KR102758551B1 - Eco-friendly/non-toxic hybrid sheet with excellent tensile strength and electrical properties and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적/기계적 특성이 우수한 친환경/무독성의 하이브리드 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid sheet and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an environmentally friendly/non-toxic hybrid sheet having excellent electrical/mechanical properties and a method for manufacturing the same.
Description
본 발명은 하이브리드 시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적/전기적 특성이 우수한 친환경/무독성의 하이브리드 시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid sheet and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an environmentally friendly/non-toxic hybrid sheet having excellent mechanical/electrical properties and a method for manufacturing the same.
셀룰로오스는 자연계에서 석탄 다음으로 다량으로 존재하는 유기화합물로, 공업적으로 매우 중요한 자원이다. 셀룰로오스는 고등식물의 세포벽의 주성분으로 목질부의 대부분을 차지하는 다당류로, 예를 들어 나무의 약 50%, 목화의 약 98%가 셀룰로오스로 이루어져 있다. 화학구조는 D-글루코오스가 -1, 4 결합으로 다수 중합된 사슬 구조를 이루고 있다. 고등식물 이외에도 세균, 바닷말, 해산물인 멍게류의 외피에도 존재하며, 아세트산균의 균체 외분비물에도 함유되어 있고, 조개류의 점액 속에는 셀룰로오스의 황산 에스테르 형태로 존재한다. Cellulose is an organic compound that exists in large quantities in nature after coal, and is an industrially very important resource. Cellulose is a polysaccharide that is the main component of the cell walls of higher plants and makes up most of the woody part. For example, about 50% of wood and about 98% of cotton are made of cellulose. The chemical structure is D-glucose. - It forms a chain structure with multiple polymerizations by 1, 4 bonds. In addition to higher plants, it is also present in the outer skin of bacteria, seaweed, and sea cucumbers, and is also contained in the exocrine secretion of acetic acid bacteria, and exists in the form of cellulose sulfate ester in the mucus of shellfish.
이와 같은 셀룰로오스는 냄새가 없는 백색 고체이며 물에 녹지 않고 알칼리에 상당히 강하지만, 산에서는 가수분해되어 글루코오스가 된다. 또한, 셀룰로오스는 균류, 세균, 연체동물 등의 셀룰라아제에 의하여 분해된 후 최종적으로 글루코오스가 된다. This type of cellulose is an odorless white solid, insoluble in water and quite resistant to alkali, but hydrolyzed in acid to form glucose. In addition, cellulose is decomposed by cellulase from fungi, bacteria, molluscs, etc., and ultimately forms glucose.
셀룰로오스는 화학 약품에 대한 저항성이 강하고 미생물에도 침식당하지 않기 때문에 종이, 의류의 원료로 사용되는 것 외에, 셀룰로오스 유도체들은 다양한 분야에서 응용되고 있다.Because cellulose is highly resistant to chemicals and is not attacked by microorganisms, in addition to being used as a raw material for paper and clothing, cellulose derivatives are being used in a variety of fields.
즉, 셀룰로오스에서 얻어지는 나노셀룰로오스는 우수한 인장강도를 갖는 유기고분자 물질로서 각종 목재와 식물자원 등의 천연재료들로부터 얻어지기 때문에 친환경적인 재생자원이다. 나노셀룰로오스의 고분자 복합재 응용은 고분자의 기계적 강도를 현저하게 개선시킬 수 있을 뿐 아니라, 낮은 공기투과도, 우수한 기계적 성질, 투명한 광학적 성질로 인해 식용 및 의약용 포장재료에 널리 이용되고 있다. 또한, 낮은 열팽창계수에 따라 리튬 이온전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이, 센서 등에 적용가능성이 높다. That is, nanocellulose obtained from cellulose is an organic polymer material with excellent tensile strength, and since it is obtained from natural materials such as various woods and plant resources, it is an environmentally friendly renewable resource. The application of nanocellulose to polymer composites can not only significantly improve the mechanical strength of polymers, but is also widely used in food and pharmaceutical packaging materials due to its low air permeability, excellent mechanical properties, and transparent optical properties. In addition, due to its low coefficient of thermal expansion, it has a high possibility of being applied to lithium ion battery separators, displays, solar cells, electronic paper, and sensors.
