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WO2018128267A2 - 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법 - Google Patents

탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법 Download PDF

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WO2018128267A2
WO2018128267A2 PCT/KR2017/013358 KR2017013358W WO2018128267A2 WO 2018128267 A2 WO2018128267 A2 WO 2018128267A2 KR 2017013358 W KR2017013358 W KR 2017013358W WO 2018128267 A2 WO2018128267 A2 WO 2018128267A2
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WO
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carbon nanotube
carbon
nanotube fiber
gas
reducing gas
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김주한
오유진
김지은
이재홍
이원재
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LG Chem Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling the strength of carbon nanotube fiber aggregates.
  • CarbonNanotubes are materials ranging in diameter from several tens to tens of nanometers in length and from hundreds of micrometers to several millimeters in length. Due to its physical properties and high aspect ratios, research has been conducted in various fields. The unique properties of these carbon nanotubes are due to sp 2 bonds of carbon, which are stronger than iron, lighter than aluminum, and exhibit electrical conductivity comparable to metals.
  • the types of carbon nanotubes are largely determined by single-wall carbon nanotubes (SWNT), double-wall carbon nanotubes (DWNT), and multi-walled carbon nanotubes (Multi- Wall Carbon Nanotube, MWNT), and is divided into zigzag, armchair, and chiral structures according to asymmetry / chirality.
  • SWNT single-wall carbon nanotubes
  • DWNT double-wall carbon nanotubes
  • MWNT multi-walled carbon nanotubes
  • Representative methods of fiberizing carbon nanotubes include 'coagulation spinning', 'liquid-crystalline spinning' and 'direct spinning'.
  • the coagulation spinning method involves injecting a dispersion solution containing carbon nanotubes and a dispersant into a polymer solution, and then discharging the dispersant in the dispersion solution into a polymer solution and replacing the polymer with a role of a binder to act as a binder. It is a method of fiberizing.
  • the liquid crystal spinning method is a method in which a carbon nanotube solution is fiberized using a property of forming a liquid crystal under specific conditions. This method has the advantage of making carbon nanotube fibers with good orientation, but has the disadvantage that the spinning speed is very slow and the liquid crystal forming conditions of the carbon nanotubes are difficult.
  • the direct spinning method involves injecting a liquid carbon source and a catalyst together with a carrier gas into the upper inlet of a vertically heated high temperature furnace to synthesize carbon nanotubes in the furnace and then, together with the carrier gas, A method of obtaining fibers by winding up the carbon nanotube assembly lowered to the inside or outside of a heating furnace.
  • the properties of CNT aggregates include excellent physical strength, electrical conductivity, and thermal conductivity, and many studies have been conducted to improve such physical properties.
  • the breaking strength of the CNT aggregate may be improved to improve physical strength, and in order to improve the breaking strength, physical post-treatment and chemical post-treatment may be generally performed.
  • the present invention is a method for producing a carbon nanotube fiber aggregate by spinning a spinning raw material containing a carbon source in the presence of a carrier gas containing a reducing gas, the molar ratio of the carbon source to the reducing gas [carbon source / Reducing gas] is adjusted to 0.03 or more to provide a carbon nanotube fiber assembly manufacturing method for controlling the carbon nanotube fiber aggregate strength.
  • the elongation at break may increase as the molar ratio [carbon source / reduced gas] value of the carbon source to the reducing gas increases.
  • the molar ratio [carbon source / reduced gas] of the carbon source to the reducing gas may satisfy the following Equation 1 or Equation 2:
  • y is the elongation at break
  • x is the molar ratio of carbon source to reducing gas
  • the reducing gas may include hydrogen gas, ammonia gas or a mixture thereof.
  • the carrier gas may further include an inert gas.
  • the spinning material may be a catalyst precursor dispersed in a liquid or gaseous carbon compound.
  • liquid or gaseous carbon compound is methane, ethylene, acetylene, methyl acetylene, vinyl acetylene, ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethyl acetate, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesh And one or more selected from the group consisting of styrene, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride and pentane.
