나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 쑤저우(蘇州, 소주) 나노기술 및 나노 바이오닉스 연구소 짱쉐퉁(張學同, 장학동) 연구팀은 에어로젤 섬유(aerogel fiber)를 제조하는 일반적인 방법을 개발하는데 성공함. 연구팀은 "솔리드-겔 한계 영역 전환 전략(Sol–Gel Confined Transition Strategy, SGCT)" 방법을 통해 에어로젤 섬유(aerogel fiber)의 동적 상태 방사(紡絲) 과정을 정적 상태 솔리드-겔 전환 과정으로 조정하여 임의의 성분을 보유한 에어로젤 섬유(aerogel fiber) 제조를 위한 기술 기반을 구축하였음.

폴리이미드 에어로젤 섬유(Polyimide aerogel fiber) 제조를 예로 들면, 우선 모세관 힘을 통해 에어로젤 전구체 용액을 유리 모세관 내강(内腔)으로 흘러 들어가게 하고, 모세관의 제한 구역 공간 내에서 전구체의 정적 상태 솔리드-겔 전환 과정을 실현한 후 간단한 용매로 씻어 겔 섬유를 추출하고, 마지막으로 초임계 CO2 건조를 이용하여 상응되는 에어로젤 섬유를 얻게 됨.

개발된 폴리이미드 에어로젤 섬유(Polyimide aerogel fiber)는 초고(超高) 비표 면적(364m2/g 수준에 도달함)을 보유하고 있는 동시에 우수한 기계 성능(탄성 계수는 123MPa 수준에 도달함), 우수한 소수성(접촉각은 153°임), 뚜렷한 유연성(곡률 반경은 200μm 수준에 달함)을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

관련 실험 결과, 동일한 단일체를 사용하여 제조한 폴리이미드 에어로젤 블록은 초(超) 친수성(접촉각은 0°임)을 보유하고 있는 것으로 나타남. SGCT 방법을 사용하여 제조한 폴리이미드 에어로젤 섬유는 초(超) 소수성(접촉각은 153°임)을 보유하고 있는 것으로 나타남. 이런 상황은 단일체 속의 메틸기 기능 그룹이 제한된 구역 공간 내에서 섬유 표면에 쉽게 뭉치기 때문에 발생하는 것으로 나타났음.

상용화된 면(棉) 섬유나 실험실에서 자체적으로 제조한 방향족 에어로젤 섬유에 비해 폴리이미드 에어로젤 섬유도 상기 두 가지 이화(離火) 자멸(난연) 특성보다 뚜렷이 우수한 것으로 나타났음.

관련 측정 테스트 결과, 면(棉) 섬유의 극한 산소 지수(指數)는 24이며, 방향족 에어로젤 섬유의 극한 산소 지수는 28이지만 폴리이미드 에어로젤 섬유의 극한 산소 지수는 46.2 수준에 달하는 것으로 나타났음.

단열 성능에 대한 측정 테스트 결과, 전통적인 면(棉) 섬유 및 초미세 섬유에 비해 폴리이미드 에어로젤 섬유는 더욱 우수한 단열 보온 성능을 보유하고 있을 뿐만 아니라 단열 보온 성능의 우수한 정도는 에어로젤 섬유의 지름과 정(正) 상관관계를 보유하고 있는 것으로 나타났음.

극단적인 열악한 환경(-165°C~205°C 범위 내에서) 하에서라도 폴리이미드 에어로젤 섬유로 제조한 에어로젤 직물(織物)은 우수한 단열 보온 효과를 보유하고 있는 것으로 나타났음.

그 외, 연구팀은 SGCT 전략을 통해 다양한 유기 에어로젤 섬유, 다양한 무기 에어로젤 섬유와 유기/유기, 무기/무기, 유기/무기 하이브리드 에어로젤 섬유를 제조하였으며, SGCT 전략의 일반 적용 특성을 입증한 상황임.

연구팀은 이번 연구를 통해 블록 에어로젤의 정적 상태 솔리드-겔 전환 원리만 취득하게 된다면 SGCT 전략을 통해 동 블록 에어로젤과 대응되는 에어로젤 섬유를 제조할 수 있기 때문에 최대한 기존의 블록 에어로젤의 정적 상태 솔리드-겔 전환 지식을 이용하여 가능한 한 많은 에어로젤 섬유 제조를 위한 가능성을 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy")에 게재됨.