이에 따라, 나노셀룰로오스와 금속의 나노 입자 또는 탄소재료 등을 이용하여 복합 소재를 다양하게 구현하는 연구가 활발히 수행되고 있으나, 종래에는 나노셀룰로오스와 탄소재료 등을 단순히 섞어 특정 성질을 구현하는 공정을 통해 복합 소재를 제조하는 방법들이 주를 이루고 있다. 이 경우 나노셀룰로오스와 탄소재료 간의 분자 내 분자 간의 약한 흡착력으로 인하여 랜덤(random) 구조를 형성하고 균일하게 분산된 형태를 제조하기 어려우며(즉, 다수의 응집체 형성), 필름 형태 제조 시 나노셀룰로오스 필름에 적은 농도의 탄소 재료(예컨대, 그래핀)가 로딩되는 문제가 있고 그로 인한 복합체의 물성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 상술한 문제를 극복하기 위한 연구/방법이 당업계에서 시급히 요구되고 있다Accordingly, research is actively being conducted to implement various composite materials using nanocellulose and metal nanoparticles or carbon materials, but conventional methods are mainly for manufacturing composite materials through a process of simply mixing nanocellulose and carbon materials to implement specific properties. In this case, due to the weak intermolecular adsorption between nanocellulose and carbon materials, it is difficult to form a random structure and manufacture a uniformly dispersed form (i.e., formation of a large number of aggregates), and when manufacturing a film form, there is a problem that a small concentration of carbon materials (e.g., graphene) is loaded onto the nanocellulose film, resulting in a problem of reduced physical properties of the composite. Therefore, research/methods to overcome the above-mentioned problems are urgently required in the art.
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상대적으로 간단한 제조공정으로 친환경적인 유무기 복합 시트를 제조할 수 있어서, 종래 고가의 나노 시트를 대체할 수 있는 하이브리드 시트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to overcome the above-described problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a hybrid sheet and a method for manufacturing the same, which can replace conventional expensive nano sheets by manufacturing an environmentally friendly organic-inorganic composite sheet through a relatively simple manufacturing process.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)에 그래핀이 고르게 분산되어 기계적/전기적 물성이 우수한 하이브리드 시트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a hybrid sheet having excellent mechanical/electrical properties by evenly dispersing graphene in cellulose nanofibers (CNF) and a method for manufacturing the same.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 포함하는 제1용액을 제조하는 제1단계, 상기 제1용액에 그래핀(graphene)을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제2단계 및 상기 혼합용액을 여과(filtration)하고 건조시켜 시트로 제조하는 제3단계를 포함하는 하이브리드 시트(sheet)의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a hybrid sheet, which comprises a first step of producing a first solution containing cellulose nanofibers (CNF) to solve the above-described problem, a second step of mixing the first solution with a second solution containing graphene to produce a mixed solution, and a third step of filtering and drying the mixed solution to produce a sheet.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 제1단계는 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 분말을 포함하는 현탁액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하여 셀룰로오스 나노섬유 분말이 균질하게 분산된 제1용액을 제조하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the first step may be characterized by being a step of preparing a first solution in which cellulose nanofiber (CNF) powder is homogeneously dispersed by stirring a suspension containing cellulose nanofiber (CNF) powder at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes.
또한, 상기 제2단계의 혼합용액은 제1용액 및 제2용액이 1: 0.01 ~ 0.05의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the mixed solution of the second step may be characterized by the first solution and the second solution being mixed in a volume ratio of 1:0.01 to 0.05.
또한, 상기 제2단계 이후, 제3단계 수행 전 상기 혼합용액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized by further including a step of stirring the mixed solution at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes after the second step and before performing the third step.
또한, 상기 제3단계는 상기 제2단계에서 제조한 혼합용액을 용매와 혼합하고, 0.3 ~ 0.6 ㎛의 두께를 가지는 친수성 나일론계 필터에 여과하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the third step may be characterized as a step of mixing the mixed solution prepared in the second step with a solvent and filtering it through a hydrophilic nylon filter having a thickness of 0.3 to 0.6 ㎛.
또한, 상기 제3단계에서 혼합용액 및 용매는 1: 0.2 ~ 2의 부피비로 혼합하여 여과하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it can be characterized that in the third step, the mixed solution and the solvent are mixed in a volume ratio of 1:0.2 to 2 and then filtered.
또한, 상기 제3단계 이후, 100 ~ 150℃에서 8 ~ 15 시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized by further including a step of drying at 100 to 150°C for 8 to 15 hours after the third step.
또한, 본 발명은 인장강도 및 전기적 특성이 우수한 친환경/무독성의 유무기 복합 하이브리드 시트로서, 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 사이에 고르게 분산된 그래핀을 포함하고, 평균기공의 크기가 5 ~ 20 nm이며 BET 표면적(BET specific surface area)은 2 m2/g 이상인 하이브리드 시트를 제공한다.In addition, the present invention provides an eco-friendly/non-toxic organic-inorganic composite hybrid sheet having excellent tensile strength and electrical properties, which comprises graphene evenly dispersed between cellulose nanofibers (CNF), and has an average pore size of 5 to 20 nm and a BET specific surface area of 2 m 2 /g or more.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 하이브리드 시트의 영률(Young's Modulus)은 10 GPa 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the Young's Modulus of the hybrid sheet may be characterized as being 10 GPa or more.
또한, 상기 하이브리드 시트의 인장강도(Tensile Strength)는 70 MPa 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the tensile strength of the hybrid sheet may be characterized as being 70 MPa or more.
