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공학석사학위논문 Magnetic Nanofibers with Core (Magnetorheological fluid)/sheath(polyurethane) Structure Fabricated by Coaxial Electrospinning 동축전기방사를이용한 Core/Sheath 구조의 자성나노섬유제조및특성평가 2014 년 2 월 서울대학교대학원 재료공학부 정다영
Magnetic Nanofibers with Core (Magnetorheological fluid)/sheath(polyurethane) Structure Fabricated by Coaxial Electrospinning 동축전기방사를이용한 Core/Sheath 구조의 자성나노섬유제조및특성평가 지도교수강태진 이논문을공학석사학위논문으로제출함 2014 년 2 월 서울대학교대학원 재료공학부 정다영 정다영의공학석사학위논문을인준함 2014 년 2 월 위원장유웅렬 ( 인 ) 부위원장강태진 ( 인 ) 위원윤재륜 ( 인 )
ABSTRACT 본연구에서는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을제조하고이를미네랄오일에균일하게분산시켜높은 sedimentation stability를보이는자기유변유체 (Magnetorheological fluid, MRF) 를제조하였다. 또한제조된 MRF를 core 물질로, 폴리우레탄을 sheath 물질로동축전기방사를수행하여 core/sheath 구조의나노섬유를제조하고그특성을분석하였다. MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites는 MWNTs를 Fe 2+, Fe 3+ 와혼합하고염기와의반응을거치는 coprecipitation 방법으로제조되었다. TEM 분석을통해 MWNTs 표면에직경 4~8 nm의마그네타이트입자가합성된것을관찰할수있었고, XRD 분석및 FT-IR 분석을통해 nanocomposites의구조및 MWNTs와마그네타이트간화학적결합을확인할수있었다. 또한 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의자기이력곡선을통해초상자성성질을확인할수있었다. MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites를미네랄오일에분산시켜제조한 MRF는자기장에반응하여높은점도를나타냄과동시에 sedimentation stability가뛰어난성질을보였다. 제조된 MRF와 PU의혼합용액을 core 물질로, PU 용액을 sheath 물질로하여제조된나노섬유웹은 TEM 분석및 SEM 분석을통해안정적인 core/sheath 구조를확인할수있었다. 나노섬유웹의기계적물성및자기적성질을알아보기위해전자석을이용하여자기장의세기를조절하며인장시험을수행하였다. 자기장이가해짐에따라 core/sheath 구조 i
나노섬유웹의 modulus 및 stress가각각 114.3 %, 36.1 % 증가하였으며이에따라연신율은다소감소하였다. 이를통해나노섬유로제조된후에도 Core 부분의미네랄오일이 carrier fluid의역할을하여 MR 성질을보이는것을확인할수있었다. 자기장이없을때에도 core/sheath 구조의나노섬유웹은 core에존재하는 MWNTs의높은 load-carrying capacity로인해순수한 PU 나노섬유웹에비교하여 175 % 이상증가한 stress 값을보였다. 높은전도성의 MWNTs와자성마그네타이트의복합체를포함하는나노섬유웹은이들물질의전자파흡수성질뿐아니라무게가가볍고두께가얇으며강도가높아전자파차폐물질로 응용될수있다. 제조된나노섬유웹의두께및 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의함량에따른전자파차폐효과를측정해보았을때, 두께와 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의함량이증가함에따라 100 MHz 이하의주파수범위에서 70 % 이상의전자파차폐효과를보였다. 주요어 : Magneto-rheological fluid; Carbon nanotubes, Coaxial electrospinning, Electromagnetic interference shielding 학번 : 2012-20630 ii
CONTENTS ABSTRACT... i CONTENTS... iii LIST OF FIGURES... vi LIST OF TABLES... viii 1. Introduction... 1 2. Literature Review... 3 2.1. Magnetorheological fluid (MRF)... 3 2.1.1. Magnetic nanoparticles... 3 2.2.2. Magnetorheolocial fluid... 4 2.1.3. Carbon nanotubes as magnetorheological material... 6 2.2. Polyurethane... 8 2.3. Electrospinning... 9 2.4. Electromagnetic interference shielding effectiveness... 11 2.4.1. Electromagnetic interference shielding... 11 2.4.2. Electromagnetic interference shielding effectiveness... 12 3. Experimental... 13 iii
3.1. Materials... 13 3.2. Fabrication of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites... 13 3.2.1. Functionalization of MWNTs... 13 3.2.2. Synthesis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites... 14 3.3. Preparation of magnetorheological fluid... 16 3.4. Preparation of electrospinning solution... 16 3.4.1. Sheath Solution... 16 3.4.2. Core Solution... 16 3.5. Electrospinning condition... 19 3.6. Characterization... 21 3.6.1. Morphology... 21 3.6.2. Chemical and structure analysis... 21 3.6.3. Magnetic properties... 21 3.6.4. Rheological properties... 22 3.6.5. Sedimentation analysis... 22 3.6.6. Mechanical properties... 22 3.6.7. Measurement of the electromagnetic shielding effectiveness... 23 4.1. Morphology of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites... 25 4.2.Chemical and structure analysis of MWNTs/Fe 3 O 4 iv
nanocomposites... 26 4.2.1. X-ray diffraction patterns... 26 4.2.2. FT-IR spectra... 28 4.3. Magnetic properties of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 30 4.4. Magnetorheological properties of MRF... 31 4.5. Sedimentation stability of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites based MRF... 34 4.6. Morphology of nanowebs... 36 4.6.1. The effect of MRF ratios on morphology... 36 4.6.2. The effect of particle concentrations on morphology. 40 4.7. Mechanical properties of nanowebs... 42 4.7.1. The effect of particle concentrations... 42 4.7.2. The effect of magnetic field strength... 44 4.7.3. The effect of particle types... 46 4.8. Electromagnetic shielding effectiveness of nanowebs... 48 5. Conclusions... 50 6. References... 52 ENGLISH ABSTRACT... 55 v
