2. 이론적 배경
4.1. CNT, 고분자, DMF 최적교반
4.1.3. 교반조건 생성결과
4.1.3.1. 교반시간에 대한 영향(Paste Mixer)
교반 조건은 DMF용액 40g, PAN고분자 5.2g(13wt% DMF)를 Paste Mixer를 이용하여 교 반을 하였고, 교반시간 간격은 5~25분까지 5분 간격으로 진행하였다. 그리고 각 시간 별 점도와 교반상태를 확인 하였다.
교반시간(min) 점도(cP) 교반상태
5 9.3 PAN 덩어리 존재
10 10.3 덩어리는 존재하지 않으나 용액이 탁함
15 12 교반이 잘 이루어짐
20 12.7 교반이 잘 이루어짐
25 12.8 교반이 잘 이루어짐
표 7 교반시간에 따른 교반상태
그림 17 교반시간에 따른 교반용액 점도 변화(Paste Mixer)
교반시간이 15분부터는 PAN의 덩어리도 없고 용액이 맑게 교반이 잘 이루어 졌으나 20분이 지난 후부터 점도가 안정이 되었다. 교반시간을 시간을 줄이고 최적의 교반상 태를 알 수 있는 교반시간은 20분으로 확인되었다.
4.1.3.2. 교반시간에 대한 영향(초음파 교반기)
Paste Mixer로 교반된 PAN, DMF 용액에 CNT를 섞어 Ultra Sonic으로 분산을 진행하 였다. 사용하는 Ultra Sonic은 Amp.가 0~100%까지 조절 가능하고 휴지기를 줄 수 있 으면 가동 시간을 조절 할 수 있다. CNT는 고분자 PAN 무게 대비 3%를 넣고 실험을 진 행하였다.
그림 18 교반시간에 따른 교반액 점도변화(Ultra Sonicator)
먼저, 초음파 교반시간에 따른 점도 변화를 확인해보면 60분 이내에서는 교반시간이 증가할수록 점도가 선형적으로 증가하는 관계를 보이지만, 60분 이후 에는 점도가 급 격하게 증가하는 경향을 보인다. 이유는 2가지로 추정가능하며, 첫 번째는 분자 간 결합력이 증대되기 때문에 점도가 급격히 증가하게 된다는 점이다. 두 번째는 물리적 으로 초음파가 작동하게 되면 열이 발생되므로 용매가 증발되며 교반 액의 높이가 점 차 낮아져 초음파의 영향이 커지는 경우이다.
그림 19 교반시간에 따른 교반액 증발량
증발량의 경우 시간에 따라 증발되는 양이 비례적으로 증가하는 경향을 나타낸다.
초음파 교반기 작용시간에 따라 증발이 일정하게 나타나기 때문에 전체적으로 증발량 이 점도에 절대적이라고 단정하기 어렵다. 다만 교반시간 100분에 점도 및 증발량이 일시적으로 하락하는 현상은 더 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
4.1.3.3. 휴지기 시간 변화에 따른 영향(초음파 교반기)
휴지기에만 변화를 주고 총 가동 시간으로 한 시간으로 고정을 하였다. 가동기의 시 간은 2s로 통제하고, 휴지기의 조건을 8s, 4s, 2s, 0s로 통제하여, 실험을 진행하였 고, 각 조건 별 점도변화(cp) 및 증발량(g)을 확인하였다. 가동기와 휴지기 조건은 아래와 같다.
가동기(sec) 2 2 2 3600
휴지기(sec) 8 4 2 none
표 8 초음파 교반기 가동기 및 휴지기
또한, 휴지기가 줄어들 수 록 가동시간이 늘어나므로 전체적인 점도와 증발량은 시 간에 따른 변화량과 유사한 결과를 확인하였다.
가동기/휴지기(sec) 증발량(g) 점도(cP)
2/8 1.65 10
2/4 2.77 14.7
2/2 5.11 26.2
none 8.93 59.8
표 9 초음파 교반기 휴지기 시간에 따른 상태 변화
그림22에서 확인 할 수 있듯이 휴지기가 줄어들 수 록 증발량과 점도가 증가하는 것 을 확인할 수 있었다. 그리고 각 휴지기에 따른 분산상태를 현미경으로 확인한 결과 휴지기가 줄어들수록 분산상태가 좋아지는 것을 확인하였다. 이후 조건 0sec에 도달 했을 때 증발량과 점도의 수치가 휴지기 2sec에서보다 두 배에 가까운 증가를 보임으 로써, 2sec의 가동기과 2sec의 휴지기를 두어 교반하는 것이 최적임을 실험을 통해 확인하였다.
4.1.3.4. Amplitude 변화에 따른 교반 영향(초음파 교반기)
Amplitude의 수치는 20%, 40%, 60%, 80%, 100%의 구간으로 나누어 진행하였으며, Amp.의 수치변화에 따른 증발량(g)을 확인하였다.
그림 21 초음파 교반기 출력값의 변화에 따른 증발량 변화
하지만 Amp.수치를 60%를 초과하여 진행 시 용액이 사방으로 비산하여 시험을 할 수 없었으며, Amp.수치 40%와 60% 각각의 용액을 현미경으로 관찰한 결과 60%에서 교반 이 우수한 것으로 확인하였다. 따라서 용액의 비산이 없는 최적의 출력값은 60%이다.
그림 22 Amp. 변화에 따른 교반 상태 현미경 관찰
4.1.3.5. CNT 교반 기술 결과
전기방사에 적합한 CNT분산 및 고분자의 교반 조건 확인을 위하여 교반순서와 교반 기 및 분산 장비를 다양한 조건으로 실험을 수행하였다. 실험 결과 교반순서 2번의 용액상태가 교반순서 1번 보다 CNT의 분산이 효과적이었으며, 상태는 육안과 현미경 으로 확인하였다. 또한, 최적의 교반조건을 찾기 위해 용매(DMF)의 양을 40g으로 통 제하고 고분자(PAN)의 양을 가장 교반이 잘 되는 13wt%(DMF)로 제어한 다음 CNT는 3wt%(PAN)로 통제하여 교반을 수행하였다. (방사용액을 담는 시린지의 최대양) Paste mixer를 사용하여 고분자와 용매를 교반한 뒤, 교반액에 CNT를 추가하여 초 음파 분산기를 사용하여 교반을 수행하게 되면 CNT가 분해되지 않고 교반이 고르게 잘 수행된다. 이때, Paste mixer의 회전속도를 2000rpm으로 하여 20분 이상 수행해야 고분자가 덩어리 없이 잘 용해되며, 초음파 교반기는 출력 에너지가 높고, 교반시간 이 길며 에너지를 가하는 빈도를 높일 때 증발량이 증가하게 되며 분산이 잘 이루어 지지만 증발량이 너무 많아지게 되면 유동이 적어지기 때문에 오히려 분산이 어려워 진다. 따라서, 최적의 조건은 아래와 같다.
초음파 교반기
시간 60 min
Amplitude 60%
가동기/휴지기 2s/2s
페이스트 믹서 시간 20 min
RPM 2000
표 10 최적 교반 조건 (기기별 설정)