KR101415255B1 - Post-treatment method of carbon nanotube fibers to enhance mechanical property - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물 또는 하나의 아민기와 하나의 할로겐 원소가 치환된 방향족 화합물을, 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브와 반응시킴으로써, 기계적 물성이 향상된 탄소나노튜브섬유를 얻을 수 있게 하는 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a process for post-treatment of carbon nanotube fibers, and more particularly, to a process for post-treatment of carbon nanotube fibers, To a carbon nanotube fiber post-treatment method capable of obtaining carbon nanotube fibers having improved mechanical properties by reacting them with nanotubes.

Description

기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법{Post-treatment method of carbon nanotube fibers to enhance mechanical property} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon nanotube fiber post-

본 발명은 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물 또는 하나의 아민기와 하나의 할로겐 원소가 치환된 방향족 화합물을, 탄소나노튜브섬유를 구성하는 탄소나노튜브와 반응시킴으로써, 기계적 물성이 향상된 탄소나노튜브섬유를 얻을 수 있게 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method of post-treatment of carbon nanotube fibers for improving mechanical strength, and more particularly, to a method of post-treatment of carbon nanotube fibers, The present invention relates to a carbon nanotube fiber post-treatment method for enhancing mechanical strength, which enables to obtain carbon nanotube fibers having improved mechanical properties by reacting with carbon nanotubes constituting fibers.

육각형 고리형태로 연결된 탄소들이 나노크기의 직경으로 둥글게 말려 긴 대롱모양을 이루는 탄소나노튜브는 인장강도가 강철보다 100배 강하고, 전류밀도는 구리보다 1000배 높으며, 다이아몬드와 열전도도가 유사한 아주 우수한 특성을 지닌 물질이다. Carbon nanotubes, which are formed by hexagonal ring-shaped carbons in a round shape with a diameter of nanometer size, have a tensile strength 100 times stronger than steel, a current density 1000 times higher than copper, and a very excellent characteristic .

이러한 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브를 구성하는 육각형 고리의 배치 및 벽의 수에 따라 기계적, 전기적 성질이 다양하며, 개별 탄소나노튜브의 물성은 탄소섬유, 케블라, 자일론 등 상용화된 고기능성 섬유보다 뛰어나 투명전극, 복합재료 등에 응용되고 있다.Such carbon nanotubes have various mechanical and electrical properties depending on the arrangement of the hexagonal rings constituting the carbon nanotubes and the number of walls, and the physical properties of the individual carbon nanotubes are not limited to those of commercialized high-functional fibers such as carbon fibers, kevlar, And is applied to transparent electrodes, composite materials and the like.

개별 탄소나노튜브처럼 입자형태가 아닌 연속상으로 존재하는 섬유상의 탄소나노튜브 집합체, 즉 탄소나노튜브섬유는 입자형태인 탄소나노튜브가 지닌 분산의 곤란성과 같은 문제가 없으며, 1차원의 섬유 형태 그대로 혹은 2차원의 직물형태로 제작하여 다양한 방식으로 활용 가능한 장점이 있다. 또한 탄소섬유와 비교하였을 때 밀도가 9배나 작아 초경량 복합재료 분야와 같이 가볍고 강한 물질을 제작하는데 매우 효과적이다.The fibrous carbon nanotube aggregate, that is, the carbon nanotube fibers existing in a continuous phase rather than the particle type like the individual carbon nanotubes, has no problems such as the difficulty of dispersion of the carbon nanotubes in the form of particles, Or a two-dimensional fabric, and can be utilized in various ways. Also, the density is 9 times smaller than that of carbon fiber, which is very effective for making light and strong materials like lightweight composite materials.

하지만 이러한 장점에도 불구하고 탄소나노튜브섬유는 이를 구성하는 개개의 탄소나노튜브가 지닌 물성을 그대로 발현하지 못하는 단점이 있다. However, despite these merits, the carbon nanotube fiber has a disadvantage that it can not express the physical properties of the individual carbon nanotubes constituting it.

기계적인 특성 측면에서 봤을 때 탄소나노튜브섬유가 개개의 탄소나노튜브들이 연속적인 섬유상으로 존재하지만, 섬유에 인장력을 가하면 하중을 효과적으로 분산시키지 못하고 쉽게 파단된다. 이는 탄소나노튜브 표면이 매끄럽고 화학적으로 불활성이며 개별 탄소나노튜브 간의 약한 반데르발스력(van der Waals forces)이 작용하기 때문이다.From the viewpoint of mechanical properties, the carbon nanotube fibers are present in a continuous fibrous form of individual carbon nanotubes, but when the fibers are subjected to a tensile force, the carbon nanotubes are easily broken without effectively dispersing the load. This is because the surface of the carbon nanotubes is smooth and chemically inert and weak van der Waals forces act between the individual carbon nanotubes.

이러한 문제를 해결하기 위해 탄소나노튜브섬유를 제작하는 조건, 즉 방사방법, 탄소공급물질의 종류 및 함량, 탄소나노튜브 합성온도 등을 달리해 우수한 품질의 섬유를 만드는 방법을 연구하거나, 만들어진 섬유를 후처리하는 과정을 통해 기계적, 전기적, 열적 특성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다.In order to solve these problems, it is necessary to study a method of producing a high-quality fiber by changing the conditions for manufacturing the carbon nanotube fiber, that is, the spinning method, the kind and content of the carbon supply material and the synthesis temperature of the carbon nanotube, Researches are under way to improve the mechanical, electrical and thermal properties through post-treatment.

섬유의 후처리를 통한 물성향상 방법 가운데, 섬유를 물리적으로 꼬거나 휘발성용매에 침지시킨 뒤 용매의 증발을 통해 섬유의 구조를 치밀화(densification)시켜 탄소나노튜브 간 접촉면적 증가로 강도 및 전도성을 증가시키는 방법이 있다. Among the methods of enhancing physical properties through post-treatment of fibers, fibers are physically twisted or immersed in a volatile solvent, followed by densification of the fiber structure through evaporation of the solvent to increase the strength and conductivity by increasing the contact area between carbon nanotubes There is a way to do it.

또한 탄소나노튜브섬유를 고분자 용액에 함침시켜 섬유상을 복합재료를 만들거나, 화학물질 혹은 자외선 등을 활용해 탄소나노튜브 간 본래의 약한 반데르발스력을 보완하는 강한 공유결합을 형성하여 물성을 향상시키는 방법도 있다. 그러나, 상기의 후처리 방법들은 물리적인 방법에 의한 강도향상을 기반으로 하기 때문에, 고강도의 섬유를 얻기에는 한계가 있다. In addition, carbon nanotube fibers are impregnated into a polymer solution to form a fibrous composite material, or chemical cations or ultraviolet rays are used to form a strong covalent bond that complements the inherent weak van der Waals force between carbon nanotubes, thereby improving physical properties There is also a way to do it. However, since the above post-treatment methods are based on strength improvement by a physical method, there is a limit to obtaining high strength fibers.