LIST OF FIGURES Figure 2.1 Hysteresis loops for magnetic materials Figure 2.2 Scheme of magnetorheological fluid: (a) magnetic field off, (b) magnetic field on Figure 2.3 Diagram of (a) single-walled carbon nanotubes (SWNT), and multiwalled carbon nanotubes (MWNT) Figure 2.4 Polyurethane synthesis Figure 2.5 A schematic diagram of electrospinning Figure 2.6 Schematic representation of EMI shielding mechanism Figure 3.1 Schematic illustration of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites synthesis process Figure 3.2 A schematic diagram of coaxial electrospinning Figure 3.3 A schematic of UTM with solenoid Figure 3.4 A basic equipment setup of EMSE test Figure 3.5 Dimensions of (a) reference and (b )load specimens Figure 4.1 HR-TEM images of MWNT/Fe 3 O 4 nanocomposites Figure 4.2 X-ray diffraction patterns of MWNTs/Fe 3 O 4 and MWNTs-COOH Figure 4.3 FT-IR spectra of MWNTs/Fe 3 O 4 and MWNTs-COOH Figure 4.4 M-H hysteresis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites Figure 4.5 Shear rate-viscosity curves of (a) CF1 (b) CF5 (c) F5 Figure 4.6 An image of the sedimentation of the MRF Figure 4.7 (a) FE-SEM image and (b) HR-TEM image of Core(100% MRF)/Sheath(PU) nanofibers Figure 4.8 HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU) nanofibers (a) 10wt%, (b) 20wt%, (c) 30wt% Figure 4.9 FE-SEM and HR-TEM images of Core(MRF+PU) /Sheath(PU) nanofibers (a), (b) : PUCF1, (c), (d) : vi
PUCF5, (e), (f) : PUCF10 Figure 4.10 Stress-strain curves of nanowebs with different particle concentrations Figure 4.11 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic fields Figure 4.12 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic fields Figure 4.13 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with different particle concentration Figure 4.14 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with different thickness vii
LIST OF TABLES Table 2.1 Properties of carbon nanotubes Table 3.1. Preparation of electrospinning solution (Effect of MRF concentrations) Table 3.2. Preparation of electrospinning solution (Effect of magnetic particle concentrations) Table 3.3. Electrospinning condition Table 4. 1 Mechanical properties of nanowebs with different particle concentrations Table 4.2 Mechanical properties of nanowebs with and without magnetic fields Table 4.3 Mechanical properties of nanowebs with different particle types viii
1. Introduction 전기방사 (Electrospinning) 은수십나노에서수십마이크로미터의직경을갖는미세한섬유를제조하는방법으로, 공정이간단하고다양한고분자용액을사용하여비표면적이넓은재료를얻을수있기때문에전자, 광학소재, 바이오소재, 멤브레인, 센서, 의류등의다양한분야에응용이되고있다. 이러한전기방사는단순한단일구조의나노섬유외에도동축전기방사법을이용한 Core/sheath 구조의나노섬유제조를통해두가지이상의재료를안정적으로섬유화하는데에도유용하게사용된다 [1]. 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 은높은강도와유연성을동시에가지는물질로, 가수분해안정성및미생물에대한저항성이뛰어나고다루기쉬워전기방사에자주사용되는고분자이다 [2]. 이와같은폴리우레탄을동축전기방사할때, core 부분에자기유변유체 (magnetorheological fluid, MRF) 를첨가함으로써자기장에반응하여기계적성질이향상되는스마트나노섬유를제조할수있다. MRF는자성입자가계면활성제에의해 carrier fluid에분산되어있는형태로, 자기장이없을때에는자성입자들이무작위로분산되어 Newtonian 거동을보이다가, 자기장이인가되면입자들이자기장방향으로정렬되면서항복응력이증가하는 Bingham 거동을보이게된다. 이러한 MRF의자성입자를탄소나노튜브, 그래핀등과결합하게되면 MRF와탄소나노재료의장점을동시에발현할수있다. 특히밀도가낮은탄소나노튜브와자성입자를화학적으로결합한후 carrier fluid에분산시킨 MRF는높은 sedimentation stability를나타낸다 [3-5]. 1
한편, MRF 제조에주로사용하는 magnetite 입자는높은투자율을가지는자성입자로서전자파를흡수하는성질을보인다. 이러한자성입자에전도성물질인탄소나노튜브를결합함으로써전자파흡수효과를높일수있다. 최근다양한종류의전자제품의사용으로기기들상호간전자파가전선을통해전달되거나방사됨으로써오작동을발생시키는문제가증가하고있는데, magnetite 입자와탄소나노튜브의복합체를포함하는나노섬유웹은높은전자파흡수효과와더불어뛰어난물성과가벼운성질로인해전자파차폐재료로응용될수있다 [6, 7]. 본연구에서는다중벽탄소나노튜브의표면에 magnetite를화학적으로결합시켜 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을제조하고, 이를기반으로한 MRF를제조하였다. 또한동축전기방사법으로 core(mrf)/sheath(pu) 구조의나노섬유웹을제작하여자기장에반응하여물성이향상되는동시에전자파차폐효과를보이는지능형나노재료를구현하고자하였다. 2
2. Literature Review 2.1. Magnetorheological fluid (MRF) 2.1.1. Magnetic nanoparticles Nanoparticles( 나노입자 ) 는직경이 1~100 nm 단위를가진입자로, 구성이같은물질이라도 bulk나 micron 상태에서볼수없었던양자점특성이나초상자성특성과같은새로운성질을보인다. 이러한나노입자는높은비표면적으로미세한결정립으로인한고효율성을기반으로전기전자, 정보통신, 환경 / 에너지, 바이오분야등다양한분야에서연구가진행되고있다 [1]. 최근에는다양한성질을갖는나노입자중자성나노입자에관한연구가각광을받고있다. 일반적인자성재료는강자성체 (ferromagnetic), 반자성체 (diamagnetic), 상자성체 (paramagnetic), 페리자성체 (ferromagnetic), 반강자성체 (antiferromagnetic의 5가지성질중하나를띠게되는데자성입자가아주미세해지면열진동에너지에의해자화방향이서로분산되는열요동 (thermal flucturation) 현상이일어나기존의이론이성립하지않게된다. 이러한열요동으로인해나노자성입자의집합체에서는개별입자의자화방향이서로달라져전체적으로자화가상쇄된다. 이로인해각각의입자가상자성체의원자자기모멘트와같이열진동을하게되므로이런상태를초상자성 (superparamagnetism) 이라고한다. 이와같은초상자성나노자성입자는 Figure 2.1과같이높은자화율과낮은잔류자기값을특징으로하며촉매, 바이오재료, 데이터저장체, 스마트직물 3
