저 시 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

l 차적 저 물 성할 수 습니다.

l 저 물 리 목적 할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 된 허락조건 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 면 러한 조건들 적 되지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

공 사 논

Magnetic Nanofibers with Core

(Magnetorheological fluid)/Sheath(Polyurethane)

Structure Fabricated by Coaxial

Electrospinning

동축 사를 이용 Core/Sheath 구조

자 나노 조 특 평가

2014 2 월

울 원

재료공 부

다

Magnetic Nanofibers with Core

(Magnetorheological fluid)/Sheath(Polyurethane)

Structure Fabricated by Coaxial Electrospinning

동축 사를 이용 Core/Sheath 구조

자 나노 조 특 평가

지도 강태진

이 논 공 사 논 출함

2014 2월

울 원

재료공 부

다

다 공 사 논 인 함

2014 2월

원 장 웅 (인)

부 원장 강 태 진 (인)

원 재 (인)

i

ABSTRACT

본 연구에 는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 조 고

이를 미 랄 일에 균일 게 분산시 높 sedimentation

stability를 보이는 자 변 체 (Magnetorheological fluid,

MRF)를 조 다. 조 MRF를 core 질 ,

폴리우 탄 sheath 질 동축 사를 행 여

core/sheath 구조 나노 를 조 고 그 특 분 다.

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites는 MWNTs를 Fe2+, Fe3+

합 고 염 거 는 coprecipitation 법

조 었다. TEM 분 통해 MWNTs 면에 직경 4~8 nm

마그 타이트 입자가 합 것 찰 있었고, XRD 분

FT-IR 분 통해 nanocomposites 구조 MWNTs

마그 타이트 간 결합 인 있었다.

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 자 이 곡 통해

상자 질 인 있었다.

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites를 미 랄 일에 분산시

조 MRF는 자 장에 여 높 도를 나타냄과 동시에

sedimentation stability가 뛰어난 질 보 다.

조 MRF PU 합 용액 core 질 , PU 용액

sheath 질 여 조 나노 웹 TEM 분 SEM

분 통해 안 인 core/sheath 구조를 인 있었다.

나노 웹 계 자 질 알아보 해

자 이용 여 자 장 를 조 며 인장 시험

행 다. 자 장이 가해짐에 라 core/sheath 구조

ii

나노 웹 modulus stress가 각각 114.3 %, 36.1 %

증가 며 이에 라 연신 다소 감소 다. 이를 통해

나노 조 후에도 Core 부분 미 랄 일이 carrier

fluid 역 여 MR 질 보이는 것 인 있었다.

자 장이 없 에도 core/sheath 구조 나노 웹 core에

존재 는 MWNTs 높 load-carrying capacity 인해

PU 나노 웹에 여 175 % 이상 증가 stress

값 보 다.

높 도 MWNTs 자 마그 타이트 복합체를

포함 는 나노 웹 이들 질 자 질뿐 아니라

게가 가볍고 께가 얇 며 강도가 높아 자 차폐 질

용 있다. 조 나노 웹 께 MWNTs/Fe3O4

nanocomposites 함량에 른 자 차폐 효과를 해

보았 , 께 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 함량이

증가함에 라 100 MHz 이 주 범 에 70 % 이상

자 차폐 효과를 보 다.

