Journal of Adhesion and Interface (접착 및 계면)

The Society of Adhesion and Interface, Korea (한국접착및계면학회)
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Effect of CVD Synthesis Temperature on Carbon Nanotube Growth on Basalt Fiber

CVD 합성온도가 바잘트 섬유상 탄소나노튜브 성장에 미치는 영향

  • Seungjun Yeo (Aerospace Convergence Materials Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology) ;
  • Soyoon Moon (Aerospace Convergence Materials Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology) ;
  • Donghyeon Lee (Department of Materials Science and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Gyeongsang National University) ;
  • Dong-Jun Kwon (Department of Materials Science and Convergence Technology, Research Institute for Green Energy Convergence Technology, Gyeongsang National University) ;
  • Mantae Kim (Aerospace Convergence Materials Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology)
  • 여승준 (한국세라믹기술원 우주항공융복합소재센터) ;
  • 문소윤 (한국세라믹기술원 우주항공융복합소재센터) ;
  • 이동현 (경상국립대학교 나노신소재공학부 고분자공학전공, 그린에너지융합연구소) ;
  • 권동준 (경상국립대학교 나노신소재공학부 고분자공학전공, 그린에너지융합연구소) ;
  • 김만태 (한국세라믹기술원 우주항공융복합소재센터)
  • Received : 2024.05.20
  • Accepted : 2024.06.18
  • Published : 2024.09.30
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Abstract

There is a growing interest in eco-friendly materials to achieve carbon neutrality, and many studies have been published on the use of functional nanoparticles in natural fibers as smart composites. This study is about the optimization of manufacturing parameters for carbon nanotube (CNT) growth by chemical vapor deposition (CVD) on the surface of basalt fiber. Co-Cu-based metal catalysts were prepared by co-precipitation method for CNT growth on the surface of basalt fiber. The catalyst was fixed to basalt fibers through a spray process. The effect of heat treatment temperature conditions and fiber surface conditions on the growth of CNT was evaluated. The growth of CNT was investigated using transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM) to observe changes in their shape and diameter. The tensile strength of the composites using CNT/basalt fiber fabrics and amine-based epoxy as the base material prepared at different heat treatment temperatures was compared and evaluated according to ASTM D3039. We have observed that stable CNT are manufactured at temperatures above 600℃, while carbon nanofibers (CNF) are fabricated at temperatures above 400℃. The sizing material present on the surface of the basalt fiber was a hindrance to CNT growth.

탄소중립을 위해 친환경 소재에 대한 관심이 증가 중이며, 천연섬유에 기능성 나노입자를 사용하여 스마트 복합재료로 적용하고자 하는 연구가 많이 발표되고 있다. 본 연구는 바잘트 섬유의 표면에 화학 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition)으로 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube)를 성장시키는 제조 변수 최적화에 대한 내용이다. 바잘트 섬유 표면에 CNT 성장을 위해 공침법을 통해 Co-Cu계 금속 촉매를 제조하고 바잘트 섬유에 스프레이 공정을 통해 촉매를 바잘트에 성장시킨 뒤 열처리 온도 조건, 섬유 표면의 영향에 따라 탄소나노튜브의 성장성을 분석하였다. 탄소나노튜브가 성장되어진 결과를 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope), 주사전자현미경(SEM Scanning Electron Microscope)으로 확인하여 탄소나노튜브의 형상과 직경 변화를 관찰하였다. 열처리 온도를 다르게 하여 제조한 CNT/바잘트 섬유 직물과 아민계 에폭시를 기지재료로 사용하여 복합재료의 인장강도를 ASTM D3039 규격에 따라 비교 평가하였다. 안정적으로 CNT가 합성되는 온도는 600℃부터였으며, 400℃ 열처리 조건부터 탄소나노섬유(CNF, Carbon nanofiber)가 제조됨을 확인하였다. 바잘트 섬유의 표면에 존재하는 사이징제는 CNT 성장을 방해하는 인자였다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 세라믹기반기술개발사업 (과제번호 KPP22003-0-02)의 재원으로 진행된 결과이며, 저자 권동준은 2024년도 경상국립대학교 발전기금재단 재원으로 수행하였습니다. 모든 지원에 감사합니다.