본 발명은 셀룰로오스 나노섬유와 그래핀 간의 응집 현상 없이 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 사이에 그래핀이 고르게 분산되어 균일하고 우수한 기계적/전기적 특성을 나타냄과 동시에, 상대적으로 간단한 제조공정으로 친환경적인 유무기 복합 시트를 제조할 수 있어서 다양한 산업군의 활용도를 크게 제고시킬 수 있다.The present invention enables the production of an eco-friendly organic-inorganic composite sheet through a relatively simple manufacturing process, in which graphene is evenly dispersed between cellulose nanofibers (CNF) without aggregation between the cellulose nanofibers and graphene, thereby exhibiting uniform and excellent mechanical/electrical properties, thereby greatly increasing the usability in various industrial groups.
도 1은 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 포함하는 제1용액에 그래핀(graphene)을 포함하는 제2용액을 혼합한 혼합용액을 나타내는 이미지이다.
도 2 는 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 여과 과정을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 셀롤로오스 나노섬유 시트 및 하이브리드 시트의 건조 단계를 나타내는 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 셀롤로오스 나노섬유 시트 및 하이브리드 시트를 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 유연성 및 취급 안정성 보유한 셀롤로오스 나노섬유 시트 및 하이브리드 시트의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 셀롤로오스 나노섬유 시트 및 하이브리드 시트의 표면 특성을 평가한 AFM, SEM 분석 이미지이다.
도 7a은 본 발명의 비교 예에 따른 셀롤로오스 나노섬유 시트의 BET 표면적을 나타내는 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 시트의 BET 표면적을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 하이브리드 시트의 영률(Young's Modulus)을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교 예 내지 실시 예에 따른 하이브리드 시트의 인장강도를 나타내는 그래프이다.FIG. 1 is an image showing a mixed solution in which a second solution containing graphene is mixed with a first solution containing cellulose nanofibers (CNF) according to comparative examples or embodiments of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a filtration process according to comparative examples and embodiments of the present invention.
FIG. 3 is an image showing a drying step of a cellulose nanofiber sheet and hybrid sheet according to comparative examples and embodiments of the present invention.
FIG. 4 is an image showing a cellulose nanofiber sheet and hybrid sheet according to comparative examples and embodiments of the present invention.
FIG. 5 is an image of a cellulose nanofiber sheet and hybrid sheet having flexibility and handling stability according to comparative examples and embodiments of the present invention.
FIG. 6 is an AFM and SEM analysis image evaluating the surface characteristics of cellulose nanofiber sheets and hybrid sheets according to comparative examples and embodiments of the present invention.
Figure 7a is a graph showing the BET surface area of a cellulose nanofiber sheet according to a comparative example of the present invention.
FIG. 7b is a graph showing the BET surface area of a hybrid sheet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the Young's Modulus of hybrid sheets according to comparative examples and embodiments of the present invention.
Figure 9 is a graph showing the tensile strength of hybrid sheets according to comparative examples and embodiments of the present invention.
이하 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
상술한 것과 같이 종래에는 나노셀룰로오스의 친환경적인 면과 기계적/전기적/화학적으로 우수한 내재적인 물성을 충분히 활용하지 못하여 다양한 산업의 요구를 모두 충족시키는데 제한이 있다.As described above, the environmental friendliness and the inherent mechanical, electrical, and chemical properties of nanocellulose have not been fully utilized, which limits the ability to meet the needs of various industries.
이에 따라, 본 발명은 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 포함하는 제1용액을 제조하는 제1단계, 상기 제1용액에 그래핀(graphene)을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제2단계 및 상기 혼합용액을 여과(filtration)하고 건조시켜 시트로 제조하는 제3단계를 포함하는 하이브리드 시트(sheet)의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.Accordingly, the present invention seeks to solve the above-described problem by providing a method for producing a hybrid sheet, which comprises a first step of producing a first solution containing cellulose nanofibers (CNF), a second step of producing a mixed solution by mixing a second solution containing graphene with the first solution, and a third step of producing a sheet by filtering and drying the mixed solution.
이를 통해, 본 발명은 상술한 문제를 극복하고 기계적/전기적 특성이 우수한 친환경/무독성의 하이브리드 시트를 제조함으로써 다양한 산업분야로의 활용도를 제고할 수 있다.Through this, the present invention can overcome the above-mentioned problems and increase the usability in various industrial fields by manufacturing an eco-friendly/non-toxic hybrid sheet with excellent mechanical/electrical properties.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.The present invention will be described in detail with reference to the drawings below.
하이브리드 시트의 제조방법Method for manufacturing hybrid sheets
본 발명에 따른 하이브리드 시트의 제조방법 제1단계는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 포함하는 제1용액을 제조하는 단계이며, 본 발명의 일 실시 예에 따를 때, 상기 제1단계는 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 분말을 포함하는 현탁액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하여 셀룰로오스 나노섬유 분말이 균질하게 분산된 제1용액을 제조하는 단계일 수 있다.The first step of the method for manufacturing a hybrid sheet according to the present invention is a step of manufacturing a first solution containing cellulose nanofibers (CNF), and according to one embodiment of the present invention, the first step may be a step of stirring a suspension containing cellulose nanofiber (CNF) powder at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes to manufacture a first solution in which cellulose nanofiber powder is homogeneously dispersed.
