Multi-walled carbon nanotube (MWNT) was incorporated with titania to improve photocatalytic activity and coated with silica as reinforcement filler in polymer.
MWNT-titania nanocomposite was synthesized by spray pyrolysis at $800^\circ C$ under $N_2$ atmosphere and adsorptive and photocatalytic properties were evaluated by measuring the degradation rate of methylene blue (MB) under irradiation of UV lamp. MWNT was effective for adsorption of MB and improvement of photoactivity. However, it is not conclusive that this activity improvement results from the reduction of recombination of hole and electron.
MWNT was coated with silica by sol-gel method and spray pyrolysized to prepare composite powder. This powder is mixed with viscous polymer resin. Silica on the surface of MWNT played the role of diminishing van der Waals interaction force and prevented MWNT from bundling in polyester. When polyester was blended with silica-coated MWNT nanocomposite its young’s modulus was increased. Bare MWNT blended with polyester did not serve as reinforcement filler because of heavy agglomeration of MWNT.
카본나노튜브가 발견되고 나서 그 뛰어나고 다양한 특성들이 밝혀지면서 이를 이용하려는 연구들이 많이 진행되어 왔다. 특히 강철보다 수십 배 강한 기계적 성질과 구리보다 좋은 전기전도도는 고분자나 금속, 세라믹의 부족한 성질들을 보완할 수 있는 특성으로 생각되어 카본나노튜브와 이들 물질의 복합체를 합성하는 방법과 성능이 많이 연구되고 있다.
본 연구는 카본나노튜브와 두 가지 세라믹의 복합체에 관한 것으로 카본나노튜브를 광촉매로 가장 많이 사용되는 티타니아와 분무열분해법을 이용하여 복합체로 합성하였고, 솔-젤법으로 카본나노튜브에 실리카를 코팅하고 이를 분무열분해법을 이용하여 뭉침이 없는 형태의 복합체로 합성하였다. 수초 내의 빠른 반응시간에 하나의 액적에서 하나의 입자가 생성되는 분무열분해법을 카본나노튜브-세라믹 복합체 합성에 사용하면, 카본나노튜브가 고르게 분산된 서브마이크로 크기의 세라믹 입자를 뭉침 없는 분말형태로 제조하는 데 용이하다.
분무열분해법으로 합성된 티타니아와 카본나노튜브의 복합체를 자외선으로 조사해서 메틸렌블루와 순환식 반응기 내에서 반응시켜 분해속도를 확인함으로써 그 광활성을 측정하였다. 이때 카본나노튜브가 광활성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 무게비로 0에서 70%의 카본나노튜브가 포함된 복합체를 합성하여 광활성을 측정하였다. 흡착 성질을 가진 카본나노튜브의 양이 증가함에 따라 복합체의 메틸렌블루에 대한 흡착 영향이 커져서 흡착의 성질이 더 이상 보이지 않을 때까지 자외선을 조사하지 않은 상태에서 반응시킨 후에 자외선을 조사하여 광활성을 측정하였다. 같은 질량의 광촉매로부터 얻어진 광활성은 순수 티타니아보다 5, 10%에서는 약간 감소하고, 30, 50, 70%의 카본나노튜브가 포함된 복합체의 경우 약간 증가하였으나, 광활성이 있는 티타니아만의 광활성을 알아보기 위해 열분석으로 부터 얻어진 실제 질량비로 정규화한 자료에서는 카본나노튜브의 양이 30% 이상인 경우에 광활성에 급격한 증가를 보여 최고 4배의 향상을 보였다. 광촉매의 활성은 표면적과 결정자 크기에 비례하는 것으로 알려져 있으나, 본 실험으로 합성된 복합체의 경우는 결정자의 크기가 감소함에 따라 광활성이 향상되었고 표면적이 증가함에도 일부분에서 감소하는 경향을 보여, 광활성의 향상을 표면적과 결정자 크기만으로 설명할 수 없었다. 이는 전기전도성이 뛰어난 카본나노튜브가 빛 에너지로부터 생성된 티타니아의 전자와 정공쌍의 재결합을 전자를 전이시킴으로써 저지시켜 광활성이 증가된 것으로 해석된다. 그러나 카본나노튜브를 일정량 이하로 첨가하는 경우에 광활성이 오히려 감소하는 부분을 설명하기 위해서는 추가적인 실험이 필요할 것으로 본다.
고분자에 강화제로 많이 사용되는 실리카를 카본나노튜브에 코팅하였다. 솔젤반응을 효과적으로 이용하기 위해 산처리를 통해 카본나노튜브의 표면에 카르복실기와 하이드록실기를 주었다. 산처리의 효과는 산처리하지 않고 같은 조건에서 반응시켜 제조한 복합체를 전자투과현미경을 통해 비교하여 확인할 수 있었다. 코팅된 실리카의 두께는 5-20nm였고 고르게 코팅된 형태를 가지고 있었다. 이 복합체를 불포화 폴리에스테르에 초음파를 이용하여 분산시키고 촉매제와 경화제를 첨가하여 경화시켰다. 실리카 코팅을 확인하기 위하여 처리하지 않은 카본나노튜브로 동일한 실험을 하였는데, 복합체의 경우 고분자에 잘 분산되어 있는 것을 광학현미경과 주사전자현미경 사진을 통하여 확인 할 수 있었고 순수 카본나노튜브는 매우 뭉쳐있는 것을 볼 수 있었다. 인장시험을 통해서 실리카가 코팅된 카본나노튜브가 0.5wt% 첨가된 폴리에스테르는 5.7% 정도 영률이 증가한 반면 순수 카본나노튜브를 첨가한 경우에는 오히려 감소하여 고분자 내에 뭉쳐있는 카본나노튜브는 강화제로서의 역할을 할 수 없음을 확인하였다.
