탄소 나노섬유

Carbon nanofiber
일반 탄소 나노입자.
쌓인 컵 탄소 나노섬유: 전자 마이크로그래프(왼쪽)와 모델(오른쪽)[1]

탄소나노피버(CNF), 증기발생탄소섬유(VGCF), 증기발생탄소나노피버(VGCNF)는 그래핀층이 쌓인 원통형 나노구조물로 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형 원추형이다. 그래핀 층을 완벽한 실린더로 감싸는 탄소 나노파이버를 탄소 나노튜브라고 부른다.

소개

탄소는 화학적 결합 유연성이 높아 안정적인 유기분자와 무기분자가 다수 형성된다. 원소 탄소는 다이아몬드, 흑연, 풀렌을 포함한 다수의 할당량을 가지고 있다.[2] 그들은 모두 원소 탄소로 이루어져 있지만, 그들의 성질은 매우 다양하다. 이는 열, 전기, 전자파 차폐 및 기계적 특성 향상으로 유명한 CNF의 다용성을 강조한다.[3] 저렴한 비용으로 탄소를 쉽게 구할 수 있기 때문에 CNF는 복합소재에 인기 있는 첨가제다.[4] CNF는 나노미터 단위로 존재하는 매우 작다. 원자는 .1~.5nm 사이에 있으므로 CNF의 특성을 조사하기 위해서는 스캐닝 터널링 현미경 검사, 원자력 현미경 검사 같은 전문 현미경 기술이 필요하다.[citation needed]

합성

촉매 화학 증기 증착(CCVD) 또는 열 및 혈장 보조와 같은 변형이 있는 단순 CVD는 VGCF 및 VGCNF 제조의 지배적인 상업적 기법이다. 여기서 기체 위상 분자는 고온에서 분해되고 탄소는 이후 자라나는 기질에 전환 금속 촉매가 있는 곳에서 침전된다.촉매 입자 주위의 섬유 h가 실현된다. 일반적으로 이 과정은 기체 분해, 탄소 퇴적, 섬유 성장, 섬유 두꺼워짐, 그래피티화, 정화 등 별도의 단계를 거쳐 중공 섬유로 귀결된다. 나노섬유 직경은 촉매 크기에 따라 달라진다. VGCF 제작을 위한 CVD 프로세스는 일반적으로 1) 고정 촉매 프로세스(batch)와 2) 부동 촉매 프로세스(연속)의 [5]두 가지 범주로 나뉜다.

티벳츠가 개발한 배치 공정에서 탄화수소/수소/헬리움 혼합물이 1000°C로 유지되는 미세한 철 촉매 입자 침전물과 함께 물라이트(크리스탈린 알루미늄 규산염)를 통과했다.[6] 사용된 탄화수소는 부피별 15% 농도의 메탄이었다. 수 센티미터의 섬유 성장은 가스 체류 시간이 20초인 10분 만에 달성되었다. 일반적으로, 섬유 길이는 원자로 내 가스 거주 시간에 의해 조절될 수 있다. 기체 흐름의 중력과 방향은 전형적으로 섬유 성장 방향에 영향을 미친다.[5]

연속 또는 부동촉매 공정은 일찍이 코야마와 엔도에[7] 의해 특허를 받았으며, 후에 하타노와 동료들에 의해 수정되었다.[8] 이 공정은 일반적으로 VGCF를 하위 마이크로미터 지름과 몇 µm에서 100µm의 길이로 산출하는데, 이는 탄소 나노파이버의 정의와 일치한다. 이들은 온도가 1100℃까지 상승하면서 탄화수소 가스에 초미세먼지 촉매 입자(지름 5~25nm)가 혼합된 벤젠과 같은 휘발성 용매에 용해된 유기농 화합물을 활용했다. 용해로에서 섬유 성장은 촉매 입자의 표면에서 시작되어 시스템의 불순물에 의한 촉매 중독이 발생할 때까지 계속된다. 베이커와 동료들이 설명한 섬유 성장 메커니즘에서는 기체 혼합물에 노출된 촉매 입자의 부분만이 섬유 성장에 기여하고 노출된 부분을 덮는 순간 즉, 촉매가 독이 되는 것이다.[9] 촉매 입자는 최종 농도인 백만분의 몇 파트의 섬유 성장 끝에 묻혀 있다. 이 단계에서는 섬유 두꺼워짐이 일어난다.[citation needed]