  • THF tetrahydrofuran
  • DMF dimethylformamide
  • dichloromethane hexane
  • benzene carbon tetrachloride
  • pentane pentane
  • the catalyst precursor may include one or more selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium and oxides thereof.
  • the catalyst precursor may be in the form of a metallocene.
  • the method of the present invention may be to directly spin the carbon nanotube fibers by forming a carbon nanotube from the spinning material and continuously fused it.
  • the supply flow rate of the spinning material may be 10 to 500 ml / min
  • the supply flow rate of the carrier gas may be 1 to 5 L / min.
  • the present invention can improve the strength of the carbon nanotube fiber assembly by a simple process of controlling the molar ratio of the reducing gas in the carbon source and carrier gas injected during the production of the carbon nanotube assembly.
  • the carbon nanotube fiber assembly produced by the method according to the present invention is a reinforcing material of a multifunctional composite material, a strain and damage detector using a stable and repetitive piezo resistance effect, a transmission line using high conductivity, high specific surface area, excellent mechanical properties and electrical conductivity It is expected to be applicable to various fields such as electrochemical devices using, for example, microelectrode materials for detecting biomaterials, supercapacitors and actuators.
  • 1 is a graph showing the elongation at break according to the molar ratio of carbon source and reducing gas with respect to the carbon nanotube fiber assembly.
  • aggregate may be used interchangeably with “aggregate” and may be understood to mean a collection of singular individuals.
  • injection may be used interchangeably with “introduction, input” within this specification and may be understood to mean flowing or injecting liquid, gas, or heat to where necessary. .
  • carbon nanotube fibers refers to both carbon nanotubes formed by growing in a fiber form or a plurality of carbon nanotubes formed by fusing into a fiber form.
  • the present invention can produce a carbon nanotube fiber aggregate by controlling the molar ratio of the hydrogen gas in the carbon source and the carrier gas in the injected raw material in order to control the strength of the carbon nanotube fiber aggregate.
  • the present invention provides a method for producing a carbon nanotube fiber aggregate by spinning a spinning raw material including a carbon source in the presence of a carrier gas containing a reducing gas, wherein the molar ratio [carbon source / reducing gas] of the carbon source to reducing gas is 0.03 or more.
  • a method for controlling carbon nanotube fiber aggregate strength is provided.
  • the elongation at break may increase as the molar ratio of the carbon source to the reducing gas [carbon source / reduced gas] increases, and when the molar ratio is more than 0.03, the natural log of the breaking strength is 100% or more.
  • the molar ratio may be 0.033 or more and 0.05 or less.
  • the molar ratio [carbon source / reduced gas] of the carbon source to the reducing gas may satisfy the following equation (1) or (2):
  • y is the elongation at break
  • x is the molar ratio of carbon source to reducing gas
  • the reducing gas may include, for example, hydrogen gas, ammonia gas or a mixture thereof.
  • the carrier gas may further include an inert gas.
  • Inert gases may include gases containing nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, or mixtures thereof, and these inert gases are chemically so stable that they tend not to exchange or share electrons. Therefore, it can serve to enable the flow and movement of carbon nanotubes due to the inflow of gas without reaction with carbon nanotubes (CNT).
  • the present invention provides a chemical vapor deposition method (CD, Chemical deposition may be used to directly spin carbon nanotube fibers or ribbons from carbon nanotubes formed immediately after the injection of the spinning material in the reactor.
  • CD chemical vapor deposition method
  • carbon nanotubes are synthesized in a heating furnace by injecting a radioactive material added with a catalyst to a carbon source into a vertical vertical furnace with a carrier gas at a constant speed, and fusion of the same. It is a process of continuously manufacturing carbon nanotube fibers consisting purely of carbon nanotubes.
  • the reaction region of the high temperature heating furnace is a region in which a carbon source forms carbon nanotubes by a graphene catalyst and simultaneously forms a continuous aggregate.
  • carbon nanotubes may be synthesized, the synthesized carbon nanotubes may be grown or fused, and then continuously collected, and a cylindrical carbon nanotube fiber aggregate may be formed.
  • the formed carbon nanotube fibers may be wound using winding means.