등다양한분야에서응용되고있다 [1, 8]. Figure 2.1 Hysteresis loops for magnetic materials 이러한자성나노입자를실질적으로응용할때에는자성나노입자를분말형태로사용하지않고주로유체에분산시킨상태로사용하게된다. 이때자성나노입자들이유체내에서잘분산되어있게하기위해적절한계면활성제를사용하거나자성나노입자의표면을개질하는방식을사용하기도한다. 유체내에안정적으로입자가분산되면, 원심력이나자장을가하여도고상과액상간의분리가일어나지않으며외관상액체자신이자기를가지고있는듯한성질을나타내게된다. 이때자성입자는단자구상태이며보통초상자성을나타낼정도로충분히미세화되어있다 [9]. 2.2.2. Magnetorheolocial fluid Magnetorheological fluid (MRF) 는연자성을띠는입자가 비자성의유체에분산된현탁액으로서외부에서인가되는자기장에 4
빠르게반응하여유변학적성질이변화하는 smart material이다. MRF는 Figure 2.2과같이외부자기장이없을때에는자성입자가유체내에서무작위로분산되어 Newtonian fluid와같은거동을보이다가자기장이인가되면분산되어있던입자들이자기장방향으로사슬구조를이루면서 solid-like 거동을보이게된다. 이러한구조의변화는외부자기장에의해유도된 dipole-dipole interaction에의해 milliseconds 이내에일어나게된다 [3, 9, 10]. 이러한 MR 유체는다음식과같이 Bingham 모델로설명할수있다. 여기서 τ는전단응력, η는소성점도, τ y 는자기력세기에비례하는동적항복응력, g& 는전단속도를나타낸다. t = t y + hg& Figure 2.2 Scheme of magnetorheological fluid: (a) magnetic field off, (b) magnetic field on 5
이러한 MRF는낮은초기점도, 외부자기장하에서의높은전단응력, 낮은전력소모등의장점을바탕으로자동차, 항공, 광학, 로봇등넓은응용범위를갖고있으며최근에는 MRF를섬유소재에도입함으로써외부자기장에반응하는스마트직물을제조하는방법에대한연구가진행되고있다 [3]. 2.1.3. Carbon nanotubes as magnetorheological material Carbon nanotubes (CNT) 는 1991년 Iijima에의해처음발견된이래로뛰어난전기적, 열적안정성및기계적특성으로큰주목을받으며다양한분야에서응용되고있는물질이다. CNT는탄소 6개로이루어진육각형모양이서로연결되어관의형태를이루고있으며, 관의지름이수 ~ 수십나노미터에불과하여탄소나노튜브라고일컬어지고있다. Table 2.1에서확인할수있듯이, 탄소나노튜브의기계적강도는철강보다 100배이상뛰어나며전기전도도는구리에비해 1000배이상높고열전도율은자연계에서가장뛰어난다이아몬드와비슷하다. 이러한뛰어난특성으로인해 CNT는나노복합재료, 바이오센서, 반도체, 디스플레이, 배터리, 트렌지스터등다양한분야에응용이되고있다 [4, 11, 12]. 최근에는이러한다양한특성과낮은밀도를가진 CNT를 MRF에적용하여 CNT의장점을살리고자성입자의 sedimentation stability를높이기위해많은연구가이루어져왔다. 그러나 CNT는그자체로어떠한상자성도띠지않기때문에자기적성질을갖는물질과의혼성화를통해서만자화가가능하다. 가장간단한방법으로는산처리된 CNT 표면에 coprecipitation 방법을통해 6
Fe 3 O 4 입자를합성하려나노복합체를제조하는것이다. 이렇게 제조한 CNT/ Fe 3 O 4 나노복합체를유체에분산시킴으로써 CNT 를 적용한다기능성 MRF 를제조할수있다 [13-15]. Figure 2.3 Diagram of (a) single-walled carbon nanotubes (SWNT), and multiwalled carbon nanotubes (MWNT) Table 2.1 Properties of carbon nanotubes 지름 (nm) 장력 (Gpa) 밀도 (g/cc) 전기저항 (Ω m) 전류밀도 (A/m 2 ) 열전도율 (W/m K) 단일벽탄소나노튜브 (SWNT) 다중벽탄소나노튜브 (MWNT) 1.2~3.0 5~100 ~45 <50~300 비고 머리카락 100x10 3 합금철 ~2 스테인리스강 ~1 1.33~1.40 - 알루미늄 ~2.7 10x10-6 5.1x10-8 구리 1.7x10-8 ~109 - 구리 106 ~6000 ~3000 다이아몬드 2000~40000 7
2.2. Polyurethane 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 은 isocyanate group(- N=C=O) 을가진분자와 hydroxyl group(-oh) 을가진분자의우레탄결합을통해만들어진탄성중합체이다. 이때 isocyanate group을가진분자로는주로 Toluene Diisocyanate(TDI) 가사용되며 hydroxyl group을가진 polyol 분자로는 polyether나 polyester를사용하는데이때결합하는분자의종류에따라다양한성질을갖는폴리우레탄을제조할수있다. Polyol 분자로 polyether를사용하면폴리우레탄의부드러운성질이강해지고, polyester 사용하면딱딱한플라스틱이된다. 또한 hydroxyl group을셋이상가진분자를사용하여만들어진폴리우레탄은 3차원적으로결합하여열에대해변형하지않게된다. [2, 16, 17] 이러한폴리우레탄은가수분해안정성을지니며화학약품에잘견디는특성을가지고있다. 또한탄성회복률이우수하고마모및미생물에대한저항성이뛰어나전기방사재료로많이사용되고있다. Figure 2.4 Polyurethane synthesis 8
2.3. Electrospinning 전기방사는전기적으로하전된고분자용액및용융물의 jet을통해연속상의나노섬유를제조할수있는공정이다. 전기방사는 1934년 Anton과 Formhals가정전기력을이용하여고분자필라멘트를제작하는기술을발표하면서처음으로아이디어가제시되었으며, 1969년 Taylor의전기장과고분자용액의표면장력간균형에관한연구를토대로많은연구가진행되어왔다 [16]. 전기방사기는용액을밀어내는토출부, 전압을걸어주는고전압부, 나노섬유를적층시키는 collector의세부분으로구성되어있다. Figure 2.5는전기방사의모식도를나타내고있다. 고분자를용매에완전히녹인후일정한속도로시린지를통해밀어내게되면바늘끝에액적이생기게되며, 이액적은일정한표면장력을가지고매달려있게된다. 이때고전압을걸어주면액적중에양전하밀도가높아지게되며전하반발이생긴다. 이들반발에의해 jet이생성되어 ground 상태인 collector 쪽으로이동하게되는데 collector에가까워지면서 jet은단계적으로분리되어최종적으로나노크기의섬유들이적층되어부직포를형성하게된다 [18, 19]. 9
Figure 2.5 A schematic diagram of electrospinning 전기방사는노즐의구조에따라단순한나노스케일의섬유뿐아니라이중구조 (core/sheath) 및중공구조 (hollow) 의나노섬유제조가가능하다. 이중노즐을이용한동축전기방사 (coaxial electrospinning) 공정은두가지고분자용액을내부에삽입된노즐과외부의노즐을통해독립적으로토출시키면서전기방사를수행하는방법이다. 이러한동축전기방사에의해제조된 core/sheath 구조의나노섬유는 core와 sheath에사용된재료가가지는기능을모두발현하게된다 [2, 16]. 전기방사공정에서영향을미치는여러가지변수가존재한다. 먼저고분자용액의점성, 유전상수, 표면장력과같은용액변수가있고, tip에서의전압, collector와분출구사이거리등의공정변수, 온도, 습도, 챔버내공기의흐름등의환경변수가있다. 이러한전기방사기술은용매와의혼합및용융이가능한모든고분자재료로하여높은비표면적과공극률을갖는섬유의제조가가능하다. 또한경제적이고간단한공정으로인해필터, 분리센서, 의류소재, 방호소재, 에너지저장소재, 의료용소재, 디스플레이소재, 복합소재에이르는다양한영역에서응용이가능하다 [2]. 10
2.4. Electromagnetic interference shielding effectiveness 2.4.1. Electromagnetic interference shielding 최근다양한종류의전자제품의사용으로기기들상호간전자파가전선을통해전달되거나방사됨으로써오작동을발생시키는문제가증가하고있다. 이러한문제는투자율이좋은재료로자기장발생원을감싸거나, 자기장피해를받는부분을막아주는방법을통해전자파가차폐재표면을따라다른부분으로흘러가도록하여해결한다. 이때차폐재의구성재료및두께, 전자기파의주파수, 에너지강도등에따라전자파의차폐효율이변할수있다. 전자파차폐는전자파의성질에따라자기장차폐, 전자파차폐, 흡수둥의방법을통해이루어진다. 먼저자기장차폐는투자율이좋은재료로자기장발생원이나피해를받는기기를감싸줌으로써해결하는방법이다. 전자파차폐는기기의케이스를도전성소재로감싸는방법을사용하는데전자파를반사시키거나그라운드로흐르게함으로써전자파를차폐하게된다. 마지막으로전자파흡수는전자파가흡수체에입사될때, 생성되는반사파, 침투파, 통과파중침투된전자파에너지를열에너지로변환시켜전자파를없애는방법을말한다. 전자파를차폐만한다면유입된전자파가반사되어돌아와다시영향을받을수있는데이때흡수체를사용함으로써이를방지할수있다. 흡수체는주로유전체 ( 저항체 ), 자성체등의재질로구성되어있으며전자파발생원또는피해를 11