가장 일반적으로 사용되는 촉매는 철이며, 용융점을 낮추고 탄소의 모공 속으로 침투하여 더 많은 생장소를 생산하기 위해 황, 황화수소 등으로 처리되는 경우가 많다.[2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO, AlO도23 촉매로 사용된다.[10][11] 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 천연가스, 벤젠 등이 가장 많이 사용되는 탄소질 가스다. 종종 가스 흐름에서 일산화탄소(CO)가 도입되어 시스템에서 발생할 수 있는 철 산화물 감소를 통해 탄소 수율을 증가시킨다.[citation needed]

2017년 칭화대 연구팀이 탄소나노튜브 템플릿에서 정렬, 연속, 촉매 없는 탄소나노사이버의 경증가를 보고했다. 제작 과정에는 기체 위상 열화탄소 증착에 의한 연속 탄소 나노튜브 필름을 두껍게 하고, 고온 처리에 의한 탄소층의 추가 그래피티화를 포함한다. 상피 성장 메커니즘으로 인해 섬유는 낮은 밀도, 높은 기계적 강도, 높은 전기 전도도, 높은 열 전도도 등 우수한 성질을 가지고 있다.[12]

안전

산업안전보건법(미국)(1970년)은 지난 수십 년간 직장 내 안전에 관한 많은 변화를 이끈 원동력이었다. 이 법에 의해 규제되어야 할 수많은 물질들 중 하나의 작은 그룹은 탄소 나노입자(CNF)이다. 여전히 활발한 연구 영역이지만, 탄소 나노튜브(CNT), CNF와 관련된 건강 위험을 나타내는 연구는 대량 나노튜브보다 더 큰 위험을 야기한다. CNT 및 CNF와 관련된 주요 우려 사항 중 하나는 폐염, 과립종, 섬유증과 같은 호흡기 손상이다. 그러나 이러한 발견은 쥐에서 관찰되었으며, 인간에게도 동일한 효과가 관찰될지는 현재 알 수 없다는 점에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구들은 이러한 나노입자에 대한 노출을 최소화하려는 시도의 원인이 되었다.[13]

다벽 탄소 나노튜브(MWCNT)와 관련된 잠재적 발암 유발 효과를 파악하기 위해 2013년 연례 독성학회 회의에 앞서 실시된 별도의 연구. 이 연구 결과는, 이니시에이터 화학물질이 존재하는 상황에서, MWCNT가 생쥐에서 훨씬 더 많은 종양 발생률을 발생시켰다는 것을 보여주었다. 그러나 초기 화학물질이 없는 경우 종양의 존재 증가 징후는 없었다. 이 시나리오에는 더 많은 연구가 필요하다.[13]

CNF와 관련된 위해성을 식별하는 데 있어 주요한 장애물 중 하나는 존재하는 섬유의 다양성이다. 이러한 다양성에 기여하는 요인으로는 형상, 크기 및 화학적 조성이 있다. 한 노출 표준(2015년)은 CNT 및 CNF 노출에 대한 허용 한도를 호흡 가능한 크기 분율 원소 탄소(시간 가중 평균 8시간) 1μg/m라고3 명시하고 있다. 이 표준은 샘플이 전송전자현미경검사(TEM)로 분석된 14개 사이트에서 수집한 정보를 기반으로 했다.[14]