따라서 본 발명자들은 탄소나노튜브섬유의 물성을 향상시키기 위한 목적으로 후처리를 하되, 탄소나노튜브 간의 화학적인 결합을 유도할 경우, 상기 물리적인 방법보다 효과적으로 섬유의 강도를 증가시킬 수 있다는 점에 착안하여, 두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물 또는 하나의 아민기와 하나의 할로겐 원소가 치환된 방향족 화합물을 탄소나노튜브섬유와 반응시키고, 이어 열처리하는 경우, 별도의 접착성 물질을 주입하지 않더라도, 낮은 온도 조건에서 단시간에 기계적 물성이 향상된 탄소나노튜브섬유를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정상의 시간단축 및 섬유의 고강도화를 이룰 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the inventors of the present invention have found that, in order to improve the physical properties of the carbon nanotube fibers, the strength of the fibers can be increased more effectively than the physical methods when the chemical bonding between the carbon nanotubes is induced, When an aromatic compound substituted with two amine groups or an aromatic compound in which one amine group and one halogen element are substituted is reacted with the carbon nanotube fibers and then heat treatment is performed, It is possible to obtain carbon nanotube fibers having improved mechanical properties in a short period of time under conditions, and to shorten the process time and increase the strength of the fibers.

미국공개특허공보 제2010/0112276호U.S. Published Patent Application No. 2010/0112276 미국공개특허공보 제2009/0282802호U.S. Published Patent Application No. 2009/0282802

J. Phys. Chem. C, Mark D. Ellison, 2008, 112, 738J. Phys. Chem. C, Mark D. Ellison, 2008, 112, 738 Carbon, Jackie Y. Cai, 2012, 50, 4655Carbon, Jackie Y. Cai, 2012, 50, 4655 ACS Nano, Kai Liu, 2012, 4, 5827ACS Nano, Kai Liu, 2012, 4, 5827

본 발명에서는 탄소나노튜브섬유를, 두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물 또는 하나의 아민기와 하나의 할로겐 원소가 치환된 방향족 화합물과 반응시킴으로써, 상기 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성을 향상시키는 탄소나노튜브섬유 후처리 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다. In the present invention, carbon nanotube fibers that improve the mechanical properties of the carbon nanotube fibers by reacting the aromatic compounds substituted with two amine groups or aromatic compounds substituted with one amine group and one halogen element And it is an object of the present invention to provide a post-processing method.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하는 탄소나노튜브섬유 준비 단계; 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하는 방향족 화합물 첨가 단계; 및 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하는 결합 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of preparing carbon nanotube fibers, the method comprising: preparing carbon nanotube fibers comprising carbon nanotubes; An aromatic compound addition step of adding aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups to the prepared carbon nanotube fibers; And forming a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes by reacting a plurality of functional groups of the added aromatic compound with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers, ; The present invention provides a method for post-treatment of carbon nanotube fibers for improving mechanical strength.

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 아민기(amine group), 할로겐(halogen), 알카인(alkyne), 붕산(boric acid), 아자이드(azide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 작용기인 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups is at least one functional group selected from the group consisting of an amine group, a halogen, an alkyne, a boric acid, and an azide .

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 모두 아민기(amine group)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 복수의 아민기는 50 내지 100℃의 온도 조건 하에서, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups are all amine groups, and in the bond formation step, the plurality of amine groups are reacted with the at least one carbon nanotube under temperature conditions of 50 to 100 ° C, It is preferable to form a chemical bond between the aromatic compound and the at least one carbon nanotube.

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 아민기 및 할로겐(halogen)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 아민기는 50 내지 70℃의 온도 조건 하에서, 하나의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며, 상기 할로겐은 150 내지 250℃의 온도 조건 하에서, 다른 하나의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 다른 하나의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups is an amine group and a halogen, and in the bond formation step, the amine group reacts with one carbon nanotube under temperature conditions of 50 to 70 ° C to form the aromatic compound Wherein the halogen is reacted with another carbon nanotube under a temperature condition of 150 to 250 ° C to form a chemical bond between the aromatic compound and the other carbon nanotube .

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 모두 할로겐이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 할로겐은 팔라듐 또는 구리 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 알카인 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 알카인과 상기 할로겐이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups are all halogen, and the halogen is reacted with one or more carbon nanotubes under palladium or copper catalyst conditions to form a reaction between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes And the one or more carbon nanotubes each include an aromatic compound having an alkane group on the surface thereof, and the alkane reacts with the halogen to form a chemical bond between the aromatic compound.

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 모두 붕산(boric acid)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 붕산은 팔라듐 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 할로겐 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 할로겐과 상기 붕산이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups are all boric acid, and in the bond formation step, the boric acid reacts with one or more carbon nanotubes under palladium catalyst conditions to form the aromatic compound and the one or more carbon nano- And the one or more carbon nanotubes each include an aromatic compound having a halogen group on its surface, and the halogen and the boric acid react with each other to form a chemical bond between the aromatic compounds.

예시적인 구현예에서, 상기 복수의 작용기는 모두 알카인(alkyne)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 알카인은 Cu(I) 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 아자이드 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 아자이드와 상기 알카인이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the plurality of functional groups are all alkyne, and in the bond formation step, the alkane reacts with one or more carbon nanotubes under Cu (I) catalyst conditions to react with the aromatic compound Wherein the one or more carbon nanotubes each include an aromatic compound having an azide group on the surface thereof so that the azide reacts with the alkane to form a chemical bond between the aromatic compound .

예시적인 구현예에서, 상기 방향족 화합물은 벤젠인 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the aromatic compound is preferably benzene.

또한, 본 발명에서는 상기 방법으로 후처리 되는 탄소나노튜브섬유를 제공한다.Also, the present invention provides a carbon nanotube fiber post-treated by the above method.

본 발명의 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 따라 제조되는 탄소나노튜브섬유는 기계적 특성, 특히 기계적 강도가 현저하게 향상되는 효과가 있다.The carbon nanotube fiber produced according to the carbon nanotube fiber post treatment method of the present invention has an effect of remarkably improving the mechanical properties, particularly the mechanical strength.

또한, 본 발명의 탄소나노튜브섬유 후처리 방법에 따를 경우, 별도의 접착성 물질을 주입하지 않더라도, 낮은 온도 조건에서 단시간에 기계적 물성이 향상된 탄소나노튜브섬유를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정상의 시간 단축 및 섬유의 고강도화를 달성할 수 있어 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 효과가 존재한다.According to the carbon nanotube fiber post-treatment method of the present invention, it is possible to obtain carbon nanotube fibers improved in mechanical properties in a short time at a low temperature condition without injecting a separate adhesive material, And high strength of the fiber can be achieved, so that there is an effect of securing price competitiveness.