  • the winding speed may influence the orientation of the carbon nanotubes in the fiber axial direction, which may be a factor in determining the thermal, electrical, and physical properties of the carbon nanotube fibers, for example, in the range of 5 to 100 rpm. Can be. If the winding recovery rate is high, difficulties in continuous production may occur due to the problem of breaking the carbon nanotube fibers.
  • the temperature of the reaction zone may be 1,000 °C to 3000 °C.
  • the temperature may be maintained at 1000 ° C to 2,000 ° C, 1,000 ° C to 1,500 ° C, or 1,000 ° C to 1300 ° C, and more preferably 1,150 ° C to 1,250 ° C. If less than 1000 °C, there may be a problem that the carbon nanotube fibers are not formed. If the temperature exceeds 3000 ° C., carbon nanotubes may have a problem of vaporizing.
  • the radiation source comprising a carbon source may be carbonized and graphitized while flowing from the top to the bottom of the furnace or from the bottom to the top to form carbon nanotube fibers composed of sock or aggregates of carbon nanotubes.
  • the radioactive material is a catalyst or catalyst precursor dispersed in a carbon compound, and the catalyst or catalyst precursor may be mixed in an amount of 0.5 to 10% by weight, or 1 to 5% by weight, or 1.5 to 4% by weight based on the carbon compound.
  • the catalyst acts as an impurity, making it difficult to obtain high-purity carbon nanotube fibers, but may be a factor that inhibits the thermal, electrical and physical properties of the carbon nanotube fibers. .
  • the carbon compound may be in a liquid or gaseous phase, is synthesized as carbon nanotubes by diffusion into the catalyst as a carbon source, considering the molecular weight distribution, concentration, viscosity, surface tension, dielectric constant and properties of the solvent used To use.
  • the liquid or gaseous carbon compound may be methane, ethylene, acetylene, methylacetylene, vinylacetylene, ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethyl acetate, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene, Tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide (DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride and pentane.
  • THF Tetrahydrofuran
  • DMF dimethylformamide
  • the liquid carbon compound is ethanol, methanol, propanol, acetone, xylene, chloroform, ethyl acetate, diethyl ether, polyethylene glycol, ethyl formate, mesitylene, tetrahydrofuran (THF), dimethylformamide ( DMF), dichloromethane, hexane, benzene, carbon tetrachloride and pentane.
  • ethanol C 2 H 5 OH
  • xylene C 8 H 10
  • diethyl ether (C 2 H 5 ) 2 O]
  • polyethylene glycol H- (O-CH 2 -CH 2 ) n -OH
  • 1-propanol CH 2 CH 2 OH
  • acetone CH 3 OCH 3
  • ethyl formate CH 3 CH 2 COOH
  • benzene C 6 H 6
  • hexane C 6 H 14
  • mesitylene C 6 H 3 (CH 3 ) 3 ].
  • the gaseous carbon compound may include one or more selected from the group consisting of methane, ethylene, acetylene, methylacetylene and vinylacetylene.
  • the catalyst or catalyst precursor may include one or more selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, platinum, ruthenium, molybdenum, vanadium and oxides thereof, but is not limited thereto.
  • the catalyst may also be in the form of nanoparticles, preferably in the form of metallocenes, such as ferrocene, which is a compound containing iron, nickel, cobalt and the like.
  • the spinning material may further include a catalytic activator.
  • a catalytic activator used as a promoter when synthesizing the carbon nanotubes, thereby increasing the carbon diffusion rate and increasing the time. Allow carbon nanotubes to be synthesized
  • an elemental sulfur or a sulfur-containing compound may be used, and specific examples thereof include sulfur-containing aliphatic compounds such as methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, and the like; Sulfur-containing aromatic compounds such as phenylthiol, diphenyl sulfide and the like; Sulfur-containing heterocyclic compounds such as pyridine, quinoline, benzothiophene, thiophene and the like; It may be sulfur as an element, preferably sulfur or thiophene, and more preferably sulfur. Sulfur reduces the melting point of the catalyst and removes amorphous carbon, allowing the synthesis of high purity carbon nanotubes at low temperatures.