CNF(2016년 개정)의 최근 안전 데이터 시트(SDS)에는 나노파이버를 눈 자극제로 나열하고 있으며, 단일 노출 호흡기 계통 장기 독성이 있다고 명시돼 있다. 소형 CNF는 취급 시 먼지 구름을 형성할 가능성이 더 크다. 이와 같이 CNF를 취급할 때는 각별히 주의해야 한다. CNF 취급 시 권장되는 개인 보호 장비(PPE)에는 니트릴 장갑, 입자 호흡기, 나노 소재 불침투성 의류(작업장 상태에 따라 다름) 등이 포함된다. CNF와 함께 작업하는 동안 노출 제어 외에도 안전한 저장 조건 또한 CNF와 관련된 위험을 최소화하는데 중요하다. 안전한 CNF 보관에는 산화제와 화염으로부터 섬유를 멀리 보관해야 한다. 화재 조건에서 CNF는 유해한 분해물을 형성하지만 이러한 분해물의 정확한 성질은 현재 알려져 있지 않다. 발암성 및 장기 독성 외에도 CNF에 대한 독성학적 데이터는 현재 다소 제한적이다.[15]

적용들

  • 연구자들은 치료약을 전달하기 위해 나노파이버를 사용하고 있다. 탄소나노피버처럼 바늘이 박힌 탄성 소재를 개발했다. 이 물질은 다음에 병든 조직을 삽입하고 부풀리는 풍선으로 사용되도록 되어 있다. 풍선이 탄소를 부풀리면 나노입자가 병든 세포를 뚫고 들어가 치료제를 전달한다. MIT 연구진은 기존 리튬이온 배터리의 4배 저장 용량을 보여주는 리튬이온 배터리 전극을 만들기 위해 탄소 나노파이버를 사용해 왔다. 연구진은 나노파이버를 이용해 화학적 증기를 흡수하면서 색이 변하는 센서를 만들고 있다. 이들은 이 센서를 이용해 방독면 내 흡수 물질이 포화상태에 이른 때를 확인할 계획이다.[16]
  • 이러한 다공성 탄소 나노파이버의 독특한 구조는 재충전 가능한 리튬이온 배터리의 양극으로 사용되었을 때 높은 가역 용량과 양호한 사이클 안정성 등 전기화학적 성능이 우수한 결과를 낳았다.[17]
  • 추가적인 시장 개발은 합리적인 가격의 재료 가용성에 달려 있다. 촉매 화학 증기 증착(CCVD) 공정으로 저비용의 고순도 탄소 나노섬유(CNF) 대량 생산능력을 달성했다.[4]
  • 촉매합성과 달리 전기스파이닝 폴리아크릴로니트릴(PAN)에 이어 안정화와 탄산화까지 이어지며 탄소나노피버를 연속적으로 만들 수 있는 간편하고 편리한 경로가 됐다.[18]
  • 전자장 방출원
    • 전기장 전자 방출(전자기장 방출(FE) 및 전자장 방출이라고도 함)은 정전기장에 의해 유도된 전자의 방출이다. 가장 일반적인 맥락은 고체 표면에서 진공으로 방출되는 전기장 방출이다. 그러나 현장 방출은 고체 또는 액체 표면에서 진공, 공기, 액체 또는 비전도성 또는 약하게 전도성 유전체로 발생할 수 있다. 반도체의 발란스에서 전도 대역으로 전자가 자기장에 의해 촉진되는 현상(제너 효과)도 자기장 방출의 한 형태로 볼 수 있다.[19]
  • 복합재료
  • 탐침 현미경 검사 팁
  • 석유화학에서 다양한 촉매를 위한 캐리어 소재
  • 세로로 정렬된 배열에서 유전자 전달을 위한 플랫폼(Impalexion 참조)
    • 임팔렌탈은 탄소나노피버, 탄소나노튜브, 나노와이어 등 나노소재를 이용한 유전자 전달 방식이다. 바늘과 같은 나노 구조물은 기질 표면에 수직으로 합성된다. 세포내 전달을 위한 유전자를 함유한 플라스미드 DNA가 나노구조 표면에 부착된다. 그런 다음 이 바늘들의 배열로 된 칩을 세포나 조직에 압입한다. 나노 구조물에 의해 압착된 세포는 전달된 유전자를 표현할 수 있다.[21]
  • 전극 재료의[22] 경우
  • 오일 누출 교정
    • 오일 누출 문제 해결: 탄소-탄소 복합 재료의 제조 과정은 금속을 함유한 촉매 물질로 카본질 캐리어 재료를 처리하는 단계로 구성된다. 금속은 탄소성분이 함유된 가스로 구성된 기체 대기에 처리된 운반체에 화학적 증기 증착법을 사용하여 나노성분화 탄소구조를 형성하고, 그 다음에 선택적 표면 개조 단계를 수행할 수 있다. 이 공정은 다공성, 수역학적 특성, 표면 화학 등을 서로 독립적으로 최적화할 수 있도록 하며, 특히 정수용 합성물의 사용에 있어 이점이 있다. 탄소 블랙 기반 복합 재료는 필러 용도에 특히 유용하다.[23]

