멀티스케일의 탄소나노튜브/탄소나노섬유 매트의 제조 및 흡수 용량 특성 연구

Abstract

본 논문은 촉매를 첨가하여 탄소 나노섬유(Carbon nanofiber) 위에 탄소 나노튜브(Carbon nanotube)가 성장한 나노 단위로만 구성된 재료를 제조하기 위해 최적의 전기방사 공정을 이용하여 제조된 탄소 나노섬유와 탄소 나노 섬유의 구조, 촉매량에 따른 특성변화, 소수성과 친유성에 의한 기름 흡수용량과 전지 평가에 대한 논문으로 다음과 같은 연구 내용을 포함한다. 전기방사 공정과 열처리 및 열 화학기상증착법(Thermal CVD)을 이용하여 탄소 나노섬유와 그 위에 성장한 탄소 나노튜브를 제조하기 위한 공정 조건과 촉매량에 따른 탄소 나노튜브 성장 변화에 대하여 연구하였다. 실험에 이용된 촉매 Iron(iii) acetylacetonate (Fe(Acc)3)는 촉매입자의 영향으로 이를 첨가하지 않은 탄소 나노섬유보다 결정성이 더 발달되었고, 탄소 나노튜브를 성장시킬 때도 튜브가 균일하게 성장하는 데에 유리한 촉매 재료임을 입증하였다. 그리고 상기 제조된 재료를 이용하여 높아진 거칠기로 소수성을 가지는 재료에 대한 특성을 제시하였다. 촉매량이 증가함에 따라 탄소 나노섬유의 결정성도 증가하게 되고, 탄소 나노튜브의 길이와 직경이 증가하였으며, 이에 따라 소수성의 정도가 증가하여 이 후 초소수성를 가지게 된다. 또한 소수성을 지니는 물질은 일반적으로 친유성을 동시에 가지고 있어 이 특성을 이용하여 기름 흡수용량 평가를 통하여 나노섬유-나노섬유, 나노섬유-나노튜브 그리고 나노튜브-나노튜브 사이에 생긴 기공에 의해 기름이 저장되어 마이크로 섬유보다 흡수용량이 증가하는 매트를 제조할 수 있음을 입증하였다. 상기 제조된 재료는 나노 스케일의 기판에 더 작은 나노 단위의 물질이 성장한 것이기 때문에 기존 보고된 마이크로 스케일에 나노 단위가 성장된 것에 대한 소형화와 탄소 나노섬유 물성에 대한 보완 수정을 할 것이라고 기대한다.

Carbon nanotubes (CNTs) have shown superior material properties theoretical as well as empirical studies. In this research, to manufacture superhydrophobic novel carbon/CNT composite, the metal catalyst added carbon matrix had been selected. In addition, carbon matrix was made of polyacrylonitrile (PAN)/Fe (Acc)3 nanofiber by electrospinning and thermal treatment for stabilization and carbonization, and CNTs were grown by CVD process. CNTs are grown from the catalyst nanoparticles on CNFs. The microstructure of CNFs manufactured here is influenced by both catalyst interactions during the carbonization process of the precursor nanofibers and CNTs grown on CNFs during CVD. These microstructural changes of CNFs and their hydrophobic and hydrophilic properties will be characterized to investigate benefits from the newly developed method for CNT reinforced CNFs. Different CNF and CNT diameter and Fe-CNF mats surface morphology play roles in oil absorption capacity. This result showed that oil absorption capacity of Fe-CNF mat with nano-scale structure for organic solvent were approximate to minimum 1000% to maximum 2000%. It was higher oil absorption capacity without any porous structure.