받는부분에부착하는방법으로전자파를차폐하게된다 [6, 7, 19]. Figure 2.6 Schematic representation of EMI shielding mechanism 2.4.2. Electromagnetic interference shielding effectiveness 전자파차폐효과 (Shielding effectiveness : SE) 란동일입사전력에 대해서차폐재료가존재할때와존재하지않을때의수신전력비를 말하며, 다음식과같이표현된다 [20]. SE = 10log P P (db) P 차폐재료가존재할때의수신전력 P 차폐재료가존재하지않을때의수신전력 12
3. Experimental 3.1. Materials 다중벽탄소나노튜브 (MWNTs, 지름 10~15nm) 는한화나노텍에서구입하였고 Iron(III) chloride는 Aldrich사, Iron(II) Sulfate Heptahydrate는 Kanto Chemical사, Sodium Hydroxide 용액은대정화금에서구입하였다. Polyurethane(PU) 는 Diaplex사에서구매하여별도의정제과정없이그대로사용하였으며, Sulfuric acid, Nitric acid, N,Ndimethylformamide(DMF), tetrahydrofuran(thf), mineral oil은삼전화학에서구입하여사용하였다. 3.2. Fabrication of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 3.2.1. Functionalization of MWNTs 다중벽탄소나노튜브 (MWNTs) 를코팅하기위해 MWNTs 3 g과 Sulfuric acid 250 ml, Nitric acid 250 ml를둥근플라스크에넣은후 100 o C에서 24시간동안 reflux 시켜주었다. 이렇게얻은산처리된 MWNTs를중성화시키기위해증류수에초음파분산시킨후진공여과과정 (Cellulose ester membrane, 0.2 μm, 47mm) 과정을거친다. 이와같은수세과정을 5회반복하여최종적으로 COOH 기능기가도입된 MWNTs-COOH를제조하였다. 13
3.2.2. Synthesis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을제조하기위해 0.1 g의 MWNTs-COOH를 60 ml의증류수에초음파분산시킨후, 혼합액을둥근플라스크로옮겨 60 o C에서 30분동안교반하였다. 0.312g의 Iron(III) chloride, 0.16g의 Iron(II) Sulfate를첨가하여 30분동안추가적인교반과정을거치고 1M의 Sodium Hydroxide를 16 ml를천천히첨가한후, 2시간동안교반시켜주었다. 모든과정은질소분위기하에서진행되었다. 혼합액의중성화를위해증류수로여과과정을거치고 50 o C에서 24시간동안진공건조하여최종적으로 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을제조하였다. 제조과정의모식도를 Figure 3.1에나타내었다. 14
Figure 3.1 Schematic illustration of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites synthesis process 15
3.3. Preparation of magnetorheological fluid 제조한 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 과 Fe 3 O 4 nanoparticles 를이용하여 magnetorheological fluid(mrf) 를 제조하였다. 분산된유체는점도가 70 cs, 비중이 0.85인 mineral oil을사용하였다. MRF 내입자의종류및농도에따른효과를알아보기위해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites과 Fe 3 O 4 nanoparticles의농도를각각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 로하여총 6가지샘플을준비하였다. 교반처리및초음파분산처리를통해유체내의입자들을균일하게분산하였다. 3.4. Preparation of electrospinning solution 3.4.1. Sheath Solution DMF 와 THF 를 6:4 로혼합한 87 g 의용매에 PU 13g 을넣고 magnetic stirring 방법으로 12 시간교반하여 13 wt% 의 PU 용액을제조하였다. 3.4.2. Core Solution 먼저 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이 5 wt% 첨가된 MRF를이용하여 MRF와 PU 용액의비율을달리한 4가지 core 용액을제조하였다. 용액의제조조건은 Table 3.1에나타내었다. 16
Table 3.1. Preparation of electrospinning solution (Effect of MRF concentrations) Core Sheath MRF 100 100% MRF(5 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 ) MRF 30 MRF 20 MRF 10 MRF(5 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 ) : PU = 3 : 7 MRF(5 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 ) : PU = 2 : 8 MRF(5 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 ) : PU = 1 : 9 13wt% PU solution (PU:DMF:THF = 13:35:52) Table 3.1의네가지 Core 용액중가장안정적으로방사가이루어진조건은 MRF를 20wt% 첨가한용액이다. 따라서 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites과 Fe 3 O 4 nanoparticles의농도를각각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 로하여제조된 6가지 MRF와 13 wt% 의 PU 용액을 2:8의비율로혼합하고, mechanical stirring의방법으로 2시간교반하여 Core 용액을제조하였다. 17
Table 3.2. Preparation of electrospinning solution (Effect of magnetic particle concentrations) Core (MRF : PU = 2 : 8) Sheath PUCF1 PUCF5 PUCF10 1 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 MRF + PU solution 5 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 MRF + PU solution 10 wt% MWNTs/Fe 3 O 4 MRF + PU solution 13wt% PU solution PUF1 1 wt% Fe 3 O 4 MRF + PU solution PUF5 5 wt% Fe 3 O 4 MRF + PU solution (PU:DMF:THF = 13:35:52) PUF10 10 wt% Fe 3 O 4 MRF + PU solution PU 13wt% PU solution 단일방사 18
3.5. Electrospinning condition 모든용액에서 Collector와 tip 사이거리를 15 cm로설정하였고, Core의 flow rate은 0.4 ml/h, Sheath의 flow rate은 0.8 ml/h로하였다. 용액에따라적정전압에다소차이가있었으나, 대체적으로 9.0~11.1 kv의전압에서방사가이루어졌다. Coaxial Electrospinning 방법의모식도는 Figure 3.2과같다. Table 3.3. Electrospinning condition Voltage (kv) MRF100 9.6~10.5 MRF30 9.2~9.5 MRF20 9.3~9.8 MRF10 8.5~9.0 PUCF1 9.0 ~ 9.3 PUCF5 9.3 ~ 9.8 PUCF10 10.0 ~ 11.1 PUF1 9.0 ~ 9.5 PUF5 9.3 ~ 10.0 PUF10 9.3 ~ 10.3 Flow rate (ml/h) Core : 0.2 Sheath : 1.0 Core : 0.4 Sheath : 0.8 Collection distance (cm) 15 PU 8.5~9.0 1.2 19
Figure 3.2 A schematic diagram of coaxial electrospinning 20
