나노 섬유를 혼합한 시멘트 페이스트의 미세구조와 강도에 대한 연구

응유옌 트리,김정중 대한토목학회 2020 대한토목학회논문집 Vol.40 No.2

In this study, the effect of nanofibers in cement pastes on the compressive and tensile strength of hardened cement pastes was studied. Two types of nanofibers, nylon 66 nanofibers and carbon nanotube-nylon 66 hybrid nanofibers, were manufactured by electrospinning methodology and mixed in cement powder respectively. The specimens for experiments were prepared by water to cement ratio of 0.5and cured in water for 28 days. The effect of nanofibers on the increase of the compressive and tensile strength were confirmed by the experimental results. The well-linking effect of nanofibers in the microstructure of the hardened cement pastes has been found by scanning electron microscope (SEM) analysis and well-explained for the increase in mechanical strength. Besides, field emission transmission electron microscope (FE-TEM) analysis and thermal gravimetric analysis (TGA) have also been conducted to analyze the properties of nanofibers as well as the microstructure of the hardened modified cement pastes. 본 연구에서는 시멘트 페이스트에 혼합된 나노 섬유가 경화된 시멘트페이스트의 압축강도와 인장강도에 미치는 영향을 연구하였다. 2종류의 나노 섬유를 사용하였다. 나일론 66 나노 섬유와 카본 나노 튜브로 보강된 나일론 66 나노 섬유를 전기방사로 제작하여 시멘트 파우더에 각각 혼합하였다. 물-시멘트비 0.5의 시멘트 페이스트 시편을 제작하고 28일간 양생하였다. 실험 결과, 나노섬유의 혼합이 시멘트 페이스트 시편의 압축강도와 인장강도를 증가시킴을 확인하였다. 나노 섬유의 보강 매카니즘을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM) 분석, 전계방사 투과전자 현미경(FE-TEM) 분석 및 열 중량 분석(TGA)을 수행하여 나노섬유를 포함한 시멘트 페이스트의 미세 구조를 분석하였다.

나노섬유 지지체를 이용한 수핵재생에 관한 연구

최장석(Jang Seok Choi),안기찬(Ki Chan An),장재호(Jae Ho Jang),신정욱(Jung Wook Shin),김윤준(Yoon Jun Kim) 대한정형외과학회 2006 대한정형외과학회지 Vol.41 No.4

전기방사를 이용한 금속 나노섬유 (Sub-100nm) 합성 및 특성 분석

원미소 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1

최근에 나노섬유는 많은 산업에서 이용되고 있는데, 나노섬유를 이용하여 새로운 재료가 개발될 수 있다는 기대가 크기 때문이다. 나노섬유는 비표면적이 크고, 유연성이 있으며, 다양한 기계적, 화학적 특성ㅇ르 가지고 있다. 나노섬유는 에너지 저장기기, 필터, 발광기기, Membrane, 전극 등의 다양한 산업에서 이용되고 있다. 금속 나노섬유는 전기방사 공정을 통해서 다양한 종류 및 형태의 나노섬유를 제조할 수 있기 때문에 유/무기 나노섬유를 제작하는데 있어 유용하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 PVP를 이용하여 금속 나노섬유 제조를 위한 효율적인 전기방사 조건을 도출한다. PVP 질량에 따라서 에탄올과 메탄올, 물을 이용하여 Viscosity와 Ion Conductivity를 조절하였고, 전기방사 조건으로 bead를 최소화하는 나노섬유를 얻었다. 이어서 Ni/PVP, Cu/PVP 용액은 Metal Precursor wt.% 조절 및 방사 조건으로 100nm 이하의 직경으루 가진 나노섬유를 만들 수 있었다. 산화/환원 열처리 이후 전도성이 향상된 금속 나노섬유를 합성하였다. 나노섬유 형상은 FE-SEM으로 측정하였으며, XRD, FT-IR분석을 통해 제작된 나노섬유의 구조적 특성을 확인할 수 있었다.

이미드 결합을 통한 3 차원 아라미드 나노복합재 제조

이국환(Guk Hwan Lee),이원오(Wonoh Lee) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

