This research investigates the application of ZnO (zinc oxide) nanoparticles and $TiO_2$ (titanium dioxide) nanoparticles to polypropylene nonwoven fabrics via an electrospinning technique for the development of textile materials that can decompose harmful gases. To fabricate uniform ZnO nanocomposite fibers, two types of ZnO nanoparticles were applied. Colloidal $TiO_2$ nanoparticles were chosen to fabricate $TiO_2$ nano- composite fibers. ZnO/poly(vinyl alcohol) (PVA) and $TiO_2$/PVA nanocomposite fibers were electrospun under a variety of conditions that include various feed rates, electric voltages, and capillary diameters. The morphology of electrospun nanocomposite fibers was examined with a field-emission scanning electron micro- scope and a transmission electron microscope. Decomposition efficiency of gaseous materials (formaldehyde, ammonia, toluene, benzene, nitrogen dioxide, sulfur dioxide) by nanocomposite fiber webs with 3wt% nano-particles (ZnO or $TiO_2$) and 7$g/m^2$ web area density was assessed. This study shows that ZnO nanoparticles in colloid were more suitable for fabricating nanocomposite fibers in which nanoparticles are evenly dispersed than in powder. A heat treatment was applied to water-soluble PVA nanofiber webs in order to stabilize the electrospun nanocomposite fibrous structure against dissolution in water. ZnO/PVA and $TiO_2$/PVA nanofiber webs exhibited a range of degradation efficiency for different types of gases. For nitrogen dioxide, the degradation efficiency was 92.2% for ZnO nanocomposite fiber web and 87% for $TiO_2$ nanocomposite fiber web after 20 hours of UV light irradiation. The results indicate that ZnO/PVA and $TiO_2$/PVA nano- composite fiber webs have possible uses in functional textiles that can decompose harmful gases.
$TiO_2$ has excellent photocatalytic properties and several studies have reported the increase in its specific surface area. The structure of $TiO_2$ nanofibers indicates promising improved photocatalytic properties and these nanofibers can thus potentially be applied in air pollution sensors and pollutant removal filters. In this study, a $TiO_2$ nanofiber was fabricated by the electrospinning method. The fabrication processing factors such as the applied voltage, the distance between nozzle and collector, and the inflow rate of solution were controlled. The precursor was titanium (IV) isopropoxide and as-spun $TiO_2$ nanofibers were heated at $450^{\circ}C$ for 2 h to obtain an anatase crystalline structure. The microstructure was analyzed using field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and X-ray diffraction analysis (XRD). The anatase phase was observed in the $TiO_2$ nanofibers after heat treatment. The diameter of $TiO_2$ nanofibers increased with the flow rate, but decreased with decreasing applied voltage and nozzle to collector distance. The diameter of $TiO_2$ nanofibers was controlled in the range of 364 nm to 660 nm. These nanofibers are expected to be very useful in photocatalytic applications.
Recently, tremendous application utilizing electrospun nanofibers have been actively reported due to its several advantages, such as high surface to volume ratio, simple fabrication and high-throughput manufacturing. In this paper, we developed highly sensitive and consistent nanofiber humidity sensor by electrospinning. The humidity sensor was fabricated by rapid electrospinning (~2 sec) $TiO_2$/PVP/LiCl mixed solution on the micro-interdigitated electrode. In order to evaluate the humidity sensing performances, we measured current response using DC bias voltage under various relative humidity levels. The results show fast response / recovery time and marginal hysteresis as well as long-term stability. In addition, with the aid of micro-interdigitated electrode, we can reduce a total resistance of the sensor and increase the total reaction area of nanofibers across the electrodes resulting in high sensitivity and enhanced current level. Therefore, we expect that the electrospun nanofiber array for humidity sensor can be feasible and promising for diverse humidity sensing application.
본 연구에서는 실내 오염물질인 포름알데히드가스를 제거하기위하여 $Pd/TiO_2$로 코팅한 극세 섬유에 광분해 효과를 제안하였다 광촉매 반응기는 사각박스(부피 2 l)내에 UV램프와 $Pd/TiO_2$로 코팅한 극세 섬유와 함께 장착하였다. 이 때 Langmuir-Heinshelwood의 반응속도와 흡착상수, 온도 및 농도 변화에 따른 전환을 그리고 습도변화와 오염가스($SO_2$) 혼합으로 인한 전환율의 영향을 조사하였다. 결과로서 속도상수(k)와 흡착상수($\beta$) 각각 114.94 ppmv/min, $0.0036ppmv^{-1}$을 얻었다. 또한 온도증가($40^{\circ}C{\sim}80^{\circ}C$)에 따른 포름알데히드가스 전환율이 약 20%로 감소하고 습도변화에 따른 전환율에서는 습도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 이외에 $SO_2$가스 혼입되어 있는 상태에서 전환율은 $SO_2$ 가스가 수분에 의한 이온의 영향으로 방해인자로 작용하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 전구체 각각의 독립제어가 가능한 이성분계 금속산화물을 얻기 위해 졸-겔법으로 합성한 실리카 나노입자를 $TiO_2$ 전구체와 교반시켜 전기방사법을 이용하여 실리카가 고르게 분산된 $TiO_2$ 나노섬유를 성공적으로 제작하였다. 제작된 나노섬유는 FE-SEM, XRD, EDS를 이용해 구조적 특성분석과 UV-VIS, 광촉매 반응기를 통해 광촉매 특성 분석을 하였다. 그 결과, 실리카가 분산된 $TiO_2$ 나노섬유는 실리카가 분산되지 않은 $TiO_2$ 나노섬유 보다 광촉매 효율이 10% 가량 향상되었다. 이는 실리카 나노입자가 첨가됨으로써 $TiO_2$가 흡수하지 못하는 380~440 nm 가시광선 영역을 흡수하여 광학적 특성 향상되었으며 Ti와 Si 두 금속산화물간에 $Br{\o}nsted$ acid site가 생성되어 OH 라디칼을 증가시킴으로써 광조사에 의해 여기된 전자를 잡아 재결합 손실을 억제하는 역할을 하여 화학적 특성이 개선되어 광촉매 효율이 증가되었을 것으로 사료된다.