도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 방법으로서, 다이아조늄염 반응의 간략한 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 방법으로서, 다이아조늄염 반응 및 라디칼 반응의 간략한 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 방법으로서, 소노가쉬라 커플링 반응(Sonogashira coupling reaction)의 간략한 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 방법으로서, 스즈키 커플링 반응(Suzuki coupling reaction)의 간략한 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 방법으로서, 클릭 커플링 반응(Click coupling reaction)의 간략한 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따라 후처리된 탄소나노튜브섬유와, 후처리되지 않은 탄소나노튜브섬유의 인장시험 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7는 본 발명의 일구현예에 따라 후처리된 탄소나노튜브섬유와, 후처리되지 않은 탄소나노튜브섬유의 라만스펙트럼 시험 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따른 후처리 시 발생하는 다이아조늄 염 반응의 반응시간 경과에 따른 탄소나노튜브섬유의 인장강도 데이터를 나타낸 것이다.
1 shows a brief mechanism of a diazonium salt reaction as a post-treatment method according to an embodiment of the present invention.
2 shows a simplified mechanism of a diazonium salt reaction and a radical reaction as a post-treatment method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a brief mechanism of the Sonogashira coupling reaction as a post-treatment method according to one embodiment of the present invention.
Fig. 4 shows a brief mechanism of the Suzuki coupling reaction as a post-treatment method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a brief mechanism of a click coupling reaction as a post-treatment method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a result of comparing tensile test results of post-treated carbon nanotube fibers and untreated carbon nanotube fibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph comparing Raman spectrum test results of post-treated carbon nanotube fibers and non-post-treated carbon nanotube fibers according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing tensile strength data of carbon nanotube fibers according to reaction time of a diazonium salt reaction occurring in post treatment according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 명세서 상에서 사용되는 작용기(1), 작용기(2)는, 단지 편의상 작용기를 구분하기 위한 것으로 이해되어야 한다.The functional groups (1) and (2) used in the specification of the present invention should be understood as distinguishing functional groups only for convenience.

또한, 본 발명에서 탄소나노튜브(CNT) 표면에 부착된 방향족 화합물에 치환된 할로겐 작용기(X)를 포함하는 탄소나노튜브는 X-Ph-CNT로 표기하도록 한다. In the present invention, carbon nanotubes containing a halogen functional group (X) substituted for an aromatic compound attached to the surface of a carbon nanotube (CNT) are represented by X-Ph-CNT.

본 발명은 다수의 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유의 기계적 강도를 향상시키기 위한 후처리 방법이다.The present invention is a post-treatment method for improving the mechanical strength of carbon nanotube fibers composed of a plurality of carbon nanotubes.

구체적으로 본 발명의 일구현예에 따른 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법은 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하는 탄소나노튜브섬유 준비 단계; 복수의 작용기(1)가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하는 방향족 화합물 첨가 단계; 및 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기(1)가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하는 결합 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. Specifically, the carbon nanotube fiber post-treatment method for improving mechanical strength according to an embodiment of the present invention includes: preparing carbon nanotube fibers to prepare carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes; An aromatic compound adding step of adding an aromatic compound substituted with a plurality of functional groups (1) to the prepared carbon nanotube fibers; And a plurality of functional groups (1) of the added aromatic compound each react with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes A bond forming step; And a control unit.

상기와 같은 후처리 방법에 의하면, 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 개별 탄소나노튜브 간에 화학적인 가교 결합이 형성되므로, 최종적으로 탄소나노튜브섬유의 기계적 강도를 현저히 향상시키는 효과를 가진다. According to the post-treatment method as described above, chemical cross-linking is formed between the individual carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers, and thus the mechanical strength of the carbon nanotube fibers is remarkably improved finally.

먼저, 탄소나노튜브섬유 준비 단계에서 개별 탄소나노튜브의 집합체인 탄소나노튜브섬유를 준비한다.First, carbon nanotube fibers, which is an aggregate of individual carbon nanotubes, are prepared in the preparation step of carbon nanotube fibers.

상기 탄소나노튜브섬유는 1차원 형태 또는 2차원 형태를 가지는 것이라면 제한되지 않으며, 개별 탄소나노튜브의 집합으로 이루어진 집합체이다. The carbon nanotube fibers are not limited as long as they have a one-dimensional or two-dimensional shape, and are aggregates of individual carbon nanotubes.

상기 탄소나노튜브는 육각형 고리형태로 연결된 탄소들이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 긴 대롱 모양을 이루는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브를 구성하는 육각형 고리의 배치, 벽의 수에 따라 기계적 및 전기적 물성이 다양할 수 있다. The carbon nanotubes are not particularly limited as long as the carbons connected in the form of a hexagonal ring are rolled into a nanometer-sized diameter and formed into a long barrel shape. The carbon nanotubes may have various mechanical and electrical properties depending on the arrangement of the hexagonal rings constituting the carbon nanotubes and the number of walls.

또한, 상기 탄소나노튜브는 상기 탄소나노튜브 표면에 부착된 방향족 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 방향족 화합물은 작용기(2)를 포함할 수 있다. 하나의 구현예로서, 상기 탄소나노튜브 표면 상에 작용기(2)를 가진 벤젠 고리가 부착될 수 있으며, 상기 벤젠 고리에 치환된 작용기(2)는 특별히 제한되지 않으나, 알카인(alkyne), 할로겐(halogen) 또는 아자이드(azide)일 수 있다.The carbon nanotube may include an aromatic compound attached to the surface of the carbon nanotube, and the aromatic compound may include a functional group (2). In one embodiment, a benzene ring having a functional group (2) may be attached on the surface of the carbon nanotube. The functional group (2) substituted on the benzene ring is not particularly limited, but alkyne, halogen halogen, or azide.

그 다음, 방향족 화합물 첨가 단계에서는, 복수의 작용기(1)가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가한다. Next, in the aromatic compound addition step, aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups (1) are added to the prepared carbon nanotube fibers.

상기 복수의 작용기(1)가 치환된 방향족 화합물에서, 상기 복수의 작용기(1)는 상기 탄소나노튜브와 화학적 결합을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. In the aromatic compound substituted with the plurality of functional groups (1), the plurality of functional groups (1) are not particularly limited as long as they can form a chemical bond with the carbon nanotubes.

상기 복수의 작용기(1)는 예를 들어, 아민기(amine group), 할로겐(halogen), 알카인(alkyne), 붕산(boric acid), 아자이드(azide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 작용기일 수 있다. The plurality of functional groups 1 may be at least one functional group selected from the group consisting of an amine group, a halogen, an alkyne, a boric acid, and an azide, .

특히, 상기 아민기(-NH2)의 경우 약 60℃ 근처의 낮은 온도에서도 단시간 내에 탄소나노튜브 표면과 화학반응을 일으켜, 상기 아민기가 부착된 방향족 화합물과 탄소나노튜브 간에 강한 공유결합을 형성할 수 있으므로 바람직하다. Particularly, in the case of the amine group (-NH 2 ), a chemical reaction occurs with the surface of the carbon nanotube in a short period of time even at a temperature as low as about 60 ° C to form a strong covalent bond between the aromatic compound and the carbon nanotube It is preferable.