  • sulfur-containing aliphatic compounds such as methylthiol, methylethylsulfide, dimethylthioketone, and the like
  • Sulfur-containing aromatic compounds such as phenylthiol, diphenyl sulfide and the like
  • the catalyst precursor and the catalyst activator may be a liquid phase in the liquid carbon compound, the gaseous phase in the gaseous carbon compound. Therefore, the liquid carbon compound can be injected by dissolving the catalyst precursor or the catalyst activator, or can be injected into the gaseous carbon compound in the form of gas.
  • the catalyst precursor is a substance which, in the system of catalysis, itself is not included in the catalyst cycle but changes to an active catalyst (or produces an active catalyst), after the catalyst precursor forms the catalyst to synthesize CNTs.
  • the supply flow rate of the radiation raw material supplied to the reaction zone may be 10 to 500sccm, preferably 50 to 150sccm or 80 to 120sccm.
  • the flow rate of the carrier gas injected into the reaction zone may be determined in a range satisfying the condition of Equation 1 above.
  • the flow rate of the carrier gas injected into the reaction zone may be determined in a range satisfying the condition of Equation 1 above.
  • it can select suitably in the range of 1-5 L / min or 1.5-3 L / min.
  • the carrier gas may be injected at a linear speed of 1 to 5 cm / sec, preferably at a 1.5 to 3 cm / sec or 1.8 to 2.5 cm / sec linear speed.
  • the carrier injection linear velocity may vary depending on the type of carrier gas, reactor size, catalyst type, and the like.
  • Ferrocene catalyst precursor 0.5 g / hr, sulfur catalyst activator, vaporized at a rate of 0.135 g / hr, methane as a carbon compound at 115 to 152.5 ml / min, and carrier gas (hydrogen) at 1.8 to 2.2 L / min at 1200 ° C. It was introduced at the top of the cylindrical reactor at the temperature of. And the carbon nanotube fiber aggregate discharged to the outlet of the bottom of the reactor was wound by a winding means consisting of bobbin (bobbin). The molar ratio of methane and hydrogen gas is shown in Table 1 below.
  • Example 1 0.034
  • Example 2 0.036
  • Example 3 0.040
  • Example 4 0.042
  • Example 5 0.046
  • Example 6 0.030
  • Example 7 0.032 Comparative Example 1 0.028
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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법에 관한 것으로서, 공급원의 몰 비를 조절함으로써 탄소나노튜브 섬유 집합체의 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법
본 출원은 2017년 1월 4일 출원된 한국 특허 출원 10-2017-0001467호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체의 강도 조절 방법에 관한 것이다.
탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(CarbonNanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 μm에서 수 mm인 물질로 1991년 Iijima 박사에 의해 Nature 저널에 보고된 이후 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되어왔다. 이러한 탄소나노튜브의 고유한 특성은 탄소의 sp2 결합에서 기인하며, 철보다 강하고, 알루미늄보다 가벼우며, 금속에 준하는 전기전도성을 나타낸다. 탄소나노튜브의 종류는 크게 나노튜브의 벽수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(Single-Wall Carbon Nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(Double-Wall Carbon Nanotube, DWNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube, MWNT)로 구분할 수 있으며, 비대칭성/말린 각도(chirality)에 따라서 지그재그(zigzag), 암체어(armchair), 키랄(chiral) 구조로 나뉜다.
탄소나노튜브를 섬유화하는 방법으로는 대표적으로 '응고방사법(coagulation spinning)', '액정방사법(liquid-crystalline spinning)' 및 ' 직접방사법(direct spinning)'이 있다.
응고방사법이란, 탄소나노튜브와 분산제를 함유하는 분산용액을 고분자용액 내로 주입하여 분산용액에 있던 분산제를 고분자용액으로 빠져나가게 하고 그 자리를 고분자가 대체하여 바인더(binder)역할을 하게 함으로써 탄소나노튜브를 섬유화하는 방법이다.
액정방사법이란, 탄소나노튜브 용액이 특정 조건에서 액정(liquid crystal)을 형성하는 성질을 이용하여 섬유화하는 방법이다. 이 방법은 배향성이 좋은 탄소나노튜브섬유를 만들 수 있다는 장점이 있지만 방사속도가 매우 느리고 탄소나노튜브의 액정형성 조건이 까다롭다는 단점이 있다.