……………………………………

주요어 : Magneto-rheological fluid; Carbon nanotubes, Coaxial

electrospinning, Electromagnetic interference shielding

학 번 : 2012-20630

iii

CONTENTS

ABSTRACT ............................................................ i

CONTENTS ......................................................... iii

LIST OF FIGURES ............................................. vi

LIST OF TABLES .............................................. viii

1. Introduction ....................................................... 1

2. Literature Review.............................................. 3

2.1. Magnetorheological fluid (MRF) ............................... 3

2.1.1. Magnetic nanoparticles ............................................. 3

2.2.2. Magnetorheolocial fluid ............................................ 4

2.1.3. Carbon nanotubes as magnetorheological material ....... 6

2.2. Polyurethane ......................................................... 8

2.3. Electrospinning ...................................................... 9

2.4. Electromagnetic interference shielding effectiveness .... 11

2.4.1. Electromagnetic interference shielding ..................... 11

2.4.2. Electromagnetic interference shielding effectiveness ... 12

3. Experimental ................................................... 13

iv

3.1. Materials ............................................................ 13

3.2. Fabrication of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites ........... 13

3.2.1. Functionalization of MWNTs .................................. 13

3.2.2. Synthesis of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites .............. 14

3.3. Preparation of magnetorheological fluid ................... 16

3.4. Preparation of electrospinning solution ..................... 16

3.4.1. Sheath Solution ................................................. 16

3.4.2. Core Solution .................................................... 16

3.5. Electrospinning condition ...................................... 19

3.6. Characterization .................................................. 21

3.6.1. Morphology ...................................................... 21

3.6.2. Chemical and structure analysis............................ 21

3.6.3. Magnetic properties ........................................... 21

3.6.4. Rheological properties ........................................ 22

3.6.5. Sedimentation analysis ........................................ 22

3.6.6. Mechanical properties......................................... 22

3.6.7. Measurement of the electromagnetic shielding

effectiveness .............................................................. 23

4.1. Morphology of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites .......... 25

4.2.Chemical and structure analysis of MWNTs/Fe3O4

v

nanocomposites ......................................................... 26

4.2.1. X-ray diffraction patterns ....................................... 26

4.2.2. FT-IR spectra........................................................ 28

4.3. Magnetic properties of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 30

4.4. Magnetorheological properties of MRF .................... 31

4.5. Sedimentation stability of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

based MRF ............................................................... 34

4.6. Morphology of nanowebs ....................................... 36

4.6.1. The effect of MRF ratios on morphology ................. 36

4.6.2. The effect of particle concentrations on morphology . 40

4.7. Mechanical properties of nanowebs.......................... 42

4.7.1. The effect of particle concentrations ...................... 42

4.7.2. The effect of magnetic field strength ...................... 44

4.7.3. The effect of particle types ................................... 46

4.8. Electromagnetic shielding effectiveness of nanowebs ... 48

5. Conclusions ...................................................... 50

6. References ........................................................ 52

ENGLISH ABSTRACT ...................................... 55

vi

LIST OF FIGURES

Figure 2.1 Hysteresis loops for magnetic materials

Figure 2.2 Scheme of magnetorheological fluid: (a) magnetic field

off, (b) magnetic field on

Figure 2.3 Diagram of (a) single-walled carbon nanotubes (SWNT),

and multiwalled carbon nanotubes (MWNT)

Figure 2.4 Polyurethane synthesis

Figure 2.5 A schematic diagram of electrospinning

Figure 2.6 Schematic representation of EMI shielding mechanism

Figure 3.1 Schematic illustration of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

synthesis process

Figure 3.2 A schematic diagram of coaxial electrospinning

Figure 3.3 A schematic of UTM with solenoid

Figure 3.4 A basic equipment setup of EMSE test

Figure 3.5 Dimensions of (a) reference and (b )load specimens

Figure 4.1 HR-TEM images of MWNT/Fe3O4 nanocomposites

Figure 4.2 X-ray diffraction patterns of MWNTs/Fe3O4 and

MWNTs-COOH

Figure 4.3 FT-IR spectra of MWNTs/Fe3O4 and MWNTs-COOH

Figure 4.4 M-H hysteresis of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

Figure 4.5 Shear rate-viscosity curves of (a) CF1 (b) CF5 (c) F5

Figure 4.6 An image of the sedimentation of the MRF

Figure 4.7 (a) FE-SEM image and (b) HR-TEM image of Core(100%

MRF)/Sheath(PU) nanofibers

Figure 4.8 HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU)

nanofibers (a) 10wt%, (b) 20wt%, (c) 30wt%

Figure 4.9 FE-SEM and HR-TEM images of Core(MRF+PU)