상기 셀룰로오스 나노섬유 분말은 결정 영역과 무정형 영역을 모두 포함하는 셀룰로오스를 함유하고 있는 섬유 분말일 수 있으며 예컨대, 목재, 펄프 등의 셀룰로오스계 바이오매스를 포함할 수 있다. 상기 셀룰로오스계 바이오매스는 1차 및 2 차 바이오매스로, 예컨대 섬유소계 바이오매스, 목질계 바이오매스, 해조류계 바이오매스, 또는 이들의 혼합물 등이 적용될 수 있으며, 셀룰로오스를 함유하고 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 셀룰로오스계 물질로 적용될 수 있다. 또 다른 예로 상기 셀룰로오스계 나노 섬유 분말은 목재(wood), 대나무, 삼(hemp), 볏짚, 케냐프 코어 같은 천연 산물, 상업 산물, 바나나 잎대 같은 농업부산물, 재생 펄프 또는 사용된 종이, 섬유 등에서 유래될 수 있다. The above cellulose nanofiber powder may be a fiber powder containing cellulose including both crystalline and amorphous regions, and may include, for example, a cellulose-based biomass such as wood or pulp. The cellulose-based biomass may be primary and secondary biomass, and may include, for example, a cellulose-based biomass, a wood-based biomass, an algae-based biomass, or a mixture thereof, and any material containing cellulose may be applied as the cellulose-based material without any particular limitation. As another example, the cellulose-based nanofiber powder may be derived from natural products such as wood, bamboo, hemp, rice straw, and Kenyan paper core, commercial products, agricultural by-products such as banana leaves, regenerated pulp or used paper, fibers, etc.
상기 추출된 셀룰로오스 나노섬유 분말은 셀룰로오스의 일반적인 제조에 사용되는 공지의 통상적인 용매에 혼합하여 현탁액을 제조할 수 있으며, 예를 들어 DI water와 혼합할 수 있다. 이때 상기 현탁액에 포함된 셀룰로오스 나노분말은 현탁액 전체 중량에 대하여 1내지 50 중량부로 조성될 수 있으며, 이때 상기 셀룰로오스 나노분말의 중량이 50 중량부를 초과하는 경우 현탁액의 점도가 높아져 이후 시트 형태의 제조가 어려운 문제가 있을 수 있다. 다만 이는 일 실시 예에 지나지 않을 뿐 사용되는 교반기나 용매의 종류에 따라 적절히 변경될 수 있어서 이에 제한되지 않는다. 이후 상기 현탁액은 셀룰로오스 나노섬유 분말의 균일한 분산을 위하여 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하여 제1용액으로 제조될 수 있다.The above extracted cellulose nanofiber powder can be mixed with a known and common solvent used in the general production of cellulose to prepare a suspension, for example, it can be mixed with DI water. At this time, the cellulose nanofiber powder included in the suspension can be composed of 1 to 50 parts by weight based on the total weight of the suspension. At this time, if the weight of the cellulose nanofiber powder exceeds 50 parts by weight, the viscosity of the suspension may increase, which may make it difficult to subsequently produce a sheet form. However, this is only one embodiment and may be appropriately changed depending on the type of stirrer or solvent used and is not limited thereto. Thereafter, the suspension can be prepared into a first solution by stirring at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes to uniformly disperse the cellulose nanofiber powder.
다음, 본 발명에 따른 하이브리드 시트의 제조방법 제2단계는 상기 제1용액에 그래핀(graphene)을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계이다.Next, the second step of the method for manufacturing a hybrid sheet according to the present invention is a step of manufacturing a mixed solution by mixing a second solution containing graphene into the first solution.
일반적으로, 셀룰로오스 나노섬유는 우수한 인장강도를 가지는 유기고분자 물질로서 고분자 복합재로의 응용은 고분자의 기계적 강도를 현저하게 개선시킬 수 있을 뿐 아니라, 낮은 공기투과도, 우수한 기계적 성질, 투명한 광학적 성질, 낮은 열팽창계수에 따라 리튬 이온전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이, 센서 등에 적용가능성이 높다. 이에 따라 나노 셀룰로오스와 금속의 나노입자 또는 탄소재료 등을 이용하여 복합 소재를 다양하게 구현하는 연구가 활발히 수행되고 있으나, 나노셀룰로오스와 고분자 복합재료 등을 단순히 섞어 특정 성질을 구현하는 공정을 통해 복합 소재를 제조하는 경우 나노셀룰로오스와 탄소재료 간의 분자 내 분자 간의 약한 흡착력으로 인하여 랜덤(random) 구조를 형성하고 균일하게 분산된 형태를 제조하기 어려워서, 균일한 물성을 나타내기 어렵다.In general, cellulose nanofibers are organic polymer materials with excellent tensile strength, and their application to polymer composites can not only significantly improve the mechanical strength of the polymer, but also have high applicability to lithium ion battery separators, displays, solar cells, electronic paper, sensors, etc. due to their low air permeability, excellent mechanical properties, transparent optical properties, and low coefficient of thermal expansion. Accordingly, research is being actively conducted to implement various composite materials using nanocellulose and metal nanoparticles or carbon materials, but when manufacturing a composite material through a process of simply mixing nanocellulose and polymer composite materials to implement specific properties, it is difficult to form a random structure and manufacture a uniformly dispersed form due to the weak intermolecular adsorption between nanocellulose and carbon materials, making it difficult to exhibit uniform properties.