3.6. Characterization 3.6.1. Morphology MWNTs 표면에 Fe 3 O 4 나노입자가결합된모습과나노섬유의 core/sheath 구조를확인하기위해 High Resolution Transmission Electron Microscopy(HR-TEM, JEOL JEM-3010, Japan) 를통해 TEM image를관찰하였다. 그리고 nanowebs 내 oil이새어나오지않고안정적인방사가이루어졌는지확인하기위해 Field Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM, JEOL, JSM- 6300F, Japan) 을이용하여나노웹의 morphology를관찰하였다. 3.6.2. Chemical and structure analysis 합성된 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의구조를확인하기위해 High resolution X-ray Diffractometer(HR-XRD, Bruker D8, Germany) 를사용하였고, MWNTs와 Fe 3 O 4 간화학적결합을확인하기위해 Fourier Transform Infrared Spectra(FT-IR, Nicolet 6700, USA) 를사용하였다. 3.6.3. Magnetic properties MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의자기적특성을분석하기위해 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID, MPMS) 를이용하여자기이력곡선을구했다. 분석은상온에서이루어졌으며인가된자기장의범위는 10000 Oe부터 10000 21
Oe 이다. 3.6.4. Rheological properties MRF의자기장하에서유변학적거동을관찰하기위해 Parallelplate strain-controlled Rheometer(MCR 301, Anton Paar Companies, Germany) 를사용하였다. 정상유동 (Steady shear flow) 하에서 shear rate에따른 shear stress를측정하였으며, shear rate의범위는 0.1~1000 s -1 로설정하였다. MRF 샘플과 parallel plate 사이거리는 0.3mm로하였으며, 전자기유도방식으로자기장을발생시키는 electromagnet kit을사용하여 shear flow 방향에수직으로자기장을인가해주었다. 3.6.5. Sedimentation analysis MRF 내자성입자의종류에따른분산안정성차이를알아보기위해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites과 Fe 3 O 4 nanoparticles의농도를각각 5 wt% 로한 MRF의 sedimentation rate을측정하였다. 3.6.6. Mechanical properties 나노웹의기계적성질을알아보기위해 Universal Testing Machine(UTM, Instron-5543) 을사용하였다. 자기장의인가여부에따른기계적특성의변화를알아보기위해 Figure 3.3과같이샘플을고정시키는두 Grip 사이에솔레노이드를설치하여인장방향과평행한방향으로자기장을 22
인가하였다. 이때철로된 grip 의자기장에의한영향을 최소화하고솔레노이드사용시불편을줄이기위해종이와 에폭시를이용해샘플의길이를연장시켰다. Figure 3.3 A schematic of UTM with solenoid 3.6.7. Measurement of the electromagnetic shielding effectiveness 나노웹의전자파차폐효과를측정하기위해 Shielding effectiveness test fixture (EM-2107A, Electro-Metrics, USA) 를사용하였다. 측정장치의기본적인구성은 Figure 3.4와같다. 시료지지대 (specimen holder) 는원형동축선의구조로서, 양끝사이의임피던스는측정주파수대역내에서 50±0.5 Ω을유지한다. 신호발생기 (signal generator) 는시료지지대와임피던스정합을위해 50 Ω의출력임피던스특성을가지고있어야한다. 수신기 (Receiver) 또한 50 Ω의입력임피던스를 23
가지고신호발생기에서발생하는주파수범위의신호를수신할수있어야하며감쇠기 (attenuator) 는임피던스정합을위해신호발생기및수신기로부터시료지지대를격리시키는기기로, 일반적으로 50 Ω의임피던스를갖는 10 db 감쇠기가사용된다. Figure 3.4 A basic equipment setup of EMSE test 전자파차폐효과를알아보기위해서는 PU, PUCF1, PUCF5, PUCF10의네가지나노섬유웹을준비하였다. 시험시료는 Figure 3.5와같이기준시료와부하시료로구성되는데, 이두종류의시료의두께와전기적특성은동일해야하기때문에네가지샘플에대해각각동일한시료로부하시료와기준시료를제조하여측정하였다. 샘플들은시험전에 25 C, 상대습도 50 % 의조건에서 48시간방치한후측정을하였다. 측정주파수범위는 30 MHz ~ 1 GHz로하였다. Figure 3.5 Dimensions of (a) reference and (b )load specimens 24
4. Results and Discussion 4.1. Morphology of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의 HR-TEM image를 Figure 4.1에나타내었다. TEM image에서볼수있듯, 직경이 20~30 nm인 MWNTs의벽면을따라직경 4~8 nm의구형마그네타이트입자가합성된것을확인하였다. magnetite 입자의평균직경은약 5.2 nm로나타났다. Figure 4.1 HR-TEM images of MWNT/Fe 3 O 4 nanocomposites 25
4.2.Chemical and structure analysis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 4.2.1. X-ray diffraction patterns MWNTs 의표면에합성된 magnetite 의결정구조를알아보기 위해 X-ray diffraction pattern 을분석하였다. Figure 4.2 은 산처리과정을거친 MWNTs-COOH와 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의 XRD 패턴을나타내고있다. 먼저 MWNTs-COOH에서나타나는 26.4 의피크는 MWNTs의 0.34nm inter-planar spacing에의한것으로 (0 0 2) 결정면에서회절이일어난것을확인할수있었다. 이는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의패턴에서도나타나고있는데이를통해 Fe 3 O 4 의 chemical precipitation 과정을거친후에도 MWNTs의구조가그대로유지되고있음을확인할수있었다. 다음으로 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의패턴에서나타나는 30.0, 35.4, 43.1, 54.1, 62.6 의피크는각각 magnetite의 (2 2 0), (3 1 1), (4 0 0), (4 2 2), (4 4 0) 결정면에대응되는것으로, MWNTs의표면에역스피넬구조의 magnetite가잘합성되었음을확인할수있었다. Broad한 magnetite 특성피크는합성된 magnetite 입자의결정크기가매우작은것을나타낸다. 26
Figure 4.2 X-ray diffraction patterns of MWNTs-Fe 3 O 4 and MWNTs- COOH 27
4.2.2. FT-IR spectra 제조한 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의화학적결합구조를알아보기위해 FT-IR을측정하였다. Figure 4.3은 MWNTs- COOH와 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의 IR spectrum을나타내고있다. 먼저 1580 cm -1 에서공통적으로피크가나타나는것을확인할수있는데, 이는 MWNTs 내 graphene layer를이루는 carboncarbon 사이 stretching vibration에의한것이다. 한편 CNT의기하학적구조에따라 1600 cm -1 부근의 IR active mode가미세한차이를나타낼수있는데, 1600 cm-1에서여러밴드들이겹쳐져나타나는 broad한피크는다양한직경의 layer들로구성되는 MWNTs의구조를보여주고있다. MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의스펙트럼에서특징적으로나타나는 585 cm -1 의피크는 magnetite의 Fe-O-Fe의 interaction으로인한 stretching vibration을나타내는것으로 MWNTs 표면에 magnetite가잘합성된것을확인할수있다. 다음으로 MWNTs-COOH의 1718 cm -1 에서나타나는피크는 C=O 결합의 stretching vibration에의한것인데, MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의 spectrum에서이부분이뚜렷하게감소한것을보아개질된 MWNTs의 carboxyl기에서화학적결합을통해 magnetite가제조된것을확인할수있다. 28