특히, 본 발명에서 방향족 화합물은 복수의 작용기(1)를 포함하는데, 상기 복수의 작용기(1)가 각각 다른 탄소나노튜브와 화학 반응하여, 상기 작용기(1)가 부착된 방향족 화합물과 상기 서로 다른 탄소나노튜브에 각각 결합하게 되면, 상기 탄소나노튜브들 간에 강한 공유결합이 형성되기 때문에, 탄소나노튜브섬유의 기계적 강도가 현저히 상승되는 효과를 가진다. 또한, 상기 복수의 작용기(1)가 모두 아민기인 경우에는 상기 복수의 아민기와 서로 다른 탄소나노튜브 간에 화학 반응이 동시에 일어날 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브들 간에 강한 공유결합이 형성되는 시간이 단축될 수 있는 효과가 있다. In particular, in the present invention, an aromatic compound includes a plurality of functional groups (1), wherein the plurality of functional groups (1) chemically react with different carbon nanotubes to form an aromatic compound When each of the carbon nanotubes is bonded to the carbon nanotubes, a strong covalent bond is formed between the carbon nanotubes, so that the mechanical strength of the carbon nanotube fibers is remarkably increased. In addition, when the plurality of functional groups (1) are all amine groups, a chemical reaction may occur simultaneously between the plurality of amine groups and different carbon nanotubes, so that a time for forming a strong covalent bond between the carbon nanotubes is shortened There is an effect that can be.

상기 방향족 화합물은 상기 복수의 작용기(1)를 포함하는 것이라면 특별히 제한되지는 않는다. 본 발명의 일구현예에 있어서, 상기 방향족 화합물은 벤젠 고리일 수 있다. 상기 방향족 화합물에 포함되는 복수의 작용기(1)는 파라(para) 형태로 치환되는 것이 바람직하며, 이는 개별 탄소나노튜브 간의 가교 결합 형성 시에 상기 개별 탄소나노튜브가 보다 콤팩트한 형태로 배열될 수 있기 때문이다. 만일 상기 작용기가 오쏘(ortho), 메타(meta)의 형태로 치환된 경우 입체장애로 인하여 개별탄소나노튜브 간의 화학적 결합을 방해할 수 있게 되어 불리하다.The aromatic compound is not particularly limited as long as it contains the plurality of functional groups (1). In one embodiment of the present invention, the aromatic compound may be a benzene ring. It is preferable that the plurality of functional groups (1) included in the aromatic compound are substituted in para form, and the individual carbon nanotubes may be arranged in a more compact form when crosslinking between individual carbon nanotubes is formed It is because. If the functional groups are substituted in the form of ortho or meta, it is disadvantageous that they can interfere with chemical bonding between individual carbon nanotubes due to steric hindrance.

이어지는 결합 형성 단계에서는, 상기 첨가된 방향족 화합물이 가진 복수의 작용기(1)가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 개별 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 개별 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하게 된다. In the subsequent bond formation step, a plurality of functional groups (1) possessed by the added aromatic compound are respectively reacted with one or more individual carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers, and the aromatic compound and the individual carbon nanotubes To form a chemical bond.

상기 화학적 결합을 형성하는 반응은 상기 방향족 화합물에 치환된 작용기(1), 상기 개별 탄소나노튜브 표면 상에 부착된 방향족 화합물에 치환된 작용기(2) 등에 따라 상이할 수 있다. The reaction for forming the chemical bond may be different depending on the functional group (1) substituted for the aromatic compound, the functional group (2) substituted for the aromatic compound attached on the surface of the individual carbon nanotube, and the like.

구체적인 구현예를 통해 본 발명을 설명한다.The present invention is illustrated by way of specific embodiments.

본 발명의 일구현예에 따르면, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하고, 그 다음 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하며, 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하되, 상기 복수의 작용기는 모두 아민기(amine group)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 복수의 아민기는 50 내지 100℃의 온도 조건 하에서, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하게 된다. 이때, 상기 반응은 다이아조늄염 반응에 해당한다(도 1 참조). 일례로,상기 사용되는 복수의 아민기가 치환된 방향족 화합물은 1,4-디아미노벤젠(1,4-diaminobenzene)일 수 있다. 상기, 온도 조건에서 탄소나노튜브섬유와 상기 아민 작용기 치환된 방향족 화합물 간에 화학적 결합이 생성되기 용이하다.According to one embodiment of the present invention, carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes are prepared, then aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups are added to the prepared carbon nanotube fibers, and a plurality of the aromatic compounds Wherein the functional groups of the carbon nanotubes react with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, wherein the plurality of amine groups react with the one or more carbon nanotubes under temperature conditions of 50 to 100 ° C to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes . At this time, the reaction corresponds to a diazonium salt reaction (see FIG. 1). For example, the aromatic compound substituted with a plurality of amine groups may be 1,4-diaminobenzene. It is easy to form a chemical bond between the carbon nanotube fibers and the aromatic functional group substituted with the amine functional group under the above temperature conditions.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하고, 그 다음 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하며, 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하되, 상기 복수의 작용기는 아민기 및 할로겐(halogen)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 아민기는 50 내지 70℃의 온도 조건 하에서, 하나의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며, 상기 할로겐은 150 내지 250℃의 온도 조건(열처리 조건) 하에서, 다른 하나의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 다른 하나의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하게 된다. 이때 상기 반응은 다이아조늄염 반응과 열처리를 통한 라디칼 반응에 해당한다(도 2 참조). 일례로, 상기 사용되는 하나의 아민기 및 하나의 할로겐이 치환된 방향족 화합물은 4-아이오도아닐린(4-iodoaniline)일 수 있다. 상기, 각각의 온도 조건에서 탄소나노튜브섬유와 상기 아민 작용기 치환된 방향족 화합물 간에 화학적 결합 및 탄소나노튜브섬유와 상기 할로겐 치환된 방향족 화합물 간에 화학적 결합이 생성되기 용이하다. According to another embodiment of the present invention, carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes are prepared, aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups are added to the prepared carbon nanotube fibers, and a plurality of the aromatic compounds Functional groups of the carbon nanotube fibers react with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, wherein the amine group reacts with one carbon nanotube under a temperature condition of 50 to 70 ° C to form a chemical bond between the aromatic compound and the one carbon nanotube, Under a temperature condition (heat treatment condition) of 150 to 250 占 폚, reacts with another carbon nanotube to form an image Thereby forming a chemical bond between the aromatic compound and the other carbon nanotube. The reaction corresponds to a radical reaction through diazonium salt reaction and heat treatment (see FIG. 2). In one example, the one amine group and one halogen-substituted aromatic compound used may be 4-iodoaniline. It is easy to form a chemical bond between the carbon nanotube fiber and the amine functional substituted aromatic compound and a chemical bond between the carbon nanotube fiber and the halogen substituted aromatic compound under the respective temperature conditions.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하고, 그 다음 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하며, 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하되, 상기 복수의 작용기는 모두 할로겐이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 할로겐은 팔라듐 또는 구리 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 알카인 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 알카인과 상기 할로겐이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하게 된다. 이때, 상기 반응은 소노가쉬라 커플링 반응(Sonogashira coupling reaction)에 해당한다(도 3 참조). 일례로, 상기 사용되는 복수의 할로겐이 치환된 방향족 화합물은 아릴할라이드(Aryl-halide)일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes are prepared, then aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups are added to the prepared carbon nanotube fibers, A plurality of functional groups are respectively reacted with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, Wherein the halogen is reacted with one or more carbon nanotubes under palladium or copper catalyst conditions to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, Each containing an aromatic compound having an alkane group on its surface The alkane reacts with the halogen to form a chemical bond between the aromatic compound. At this time, the reaction corresponds to a Sonogashira coupling reaction (see FIG. 3). In one example, the plurality of halogen-substituted aromatic compounds used may be an Aryl-halide.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하고, 그 다음 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하며, 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하되, 상기 복수의 작용기는 모두 붕산(boric acid)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 붕산은 팔라듐 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 할로겐 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 할로겐과 상기 붕산이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하게 된다. 이때, 상기 반응은 스즈키 커플링 반응(Suzuki coupling reaction)에 해당한다(도 4 참조). 일례로, 상기 사용되는 복수의 붕산이 치환된 방향족 화합물은 아릴보릭애시드(Aryl-boric acid)일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes are prepared, then aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups are added to the prepared carbon nanotube fibers, A plurality of functional groups each react with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, wherein the plurality of functional groups are all boric acid wherein the boric acid reacts with one or more carbon nanotubes under palladium catalyst conditions to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, The tubes each contain an aromatic compound having a halogen group on its surface, The halogen is reacted with the boric acid to form a chemical bond between the aromatic compounds. At this time, the reaction corresponds to a Suzuki coupling reaction (see FIG. 4). For example, the plurality of boric acid-substituted aromatic compounds used may be Aryl-boric acid.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하고, 그 다음 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물을 상기 준비된 탄소나노튜브섬유에 첨가하며, 상기 첨가된 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 각각 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하되, 상기 복수의 작용기는 모두 알카인(alkyne)이고, 상기 결합 형성 단계에서, 상기 알카인은 Cu(I) 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 각각의 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 각각 표면에 아자이드 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 아자이드와 상기 알카인이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하게 된다. 이때 상기 반응은 클릭 커플링 반응(Click coupling reaction)에 해당한다(도 5 참조). 일례로, 상기 사용되는 복수의 알카인이 치환된 방향족 화합물은 아릴알카인(Aryl-alkyne)일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, carbon nanotube fibers composed of carbon nanotubes are prepared, then aromatic compounds substituted with a plurality of functional groups are added to the prepared carbon nanotube fibers, A plurality of functional groups are respectively reacted with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, wherein the alkyne reacts with one or more carbon nanotubes under Cu (I) catalyst conditions to form respective chemical bonds between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, The one or more carbon nanotubes each include an aromatic compound having an azide group on its surface, The reaction with the azide group and alkyne to form a chemical bond between the aromatic compound. The reaction corresponds to a click coupling reaction (see FIG. 5). For example, the plurality of alkane-substituted aromatic compounds used may be arylalkyne.