References

  1. T.M. Hong, J.E. Lee, Y.K. Hong, J.S. Lee, D.H. Cho, S.G. Lee, J. Adhes. interface, 14, 117-120 (2013).
  2. K. Kim, and D. Cho, J. Adhes. interface, 18, 118-126 (2017).
  3. J.-D. Lee, Y.-H. Jin, M.-S. Kim, H.-S. Son, and D.-J. Kwon, J. Adhes. Interface, 22, 85-90 (2021).
  4. S.-J. Kim, L.-J. Baek, B. Koo, J. Choi, J. Cheon, and J.-H. Chun, J. Adhes. Interface, 24, 26-35 (2023).
  5. J. Lee, and H. Kim, J. Adhes. Interface, 23, 70-74 (2022).
  6. J.-H. Kim, P.-S. Shin, D.-J. Kwon, and J.-M. Park, Compos. Res., 33, 365-370 (2020).
  7. D.-J. Kwon, Z.-J. Wang, J.-Y. Choi, P.-S. Shin, and J.-M. Park, Compos. Res., 27, 219-224 (2014).
  8. Z.-J. Wang, D.-J. Kwon, K. Lawrence DeVries, and J.-M. Park, Exp. Therm. Fluid Sci., 60, 132-137 (2015).
  9. K. V. Balaji, K. Shirvanimoghaddam, and M. Naebe, Compos. Pt. B-Eng., 268, 111070 (2024).
  10. D.-J. Kwon, P.-S. Shin, J.-H. Kim, Y.-M. Baek, H.-S. Park, K. L. DeVries, and J.-M. Park, Compos. Pt. B-Eng., 130, 46-53 (2017).
  11. D.-J. Kwon, J.-H. Kim, and J.-M. Park, J. Adhes. Interface, 23, 87-93 (2022).
  12. Z.-J. Wang, D.-J. Kwon, G.-Y. Gu, H.-S. Kim, D.-S. Kim, C.-S. Lee, K. L. DeVries, and J.-M. Park, Compos. Sci. Technol, 81, 69-75 (2013).
  13. J.-H. Kim, D.-J. Kwon, S. Yu, C.-S. Lim, and B.-K. Seo, Mater. Today Commun., 37, 107553 (2023).
  14. G. Mittal, and K. Y. Rhee, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 115, 8-21 (2018).
  15. G. Mittal, K. Nesovic, and K.Y. Rhee, Compos. Pt. B-Eng., 178, 107493 (2019).
  16. B. Hao, T. Forster, E. Mader, and P.-C. Ma, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 101, 123-128 (2017).
  17. J.-H. Kim, D.-J. Kwon, and J.-M. Park, J. Adhes. Interface, 22, 16-21 (2021).
  18. S.H. Hwang, H.W. Kim, J. Kim, J. Adhes. Interface, 21, 143-155 (2020).
  19. M. Huang, Y. Ma, J. Yang, L. Xu, H. Yang, M. Wang, X. Ma, X. Xia, J. Yang, D. Wang, and C. Peng, Appl. Surf. Sci., 645, 158834 (2024).
  20. R. Garg, K. Kaur, and U. K. Gautam, Int. J. Hydrogen Energy, 61, 914-921(2024).
  21. M. Lilli, L. Acauan, C. Scheffler, J. Tirillo, R. Guzmande Villoria, B. L. Wardle, and F. Sarasini, Compos. Pt. B-Eng., 262, 118026(2023).
  22. J.-H. Lee, J.-H. Byun, B.-S. Kim, J.-M. Park, and B.-S. Hwang, Compos. Res., 20, 23-31 (2007).
  23. M. Godoy, and J. Suhr, Compos. Res., 35, 419-424 (2022).
  24. M. Ge, J.-T. Miao, G. Liang, and A. Gu, Chem. Eng. J., 482, 148993 (2024).
  25. S. Zaidi, S. Thakur, D. Sanchez-Rodriguez, R. Verdejo, J. Farjas, and J. Costa, Polym. Degrad. Stab., 223, 110743 (2024).
  26. J. Peng, C. Zhou, B. Chen, H. Zhang, X. Pan, W. Xiong, X. Luo, and Y. Liu, Ind. Crop. Prod., 209, 117958 (2024).
  27. D.J. Kwon, P.S. Shin, J.Y. Choi, S.O. Moon, S.O., and J.M. Park, J. Adhes. interface, 16, 69-75 (2015).
  28. S. Eyvazinejad Firouzsalari, D. Dizhur, K. Jayaraman, and J. Ingham, Compos. Pt. B-Eng., 279, 111426 (2024).
  29. U.S. Pawar, S.S. Chavan, and D.D. Mohite, Discov. Sustain., 5, 1-10 (2024).
  30. J. S. George, P. Vijayan P, H. Vahabi, H. J. Maria, C.S. Anju, and S. Thomas, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng., 694, 134082 (2024).
  31. Y.B. Cho, and D. Cho, J. Adhes. interface, 17, 96-103 (2016).
  32. S. Kang, and B. Kang, J. Adhes. Interface, 24(1), 1-8 (2023).
  33. D.J. Kwon, and H.S. Seo, Compos. Res., 34, 57-62 (2021).
  34. S. Y. Mun, S. Y. Lee, and H. M. Lim, Compos. Res., 32, 368-374 (2019).
  35. H.J. Park, S.M. Park, J.W. Lee, G.C. Roh, and J.K. Kim, Compos. Res., 23, 43-49 (2010).
  36. S.-S. Chae, G.-E. Lee, H. Ahn, J.-H. Choi, and J.-H. Kweon, Compos. Res., 31, 1-7 (2018).
  37. M. Iorio, M. L. Santarelli, G. Gonzalez-Gaitano, and J. Gonzalez-Benito, Appl. Surf. Sci., 427, 1248-1256, (2018).
  38. H. Kim, Fiber. Polym., 13, 762-768, (2012).
  39. D. Matykiewicz, M. Barczewski, D. Knapski, and K. Skorczewska, Compos. Pt. B-Eng., 125, 157-164, (2017).