MWNTs/Fe 3 O 4 MWNTs-COOH Absorption 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 Wavenumber [cm-1] Figure 4.3 FT-IR spectra of MWNTs/Fe 3 O 4 and MWNTs-COOH 29
4.3. Magnetic properties of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites Figure 4.4는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의자기이력곡선을보여주고있다. 자기이력곡선을통해구한 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의포화자화 (Ms) 는 9.1 emu/g, 보자력 (Hc) 은 17.5 Oe이다. 자기장을제거했을때의잔류자기 (Mr) 는 0.32 emu/g의 0에가까운값을나타내었고, 이를통해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites가초상자성성질을가짐을확인할수있다. Figure 4.4 M-H hysteresis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 30
4.4. Magnetorheological properties of MRF Figure 4.5는세가지 MRF에대해 shear rate을 0 s -1 부터 1000 s -1 까지, 자기장은 0 mt, 220 mt, 440 mt, 660 mt, 880 mt로변화시켜가며점도를측정한결과이다. (a) 는 1 wt% 의 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을분산시킨 MRF, (b) 는 5 wt% 의 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을분산시킨 MRF, (c) 는 5 wt% 의 Fe 3 O 4 나노입자를분산시킨 MRF이다. 먼저모든샘플에서자기장의세기가증가함에따라점도가증가하는것을볼수있는데, 이를통해용액내의자성입자들이자기장의방향에따라체인을형성하면서물성이변하는 MR성질을보이는것을확인할수있다. 또한자기장이인가되었을때모든샘플에서 shear rate가증가함에따라점도가감소하는 shear thinning 현상을보이는데, 이는 MRF의대표적인거동으로써, 자기장이가해졌을때형성되었던체인이외력에의해깨지면서발생하는현상이다. 특히자기장의세기가강할때에는자성입자간체인이더욱강하게형성되었다가깨지기때문에점도가급감하는현상을보인다. (a) 와 (b) 그래프는 MRF 내복합체의농도를각각 1wt%, 5wt% 로달리한것으로써, (b) 의경우더많은양의자성입자를 함유하고있기때문에자기장하에서더욱뚜렷한점도의증가를보인다. 하지만높은입자농도로인해일부 aggregation이형성되고이에따라다소불안정한거동을보이는것을확인할수있다. 마지막으로 Fe 3 O 4 자성입자만을사용한 MRF 와 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을첨가한 MRF의유변학적성질을비교하기위해 31
(b) 와 (c) 의그래프를비교했을때, 660 mt 이하의자기장 세기에서는점도및자기장에반응하는정도에거의차이가없는 것을확인할수있다. 이를통해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을사용해 MRF를제조함으로써기존 magnetite를이용한 MRF에비해유변학적성질의감소없이, sedimentation stability를증가시키고나노섬유웹의물성또한크게증가시킬수있을것이라예상할수있다. 32
Figure 4.5 Shear rate-viscosity curves of (a) CF1 (b) CF5 (c) F5 33
4.5. Sedimentation stability of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites based MRF MRF 내자성입자로 magnetite가아닌 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites를도입한가장큰이유는 MRF 및나노섬유제조에중요한요소인분산안정성을높이기위해서이다. Fluid 내 sedimentation velocity는식 (1) 과같이표현된다. V 0 V 0 2( r s - r f = 9h ) ga = sedimentation velocity r = particle density s r f = fluid density a = particle radius h = viscosity of the fluid 2 (1) 이식을통해밀도가 5 g/cm 3 인 magnetite에비해밀도가 1.8 g/cm 3 의 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites를 oil에분산시켰을때분산안정성이매우높아질것이라예상할수있다. 또한높은 length-diameter 비를갖는튜브형태의 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의구조적특징또한분산안정성에 영향을줄수있다. 특히입자의농도가높을때, MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites은 carrier fluid 내에서응집이일어나는대신 3차원적인네트워크를형성하여 sedimentation이어렵게한다. 실제로 magnetite와 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 기반의 MRF를바이알에담아 sedimentation 속도를관찰해보았을때그림 4.6과같이 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을기반으로 34
제조한 MRF 의분산안정성이뛰어난것을확인할수있었다. Figure 4.6 An image of the sedimentation of the MRF 35
4.6. Morphology of nanowebs 4.6.1. The effect of MRF ratios on morphology 먼저 core에 100% MRF를사용하여방사한나노섬유웹의 SEM image와 TEM image를통해 morphology를관찰하였다. Figure 4.7(a) 의 SEM image를보면섬유의두께가일정하지않고곳곳에 bead가형성된것을확인할수있다. 또한방사된섬유간경계가불분명하고서로달라붙어전체적으로불안정한웹의형태를보이고있다. 그원인을찾기위해 Figure 4.7(b) 의 TEM image를관찰해보았을때, 나노섬유가 core/sheath 구조를유지하지못하고 core 부분에위치한 MRF의오일이 sheath 부분으로새어나온것을확인할수있다. 이와같이새어나온 MRF의오일성분이 PU 용액의 DMF, THF 혼합용매와섞이면서용매의증발을방해하고그결과불안정한섬유의구조를보이고있다. 또한 Figure 4.7 (b) 에표시한부분과같이 oil이 sheath 밖으로까지새어나가면서 web 형성시 Figure 4.7 (a) 와같이서로엉겨붙은형태를보이게된다. 이와같이 Core에 100% MRF를사용했을때 oil이새어나오는문제를해결하기위해 core 부분의 MRF에 PU용액을혼합하여안정적인나노섬유웹을얻고자하였다. Figure 4.8은 core 내 MRF의비율을각각 10 wt%, 20 wt%, 30 wt% 로하여제조한나노섬유의 TEM image이다. 먼저 core 내 MRF를 10 wt% 의비율로제조한 Figure 4.8(a) 의나노섬유를보면 core 내 PU의양이너무많아방사시 core 부분의 PU가 36
sheath 부분의 PU 와혼합되고 core-sheath 의 PU 간경계가일부 사라진 것을확인할수있다. 반면 Figure 4.8(b) 를보면 MRF 의 비율을 20 wt% 로하였을때 core 내 PU와 oil의양이 sheath의 PU용액과균형을이루어가장안정적인 core/sheath 구조를보이는것을확인할수있다. 한편 Figure 4.8(c) 의경우, core에 100 wt% MRF를사용했을때와마찬가지로 core 내 oil이 sheath 부분의용매와섞이면서 core/sheath 간경계가불분명한구조를보이고있다. 이를통해 MRF를 core에충진하여 core/sheath 구조의나노섬유웹을제조할경우, core의 MRF의양을 20 wt% 로하는것이가장적합한것을확인할수있었다. 37
Figure 4.7 (a) FE-SEM image and (b) HR-TEM image of Core(100% MRF)/Sheath(PU) nanofibers 38
Figure 4.8 HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU) nanofibers (a) 10wt%, (b) 20wt%, (c) 30wt% 39