직접방사법이란, 수직으로 세워진 고온의 가열로 상단 주입구에 액상의 탄소 공급원과 촉매를 캐리어(carrier) 가스와 함께 주입하여 가열로 내에서 탄소나노튜브를 합성하고 캐리어(carrier) 가스와 함께 가열로의 하단으로 내려온 탄소나노튜브 집합체를 가열로 내부 또는 외부에서 권취(wind-up)하여 섬유를 얻는 방법이다.
CNT 집합체의 특성에는 우수한 물리적 강도, 전기전도도, 열 전도도 등이 있으며 이러한 물성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 물리적 강도를 향상시키기 위하여 CNT 집합체의 파단강도를 향상시킬 수 있으며, 파단강도를 향상시기기 위해서는 일반적으로 물리적 후처리 및 화학적 후처리를 진행할 수 있다. 그러나, 이러한 후처리 공정에 앞서 고강도의 CNT 집합체를 제조하는 것이 중요하며, 공급원을 적절하게 조절하여 CNT 집합체의 강도를 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 섬유 집합체의 강도를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법에 있어서, 환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스]가 0.03 이상으로 조절하여 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도를 조절하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스] 값이 클수록 파단신율 값이 증가할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스]는 하기 수학식 1 또는 수학식 2를 만족할 수 있다:
[수학식 1]
y=0.0288e107.58x
[수학식 2]
0.0288e107.58x - 0.7 ≤ y ≤ 0.0288e107.58x + 0.3
상기 식 1 및 2에 있어서,
y는 파단신율, x는 환원가스에 대한 탄소원의 몰비를 의미한다.
일구현예에 따르면, 상기 환원가스는 수소 가스, 암모니아 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 캐리어 가스는 불활성 가스를 더 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 방사원료는 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 것일 수 있다.
또한, 상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 촉매 전구체는 메탈로센 형태일 수 있다.
일구현예에 따르면, 본 발명의 방법은 방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 것일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 방사원료의 공급유량은 10 내지 500 ml/min, 상기 캐리어가스의 공급유량은 1 내지 5 L/min일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 전술한 방법으로 제조된 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제공할 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명은 탄소나노튜브 집합체 제조 시 주입되는 탄소원과 캐리어 가스 중 환원가스의 몰 비를 조절하는 간단한 공정으로 탄소나노튜브 섬유 집합체의 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 탄소나노튜브 섬유 집합체는 다기능 복합재료의 강화재, 안정적이고 반복적인 피에조 저항 효과를 이용한 변형 및 손상 감지기, 고전도를 이용한 송전선, 높은 비표면적, 우수한 기계적 특성 및 전기전도도를 이용한 전기화학적 기기, 예를 들어 생체물질 감지를 위한 마이크로전극재료, 슈퍼커패시터 및 액추에이터 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 탄소나노튜브 섬유 집합체에 대하여 탄소원과 환원가스의 몰 비에 따른 파단신율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에 사용된 용어 "집합체"는 "응집체"와 혼용하여 기재될 수 있으며, 단수의 개체가 모인 집합을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "주입"은 본 명세서 내에 "유입, 투입"과 함께 혼용하여 기재될 수 있으며, 액체, 기체 또는 열 등을 필요한 곳으로 흘러 들여보내거나 넣는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브 섬유" 라는 용어는 탄소나노튜브가 섬유 형태로 성장되어 형성되거나 복수개의 탄소나노튜브가 섬유 형태로 융합되어 형성된 것을 모두 지칭한다.
이하, 본 발명의 구현예에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소나노튜브 섬유 집합체의 강도를 조절하기 위하여, 주입되는 방사원료 중의 탄소원과 캐리어 가스 중의 수소가스 몰비를 조절함으로써 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조할 수 있다.
본 발명은 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법에 있어서, 환원가스에 대한 탄소원의 몰 비[탄소원/환원가스]가 0.03 이상인 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도 조절 방법을 제공한다.