특히 본 발명과 같은 시트 형태 제조 시 셀룰로오스 나노섬유 시트에 적은 농도의 고분자 복합재가 로딩되는 문제가 있고 그로 인한 목적하는 기계적/전기적/화학적 물성을 얻기 어렵다.In particular, when manufacturing a sheet-shaped product like the present invention, there is a problem that a small concentration of polymer composite is loaded onto the cellulose nanofiber sheet, making it difficult to obtain the desired mechanical/electrical/chemical properties.
이에 본 발명은 도 1에 도시된 것과 같이 상기 제1단계에서 제조한 제1용액에 그래핀을 포함하는 제2용액이 1: 0.01 ~ 0.05의 부피비로 혼합되도록 제 2단계를 수행함으로써 상술한 종래 문제를 해결하고 목적하는 균일하고 우수한 기계적/화학적/전기적 특성을 얻을 수 있다. Accordingly, the present invention solves the above-described conventional problems and obtains the desired uniform and excellent mechanical/chemical/electrical properties by performing the second step such that the second solution containing graphene is mixed in the first solution prepared in the first step at a volume ratio of 1:0.01 to 0.05, as illustrated in FIG. 1.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시 예에 따라 상술한 부피비로 제조한 하이브리드 시트의 AFM, SEM 이미지인 도 6을 참조하면 모든 실시 예들에서 그래핀이 셀룰로오스 나노섬유 사이에 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이때 만일 상기 제1용액 및 제2용액이 1: 0.01 미만의 부피비로 혼합되는 경우 그래핀의 함량이 너무 낮아 목적하는 전기적 물성을 얻을 수 없으며, 그래핀의 분산도가 저하되는 문제가 있을 수 있다. 또한 만일 제1용액 및 제2용액이 1: 0.05를 초과하는 부피비로 혼합되는 경우 그래핀의 함량이 너무 높아 시트 형태의 제조가 어렵거나 응집 현상이 발생되는 문제가 있을 수 있다.More specifically, referring to FIG. 6, which is an AFM and SEM image of a hybrid sheet manufactured with the above-described volume ratio according to an embodiment of the present invention, it can be confirmed that graphene is evenly dispersed between cellulose nanofibers in all embodiments. At this time, if the first solution and the second solution are mixed at a volume ratio of less than 1: 0.01, the content of graphene may be too low to obtain the desired electrical properties, and there may be a problem that the dispersion of graphene is reduced. In addition, if the first solution and the second solution are mixed at a volume ratio exceeding 1: 0.05, the content of graphene may be too high to make it difficult to manufacture a sheet form or there may be a problem that an agglomeration phenomenon occurs.
이를 위해 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2단계 이후, 제3단계 수행 전 상기 혼합용액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 만일 상기 교반 속도 또는 교반 시간이 상기 수치 범위 미만일 경우 혼합용액이 균일하게 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다.To this end, according to one embodiment of the present invention, after the second step, before performing the third step, a step of stirring the mixed solution at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes may be further included. At this time, if the stirring speed or stirring time is below the numerical range, there may be a problem in that the mixed solution is not formed uniformly.
다음, 본 발명에 따른 하이브리드 시트의 제조방법 제3단계는 상기 혼합용액을 여과(filtration)하고 건조시켜 시트로 제조하는 단계이다.Next, the third step of the method for manufacturing a hybrid sheet according to the present invention is a step of manufacturing a sheet by filtering and drying the mixed solution.