본 발명에 따라 상기 설명된 방법에 의해 후처리 되는 탄소나노튜브섬유는 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 개별 탄소나노튜브 간 강한 공유결합이 형성되기 때문에, 종래 탄소나노튜브섬유에 비하여 기계적 물성이 현저히 상승하는 효과가 존재한다. 또한, 상기 반응들은 비교적 저온에서도 수행이 가능하며, 단시간(약 5분 이하)에 반응이 일어나기 때문에 대규모의 생산에도 적합한 효과를 가진다. 또한, 후처리에 사용되는 용매에 의해 물리적인 집속이 가능한 경우라면, 보다 강한 물성의 섬유를 생산할 수도 있다.
According to the present invention, since carbon nanotube fibers post-treated by the above-described method have strong covalent bonds between individual carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers, mechanical properties thereof are remarkably higher than those of conventional carbon nanotube fibers There is an ascending effect. In addition, the reactions can be carried out at a relatively low temperature, and the reaction takes place in a short time (about 5 minutes or less), which is suitable for large-scale production. Further, if physical focusing is possible by the solvent used in the post-treatment, it is possible to produce fibers having higher physical properties.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for illustrating the present invention and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example 1 One

두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물을 사용한 탄소나노튜브섬유의 후처리 방법은 아래와 같다.A method for post-treatment of carbon nanotube fibers using an aromatic compound substituted with two amine groups is as follows.

황산 50 ml, p-phenylenediamine 0.8 g, sodium nitrite 0.25 g을 60 ℃의 온도에서 1시간 동안 혼합한다. 이 과정에서 생성되는 라디칼이 수분 혹은 공기와 접촉하여 제거되지 않도록 질소분위기에서 이 반응을 실시한다. 제조된 용액에 탄소나노튜브섬유를 5분간 함침시킨다. 탄소나노튜브섬유에 존재하는 다이아조늄염 용액을 제거하기 위해 섬유를 DMF에 상온에서 30분 간 함침시키고, 섬유에 존재하는 DMF을 제거하기 위해 에탄올에 상온에서 1시간 동안 함침시킨다. 마지막으로 60 ℃의 진공오븐에 24시간 동안 건조시킨다(도 1 참조).
50 ml of sulfuric acid, 0.8 g of p-phenylenediamine and 0.25 g of sodium nitrite are mixed at 60 ° C for 1 hour. This reaction is carried out in a nitrogen atmosphere so that the radicals produced in this process are not removed by contact with moisture or air. Carbon nanotube fibers are impregnated into the prepared solution for 5 minutes. In order to remove the diazonium salt solution present in the carbon nanotube fibers, the fibers are impregnated with DMF at room temperature for 30 minutes and impregnated in ethanol at room temperature for 1 hour to remove DMF present in the fibers. Finally, it is dried in a vacuum oven at 60 DEG C for 24 hours (see Fig. 1).

실시예Example 2 2

하나의 아민기와 하나의 요오드(할로겐) 원자가 치환된 방향족 화합물을 사용한 탄소나노튜브섬유의 후처리 방법은 아래와 같다.A method for post-treatment of carbon nanotube fibers using an aromatic compound substituted with one amine group and one iodine (halogen) atom is as follows.