그래핀, 탄소나노튜브, 셀룰로오스 나노섬유와 같은 나노물질들은 기능성 재료들의 이온전도도향상, 기계적 특성 향상, 전기전도도 향상과 같은 역할로 사용된다. 아라미드 섬유는 고강도, 내화학성 및 내열성의 특성을 가지고 있고, 이를 이용하여 제조된 아라미드 나노섬유 또한 동일한 특성을 보인다. 이러한 특성을 통해 아라미드 나노섬유 또한 다양한 기능성 재료를 향상시키는 재료로 사용된다. 하지만 아라미드 나노섬유는 물과 접촉하면 재응집이 일어나 고유의 높은 분산성이 감소하게 되어 다른 재료와 복합재료를 만드는 것이 용이하지 않다. 본 연구에서는 물을 사용하지 않고 아라미드 나노섬유 간 공유결합을 유도하여 안정적인 3 차원 아라미드 나노복합소재를 제조하였다. 고르게 분산된 아라미드 나노섬유 용액은 검붉은색을 띄우고 투과전자현미경(TEM)을 통한 측정에서 지름이 10~20nm 로 관측되었다. 제조된 아라미드 나노섬유 용액에 구연산을 첨가하여, 구연산의 카르복실 그룹과 아라미드 나노섬유의 아민 그룹 간의 아마이드 결합을 생성하여 3 차원 나노구조체를 제작하였다. 주사전자현미경 (SEM)을 통한 내구관찰로 아라미드 나노섬유간에 공유결합이 잘 이루어진 것을 확인하였다. Nanomaterials such as Graphene, carbon nanotubes (CNTs), and cellulose nanofibers (CNFs) are used to improve the strength, ion transport and electrical properties of functional materials. Since aramid fibers, the preliminary stage of aramid nanofibers (ANFs), have high strength as well as superior chemical and heat resistances, ANFs are also expected to inherit excellent properties from the aramid fiber. In addition, three-dimensional (3D) nanostructures have been received great interests in many areas due to their superior stress-transfer capability with possessing large surface area. The conventional 3D nanostructure of ANFs has been synthesized via gelation by adding water. However, this water-based process causes a big problem. Well-dispersed aramid nanofibers produce re-agglomerated. ANFs by protonation, and therefore it is limited to manufacture the 3D nanostructure having individually separated ANFs. In this study, we suggest a new protocol to construct structurally stable the ANF 3D nanostructure by introducing covalent crosslinking instead of using water. The ANFs were made by the decomposition of aramid fibers in dimethyl sulfoxide (DMSO) solution by adding potassium hydroxide. A well-synthesized ANF solution has a dark red color and the diameter of ANFs were around 10~20 nm. By adding imide bonding agents such as citric acid without using water, the ANF 3D nanostructure was successfully formed as an aerogel and its scanning electron microscope (SEM) image confirmed the covalent crosslinking between ANFs.

Polypyrrole을 증착시킨 Poly(vinyl alcohol) 나노섬유 제조 및 전극용 텍스타일 센서로의 활용 가능성 탐색-딥 코팅과 현장중합 증착 방식을 중심으로-

양혁주,김재현,이승신,조길수 한국의류산업학회 2020 한국의류산업학회지 Vol.22 No.3

This study compared dip-coating and in situ polymerization methods for the development of nanofiber-based E-textile using polypyrrole. Nanofiber webs were fabricated by electrospinning an aqueous poly (vinyl alcohol) (PVA) solution. Subsequently, the PVA nanofiber web underwent thermal treatment to improve water resistance. Dip-coating and in situ polymerization methods were used to deposit polypyrrole on the surfaces of the nanofiber web. An FE-SEM analysis was also conducted to examine specimen surface characteristics along with EDS and FT-IR that analyzed the chemical bonding between polypyrrole and specimens. The line resistance and sheet resistance of the treated specimens were measured. Finally, an electrocardiogram (ECG) was measured with textile sensors made of the polypyrrole-deposited PVA nanofiber webs. The polypyrrole-deposited PVA nanofiber webs fabricated by dip-coating dissolved in the dip-coating solution and indicated damage to the nanofibers. However, in the case of in situ polymerization, polypyrrole nanoparticles were deposited on the surface and inter-web structure of the PVA nanofiber web. The resistance measurements indicated that polypyrrole-deposited PVA nanofiber webs fabricated by in situ polymerization with an average sheet resistance of 5.3 k(Ω/□). Polypyrrole-deposited PVA nanofiber webs fabricated by dip-coating showed an average sheet resistance of 57.3 k(Ω/□). Polypyrrole-deposited PVA nanofibers fabricated by in situ polymerization showed a lower line and sheet resistance; in addition, they detected the electrical activity of the heart during ECG measurements. The electrodes made from polypyrrole-deposited PVA nanofiber webs by in situ polymerization showed the best performance for sensing ECG signals among the evaluated specimens.

