Observation of Morphology Change of Carbon Nanotube Fibers during Cross-linking

Abstract

탄소나노튜브는 좋은 물리적 특성을 가지고 있지만 짧다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소나노튜브 섬유가 연구되었고 탄소나노튜브 섬유는 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대되었다. 하지만 탄소나노튜브는 좋은 물성을 가지고 있는데 비하여 탄소나노튜브 섬유의 강도는 그에 미치지 못하였다. 탄소나노튜브 사이에 공유 결합을 형성하는 가교결합을 통해 탄소나노튜브의 강도를 재현하려고 하였다. 그러나 가교결합은 틴소나노튜브 섬유의 강도를 크게 향상시켜주지 못했다. 간혹, 강한 탄소나노튜브 섬유가 합성되었지만 재현되지는 않았다. 본 연구에서는 가교결합 중의 탄소나노튜브 섬유의 형태 변화를 관찰하려고 한다. 즉, 탄소나노튜브 섬유에서의 가교결합을 관찰하여 가교결합을 정확히 이해하려 한다. 탄소나노튜브 섬유는 계층적 구조를 가지고 있고 이를 이해하는 것이 가교 결합에 있어서 중요하다. 탄소나노튜브 섬유는 섬유 다발 간 빈 공간과 섬유 다발 내 빈 공간이 존재한다. 두 빈 공간은 각기 다른 크기를 가지고 있고 이들은 탄소나노튜브의 가교결합에 영향을 미치리라 생각하여 반응 중에 이 빈 공간들을 관찰하였다. 탄소나노튜브는 AAD를 이용하여 가교결합하였고 탄소나노튜브 섬유의 반응 전후의 단면을 관찰하였다. 섬유 다발 간 빈 공간은 모세관압으로 줄어들었지만 가교결합은 관찰되지 않았다. 섬유 내 빈 공간은 일부는 모세관압에 의하여 크기가 줄어들고 탄소나노튜브의 모양이 변형되었지만 다른 부분에서는 가교결합의 흔적을 관찰할 수 있었다. 실험 결과, 탄소나노튜브 섬유의 섬유 다발 내 빈 공간은 가교결합이 관찰되었지만 섬유 다발 간 빈 공간은 가교결합이 관찰되지 않았다. 이 연구를 통해 탄소나노튜브 섬유의 빈 공간들이 가교결합 중에 어떠한 모습을 보이는 지를 관찰하였다. 이 연구를 통해 탄소나노튜브 섬유 내의 빈 공간들의 크기가 가교결합에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이 연구는 추후 가교결합을 이용하여 탄소나노튜브 섬유의 강도를 향상에 있어서 도움이 될 것이며 강한 탄소나노튜브 섬유의 밑바탕이 될 것이다.

Carbon nanotubes (CNT) with excellent physical properties were limited in their application because of their short length. To overcome this limitation, CNT fibers have been studied and CNT fibers expected to be utilized in various fields requiring light and strong materials. Although CNTs are expected a high strength, CNT fibers have lower strengths compared to individual CNTs. The cross-linking method, which makes covalent bond between CNTs, is one way to reproduce the strength of the CNT. Although various attempts have been tried to cross-link CNT fibers, the strength has not easily improved and the reproducibility is poor. The purpose of this study was to observe the morphology change of CNT fibers during cross-linking, to try to understand the cross-linking process. The CNT fibers had voids of two scales; voids of over tens of nanometers between CNT bundles (i.e. inter-bundle voids) and voids of a few nanometers in the CNT bundles (i.e. intra-bundle voids). The different morphology change of the two kinds of voids were observed during the reaction. CNT fibers were cross-linked using azelaic acid dichloride. Cross-sections of CNT fiber were observed before and after cross-linking. After reaction, the size of inter-bundle voids was reduced by capillary pressure, but the CNT bundles did not cross-linked. The sizes of some intra-bundle voids were reduced by capillary pressure, and some CNTs were cross-linked with near CNTs. As a result, CNTs in bundles were cross-linked but CNT bundles were not. In this study, we observed the morphology change of the voids of carbon nanotube fibers during cross-linking. This study confirmed that the size of voids of carbon nanotube fibers affected the cross-linking. The study will help improve the strength of carbon nanotube fibers by cross-linking, and be the foundation for the strong carbon nanotube fibers.