보다 구체적으로, 여과 과정의 모식도를 나타내는 도 2를 참조하면 하이브리드 시트 제조를 위해 본 발명의 상기 제3단계는 상기 제2단계에서 제조한 혼합용액을 용매와 혼합하고 여과 필터로 친수성을 가지는 0.1 ~ 1.0 ㎛의 두께를 가지는 Cellulose ester, PTFE를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 0.3 ~ 0.6 ㎛의 두께를 가지는 친수성 나일론계 필터를 사용하는 것이 그래핀이 혼합된 셀롤로오스 현탄액의 용매로 사용한 DI water의 여과 효율면에서 유리할 수 있다. 또한, 상기 혼합용액 및 용매는 1: 0.2 ~ 2의 부피비로 혼합될 수 있으며 보다 바람직하게는 1: 0.5 ~ 1.5의 부피비로 혼합될 수 있다. 만일 상기 혼합용액 및 용매의 부피비가 1: 0.2 미만일 경우 현탁액의 높은 점도로 인해서 여과 시 필터의 전면적에 고르고 도포되지 않아 원형의 형상 제어가 힘든 문제가 있을 수 있다.More specifically, referring to FIG. 2 which shows a schematic diagram of a filtration process, in the third step of the present invention for manufacturing a hybrid sheet, the mixed solution manufactured in the second step is mixed with a solvent, and a cellulose ester, PTFE having a thickness of 0.1 to 1.0 ㎛ and having hydrophilicity can be used as a filtration filter, and preferably, a hydrophilic nylon filter having a thickness of 0.3 to 0.6 ㎛ can be used, which may be advantageous in terms of the filtration efficiency of DI water used as a solvent for the cellulose suspension mixed with graphene. In addition, the mixed solution and the solvent may be mixed at a volume ratio of 1: 0.2 to 2, and more preferably, may be mixed at a volume ratio of 1: 0.5 to 1.5. If the volume ratio of the mixed solution and the solvent is less than 1: 0.2, there may be a problem that it is difficult to control the circular shape because the suspension is not evenly applied to the entire surface of the filter during filtration due to the high viscosity of the suspension.
한편 상기 혼합용액과 혼합하는 용매는 상술한 여과 필터에 적합한 공지의 통상적인 용매가 사용될 수 있으므로 특별히 제한하지 않으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 상기 여과 필터로 친수성 나일론계 필터를 사용할 경우 상기 혼합용액과 혼합하는 용매는 DI water일 수 있다.Meanwhile, the solvent mixed with the above-described mixed solution is not particularly limited as any known conventional solvent suitable for the above-described filtration filter can be used. However, in a preferred embodiment of the present invention, when a hydrophilic nylon filter is used as the filtration filter, the solvent mixed with the above-described mixed solution may be DI water.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제3단계 이후, 100 ~ 150℃에서 여과된 시트를 8 ~ 15 시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 만일 상기 건조 온도가 100 ℃ 미만이거나 8시간 미만일 경우 상기 여과된 시트가 충분히 건조되지 않는 문제가 있을 수 있고, 상기 건조 온도가 150 ℃를 초과하거나 건조 시간이 15 시간을 초과하는 경우 건조단계에서 시트의 변형을 야기하는 문제가 있을 수 있다.Referring to FIG. 3, according to one embodiment of the present invention, after the third step, a step of drying the filtered sheet at 100 to 150° C. for 8 to 15 hours may be further included. At this time, if the drying temperature is lower than 100° C. or shorter than 8 hours, there may be a problem that the filtered sheet is not sufficiently dried, and if the drying temperature exceeds 150° C. or the drying time exceeds 15 hours, there may be a problem that deformation of the sheet occurs during the drying step.
이하에서는 상술한 하이브리드 시트의 제조방법으로 제조한 하이브리드 시트에 대하여 자세히 설명한다. 다만 중복을 피하기 위하여 상술한 하이브리드 시트의 제조방법과 기술적 사상이 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략한다.Hereinafter, a hybrid sheet manufactured by the above-described method for manufacturing a hybrid sheet will be described in detail. However, in order to avoid duplication, descriptions of content that is identical in technical concept to the above-described method for manufacturing a hybrid sheet will be omitted.
하이브리드 시트Hybrid Seat
본 발명에 따른 하이브리드 시트는 인장강도 및 전기적 특성이 우수한 친환경/무독성의 유무기 복합 하이브리드 시트로서, 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 사이에 고르게 분산된 그래핀을 포함하며, 본 발명에 따른 하이브리드 시트는 평균기공의 크기가 5 ~ 20 nm이며, BET 표면적(BET specific surface area)은 2 m2/g 이상인 값을 나타낼 수 있다.The hybrid sheet according to the present invention is an eco-friendly/non-toxic organic-inorganic composite hybrid sheet having excellent tensile strength and electrical properties, and includes graphene evenly dispersed between cellulose nanofibers (CNF). The hybrid sheet according to the present invention may have an average pore size of 5 to 20 nm and a BET specific surface area of 2 m 2 /g or more.
즉, 본 발명은 기계적/전기적 물성이 우수한 하이브리드 시트를 제조하는 것에 발명의 일 목적이 있는데, 도 7a, 7b를 참조하면 상술한 하이브리드 시트의 제조방법을 통해 제조한 본 발명에 따른 하이브리드 시트의 비표면적과 기공 사이즈의 관계를 알 수 있다.That is, one purpose of the present invention is to manufacture a hybrid sheet having excellent mechanical/electrical properties. Referring to FIGS. 7a and 7b, it is possible to know the relationship between the specific surface area and pore size of the hybrid sheet according to the present invention manufactured through the method for manufacturing the hybrid sheet described above.