황산 50 ml, 4-iodoaniline 0.8 g, sodium nitrite 0.25 g을 60 ℃의 온도에서 1시간 동안 혼합한다. 이 과정에서 생성되는 라디칼이 수분 혹은 공기와 접촉하여 제거되지 않도록 질소분위기에서 이 반응을 실시한다. 제조된 용액에 탄소나노튜브섬유를 5분간 함침시킨다. 탄소나노튜브섬유에 존재하는 다이아조늄염 용액을 제거하기 위해 섬유를 DMF에 상온에서 30분 간 함침시키고, 섬유에 존재하는 DMF을 제거하기 위해 에탄올에 상온에서 1시간 동안 함침시킨다. 마지막으로 60 ℃의 진공오븐에 24시간 동안 건조하여 요오드로 치환된 방향족성 작용기가 탄소나노튜브 표면에 도입된 탄소나노튜브섬유를 제작한다. 또한 요오드를 제거하여 생성되는 라디칼끼리 반응해 탄소나노튜브 간 가교결합을 형성하기 위해 요오드가 치환된 방향족성 작용기가 도입된 탄소나노튜브를 200 ℃에서 10분간 처리한다(도 2 참조).
50 ml of sulfuric acid, 0.8 g of 4-iodoaniline and 0.25 g of sodium nitrite are mixed at 60 ° C for 1 hour. This reaction is carried out in a nitrogen atmosphere so that the radicals produced in this process are not removed by contact with moisture or air. Carbon nanotube fibers are impregnated into the prepared solution for 5 minutes. In order to remove the diazonium salt solution present in the carbon nanotube fibers, the fibers are impregnated with DMF at room temperature for 30 minutes and impregnated in ethanol at room temperature for 1 hour to remove DMF present in the fibers. Finally, the carbon nanotube fiber is dried in a vacuum oven at 60 ° C. for 24 hours to prepare an aromatic functional group substituted with iodine introduced on the surface of the carbon nanotube. In addition, iodine-eliminated radicals are reacted with each other to form cross-linking between the carbon nanotubes, and the carbon nanotubes to which the iodine-substituted aromatic functional group is introduced are treated at 200 ° C for 10 minutes (see FIG. 2).

비교예Comparative Example 1 One

상기 후처리 과정을 거치지 않은 탄소나노튜브섬유를 준비하였다. Carbon nanotube fibers not subjected to the post-treatment process were prepared.

1,130~1,250 ℃의 수직형 전기로에 탄소나노튜브의 주요 구성물질인 탄소를 공급하기 위한 물질로 에탄올 혹은 아세톤과, 탄소나노튜브의 성장기반이 되는 촉매 역할물질로 ferrocene 0.1~2.5 wt%와, 활성제 역할의 thiophene 0.05~5 wt%을 섞어 2시간 동안 초음파 처리한 용액을 5~25 ml/h의 속도로 주입하고, 여기에 물질을 이동시키기 위한 목적의 수소가스를 800~1600 sccm의 속도로 주입하면 전기로 내부에서 탄소나노튜브가 합성된다. 이를 전기로 아래의 수조에 통과시키고 DMSO 처리 후, 온도 200 ℃의 건조기에 통과시켜 탄소나노튜브섬유를 제작하였다.
As a material to supply carbon, which is a main constituent of carbon nanotubes, in a vertical type electric furnace at 1,130 ~ 1,250 ℃, ethanol or acetone and 0.1 ~ 2.5 wt% of ferrocene as a catalyst acting as a base material for growth of carbon nanotubes, The solution was sonicated for 2 hours at a rate of 5 ~ 25 ml / h. The hydrogen gas was then injected at a rate of 800 ~ 1600 sccm. The carbon nanotubes are synthesized inside the electric furnace. The mixture was passed through a water tank under an electric furnace, treated with DMSO, and passed through a dryer at a temperature of 200 ° C to produce carbon nanotube fibers.

실험 1Experiment 1

두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물을 이용한 다이아조늄염 반응을 통해 탄소나노튜브 간 가교결합 형성이 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해 실시예 1와 비교예 1에서 제작한 탄소나노튜브섬유의 인장강도를 확인한 결과를 표 1에 나타내었다. 상기 실험에서 사용한 기기는 The tensile strength and modulus values were estimated by universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA) 이다.
In order to confirm the effect of crosslinking formation between carbon nanotubes on the mechanical properties of carbon nanotube fibers through a diazonium salt reaction using an aromatic compound substituted with two amine groups, the carbon nanotubes prepared in Example 1 and Comparative Example 1 The results of confirming the tensile strength of the tube fibers are shown in Table 1. The tensile strength and modulus values were estimated by a universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA).

<탄소나노튜브 간 가교결합 형성에 따른 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성 변화><Changes in Mechanical Properties of Carbon Nanotube Fibers due to Cross-Linking Between Carbon Nanotubes> 구분division 샘플명Sample name 인장강도The tensile strength (N/ (N / textex )) 실시예 1Example 1 가교결합된 탄소나노튜브섬유Crosslinked carbon nanotube fibers 0.60 ±0.120.60 + - 0.12 비교예 1Comparative Example 1 순수 탄소나노튜브섬유Pure carbon nanotube fiber 0.38 ±0.080.38 + 0.08

상기 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명을 이용하여 탄소나노튜브 간 가교결합된 탄소나노튜브섬유를 제작할 경우, 순수 탄소나노튜브섬유와 비교하여 인장강도가 최대60% 향상된 탄소나노튜브섬유를 제작할 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명을 통해 두 개의 아민기가 치환된 방향족 화합물을 이용하여 탄소나노튜브섬유의 다이아조늄염 반응을 진행하면 섬유를 구성하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노튜브 다발 간에 가교결합, 즉 강한 화학적 결합을 유도함으로써 본래의 반데르발스 결합에 의한 약한 결합력을 보완하여 섬유에 적용된 인장력을 보다 효과적으로 분산시키는 고강도의 탄소나노튜브섬유를 제작할 수 있다.
As shown in Table 1, when carbon nanotube fibers crosslinked between carbon nanotubes are produced using the present invention, it is possible to produce carbon nanotube fibers having an improved tensile strength by 60% as compared with pure carbon nanotube fibers . When the diazonium salt reaction of the carbon nanotube fibers is performed using the aromatic compound substituted with two amine groups through the present invention, crosslinking, that is, strong chemical bonding is induced between the carbon nanotubes or the carbon nanotube bundles constituting the fibers It is possible to fabricate high strength carbon nanotube fibers that more effectively disperses the tensile force applied to the fibers by complementing the weak bonding force by the original van der Waals bonding.

실험 2Experiment 2

하나의 아민기와 하나의 요오드 원자가 치환된 방향족 화합물을 이용한 다이아조늄염 반응 및 열처리를 통한 탄소나노튜브 간 가교결합 형성이 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해 실시예 2와 비교예 1에서 제작한 탄소나노튜브섬유의 인장강도와 탄성률과 신율을 확인한 결과를 표 2에 나타내었다. 상기 실험에서 사용한 기기는 The tensile strength and modulus values were estimated by universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA) 이다. In order to confirm the effect of diazonium salt reaction using one amine group and one iodine atom-substituted aromatic compound and formation of cross-linking between carbon nanotubes through heat treatment on the mechanical properties of carbon nanotube fibers, The results of confirming the tensile strength, elastic modulus and elongation of the carbon nanotube fibers produced in Table 1 are shown in Table 2. The tensile strength and modulus values were estimated by a universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA).