/Sheath(PU) nanofibers (a), (b) : PUCF1, (c), (d) :

vii

PUCF5, (e), (f) : PUCF10

Figure 4.10 Stress-strain curves of nanowebs with different particle

concentrations

Figure 4.11 Stress-strain curves of nanowebs with and without

magnetic fields

Figure 4.12 Stress-strain curves of nanowebs with and without

magnetic fields

Figure 4.13 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with

different particle concentration

Figure 4.14 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with

different thickness

viii

LIST OF TABLES

Table 2.1 Properties of carbon nanotubes

Table 3.1. Preparation of electrospinning solution (Effect of MRF

concentrations)

Table 3.2. Preparation of electrospinning solution (Effect of

magnetic particle concentrations)

Table 3.3. Electrospinning condition

Table 4. 1 Mechanical properties of nanowebs with different

particle concentrations

Table 4.2 Mechanical properties of nanowebs with and without

magnetic fields

Table 4.3 Mechanical properties of nanowebs with different

particle types

1

1. Introduction

사(Electrospinning) 십나노에 십마이크 미

직경 갖는 미 를 조 는 법 , 공 이 간단 고

다양 고분자 용액 사용 여 면 이 재료를 얻

있 에 자, 소재, 이 소재, 인, ,

등 다양 분야에 용이 고 있다. 이러 사는 단

단일 구조 나노 외에도 동축 사법 이용

Core/sheath 구조 나노 조를 통해 가지 이상 재료를

안 는 데에도 용 게 사용 다[1].

폴리우 탄(Polyurethane, PU) 높 강도 연 동시에

가지는 질 , 가 분해 안 미생 에 항 이

뛰어나고 다루 쉬워 사에 자주 사용 는 고분자이다[2].

이 같 폴리우 탄 동축 사 , core 부분에

자 변 체(magnetorheological fluid, MRF)를 첨가함 써

자 장에 여 계 질이 향상 는 스마트 나노 를

조 있다. MRF는 자 입자가 계면 에 해 carrier

fluid에 분산 어 있는 태 , 자 장이 없 에는 자 입자들이

작 분산 어 Newtonian 거동 보이다가, 자 장이

인가 면 입자들이 자 장 향 면 항복 이

증가 는 Bingham 거동 보이게 다. 이러 MRF 자 입자를

탄소나노튜 , 그래 등과 결합 게 면 MRF 탄소나노재료

장 동시에 있다. 특히 도가 낮 탄소나노튜

자 입자를 결합 후 carrier fluid에 분산시킨 MRF는

높 sedimentation stability를 나타낸다[3-5].

2

편, MRF 조에 주 사용 는 magnetite 입자는 높

자 가지는 자 입자 자 를 는 질 보인다.

이러 자 입자에 도 질인 탄소나노튜 를 결합함 써

자 효과를 높일 있다. 근 다양 종 자 품

사용 들 상 간 자 가 통해 달 거나

사 써 작동 생시키는 가 증가 고 있는데,

magnetite 입자 탄소나노튜 복합체를 포함 는 나노 웹

높 자 효과 불어 뛰어난 과 가벼운 질

인해 자 차폐 재료 용 있다[6, 7].

본 연구에 는 다 벽 탄소나노튜 면에 magnetite를

결합시 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 조 고,

이를 MRF를 조 다. 동축 사법

core(MRF)/sheath(PU) 구조 나노 웹 작 여 자 장에

여 이 향상 는 동시에 자 차폐 효과를 보이는

지능 나노재료를 구 고자 다.

3

2. Literature Review

2.1. Magnetorheological fluid (MRF)

2.1.1. Magnetic nanoparticles

Nanoparticles(나노입자)는 직경이 1~100 nm 단 를 가진

입자 , 구 이 같 질이라도 bulk나 micron 상태에 볼

없었 양자 특 이나 상자 특 과 같 새 운 질

보인다. 이러 나노입자는 높 면 미 결 립

인 고효 자, 보통신, 경/에 지, 이

분야 등 다양 분야에 연구가 진행 고 있다[1].