일구현예에 따르면, 상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰 비[탄소원/환원가스] 값이 클수록 파단신율 값이 증가할 수 있으며, 상기 몰 비가 0.03 이상일 경우, 파단강도의 자연로그 값이 100% 이상일 수 있고, 예를 들어, 상기 몰 비는 0.033 이상 0.05 이하일 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰 비[탄소원/환원가스]는 하기 수학식 1 또는 수학식 2를 만족할 수 있다:
[수학식 1]
y=0.0288e107.58x
[수학식 2]
0.0288e107.58x - 0.7 ≤ y ≤ 0.0288e107.58x + 0.3
상기 식 1 및 2에 있어서,
y는 파단신율, x는 환원가스에 대한 탄소원의 몰비를 의미한다.
일구현예에 따르면, 상기 환원가스는 예를 들어 수소 가스, 암모니아 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐리어 가스는 불활성가스를 더 포함할 수 있다. 불활성 가스로 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 또는 이들의 혼합 성분을 함유하는 기체를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 기체는 화학적으로 매우 안정하여 전자를 주고 받거나 공유하지 않으려는 성질을 가지므로, 탄소나노튜브(CNT)와의 반응 없이 기체의 유입으로 인해 탄소나노튜브를 유동 및 이동할 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
탄소나노튜브 섬유를 제조하는 기술로는, 용액방사, 어레이방사, 에어로겔방사, 필름의 꼬기/롤링(rolling)법 등을 적용할 수 있으며, 일구현예에 따르면, 본 발명은 화학증착법(CD, chemical deposition)을 이용하여 반응기 내에서 방사원료의 투입 직후 형성되는 탄소나노튜브로부터 탄소나노튜브 섬유 또는 리본을 직접 방사하는 공정을 따를 수 있다.
상기 직접방사법(direct spinning)은 탄소원에 촉매를 첨가한 방사원료를 캐리어 가스와 함께 수직의 고온 가열로(vertical furnace)에 일정 속도로 주입하여 탄소나노튜브를 가열로 내에서 합성하고, 이를 융합하여 순수하게 탄소나노튜브만으로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 연속적으로 제조하는 공정이다.
고온 가열로의 반응영역은 탄소원이 그래핀화 촉매에 의해 탄소나노튜브를 형성하고 이와 동시에 연속집합체를 형성하는 영역이다. 상기 반응영역에서 방사원료를 반응시키면, 탄소나노튜브가 합성되고, 합성된 탄소나노튜브가 성장 또는 융합하여 연속적으로 집합되고, 원통 형상의 탄소나노튜브 섬유 집합체가 형성될 수 있다. 그리고 형성된 탄소나노튜브 섬유는 권취 수단을 이용하여 권취할 수 있다. 권취 속도는 섬유 내 탄소나노튜브가 섬유 축 방향으로 배향되는데 영향을 주어, 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 성질을 결정하는 요인이 될 수 있으며, 예를 들어, 5 내지 100rpm 범위에서 와인딩할 수 있다. 권취 회수 속도가 높을 경우에는 탄소나노튜 섬유가 끊어지는 문제점으로 인하여 연속적인 생산에 어려움이 발생할 수 있다.
반응영역의 온도는 1,000℃ 내지 3000℃일 수 있다. 바람직하게는 1000℃ 내지 2,000℃, 1,000℃ 내지 1,500℃ 또는 1,000℃ 내지 1300℃의 온도를 유지할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1,150℃ 내지 1,250℃일 수 있다. 만약 1000℃ 미만이면, 탄소나노튜브 섬유가 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 그리고, 3000℃를 초과하면 탄소나노튜브가 기화되는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위가 바람직하다.
탄소원을 포함하는 방사원료는 가열로 상단으로부터 하단을 향해, 또는 하단으로부터 상단으로 유동하면서 탄화 및 흑연화됨으로써 탄소나노튜브의 연속 집합체(sock 또는 aggregates)로 이루어진 탄소나노튜브 섬유를 형성할 수 있다.
