된 유변유체를 제조하였다. Co-precipitation method를 통해 나노사이즈의 마그네타이트를 합성하고 그래핀 옥사이드와 함께 분산시킨 후, 전구체인 TEOS의 첨가량을 달리해 실리카를 합성하여 nanocomposites을 제조하였다. HR-TEM을 이용하여 TEOS의 첨가량에 따라 마그네타이트 분포의 균일도가 다름을 확인하였고, Elemental mapping과 EDS 분석을 통해 합성된 컴파짓이 C, Si, Fe, O이 있음을 확인하여 제조된 컴파짓이 그래핀 옥사이드, 마그네타이트, 실리카로 이루어져 있음을 확인하였다. 또한 합성결과물을 FT-IR과 XRD 분석을 통해 화학적 결합 및 구조를 확인하였다. FT-IR을 통해 실리카 및 마그네타이트가 잘 합성되었음을 알 수 있었다. XRD spectrum을 통해 그래핀 옥사이드의 sharp한 피크는 사라지고 실리카와 마그네타이트의 피크가 나타남을 확인하였다. PPMS를 통해 자기이력곡선을 분석한 결과, TEOS의 양이 증가할수록 magnetization이 줄어듦을 확인하였다. 다음으로, Rheometer를 통해 합성한 컴파짓들을 실리콘 오일에 균일하게 분산시킨 유체의 각각 전기장과 자기장 하에서의 유변물성을 관찰하였다. 모든 컴파짓이 전기장 및 자기장의 세기가 증가할수록 shear rate에 따른 shear stress와 viscosity가 증가함을 확인하였다. 또한 dynamic viscoelastic properties를 측정하여 G'(storage modulus)와 G"(loss modulus)의 값을 비교한 결과 모든 주파수 범위에서 loss factor가 1보다 작아, G'가 G"보다 높게 유지됨을 보여주었다. 이를 통해, 전기장을 인가하였을 때, 생성된 사슬구조에 의해 탄성이 점성보다 지배적이 됨을 확인하였다. 유변유체의 강도를 나타내는 척도로 항복응력(yield stress)과 전기장/자기장 인가 전후의 점도를 비교하여 efficiency를 계산하여 비교하였다. 전기장을 인가하였을 때, 적절한 전도도 조절 및 마그네타이트의 균일분산으로 인한 표면적 특징으로 인해 GFS_1.5가 분산된 유변유체가 가장 큰 항복응력과 efficiency를 보였다. 하지만 자기장하에서는 자기이력곡선의 결과와 같이 전구체의 함량이 증가할수록 항복응력과 efficiency 가 감소함을 보였다. 합성한 GFS_1.5가 분산된 유변유체를 바이알에 담아 시간에 따른 sedimentation ratio를 측정한 결과, 2주가 지나도 58%의 향상된 분산안정성을 보임을 확인하였다. 마지막으로, 전기장과 자기장에 모두 반응하는 재료로써 전기방사를 이용해 나노섬유웹을 제작하였고, 전자파 차폐효과를 측정하였다. 측정 결과, 전자파 차폐효과가 거의 보이지 않던 PU web에 비해 전자파 차폐효과를 뚜렷이 나타내며, 그래핀 옥사이드만을 포함한 GS web보다 magnetite를 첨가한 GFS web의 경우가 더욱 향상된 전자파 차폐효과를 보임을 확인할 수 있었다.