근에는 다양 질 갖는 나노입자 자 나노입자에

연구가 각 고 있다. 일 인 자 재료는

강자 체(ferromagnetic), 자 체(diamagnetic), 상자 체

(paramagnetic), 페리자 체(ferromagnetic), 강자 체

(antiferromagnetic 5가지 질 나를 게 는데 자

입자가 아주 미 해지면 열진동 에 지에 해 자 향이

분산 는 열 요동(thermal flucturation) 상이 일어나 존

이 이 립 지 않게 다. 이러 열 요동 인해 나노

자 입자 집합체에 는 개별 입자 자 향이 달라

체 자 가 상쇄 다. 이 인해 각각 입자가 상자 체

원자 자 모 트 같이 열진동 게 므 이런 상태를

상자 (superparamagnetism)이라고 다. 이 같 상자

나노 자 입자는 Figure 2.1과 같이 높 자 과 낮 잔 자

값 특징 며 매, 이 재료, 데이 장체, 스마트 직

4

등 다양 분야에 용 고 있다[1, 8].

Figure 2.1 Hysteresis loops for magnetic materials

이러 자 나노입자를 실질 용 에는 자

나노입자를 분말 태 사용 지 않고 주 체에 분산시킨

상태 사용 게 다. 이 자 나노입자들이 체 내에 잘

분산 어 있게 해 계면 를 사용 거나 자

나노입자 면 개질 는 식 사용 도 다. 체 내에

안 입자가 분산 면, 원심 이나 자장 가 여도 고상과

액상간 분리가 일어나지 않 며 외 상 액체 자신이 자 를

가지고 있는 듯 질 나타내게 다. 이 자 입자는 단자구

상태이며 보통 상자 나타낼 도 충분히 미 어

있다[9].

2.2.2. Magnetorheolocial fluid

Magnetorheological fluid (MRF)는 연자 는 입자가

자 체에 분산 탁액 외부에 인가 는 자 장에

5

르게 여 변 질이 변 는 smart material이다.

MRF는 Figure 2.2과 같이 외부 자 장이 없 에는 자 입자가

체 내에 작 분산 어 Newtonian fluid 같 거동

보이다가 자 장이 인가 면 분산 어 있 입자들이 자 장

향 사슬 구조를 이루면 solid-like 거동 보이게 다.

이러 구조 변 는 외부 자 장에 해 도 dipole-dipole

interaction에 해 milliseconds 이내에 일어나게 다[3, 9, 10].

이러 MR 체는 다 식과 같이 Bingham 모델 명

있다. 여 τ는 단 , η는 소 도, τy는 자 에

는 동 항복 , g& 는 단속도를 나타낸다.

ghtt &+= y

Figure 2.2 Scheme of magnetorheological fluid: (a) magnetic field off,

(b) magnetic field on

6

이러 MRF는 낮 도, 외부자 장 에 높 단

, 낮 소모 등 장 탕 자동차, 항공, ,

등 용범 를 갖고 있 며 근에는 MRF를 소재에

도입함 써 외부 자 장에 는 스마트 직 조 는

법에 연구가 진행 고 있다[3].

2.1.3. Carbon nanotubes as magnetorheological material

Carbon nanotubes (CNT)는 1991 Iijima에 해 처

견 이래 뛰어난 , 열 안 계 특 큰

주목 며 다양 분야에 용 고 있는 질이다.

CNT는 탄소 6개 이루어진 각 모양이 연결 어

태를 이루고 있 며, 지름이 ~ 십 나노미 에

불과 여 탄소나노튜 라고 일컬어지고 있다. Table 2.1에 인

있듯이, 탄소나노튜 계 강도는 철강보다 100 이상

뛰어나며 도도는 구리에 해 1000 이상 높고 열

도 자연계에 가장 뛰어난 다이아몬드 슷 다. 이러

뛰어난 특 인해 CNT는 나노복합재료, 이 , 도체,

스 이, 리, 트 지스 등 다양 분야에 용이 고

있다[4, 11, 12].