도 4와 도 5에 나타난 바와 같이, 순수한 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 시트와 그래핀이 포함된 하이브리드 시트의 상태 이미지를 확인 할 수 있으며, 상술한 하이브리드 시트의 제조방법을 통해 제조한 본 발명에 따른 하이브리드 시트는 기계적 강도 및 유연성이 매우 우수함을 알 수 있다.As shown in FIGS. 4 and 5, the state images of a pure cellulose nanofiber (CNF) sheet and a hybrid sheet containing graphene can be confirmed, and it can be seen that the hybrid sheet according to the present invention manufactured through the above-described method for manufacturing a hybrid sheet has excellent mechanical strength and flexibility.
도6은 상술한 하이브리드 시트의 제조방법을 통해 제조한 본 발명에 따른 하이브리드 시트를 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM)과 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 형태학적 특성을 분석한 이미지이다. 이를 통해서 하이브리드 시트의 표면 거칠기(RMS)를 관찰하였으며, 그래핀의 함량이 증가할수록 하이브리드 시트의 표면 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있다.Figure 6 is an image of a hybrid sheet according to the present invention manufactured through the above-described method for manufacturing a hybrid sheet, in which the morphological characteristics are analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and an atomic force microscope (AFM). Through this, the surface roughness (RMS) of the hybrid sheet was observed, and it can be confirmed that the surface roughness of the hybrid sheet increases as the graphene content increases.
한편, 본 발명은 도 8 및 9를 통해 본 발명이 목적하는 기계적 물성이 우수한 하이브리드 시트의 제조가 가능함을 알 수 있다. 즉 도 8 및 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예 에 따른 하이브리드 시트의 영률(Young's Modulus)은 10 GPa 이상이며, 인장강도(Tensile Strength)는 70 MPa 이상일 수 있다.Meanwhile, it can be seen through FIGS. 8 and 9 that the present invention can manufacture a hybrid sheet having excellent mechanical properties as desired by the present invention. That is, referring to FIGS. 8 and 9, the Young's modulus of the hybrid sheet according to an embodiment of the present invention may be 10 GPa or more, and the tensile strength may be 70 MPa or more.
이와 같은 내용을 종합하면, 본 발명은 셀룰로오스 나노섬유가 가지고 있는 우수한 내재적 물성을 충분히 이용할 수 있도록 나노셀룰로오스 물질과 탄소 재료 또는 고분자 물질과의 약한 흡착력으로 인한 분산성의 문제를 완벽히 해결하고, 시트 형태로 제조 시에도 기계적 강도를 현저하게 개선시킬 수 있을 뿐 아니라, 리튬 이온전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이, 센서 등과 같은 소형화/박형화 추세에 있는 전자제품에도 적용 가능할 정도의 우수한 전기적 특성을 나타냄을 알 수 있다. In summary, the present invention perfectly solves the problem of dispersibility due to the weak adsorption force between nanocellulose material and carbon material or polymer material so as to fully utilize the excellent intrinsic properties of cellulose nanofibers, and not only remarkably improves the mechanical strength even when manufactured in sheet form, but also exhibits excellent electrical properties that can be applied to electronic products that are in the trend of miniaturization/thinning, such as lithium ion battery separators, displays, solar cells, electronic paper, and sensors.
이하에서는 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시 예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically through examples, but the following examples do not limit the scope of the present invention, and should be interpreted as helping to understand the present invention.
실시 예 1 - 하이브리드 시트의 제조Example 1 - Manufacturing of hybrid sheets
먼저 셀룰로오스 나노섬유 분말(제조사 CNNT, High Grade, 결정화도 77~80%, 길이 4~6㎛, 너비 5~70 nm)을 포함하는 현탁액 200ml를50rpm 에세 15min 분간 교반하여 셀룰로오스 나노 섬유가 균일하게 분산된 제1용액을 제조하였다.First, 200 ml of a suspension containing cellulose nanofiber powder (manufactured by CNNT, High Grade, crystallinity 77–80%, length 4–6 μm, width 5–70 nm) was stirred at 50 rpm for 15 minutes to prepare a first solution in which cellulose nanofibers were uniformly dispersed.
다음 상기 제1용액(CNF solution) 100ml에 제2용액(Graphene solution) 1 ml를 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. 이후 50rpm에서 15min 분간 교반하고, 0.45㎛ 두께의 cellulose ester를 필터를 사용하여 여과(filtration)하고, 도 3과 같이 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 도 4와 같은 최종 1 ~ 100 ㎛ 두께를 가지는 하이브리드 시트를 제조하였다. 하이브리드 시트의 두께는 상기 제 1용액과 제 2용액 그리고, 용매의 혼합비에 따라 달리 제조할 수 있다. Next, 1 ml of the second solution (Graphene solution) was mixed with 100 ml of the first solution (CNF solution) to prepare a mixed solution. After stirring at 50 rpm for 15 minutes, cellulose ester having a thickness of 0.45 μm was filtered using a filter, and dried at 120° C. for 12 hours as shown in Fig. 3 to prepare a hybrid sheet having a final thickness of 1 to 100 μm as shown in Fig. 4. The thickness of the hybrid sheet can be prepared differently depending on the mixing ratio of the first solution, the second solution, and the solvent.