또한, 상기 실시예 2와 비교예 1에서 제작한 탄소나노튜브섬유의 Raman 분석에 나타난 G-band와 D-band 크기의 비율을 측정하여 표 3에 나타내었다. 상기 실험에서는 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy)를 사용하였다.The ratio of the G-band to the D-band in the Raman analysis of the carbon nanotube fibers prepared in Example 2 and Comparative Example 1 was measured and shown in Table 3. In this experiment, Raman spectroscopy was used.

<탄소나노튜브 간 가교결합 형성에 따른 탄소나노튜브의 기계적 물성 변화><Changes in Mechanical Properties of Carbon Nanotubes due to Cross-Linking Between Carbon Nanotubes> 구분division 샘플명Sample name 인장강도The tensile strength (N/ (N / textex )) 탄성률 (N/The elastic modulus (N / textex )) 신율Elongation (%) (%) 실시예 2Example 2 열처리된 I-Ph-탄소나노튜브섬유Heat treated I-Ph-carbon nanotube fibers 0.61 ±0.100.61 + - 0.10 55.21 ±13.0655.21 + - 13.06 3.40 ±1.013.40 ± 1.01 비교예 1Comparative Example 1 순수 탄소나노튜브섬유Pure carbon nanotube fiber 0.22 ±0.020.22 0.02 19.59 ±1.7519.59 ± 1.75 12.71 ±0.8212.71 ± 0.82

실험예 1와 마찬가지로, 상기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명을 이용하여 탄소나노튜브 간 가교결합 된 탄소나노튜브섬유를 제작할 경우, 순수 탄소나노튜브섬유와 비교하여 인장강도가 최대 180% 향상된 탄소나노튜브섬유를 제작할 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명을 통해 하나의 아민기와 하나의 요오드 원자가 치환된 방향족 화합물을 이용해 탄소나노튜브섬유에 요오드로 치환된 방향족성 작용기를 도입하고, 열처리를 통해 생성된 개별 탄소나노튜브의 라디칼끼리 반응토록 하면 섬유를 구성하는 탄소나노튜브 혹은 탄소나노튜브 다발 간에 강한 가교결합을 유도함으로써 본래의 반데르발스 결합에 의한 약한 결합력을 보완하여 섬유에 적용된 인장력을 보다 효과적으로 분산시키는 고강도의 탄소나노튜브섬유를 제작할 수 있다.As in Experimental Example 1, when carbon nanotube fibers crosslinked between carbon nanotubes were produced using the present invention as shown in Table 2, carbon nanotube fibers having a tensile strength increased by up to 180% as compared with pure carbon nanotube fibers It can be seen that tube fibers can be made. In the present invention, an aromatic functional group substituted with iodine is introduced into a carbon nanotube fiber using an aromatic compound substituted with one amine group and one iodine atom, and the radicals of the individual carbon nanotubes generated through the heat treatment are reacted with each other, The carbon nanotubes or the carbon nanotube bundles constituting the carbon nanotube bundle are induced to induce a strong crosslinking so that the weak binding force due to the original van der Waals bonding can be compensated to produce a high strength carbon nanotube fiber that more effectively disperses the tensile force applied to the fibers .

<다이아조늄염 반응 및 열처리에 따른 탄소나노튜브의 작용기 도입 및 가교결합 형성 확인을 위한 분석>&Lt; Analysis for confirming carbon nanotube functional group introduction and cross-linking formation by diazonium salt reaction and heat treatment > 구분division 샘플명Sample name RamanRaman
(( II GG // II DD )*) *
원소 함량 (%)Elemental content (%)
CC OO NN SS II 실시예 2Example 2 I-Ph-탄소나노튜브섬유I-Ph-carbon nanotube fibers 2.652.65 82.4182.41 13.3613.36 1.321.32 0.690.69 0.020.02 열처리된
I-Ph-탄소나노튜브섬유
Heat-treated
I-Ph-carbon nanotube fibers
2.222.22 75.3075.30 16.5716.57 1.021.02 1.671.67 0.000.00
비교예 1Comparative Example 1 순수 탄소나노튜브섬유Pure carbon nanotube fiber 3.343.34 92.1492.14 5.015.01 1.151.15 0.120.12 0.000.00

* IG/ID:Raman분석 결과에 나타나는 G-band와 D-band의 크기 비교* I G / I D : Comparison between G-band and D-band in Raman analysis

상기 표 3에 나타낸 바와 같이 Raman 분석에 나타난 G-band와 D-band 크기의 비율이 탄소나노튜브섬유의 다이아조늄염 반응 및 열처리를 진행해 나감에 따라 감소하여 본래 탄소나노튜브가 보유한 육각형 고리구조를 상실하고 탄소나노튜브 표면에 작용기가 도입되었음을 확인할 수 있다. 상기 표 3에 나타낸 바와 같이 XPS를 통한 원소분석 결과, 다이아조늄염 반응으로 인해 도입된 요오드 원자가 열처리를 통해 떨어져 나갔음을, 즉 이로 인해 생성된 각 탄소나노튜브의 라디칼이 서로 결합하여 가교결합 형성에 관여하였음을 알 수 있다.
As shown in Table 3, the ratio of the G-band and the D-band in the Raman analysis decreased as the diamonium salt reaction and heat treatment of the carbon nanotube fibers proceeded. As a result, the hexagonal ring structure originally possessed by the carbon nanotubes And the functional group is introduced on the surface of the carbon nanotube. As shown in Table 3, the elemental analysis by XPS revealed that the iodine atoms introduced due to the diazonium salt reaction fell off through the heat treatment, that is, the radicals of the respective carbon nanotubes produced thereby resulted in crosslinking formation It is understood that it is involved.

실험 3Experiment 3

다이아조늄염 반응시간에 따른 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성변화를 확인하기 위하여 실시예 1와 비교예 1에서 제작한 탄소나노튜브섬유의 인장강도를 확인한 결과를 표 4에 나타내었다. 상기 실험에서 사용한 기기는 The tensile strength and modulus values were estimated by universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA) 이다. Table 4 shows the tensile strengths of the carbon nanotube fibers prepared in Example 1 and Comparative Example 1 in order to confirm the change in mechanical properties of the carbon nanotube fibers according to the reaction time of the diazonium salt. The tensile strength and modulus values were estimated by a universal testing machine (UTM, 5567A, Instron. USA).