근에는 이러 다양 특 과 낮 도를 가진 CNT를

MRF에 용 여 CNT 장 살리고 자 입자 sedimentation

stability를 높이 해 많 연구가 이루어 다. 그러나 CNT는

그 자체 어떠 상자 도 지 않 에 자 질 갖는

질과 를 통해 만 자 가 가능 다. 가장 간단

법 는 산처리 CNT 면에 coprecipitation 법 통해

7

Fe3O4 입자를 합 나노복합체를 조 는 것이다. 이 게

조 CNT/ Fe3O4 나노복합체를 체에 분산시킴 써 CNT를

용 다 능 MRF를 조 있다[13-15].

Figure 2.3 Diagram of (a) single-walled carbon nanotubes (SWNT), and

multiwalled carbon nanotubes (MWNT)

Table 2.1 Properties of carbon nanotubes

단일벽

탄소나노튜

(SWNT)

다 벽

탄소나노튜

(MWNT)

고

지름

(nm) 1.2~3.0 5~100

리카락

100x103

장

(Gpa) ~45 <50~300

합 철 ~2

스 인리스강 ~1

도

(g/cc) 1.33~1.40 - 알루미늄 ~2.7

항

(Ω·m) 10x10-6 5.1x10-8 구리 1.7x10-8

도

(A/m2) ~109 - 구리 106

열 도

(W/m·K) ~6000 ~3000

다이아몬드

2000~40000

8

2.2. Polyurethane

폴리우 탄(Polyurethane, PU) isocyanate group(-

N=C=O) 가진 분자 hydroxyl group(-OH) 가진 분자

우 탄결합 통해 만들어진 탄 합체이다. 이 isocyanate

group 가진 분자 는 주 Toluene Diisocyanate(TDI)가

사용 며 hydroxyl group 가진 polyol 분자 는 polyether나

polyester를 사용 는데 이 결합 는 분자 종 에 라 다양

질 갖는 폴리우 탄 조 있다. Polyol 분자

polyether를 사용 면 폴리우 탄 부드러운 질이 강해지고,

polyester 사용 면 라스틱이 다. hydroxyl

group 이상 가진 분자를 사용 여 만들어진 폴리우 탄

3차원 결합 여 열에 해 변 지 않게 다. [2, 16, 17]

이러 폴리우 탄 가 분해 안 지니며 약품에 잘

견 는 특 가지고 있다. 탄 회복 이 우 고 마모

미생 에 항 이 뛰어나 사 재료 많이 사용 고

있다.

Figure 2.4 Polyurethane synthesis

9

2.3. Electrospinning

사는 고분자 용액 용 jet

통해 연속상 나노 를 조 있는 공 이다. 사는

1934 Anton과 Formhals가 이용 여 고분자

라 트를 작 는 면 처 아이 어가

시 었 며, 1969 Taylor 장과 고분자 용액 면장

간 균 에 연구를 토 많 연구가 진행 어 다[16].

사 는 용액 어내는 토출부, 압 걸어주는

고 압부, 나노 를 시키는 collector 부분

구 어 있다. Figure 2.5는 사 모식도를 나타내고 있다.

고분자를 용매에 히 녹인 후 일 속도 시린지를 통해

어내게 면 늘 끝에 액 이 생 게 며, 이 액 일

면장 가지고 매달 있게 다. 이 고 압 걸어주면

액 에 양 도가 높아지게 며 이 생 다. 이들

에 해 jet이 생 어 ground 상태인 collector 쪽

이동 게 는데 collector에 가 워지면 jet 단계

분리 어 종 나노 크 들이 어 부직포를

게 다[18, 19].

10

Figure 2.5 A schematic diagram of electrospinning

사는 노즐 구조에 라 단 나노스 일 뿐

아니라 이 구조(core/sheath) 공구조(hollow) 나노

조가 가능 다. 이 노즐 이용 동축 사(coaxial

electrospinning) 공 가지 고분자 용액 내부에 삽입

노즐과 외부 노즐 통해 독립 토출시키면 사를

행 는 법이다. 이러 동축 사에 해 조

core/sheath 구조 나노 는 core sheath에 사용 재료가

가지는 능 모 게 다[2, 16].