나노-마이크로 정밀 분사 시스템을 이용한 하이브리드 인공지지체의 제작 및 평가

하성우,김종영 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.8

최근에, 3 차원 인공지지체와 나노섬유는 골 조직 재생을 위해 개발되고 있다. 본 연구에서는, 나노-마이크로 정밀 분사 시스템을 이용하여 하이브리드 인공지지체를 제작하였다. 하이브리드 인공지지체는 마이크로 인공지지체와 나노섬유가 결합하여 제작되었으며, 마이크로 인공지지체와 나노섬유를 얻기 위해 자유 형상 제작 기술과 전기방사 기법이 사용되었다. 마이크로 인공지지체는 정밀한 공극을 고려하여 CAD/CAM 데이터 따라 자유 형상 제작 기술에 의해 제작되었으며, 제작 공정은 100 °C 의 온도, 평균 650 kPa 의 압력, 그리고 250 mm/sec 의 Z 축 이송속도가 적용되었다. 그리고 전기방사법을 통하여 나노섬유를 제작함에 있어서 본 시스템에 적용한 공정 조건은, 5 kV 의 전압, 0.1 ml/min 의 유량, 그리고 1 mm 의 노즐 팁과 콜렉터와의 거리로 설정하였다. 제작된 하이브리드 인공지지체는 MG-63 세포를 이용하여 세포 증식 실험을 진행하였다. Recently, three-dimensional scaffolds and nanofibers are being developed for bone tissue regeneration. In this study, we fabricated a hybrid scaffold using a nano-micro precision deposition system. The fabrication process involved the application of the solid freeform fabrication (SFF) technology and electrospinning. The hybrid scaffolds were combined using micro scaffolds and nanofibers. The nanofibers were deposited on each layer of the micro scaffolding using the electrospinning process. The micro scaffolds were fabricated using the SFF technology at a temperature of 100 °C, pressure of 650 kPa, and scan velocity of 250 mm/s. Nanofiber fabrication was conducted by means of electrospinning using the flow rate, solution concentration, distance from the tip to the collector (TCD), and voltage. The nanofibers were fabricated using a flow rate of 0.1 ml/min, voltage of 5 kV, TCD of 1 mm, and 10 wt% of solution concentration. MG-63 cells were seeded into the hybrid scaffold for the purpose of its evaluation.

전기방사 PLA/ZnO 나노섬유의 황색포도상구균에 대한 항균성 평가

김정래,최지수,황정호 대한기계학회 2024 대한기계학회논문집B Vol.48 No.2

본 연구에서는 습도조절과 전기방사를 통해 ZnO 나노입자를 함유한 나노섬유를 제조하였다. 항균 테스트는 나노섬유 샘플 위에 황색포도상구균(staphylococcus aureus)을 함유한 용액을 접촉시키는 KS K 0693:2022 방법을 사용하여 진행하였다. 나노섬유와 박테리아 용액 사이의 접촉시간을 다양하게 하여 사용되었다. Colony counting 방법을 통해 CFU(colony forming unit) 결과를 비교분석하였다. 습도가 증가함에 따라 제작된 나노섬유 필터는 섬유 표면에 구멍이 생겼고 이에 따라 항균 효율이 증가하였다. 접촉시간이 감소하고 ZnO 함량이 감소할수록 항균효율은 감소하였다. In this study, nanofibers containing ZnO nanoparticles were fabricated by humidity control and electrospinning. Antibacterial tests were conducted using the KS K 0693:2022 method that involved contacting a solution containing Staphylococcus aureus on a nanofiber sample. The contact time between the nanofibers and the bacterial solution was varied. A comparative analysis was performed with the results of the colony forming unit (CFU) using the colony counting method. As humidity increased, the fabricated nanofiber filter had holes on the fiber surface and the antibacterial efficiency accordingly increased. The antibacterial efficiency decreased as the contact time decreased and the content of ZnO decreased.

셀룰로오스 나노섬유로 제작된 나노종이의 물성평가

전제경(Jei Gyeong Jeon),강태준(Tae June Kang) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.1

셀룰로오스 나노섬유는 식물의 세포벽을 구성하는 셀룰로오스 마이크로 섬유를 화학적, 기계적 방법으로 박리하여 추출된 종횡비가 큰 결정성 나노섬유이다. 본 연구에서는 수중대향충돌법으로 제조된 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 진공여과법과 열압착 공정을 통해 각각의 나노섬유가 임의 배향으로 적층된 나노종이를 제작하였고, 기계적, 열 안정성 그리고 광학적 물성에 대해 평가하였다. 제작된 나노종이는 나노섬유의 높은 결정도와 표면 수산기 사이의 수소결합에 의해 우수한 기계적 물성(인장강도 120 MPa, 탄성계수 7.1 GPa)과 열 안정성(열분해 온도 304℃)을 나타내었다. 광학적 물성의 경우 가시광선 영역에서 높은 투과도(95% @ 550 nm)와 연무도(97% @ 550 nm)가 동시에 나타나는 특성을 보였다. Cellulose nanofiber(CNF) is a crystalline nanofiber extracted by chemical and mechanical separation of cellulose microfibrils, which constitute plant cell walls. In this work, we prepared aqueous dispersive solution of CNFs using aqueous counter collision method. Based on the CNF solution, nanopapers laminated with CNFs of arbitrary orientation were fabricated through vacuum filtration and hot-press process. The property of nanopapers, such as mechanical, thermal stability and optical properties, were investigated. The fabricated nanopapers exhibit excellent mechanical properties (tensile strength of 120 MPa, elastic modulus of 7.1 GPa) and thermal stability (thermal decomposition temperature of 304℃) due to the high crystallinity of CNF and the hydrogen bonding between CNFs. In terms of optical properties, high transmittance (95% @ 550nm) and optical haze (97% @ 550nm) we re observed simultaneously in the visible region.