실시 예 2 및 3 - 하이브리드 시트의 제조Examples 2 and 3 - Manufacturing of hybrid sheets
상기 실시 예 1과 동일하게 제조하되, 상기 제2용액(Graphene solution)의 양을 각각 2 ml와 3 ml로 달리하여 하이브리드 시트를 제조하였다.A hybrid sheet was manufactured in the same manner as in Example 1 above, but using different amounts of the second solution (graphene solution) to 2 ml and 3 ml, respectively.
비교 예 1 Comparison Example 1
상기 실시 예 1과 동일하게 제조하되, 상기 제2용액(Graphene solution)을 혼합하지 않고 셀룰로오스 나노섬유만으로 이루어진 셀롤로오스 나노섬유 시트를 제조하였다.A cellulose nanofiber sheet composed only of cellulose nanofibers was manufactured in the same manner as in Example 1 above, but without mixing the second solution (graphene solution).
시험 예 1 - 시트의 구조적/전기적/기계적 물성 분석Test Example 1 - Structural/Electrical/Mechanical Properties Analysis of Sheets
상기 비교 예 내지 실시 예에 따른 따른 셀롤로오스 나노섬유 시트 및 하이브리드 시트의 구조적, 전기적 및 기계적 물성을 측정하였으며, 그 결과는 표 1과 같다. The structural, electrical and mechanical properties of the cellulose nanofiber sheets and hybrid sheets according to the comparative examples and embodiments above were measured, and the results are shown in Table 1.
(㎛)RMS
(㎛)
Claims (10)
상기 제1용액에 그래핀(graphene)을 포함하는 제2용액을 혼합하여 혼합용액을 제조하는 제2단계; 및
상기 혼합용액을 여과(filtration)하고 건조시켜 시트로 제조하는 제3단계; 를 포함하고,
상기 제1단계는 셀룰로오스 나노 섬유(CNF) 분말을 포함하는 현탁액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하여 셀룰로오스 나노 섬유 분말이 균질하게 분산된 제1용액을 제조하는 단계이고,
상기 제2단계의 혼합용액은 제1용액 및 제2용액이 1: 0.01 ~ 0.05의 부피비로 혼합되며,
상기 제2단계 이후, 제3단계 수행 전 상기 혼합용액을 30 ~ 150 rpm으로 10 ~ 20 분간 교반하는 단계를 더 포함하고,
상기 시트는 표면 거칠기(RMS)가 0.259 ~ 0.282㎛이고, BET 표면적(BET specific surface area)이 3.616 ~ 6.694 m2/g이며, 평균기공의 크기가 10.3 ~ 12.7 nm인 것을 특징으로 하는 하이브리드 시트(sheet)의 제조방법.
A first step of preparing a first solution containing cellulose nanofibers (CNF);
A second step of preparing a mixed solution by mixing a second solution containing graphene into the first solution; and
A third step of filtering and drying the above mixed solution to produce a sheet; including;
The first step is a step of preparing a first solution in which cellulose nanofiber (CNF) powder is homogeneously dispersed by stirring a suspension containing cellulose nanofiber (CNF) powder at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes.
The mixed solution of the second step is a mixture of the first solution and the second solution in a volume ratio of 1:0.01 to 0.05.
After the second step, a step of stirring the mixed solution at 30 to 150 rpm for 10 to 20 minutes is further included before performing the third step.
A method for manufacturing a hybrid sheet, characterized in that the sheet has a surface roughness (RMS) of 0.259 to 0.282 ㎛, a BET specific surface area of 3.616 to 6.694 m 2 /g, and an average pore size of 10.3 to 12.7 nm.
상기 제3단계는 상기 제2단계에서 제조한 혼합용액을 용매와 혼합하고,
0.3 ~ 0.6 ㎛의 두께를 가지는 친수성 나일론계 필터에 여과하는 단계인 것을 특징으로 하는 하이브리드 시트의 제조방법.
In paragraph 1,
The third step above mixes the mixed solution prepared in the second step above with a solvent,
A method for manufacturing a hybrid sheet, characterized in that it is a step of filtering through a hydrophilic nylon filter having a thickness of 0.3 to 0.6 ㎛.
상기 제3단계에서 혼합용액 및 용매는 1: 0.2 ~ 2의 부피비로 혼합하여 여과하는 단계인 것을 특징으로 하는 하이브리드 시트의 제조방법.
In paragraph 5,
A method for manufacturing a hybrid sheet, characterized in that in the third step, the mixed solution and the solvent are mixed in a volume ratio of 1:0.2 to 2 and filtered.
상기 제3단계 이후, 100 ~ 150℃에서 8 ~ 15 시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 시트의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a hybrid sheet, characterized in that, after the third step, it further includes a step of drying at 100 to 150°C for 8 to 15 hours.
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