사 공 에 향 미 는 여러 가지 변 가 존재 다.

고분자 용액 , 상 , 면 장 과 같 용액 변 가

있고, tip에 압, collector 분출구 사이 거리 등 공 변 ,

도, 습도, 챔버 내 공 름 등 경 변 가 있다.

이러 사 용매 합 용 이 가능 모든

고분자 재료 여 높 면 과 공극 갖는 조가

가능 다. 경 이고 간단 공 인해 , 분리 ,

소재, 소재, 에 지 장소재, 료용 소재, 스 이

소재, 복합소재에 이르는 다양 역에 용이 가능 다[2].

11

2.4. Electromagnetic interference shielding

effectiveness

2.4.1. Electromagnetic interference shielding

근 다양 종 자 품 사용 들 상 간

자 가 통해 달 거나 사 써 작동

생시키는 가 증가 고 있다. 이러 는 자 이 좋

재료 자 장 생원 감싸거나, 자 장 해를 는 부분

막아주는 법 통해 자 가 차폐재 면 라 다른 부분

러가도 여 해결 다. 이 차폐재 구 재료 께,

자 주 , 에 지 강도 등에 라 자 차폐 효 이

변 있다.

자 차폐는 자 질에 라 자 장 차폐, 자 차폐,

법 통해 이루어진다. 자 장 차폐는 자 이

좋 재료 자 장 생원이나 해를 는 를 감싸 써

해결 는 법이다. 자 차폐는 이스를 도 소재

감싸는 법 사용 는데 자 를 사시키거나 그라운드

르게 함 써 자 를 차폐 게 다. 마지막 자

는 자 가 체에 입사 , 생 는 사 , 침 ,

통과 침 자 에 지를 열 에 지 변 시 자 를

없애는 법 말 다. 자 를 차폐만 다면 입 자 가

사 어 돌아 다시 향 있는데 이 체를

사용함 써 이를 지 있다. 체는 주 체( 항체),

자 체 등 재질 구 어 있 며 자 생원 는 해를

12

는 부분에 부착 는 법 자 를 차폐 게 다[6, 7, 19].

Figure 2.6 Schematic representation of EMI shielding mechanism

2.4.2. Electromagnetic interference shielding effectiveness

자 차폐 효과(Shielding effectiveness : SE)란 동일 입사 에

해 차폐 재료가 존재 존재 지 않 신 를

말 며, 다 식과 같이 다[20].

SE = 10logP P (dB)

P ∶ 차폐재료가존재 신

P ∶ 차폐재료가존재 지않 신

13

3. Experimental

3.1. Materials

다 벽탄소나노튜 (MWNTs, 지름 10~15nm)는 나노 에

구입 고 Iron(III) chloride는 Aldrich사, Iron(II) Sulfate

Heptahydrate는 Kanto Chemical사, Sodium Hydroxide 용액

에 구입 다.

Polyurethane(PU)는 Diaplex사에 구매 여 별도 과

없이 그 사용 며, Sulfuric acid, Nitric acid, N,N-

dimethylformamide(DMF), tetrahydrofuran(THF), mineral oil

삼 에 구입 여 사용 다.

3.2. Fabrication of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

3.2.1. Functionalization of MWNTs

다 벽 탄소나노튜 (MWNTs)를 해 MWNTs 3 g과

Sulfuric acid 250 ml, Nitric acid 250 ml를 근 라스크에

후 100 oC에 24시간 동안 reflux 시 주었다. 이 게 얻

산처리 MWNTs를 시키 해 증 에 분산

시킨 후 진공 여과 과 (Cellulose ester membrane, 0.2 ㎛,

47mm) 과 거 다. 이 같 과 5회 복 여

종 –COOH 능 가 도입 MWNTs-COOH를

조 다.