기계적 특성 및 공극률 조절을 위한 나노/마이크로섬유 하이브리드 매트 제작

김정화(Jeong Hwa Kim),정영훈(Young Hun Jeong) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.1

최근 에너지, 바이오공학, 전자공학 등 다양한 분야에서 초미세 고분자섬유의 활용이 증대되고 있다. 이러한 고분자 섬유의 제작방법의 하나로서 전기방사법은 타 공정에 비해 공정장치가 간단하고 재료의 선택에 제한이 적은 등 다양한 장점을 가져 활발하게 사용되고 있다. 그러나 전기방사공정은 미세한 고분자 섬유가 전기장이 부가된 공기층을 통과하면서 높은 불안정성을 가지기 때문에 전기방사공정을 통해 제작되는 섬유매트의 형상 및 기하학적 특성의 조절이 어려운 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 서로 다른 두 가지 용매를 이용하여 섬유의 직경을 나노섬유와 마이크로섬유로 제작할 수 있음을 보였으며, 이를 조합하여 기계적 특성과 공극률을 조절할 수 있는 하이브리드 섬유매트를 제작할 수 있음을 보였다. 또한 제작된 매트를 이용하여 기계적 특성과 공극률이 조절될 수 있음을 확인하였다. Fine polymeric fibers have been gaining interest from the energy harvesting/storage, tissue, and bioengineering industries because of advantages such as the small diameter, high porosity, permeability, and similarities to a natural extracellular matrix. Electrospinning is one of the most popular methods used to fabricate polymeric fibers because it is not as limited in regards to the materials selection, and it does not require expensive or complex equipment. However, electrospun fibers have a severe aerodynamic instability because the small diameter fibers are able to pass through the atmospheric layer when there is a high electric field. As a result, electrospun fibrous mats have serious difficulties with controlling its shape and geometric properties. In this study, a hybrid nano/microfibrous mat is presented that is fabricated using electrospinning with two different solvent-based PCL solutions. This provides control of the fiber diameter, mat porosity, and mechanical properties. Various hybrid fibrous mats were fabricated after an experimental investigation of the effects of solvent on fiber diameter. It was then demonstrated that the mechanical properties and porosity of the fabricated various hybrid mats could be successfully controlled.

전기방사 P(VDF-TrFE) 나노섬유 및 BaTiO₃ 나노입자 기반 투명 초박형 압전 나노발전기

김기용(Kiyong Kim),최대규(Daekyu Choi),안성필(Seongpil An) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.06

본 연구에서 압전 성능이 우수한 강유전체 BaTiO₃ 가 내재된 전기방사 기반 poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) [P(VDF-TrF)] 나노섬유와 니켈도금 마이크로섬유를 활용하여 고민감성 투명 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator, PENG)를 개발하였다. 특히, 이들 섬유 구조물을 polydimethylsiloxane (PDMS) 내부에 형성하여, 높은 투과도를 지닌 PENG 개발이 가능하였다. 섬유 매트 제조 시에 전기방사 시간을 조절하여 PENG의 투과도를 85% 이상으로 높일 수 있었으며, 더불어 나노섬유 매트의 독특한 구조로 인해 높은 기계적 성능도 보일 수 있었다. PENG 성능 테스트에서 매우 낮은 외부 압력에서도 최대 출력 전압 3V를 달성할 수 있었고, 이는 향후 PENG 뿐만 아니라 고민감성 압전 센서로도 유용하게 활용이 가능할 것이라 예상된다. Highly-sensitive and transparent piezoelectric nanogenerator (PENG) is developed by employing the BaTiO₃ nanoparticle-embedded poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] nanofiber mat and nickel-electroplated microfiber mat via electrospinning and electroplating methods. Then, the ceramic-polymer nanofiber mat and metal microfiber mat are embedded in polydimethylsiloxane (PDMS), which facilitates the fabrication of highly-transparent PENG. It exhibits the high optical transmittance over 85% in the visible light range, which can be achieved by adjusting the electrospinning time of the fiber mats. In addition, the fiber matrix enables one to achieve decent mechanical properties of the resulting PENG. The output voltage of PENG is 3 V even at the extremely-low external pressure, thus is expected to be utilized as not only PENG, but also highly-sensitive piezoelectric sensor.