역사

탄소 나노파이버에 관한 최초의 기술 기록 중 하나는 아마도 휴즈와 체임버스에 의한 필라멘트 탄소 합성에 관한 1889년의 특허일 것이다.[24] 그들은 메탄/수소 가스 혼합물을 이용했고 가스 열분해와 그에 따른 탄소 침적과 필라멘트 성장을 통해 탄소 필라멘트를 재배했다. 그러나 이러한 섬유에 대한 진정한 감상은 훨씬 후에 전자현미경으로 그 구조를 분석할 수 있게 되었다.[2] 탄소나노피버에 대한 최초의 전자현미경 관찰은 1950년대 초 소련의 과학자 라두슈케비치와 루키아노비치에 의해 수행되었는데, 그는 소련의 물리 화학 저널에 지름 50나노미터의 중공 그래피티틱 탄소섬유를 보여주는 논문을 발표하였다.[25] 1970년대 초 현재 신슈대 탄소과학기술연구소 소장인 일본 연구자 엔도 모리노부(Endo)는 일부가 속이 빈 관 모양의 탄소 나노파이버가 발견됐다고 보고했다.[26] 지름 1µm, 길이 1mm 이상의 VGCF 제조에도 성공했다.[27] 이후 1980년대 초 미국의 티벳과[6] 프랑스의 베니사드는[28] 계속해서 VGCF 제작 과정을 완벽히 마쳤다. 미국에서는 고급 응용을 위한 이러한 재료의 합성과 특성에 초점을 맞춘 심층적인 연구가 R에 의해 주도되었다. 테리 K. 베이커.[citation needed] 그들은 탄소 나노파이버의 성장을 억제할 필요성에 동기를 부여한 것인데, 그 이유는 특히 석유 가공의 특정 분야에서 다양한 상업 공정에서 물질의 축적에 의해 야기되는 지속적인 문제 때문이다. 1991년 일본 연구자 스미오 이지마 씨는 NEC에 근무하면서 중공 탄소 분자를 합성해 결정 구조를 결정했다. 이듬해 이들 분자는 처음으로 '탄소 나노튜브'로 불렸다.[29] VGCNF는 VGCF와 본질적으로 동일한 제조 공정을 통해 생산되며, 직경만 일반적으로 200nm 미만이다. 전 세계의 여러 회사가 탄소 나노파이버의 상업적 규모의 생산에 적극적으로 참여하고 있으며, 이러한 물질에 대한 새로운 엔지니어링 응용이 집중적으로 개발되고 있는데, 최근의 것은 기름 유출 교정조치를 위한 탄소 나노섬유 베어링 다공성 복합체였다.[30]

참고 항목

참조

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