방사원료는 탄소화합물에 촉매 또는 촉매 전구체가 분산된 것으로서, 탄소화합물에 대하여 촉매 또는 촉매 전구체가 0.5 내지 10중량%, 또는 1 내지 5 중량%, 또는 1.5 내지 4 중량%로 혼합될 수 있다. 탄소원에 비해 과잉의 촉매 또는 촉매 전구체를 사용하는 경우 촉매가 불순물로 작용하여 고순도의 탄소나노튜브섬유를 수득하기 어려우며, 오히려 탄소나노튜브 섬유의 열적, 전기적, 물리적 특성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
일구현예에 따르면, 상기 탄소화합물은 액상 또는 기상일 수 있으며, 탄소원으로서 촉매로 확산됨으로써 탄소나노튜브로 합성되며, 분자량 분포도, 농도, 점도, 표면 장력, 유전율 상수 및 사용하는 용매의 성질을 고려하여 이용한다.
상기 액상 또는 기상의 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액상의 탄소화합물은 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 에탄올(C2H5OH), 자일렌(C8H10), 디에틸에테르[(C2H5)2O], 폴리에틸렌글리콜[H-(O-CH2-CH2)n-OH], 1-프로판올(CH3CH2CH2OH), 아세톤(CH3OCH3), 에틸포르메이트(CH3CH2COOH), 벤젠(C6H6), 헥산(C6H14) 및 메시틸렌[C6H3(CH3)3]으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 기상 탄소화합물은 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐아세틸렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 촉매 또는 촉매 전구체는 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 촉매는 나노입자 형태일 수 있고, 바람직하게는 철, 니켈, 코발트 등이 함유된 화합물인 페로센(ferrocene)과 같은 메탈로센 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 방사원료는 촉매 활성제를 더 포함할 수 있다. 통상적으로 탄소나노튜브의 합성은 촉매가 용융된 상태에서 탄소가 촉매로 확산된 후 석출되면서 진행되는데, 상기 촉매 활성제는 탄소나노튜브 합성시 프로모터로 사용되어 탄소 확산율(diffusion rate)을 증가시켜 빠른 시간 내에 탄소나노튜브가 합성되도록 한다.
상기 촉매 활성제로는 예를 들면 황 원소, 황 함유 화합물을 사용할 수 있고, 구체적인 예로는, 메틸티올, 메틸에틸술피드, 디메틸티오케톤 등과 같은 황 함유 지방족 화합물; 페닐티올, 디페닐술피드 등과 같은 황 함유 방향족 화합물; 피리딘, 퀴놀린, 벤조티오펜, 티오펜 등과 같은 황 함유 복소환식 화합물; 원소로서 황일 수 있으며, 바람직하게는 황 또는 티오펜일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 황일 수 있다. 황은 촉매의 녹는점을 감소시키고, 비정질 탄소를 제거하여 낮은 온도에서 고순도의 탄소나노튜브를 합성할 수 있도록 해준다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 촉매 전구체 및 촉매 활성제는 액상 탄소화합물에서는 액상일 수 있고, 기상 탄소화합물에서는 기상일 수 있다. 따라서, 액상 탄소화합물에는 촉매 전구체나 촉매 활성제를 녹여서 주입 가능하며, 기상 탄소 화합물에 기화하여 가스 형태로도 주입 가능하다.
촉매 전구체는 촉매반응의 계 내에서, 그 자체는 촉매사이클 속에 포함되지 않지만 활성적인 촉매로 변화하는(혹은 활성적인 촉매를 생성하는) 물질이며, 촉매전구체가 촉매를 형성한 후 CNT를 합성한다.
본 발명에 있어서, 반응영역으로 공급되는 방사원료의 공급 유량은 10 내지 500sccm일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 150sccm 또는 80 내지 120sccm일 수 있다.