4.6.2. The effect of particle concentrations on morphology Core 의 MRF 내입자의농도에따른 morphology 의변화를관찰 하기위해 MRF 내 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 의농도를각 각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 로하여총 3 가지나노섬유웹을제조하 였다. 이때 core 의 MRF 와 PU 용액의비율은가장안정적인나 노섬유를얻었던 2:8의비율로하였다. Figure 4.9는 MRF 내 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의농도를 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 로하여제조한나노섬유웹의 SEM, TEM image이다. 먼저 SEM image를보면세가지나노섬유웹모두 bead가없고, 800 nm에서 1.5 μm사이의비교적균일한두께를갖는안정적인웹을형성하고있다. TEM image를통해서도안정적인 core/sheath 구조를확인할수있다. 이는 MRF 내 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의높은분산안정성으로인해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의농도가 10 wt% 까지증가하더라도응집으로인한방해가일어나지않고안정적인전기방사가이루어졌기때문이다. 40
Figure 4.9 FE-SEM and HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU) nanofibers (a), (b) : PUCF1, (c), (d) : PUCF5, (e), (f) : PUCF10 41
4.7. Mechanical properties of nanowebs 4.7.1. The effect of particle concentrations Figure 4.10은 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의양을달리하여제조한나노섬유웹의 strain에따른 stress 변화를나타낸그래프이다. 먼저 MRF를첨가한나노섬유웹의경우 PU 나노섬유웹에비해연신율은다소감소하였으나 stress 값이 175.6 % 에서 228.4 % 까지증가한것을확인할수있었다. Table 4.1의인장시험결과를통해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의양에따른물리적성질들을비교해보았을때, 5 wt% 까지는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의양이증가함에따라 Stress 와 modulus가증가하는것을확인할수있었다. 자기장을인가하지않았음에도불구하고자성입자농도에따라물성이증가하는현상은 core 용액으로 MRF와 PU 혼합액을사용했기때문이다. MRF와 PU용액이혼합될때 PU matrix에분산된일부자성입자들이나노섬유웹의인장시험시 load transfer 역할을수행하게되면서 stress의증가를보이게된다. 그러나 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의양이 10 wt% 까지증가하면일부입자들의 aggregation이일어나기계적성질의향상에기여를하지못하게된다. 나노섬유웹의파단시연신율을비교해보았을때, 입자의농도가증가함에따라연신율이다소감소하는것을보였다. 42
Tensile Stress (MPa) 25 20 15 10 5 PUCF10 PUCF5 PUCF1 PU 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Strain (%) Figure 4.10 Stress-strain curves of nanowebs with different particle concentrations Table 4. 1 Mechanical properties of nanowebs with different particle concentrations Modulus (Automatic Young's) (MPa) Stress at Maximum Load (MPa) Elongation at Break (%) PU 12.6684 9.0413 198.992 PUCF1 23.2236 15.8754 181.364 PUCF5 31.0559 20.0607 179.254 PUCF10 29.8842 20.6484 176.471 43
4.7.2. The effect of magnetic field strength Figure 4.11은 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이 10 wt% 첨가된나노섬유웹의자기장세기따른 strain-stress curve이다. 자기장이가해짐에따라나노섬유웹의 Stress가크게증가하는것을확인할수있었다. Table 4.2의결과를보면, 자기장을인가하기전 stress값인 20.6484 MPa과비교하여 50 mt에서는 22.6267 MPa, 100 mt에서는 28.1127 MPa로, 각각 9.6 %, 36.1% 의증가율을나타내고있다. Young s modulus 값또한각각 107.1 %, 114.3 % 의큰증가율을보이고있다. 이는자기장이가해졌을때자성입자들이체인을형성하며기계적물성이증가하는 MR의성질을보여주는결과이다. 이를통해나노섬유의 Core에함유된 MRF의 Oil이웹이형성된후에도자성입자들이움직일수있는 Carrier 역할을하고있음을확인할수있다. 파단시연신율을비교해보면, 자기장의세기가증가함에따라연신율이다소감소하는것을확인할수있다. 이는높은 stress 값이보여주는바와같이, 자기장하에서자성입자들이더욱강하게체인을형성하면서 solid-like한성질이강해지고그로인해나노섬유웹이 stiff해지는것으로예상할수있다. 44
30 25 Field On (100 mt) Field On (50 mt) Field Off Tensile Stress (MPa) 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Strain (%) Figure 4.11 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic fields Table 4.2 Mechanical properties of nanowebs with and without magnetic fields Modulus (Automatic Young's) (MPa) Stress at Maximum Load (MPa) Elongation at Break (%) 0 mt 31.0559 20.0607 179.254 50 mt 64.3244 22.6267 172.215 100 mt 66.5586 28.1127 167.976 45
4.7.3. The effect of particle types Figure 4.12는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites을첨가한 MRF를사용한경우와 magnetite만을첨가한기존의 MRF를사용한경우의물성을비교하기위해, 자기장인가여부에따른 Strain-Stress 를측정한결과이다. 앞의결과와마찬가지로자기장인가시두샘플모두 Stress가크게증가하는것을확인할수있었다. 그러나 MWNTs가첨가되지않은경우자기장이없을때의 Stress 값이 PU 나노섬유웹수준으로현저히낮아자기장이인가된후에도 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이첨가된나노섬유웹의 Stress 값에미치지못하는것을확인할수있었다. 이는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이나노섬유웹에첨가되었을때 MWNTs 자체의뛰어난물성으로인해, 기존의 MRF를첨가했을때와는차별되는기계적성질을가짐을보여주는결과이다. 또한장시간전기방사를통해나노섬유웹을제조할때 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이포함된 MRF를사용한경우, 높은 sedimentation stability로인해입자가균일하게분포되어있는나노섬유의제조가가능하고이로인해기계적물성이크게향상될수있다. 46
Stress (MPa) 25 20 15 10 PUCF5, Field Off PUCF5, Field On PUF5, Field Off PUF5, Field On 5 0 20 40 60 80 100 120 Strain (%) Figure 4.12 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic fields Table 4.3 Mechanical properties of nanowebs with different particle types Modulus (Automatic Young's) (MPa) Stress at Maximum Load (MPa) Elongation at Break (%) PUCF5, off 31.0559 18.0607 177.736 PUCF5, on 73.6845 26.7509 180.312 PUF5, off 7.1086 8.7928 163.200 PUF5, on 10.8053 12.1925 182.535 47