<다이아조늄염 반응시간 경과에 따른 탄소나노튜브섬유의 기계적 물성 변화><Changes in Mechanical Properties of Carbon Nanotube Fibers according to Diazonium Salt Reaction Time> 구분division 샘플명Sample name 반응시간 (Reaction time ( minmin )) 인장강도The tensile strength (N/ (N / textex )) 실시예 1Example 1 가교결합된 탄소나노튜브섬유Crosslinked carbon nanotube fibers 1One 0.43 ±0.070.43 + 0.07 55 0.60 ±0.120.60 + - 0.12 2020 0.59 ±0.110.59 + 0.11 3030 0.56 ±0.110.56 + 0.11 6060 0.49 ±0.090.49 ± 0.09 120120 0.39 ±0.050.39 + - 0.05 비교예 1Comparative Example 1 순수 탄소나노튜브섬유Pure carbon nanotube fiber 00 0.38 ±0.080.38 + 0.08

상기 표 4에 나타낸 바와 같이 가교결합을 형성하기 위한 순수 탄소나노튜브섬유의 다이아조늄염 반응시간이 5분일 때 0.60 N/tex의 가장 높은 인장강도 값을 나타내었다. 이는 반응초기에 시간이 경과할수록 형성되는 가교결합의 수가 증가해 기계적 물성이 향상되었으나, 5분이 경과된 이후 섬유 내부까지 깊숙이 침투한 반응용액이 가교결합을 형성에 관여하지 않고, 한쪽의 아민기가 반응하지 않고 그대로 존재하여 친수성의 아민기가 소수성의 탄소나노튜브를 밀어내 나노튜브 간 거리를 늘리게 돼 약하게나마 존재하던 본래의 반데르발스 결합마저 파괴돼 인장강도가 낮아진 것으로 고려된다.As shown in Table 4, the highest tensile strength value of 0.60 N / tex was obtained when the reaction time of the diazonium salt of the pure carbon nanotube fiber for crosslinking was 5 minutes. However, after 5 minutes elapsed, the reaction solution penetrated deeply into the fibers did not participate in the formation of crosslinking, and one amine group reacted The hydrophilic amine groups push the hydrophobic carbon nanotubes to increase the distance between the nanotubes. Therefore, it is considered that the original van der Waals bonds, which were weakly existing, are destroyed and the tensile strength is lowered.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible in the exemplary embodiments without materially departing from the novel teachings and advantages of this invention. something to do. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (9)

탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하는 탄소나노튜브섬유 준비단계;
아민기(amine group) 및 할로겐(halogen)으로 이루어진 군에서 선택된 복수의 작용기가 치환된 방향족 화합물, 황산 및 아질산나트륨(sodium nitrite)을 상기 탄소나노튜브섬유에 제공하는 방향족 화합물 첨가 단계; 및
상기 방향족 화합물의 복수의 작용기가 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하는 결합 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
Preparing a carbon nanotube fiber comprising carbon nanotube fibers;
An aromatic compound addition step of providing a plurality of functional group-substituted aromatic compounds selected from the group consisting of an amine group and a halogen, sulfuric acid, and sodium nitrite to the carbon nanotube fibers; And
A plurality of functional groups of the aromatic compound react with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes; Wherein the carbon nanotube fiber after treatment is a carbon nanotube fiber.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 작용기는 모두 아민기(amine group)이고,
상기 결합 형성 단계에서, 상기 복수의 아민기는 50 내지 100℃의 온도 조건 하에서, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
The method according to claim 1,
The plurality of functional groups are all amine groups,
Wherein the plurality of amine groups react with the one or more carbon nanotubes to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes under a temperature condition of 50 to 100 ° C. A method for post - treatment of carbon nanotube fibers for strength improvement.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 작용기는 아민기 및 할로겐(halogen)이고,
상기 결합 형성 단계에서, 상기 아민기는 50 내지 70℃의 온도 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며,
상기 할로겐은 150 내지 250℃의 온도 조건 하에서, 다른 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 다른 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of functional groups are an amine group and a halogen,
The amine group reacts with one or more carbon nanotubes to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes under a temperature condition of 50 to 70 ° C,
Wherein the halogen is reacted with another one or more carbon nanotubes under a temperature condition of 150 to 250 ° C to form a chemical bond between the aromatic compound and the other one or more carbon nanotubes. Fiber post treatment method.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 작용기는 모두 할로겐이고,
상기 결합 형성 단계에서, 상기 할로겐은 팔라듐 또는 구리 촉매 조건 하에서, 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며,
상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 표면에 알카인 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 알카인과 상기 할로겐이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of functional groups are all halogen,
Wherein the halogen is reacted with one or more carbon nanotubes under palladium or copper catalyst conditions to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes,
Wherein the at least one carbon nanotube includes an aromatic compound having an alkane group on the surface thereof to form a chemical bond between the alkane and the halogen to form a chemical bond between the aromatic compound and the carbon nanotube fiber Post treatment method.
탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하는 탄소나노튜브섬유 준비단계;
복수의 작용기로 치환된 방향족 화합물을 상기 탄소나노튜브섬유에 첨가하되, 상기 복수의 작용기는 모두 붕산(boric acid)인 방향족 화합물 첨가 단계; 및
상기 붕산이 팔라듐 촉매 조건 하에서, 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 표면에 할로겐 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 할로겐과 상기 붕산이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 결합 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
Preparing a carbon nanotube fiber comprising carbon nanotube fibers;
Adding an aromatic compound substituted with a plurality of functional groups to the carbon nanotube fibers, wherein the plurality of functional groups are all boric acid; And
Wherein the boric acid reacts with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers under a palladium catalyst to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, A step of forming a bond including an aromatic compound having a halogen group in the halogen atom, wherein the halogen reacts with the boric acid to form a chemical bond between the aromatic compound; Wherein the carbon nanotube fiber after treatment is a carbon nanotube fiber.
탄소나노튜브로 구성된 탄소나노튜브섬유를 준비하는 탄소나노튜브섬유 준비단계;
복수의 작용기로 치환된 방향족 화합물을 상기 탄소나노튜브섬유에 첨가하되, 상기 복수의 작용기는 모두 알카인(alkyne)인 방향족 화합물 첨가 단계; 및
상기 알카인이 Cu(I) 촉매 조건 하에서, 상기 탄소나노튜브섬유를 구성하는 하나 이상의 탄소나노튜브와 반응하여, 상기 방향족 화합물과 상기 하나 이상의 탄소나노튜브 간에 화학적 결합을 형성하며, 상기 하나 이상의 탄소나노튜브는 표면에 아자이드 그룹을 가진 방향족 화합물을 포함하여, 상기 아자이드와 상기 알카인이 반응하여 방향족 화합물 간에 화학적 결합을 형성하는 결합 형성 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
Preparing a carbon nanotube fiber comprising carbon nanotube fibers;
Adding an aromatic compound substituted with a plurality of functional groups to the carbon nanotube fibers, wherein the plurality of functional groups are all alkyne; And
Wherein the alkane reacts with one or more carbon nanotubes constituting the carbon nanotube fibers under Cu (I) catalyst conditions to form a chemical bond between the aromatic compound and the one or more carbon nanotubes, The nanotube includes an aromatic compound having an azide group on its surface, and the azide and the alkane react to form a chemical bond between the aromatic compounds; Wherein the carbon nanotube fiber after treatment is a carbon nanotube fiber.
제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방향족 화합물은 벤젠인 것을 특징으로 하는 기계적 강도 향상을 위한 탄소나노튜브섬유 후처리 방법.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the aromatic compound is benzene. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 8. &lt; / RTI &gt;
제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 후처리 되는 탄소나노튜브섬유.8. Carbon nanotube fibers which are post-treated by the process according to any one of claims 1 to 7.
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