나노기술 및 정책 정보

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초극세 탄소 섬유 가닥으로 강화된 폴리머는 "깃털처럼 가볍고 강철처럼 강한" 복합 재료의 전형을 보여 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 사용됨. 탄소 나노 튜브라는 물질을 추가하면 복합재의 기능을 더욱 향상시킬 수 있음. 그러나 탄소 나노 튜브를 통합하는 데 사용되는 화학 공정은 결과적으로 복합 재료에 고르지 않게 퍼져 궁극적으로 달성 할 수 있는 강도 및 기타 유용한 특성을 제한함.

텍사스 A & M 대학교(Texas A&M University) 연구팀의 새로운 연구에서 셀룰로오스 나노 크리스탈이라고하는 천연 식물 제품을 사용하여 탄소 나노 튜브를 탄소 섬유 복합체에 균일하게 고정하고 코팅했음. 연구원들은 개발된 방법이 기존 방법보다 빠르며 나노 스케일에서 탄소 섬유 복합재를 설계 할 수 있었음. 합성물은 여러 층으로 만들어짐. 예를 들어, 고분자 복합물은 탄소 섬유 또는 케블라와 같은 섬유층과 고분자 매트릭스로 만들어짐. 이 계층 구조는 복합 재료의 약점의 원인이 됨. 층의 손상은 기술적으로 박리로 알려진 과정 인 파단을 일으킴. 강도를 높이고 탄소 섬유 복합재에 전기 및 열 전도도와 같은 다른 바람직한 특성을 부여하기 위해 탄소 나노 튜브가 종종 추가됨. 그러나 탄소 나노 튜브를 이러한 복합재에 통합하는 데 사용되는 화학 공정은 종종 나노 입자가 뭉치게 하여 이러한 입자를 추가 할 때의 전반적인 이점을 감소시킴. 나노 입자의 문제는 우유에 거친 커피 분말을 첨가 할 때 발생하는 것과 유사하여 분말이 서로 뭉치거나 달라붙게 됨. 탄소 나노 튜브를 최대한 활용하려면 먼저 서로 분리한 다음 탄소 섬유 복합재 내의 특정 위치로 이동하도록 설계해야함. 탄소 나노 튜브의 균일한 분포를 촉진하기 위해 연구팀은 재활용 목재 펄프에서 쉽게 얻을 수 있는 화합물인 셀룰로오스 나노 결정을 사용했음. 이 나노 결정은 분자에 물을 끌어당기는 부분과 물에 의해 반발되는 다른 부분을 가지고 있음. 이 독특한 분자 구조는 나노 크기로 합성물을 만드는 이상적인 솔루션을 제공함. 셀룰로오스 나노 결정의 소수성 부분은 탄소 섬유에 결합하여 폴리머 매트릭스에 고정하는 반면에 나노 결정의 수분을 끌어들이는 부분은 탄소 섬유를 고르게 분산시키는 데 도움이 됨. 마치 친수성인 설탕이 컵 바닥에 뭉치거나 침전되지 않고 물에 균일하게 용해되는 것과 같음.

본 연구 성과는 ‘ACS Applied Nano Materials’ (“Hybrid Cellulose Nanocrystal-Bonded Carbon Nanotubes/Carbon Fiber Polymer Composites for Structural Applications”) 지에 게재됨