기사 발행일 : 2020-08-12

초미세 가닥(Ultra-fine strands)으로 강화된 고분자는 가볍지만 경도가 강한 복합 재료(Composite)로 다방면의 산업에 응용된다.

탄소 나노튜브(Carbon nanotube)를 첨가함으로써 위와 같은 복합 재료의 기능을 향상시킬 수 있다. 특히, 전기 및 열 전도를 높이기 위해 탄소 나노튜브가 복합 재료 내 첨가하게 된다. 하지만, 복합 재료 내 탄소 나노튜브의 불균일한 분배로 인하여 재료 전체의 경도 및 품질에 문제가 될 수 있다. 복합재료는 탄소 섬유, 케블라와 고분자 매트릭스 등으로 이루어진 층간구조를 형성하기에 위와 같은 탄소 나노튜브의 불균일성은 층간 박리의 원인이 될 수 있기 때문이다.

Texas A&M 대학의 Amir Asadi교수 연구진은 탄소 나노튜브를 복합 재료내에 균일하게 분배하기위해, 천연 식물 제품(Natural plant product)인 셀룰로오스 나노크리스탈을 이용했다. 연구 결과에 따르면 기존보다 빠르고 균일한 나노 크기의 탄소 섬유 복합 재료를 형성할 수 있게 한다고 발표하였다.

Asadi교수 연구진은 재활용 목재 펄프에서 쉽게 얻을 수 있는 셀룰로오즈 나노크리스탈에 주목하였다. 특히 셀룰로오즈 나노크리스탈은 친수성과 소수성 모두를 부분적으로 가지고 있다는 점을 활용하였다. 소수성 부분은 탄소 섬유와 결합하여 고분자 매트릭스에 고정되고, 친수성 부분은 탄소 섬유가 고르게 분산되는데 도움을 준다.

실험적인 증명을 위해 연구진은 탄소 섬유 천(Carbon-fiber cloth)에 셀룰로오스 나노크리스탈을 포함한 수용액과 탄소 나노튜브의 용액을 넣고 강한 진동을 통해 물질들을 고르게 섞었다. 섞인 재료를 건조 후 수지(Resin)를 그 위에 살포함으로써 고분자 복합체(Polymer composite)로 코팅된 탄소 나노튜브 형성하였다.

연구진의 결과에 따르면 탄소 나노튜브의 끝에 붙여진 셀룰로오스 나노크리스탈이 나노튜브와 같은 방향으로 맞추어진 것과 셀룰로오스 나노크리스탈의 기계적 특성이 굽힘 저항성이 33%, 층간강도가 40% 증가했다는 사실도 밝혀냈다.

Amir 교수는 이번 연구를 통해 셀룰로오스 나노 크리스탈을 이용한 나노 크기의 복합 재료 설계와 성질제어가 가능하며, 위와 같은 기술은 하이브리드 복합 재료의 제조 규모 확대에 일조할 것으로 보인고 밝혔다. 특히 항공 및 차량 제조업을 포함한 복합 재료를 사용하는 산업에 유용할 것이라고 내다보았다.

이 연구결과는 미국화학학회(ACS) Applied Nano Materials에 게재됐다.

출처: https://phys.org/news/2020-08-nanocrystals-recycled-wood-carbon-fiber-composites.html