Photocatalytic water splitting into $H_2$ and $O_2$ using semiconductors has received much attention, especially for its potential application to direct production of $H_2$ for clean energy from water utilizing solar light energy. Since the report of Fujishima and Honda on the water splitting by photoelectrochemical cells, numerous different semiconducting materials have been used as photocatalysts for hydrogen generation from water. Among them, platinized titania significantly accelerates hydrogen production from water. For geometrical improvement of $TiO_2$ particle, porous $TiO_2$ structure was proposed and studied such as nanofiber, nanorod and nototubes. This research focuses on finding out the optimum temperature and electrolyte to produce $H_2$ by solar water splitting.
Poly(vinyl alcohol) (PVA)/titanium dioxide ($TiO_2$) composite nanofibers were produced at different $TiO_2$ concentrations (0.5, 1 and 1.5 wt.%) using the electrospinning method. The parameters of electrospinning including polymer contents, voltage and tip-to-collector distance (TCD) were optimized for fabrication process. The study showed that 7.5 wt.% PVA, 15 kV applied voltage and 15 cm TCD are the best condition to obtain uniform PVA/$TiO_2$ nanofibers. $TiO_2$ nanoparticles give significant effect in fiber morphology. $TiO_2$ content increases the diameter of the fibers and roughen the fiber surfaces. The PVA/$TiO_2$ nanofibers were characterized by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and X-ray diffraction (XRD).
[ $TiO_2/PVP$ ] 나노섬유의 배열을 증진시키기 위하여 콜렉터 접지방법을 변화시키면서 전기방사하였다. 한축방향의 배열을 가진 섬유를 만들기 위하여 두개의 전도성 기판을 콜렉터로 사용하여 전기방사하였다. 또한, 두축방향의 섬유배열을 하기 위하여 $90^{\circ}$ 각도로 배치된 콜렉터를 타이머로 조절하면서 방사하였다. 전기방사 시 나노섬유는 콜렉터 전극사이에서 전기장 효과에 의해 퍼지는 현상이 관찰되었다. 실험결과, 후자의 $TiO_2/PVP$ 나노섬유 경우 콜렉터에 정체된 전하의 해소로 인하여 방향성에 더 효과적이었다.
This study investigates applying $TiO_2$ (titanium dioxide) nanoparticles to polypropylene nonwoven fabrics via electrospinning for the development of UV-protective materials. To fabricate uniform nanocomposite fibers, three types of $TiO_2$ nanoparticles were applied: powder, colloid, and $TiO_2$ coated polymer pellets. $TiO_2$/polyurethane (PU) and $TiO_2$/poly(vinyl alcohol) (PVA) nanocomposite fibers were electrospun and the morphology was examined using a field-emission scanning electron microscope and a transmission electron microscope. Layered fabric systems with electrospun $TiO_2$ nanocomposite fiber webs were developed at various concentrations of $TiO_2$ in a range of the web area density. The effects of $TiO_2$ concentration and web area density on UV-protective properties were examined. When $TiO_2$ colloid was added into a PVA polymer solution, uniform nanocomposite fiber webs in which $TiO_2$ particles were evenly dispersed were produced. Water-soluble PVA nanofiber webs were given a heat treatment to stabilize the electrospun PVA fibrous structure against dissolution in water. $TiO_2$/PVA nanoeomposite fiber webs with 2wt% $TiO_2$ and 3.0g/$m^2$ web area density exhibited an ultraviolet protection factor of greater than 50, indicating excellent UV protection.
본 연구에서는 우리 주위에서 흔히 채취할 수 있는 식물을 이용하여 엽록체를 추출하고, 이를 다양한 방법으로 PP부직포 위에 도포하여 복합막을 제작하였으며, 산소 발생여부에 대한 연구를 진행하였다. 제조된 엽록체의 도입 방법에 따른 실험에서, 딥(dipping) 코팅법과 스프레이(spraying) 코팅법을 이용하였으며, 밀폐된 용기와 진공오븐 내 초를 이용한 연소 시험 모두에서 스프레이 코팅이 비교적 우수한 결과를 나타내었다. 또한, 엽록체의 활성을 증가시키기 위해 nylon6/6 나노섬유를 PP부직포 위에 전기방사하여 복합지지체를 제조한 후, 엽록체를 도입하여 제조한 샘플의 경우, 나노섬유가 도입되지 않은 샘플에 비해 낮은 활성을 가진다는 것을 확인하였다. $TiO_2$가 포함된 샘플들의 경우, 포함되지 않은 샘플들에 비해 엽록체 함량이 50%가 도입되었지만, 16%에서 21%까지 도달되는 시간과 초를 이용한 연소실험에서 각각 유사한 결과값을 나타내었다. 따라서 본 연구에서 도입된 스프레이 코팅법과 $TiO_2$ 접목은 산소발생용 분리막 및 공기청정기용 필터소재로의 응용에 대한 기초연구 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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