또한, 반응영역으로 주입되는 캐리어 가스의 유량은 상기 식 1의 조건을 만족하는 범위에서 정해질 수 있다. 예를 들면 수소가스의 경우, 1 내지 5L/min 또는 1.5 내지 3L/min의 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 캐리어 가스는 1 내지 5cm/sec의 선속도로 주입될 수 있으며, 바람직하게는 1.5 내지 3cm/sec 또는 1.8 내지 2.5cm/sec의 선속도로 주입될 수 있다. 캐리어 주입 선속도는 캐리어 가스의 종류, 반응기 사이즈, 촉매 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 및 비교예: 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조
페로센 촉매 전구체 0.5g/hr, 황 촉매 활성제 0.135g/hr 속도로 기화하여 투입하고, 탄소화합물로서 메탄 115~152.5ml/min 속도로, 운반기체(수소) 1.8~2.2L/min 속도로 1200℃의 온도인 원통형 반응기의 상단에 유입시켰다. 그리고 반응기 하단의 배출구로 배출되는 탄소나노튜브 섬유 집합체를 보빈(bobbin)으로 구성된 권취수단으로 감았다. 메탄과 수소가스의 몰 비는 하기 표 1과 같다.
구분 CH4와 H2의 몰비
실시예 1 0.034
실시예 2 0.036
실시예 3 0.040
실시예 4 0.042
실시예 5 0.046
실시예 6 0.030
실시예 7 0.032
비교예 1 0.028
실험예 1: 파단신율 평가
상기 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노튜브 섬유 집합체에 대한 파단신율을 평가하기 위하여 FAVIMAT (인장강도 측정장비) 측정값을 도 1의 그래프에 나타내었다. 인장강도 측정 방법은 Textecho사의 FAVIMAT+장비를 이용하여 측정하였으며, load cell 범위는 210cN 이었다. Gauge length는 2.0cm 이고, 2mm/min의 속도로 실험을 진행하였다.
도 1에 나타난 바와 같이, 환원가스에 대한 탄소원의 몰비(x)가 0.030 이상인 경우에는 몰비가 증가할수록 파단신율 값(y)이 하기 수학식 1 또는 2의 관계식에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었으나, 탄소원/환원가스 몰비가 0.028인 경우에는 탄소나노튜브 섬유집합체의 파단강도가 지나치게 약해져 측정이 곤란하였다.
[수학식 1]
y=0.0288e107.58x
[수학식 2]
0.0288e107.58x - 0.7 ≤ y ≤ 0.0288e107.58x + 0.3
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 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.

Claims (12)

  1. 탄소원을 포함하는 방사원료를 환원가스를 포함하는 캐리어 가스 존재 하에 방사하여 탄소나노튜브 섬유 집합체를 제조하는 방법에 있어서,
    환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스]를 0.03 이상으로 조절하여 탄소나노튜브 섬유 집합체 강도를 조절하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스] 값이 클수록 파단신율 값이 증가하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환원가스에 대한 탄소원의 몰비[탄소원/환원가스]가 하기 수학식 1 또는 수학식 2를 만족하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법:
    [수학식 1]
    y=0.0288e107.58x
    [수학식 2]
    0.0288e107.58x - 0.7 ≤ y ≤ 0.0288e107.58x + 0.3
    상기 식 1 및 2에 있어서,
    y는 파단신율, x는 환원가스에 대한 탄소원의 몰비를 의미한다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 환원가스가 수소 가스, 암모니아 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어 가스가 불활성 가스를 더 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사원료가 액상 또는 기상의 탄소화합물에 촉매 전구체가 분산되어 있는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 액상 또는 기상의 탄소화합물이 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 메틸아세틸렌, 비닐아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 아세톤, 자일렌, 클로로포름, 에틸아세트산, 디에틸에테르, 폴리에틸렌글리콜, 에틸포르메이트, 메시틸렌, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디클로로메탄, 헥산, 벤젠, 사염화탄소 및 펜탄으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 철, 니켈, 코발트, 백금, 루테늄, 몰리브덴, 바나듐 및 이의 산화물로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 전구체가 메탈로센 형태인 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    방사원료로부터 탄소나노튜브를 형성하고 이를 연속적으로 융합하여 탄소나노튜브 섬유를 직접 방사하는 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방사원료의 공급유량이 10 내지 500 ml/min, 상기 캐리어 가스의 공급유량이 1 내지 5 L/min 인 탄소나노튜브 섬유 집합체 제조방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 것인 탄소나노튜브 섬유 집합체.
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