4.8. Electromagnetic shielding effectiveness of nanowebs Figure 4.13은 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites이 0 wt%, 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 첨가된나노섬유웹의전자파차폐효과를확인해본결과이다. 초고주파수에대해서는큰차폐효과를보이지못했지만모든샘플에대해서 60 MHz 이하의주파수대에서 50 % 이상의차폐효과를보였다. 특히나노섬유웹에첨가된 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의농도가높아짐에따라차폐효과가증가하는것을확인할수있었다. Figure 4.14는각각의나노섬유웹두께를 0.08 mm, 0.16 mm, 0.24 mm 로변화시켜가며최대전자파차폐효율을나타낸그래프로, 이를통해차폐효과에차폐재료의두께가매우큰영향을미친다는것을확인할수있었다. 특히 PUCF10 샘플의두께를 0.24 mm로하여차폐효율을측정했을때 70% 이상의높은차폐효율을보였으며, 이는 PU 샘플에비해약 13 % 증가한값이다. 이와같은결과는도전성 MWNTs와자성 Fe 3 O 4 의고주파손실특성에따른전자기파흡수에의해나타나는결과이다. 전자기장이가해졌을때, MWNTs와 Fe 3 O 4 내부에무질서하게분포되어있던 dipole들의정렬이일어나게되는데, 고주파의전자기장이가해지면서 dipole들의정렬이전자기장의변화를미처따라잡지못하고, 그에따라외부전자기장과물질내부에유도되는분극사이에시간지연이발생하고, 이러한이력현상에의해전자파에너지일부가열에너지로흡수되어차폐효과가나타난다. 48
Figure 4.13 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with different particle concentration Figure 4.14 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with different thickness 49
5. Conclusions 본연구에서는 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites를합성하고이를기반으로높은 sedimentation stability를가진 MRF를제조하였다. 또한 MRF를 core 물질, PU를 sheath 물질로하여동축전기방사를수행하고제조된 core/sheath 구조나노섬유웹의물성을평가하였다. HR-TEM 이미지를통해 MWNTs의표면에직경 4~8 nm의구형마그네타이트입자가합성된것을확인하였으며, XRD 분석과 FT-IR 분석을통해마그네타이트입자가산처리된 MWNTs의표면에화학적으로결합된것을확인할수있었다. 제조된 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의자기이력곡선을통해초상자성성질을확인할수있었으며, 이를 mineral oil에분산시킨 MRF는자기장에반응하여높은점도를나타냄과동시에높은 sedimentation stability를보였다. 이렇게제조된 MRF와 PU의혼합액을 core 물질로, PU를 sheath 물질로하여제조된나노섬유웹은 HR-TEM 및 SEM 이미지를통해안정적인 core/sheath 구조를확인할수있었다. 인장시험을통해 MRF가포함된 core/sheath 구조의나노섬유웹의기계적물성을측정하였을때, PU 나노섬유웹에비해연신율은다소낮지만 tensile stress와 modulus 값이크게증가한것을확인할수있었다. 또한자기장을인가한경우에는자성입자들이섬유내에서 chain을형성하여더욱향상된물성을나타내었다. 그리고 magnetite만포함된기존의 MRF를사용해제조한나노섬유웹에비해 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites 기반의 MRF를사용해제조 50
한나노섬유웹의물성이뛰어난것을확인할수있는데, 이는 MWNTs 자체의높은 load transfer 성질과더불어장시간전기방사를수행하는동안뛰어난 sedimentation stability로인해나노섬유웹내에자성입자가고르게분산되어있기때문이다. 나노섬유웹내부에포함하는 magnetite 및 MWNTs의전자파흡수능력을바탕으로나노섬유웹의전자파차폐효과를측정해보았다. 이를통해좁은주파수범위지만두께가증가함에따라, 나노섬유웹내의 MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites의함량이증가함에따라전자파차폐효과가크게증가하는것을확인할수있었다. 51
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ENGLISH ABSTRACT Magnetic Nanofibers with Core (Magnetorheological fluid)/sheath(polyurethane) Structure Fabricated by Coaxial Electrospinning Dayeong Jeong Department of Materials Science and Engineering The Graduate School Seoul National University MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites were prepared simply by the coprecipitation method from the solution of ferrous/ferric mixed salt in the presence of MWNTs. The morphology of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites was analyzed by HR-TEM, and then the structure and chemical bonding of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites were confirmed by XRD and FT-IR analysis. The M-H hysteresis of MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites shows the superparamagnetic behavior with small remnant magnetization. Magnetorheological fluid was prepared from MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites dispersed in a mineral oil. The viscosity of MRF increases under magnetic field because the applied field aligns magnetic particles into fibrous structure. Due to the low density of MWNTs, the sedimentation stability of MRF is also improved compared to the MRF based on pure magnetite particles. Field responsive nanofibers with core(mrf)/sheath 55
(polyurethane) structure were fabricated by coaxial electrospinning and the mechanical properties of both with and without magnetic field were measured by tensile tests. Since the load-carrying capacity of MWNTs is outstanding, the tensile stress and the modulus of core/sheath nanowebs are much higher than those of PU nanowebs. When the magnetic fields are applied to core/sheath nanowebs, the mechanical properties improve, but the elongation at break is slightly decreases. Due to the ability to absorb electromagnetic waves, nanowebs containing MWNTs/Fe 3 O 4 nanocomposites can be applied as EMI shielding material. Even in a narrow range of frequencies, core/sheath nanowebs show outstanding EMI shielding properties. keywords : Magneto-rheological fluid; Carbon nanotubes, Coaxial electrospinning, Electromagnetic interference shielding Student Number : 2012-20630 56