14

3.2.2. Synthesis of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 조 해 0.1 g

MWNTs-COOH를 60 ml 증 에 분산시킨 후,

합액 근 라스크 겨 60 oC에 30분 동안 다.

0.312g Iron(III) chloride, 0.16g Iron(II) Sulfate를 첨가 여

30분 동안 추가 인 과 거 고 1M Sodium

Hydroxide를 16 ml를 천천히 첨가 후, 2시간 동안 시

주었다. 모든 과 질소 분 에 진행 었다. 합액

를 해 증 여과 과 거 고 50 oC에 24시간

동안 진공 건조 여 종 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

조 다. 조 과 모식도를 Figure 3.1에 나타내었다.

15

Figure 3.1 Schematic illustration of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

synthesis process

16

3.3. Preparation of magnetorheological fluid

조 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites과 Fe3O4

nanoparticles를 이용 여 magnetorheological fluid(MRF)를

조 다. 분산 체는 도가 70 cS, 이 0.85인 mineral

oil 사용 다.

MRF 내 입자 종 농도에 른 효과를 알아보 해

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites과 Fe3O4 nanoparticles 농도를

각각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 여 6가지 샘 다.

처리 분산처리를 통해 체 내 입자들

균일 게 분산 다.

3.4. Preparation of electrospinning solution

3.4.1. Sheath Solution

DMF THF를 6:4 합 87 g 용매에 PU 13g 고

magnetic stirring 법 12시간 여 13 wt% PU

용액 조 다.

3.4.2. Core Solution

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 5 wt% 첨가 MRF를

이용 여 MRF PU 용액 달리 4가지 core 용액

조 다. 용액 조 조건 Table 3.1에 나타내었다.

17

Table 3.1. Preparation of electrospinning solution (Effect of MRF

concentrations)

Core Sheath

MRF 100 100% MRF(5 wt% MWNTs/Fe3O4)

13wt% PU

solution

(PU:DMF:THF

= 13:35:52)

MRF 30 MRF(5 wt% MWNTs/Fe3O4) : PU

= 3 : 7

MRF 20 MRF(5 wt% MWNTs/Fe3O4) : PU

= 2 : 8

MRF 10 MRF(5 wt% MWNTs/Fe3O4) : PU

= 1 : 9

Table 3.1 가지 Core 용액 가장 안 사가

이루어진 조건 MRF를 20wt% 첨가 용액이다. 라

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites과 Fe3O4 nanoparticles 농도를

각각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 여 조 6가지 MRF 13

wt% PU 용액 2:8 합 고, mechanical stirring

법 2시간 여 Core 용액 조 다.

18

Table 3.2. Preparation of electrospinning solution (Effect of magnetic

particle concentrations)

Core (MRF : PU = 2 : 8) Sheath

PUCF1 1 wt% MWNTs/Fe3O4 MRF + PU solution

13wt% PU

solution

(PU:DMF:THF

= 13:35:52)

PUCF5 5 wt% MWNTs/Fe3O4 MRF + PU solution

PUCF10 10 wt% MWNTs/Fe3O4 MRF + PU solution

PUF1 1 wt% Fe3O4 MRF + PU solution

PUF5 5 wt% Fe3O4 MRF + PU solution

PUF10 10 wt% Fe3O4 MRF + PU solution

PU 13wt% PU solution 단일 사

19

3.5. Electrospinning condition

모든 용액에 Collector tip 사이 거리를 15 cm 고,

Core flow rate 0.4 ml/h, Sheath flow rate 0.8 ml/h

다. 용액에 라 압에 다소 차이가 있었 나,

체 9.0~11.1 kV 압에 사가 이루어 다. Coaxial

Electrospinning 법 모식도는 Figure 3.2과 같다.

Table 3.3. Electrospinning condition

Voltage

(kV)

Flow rate

(ml/h)

Collection distance

(cm)

MRF100 9.6~10.5 Core : 0.2

Sheath : 1.0

15

MRF30 9.2~9.5

Core : 0.4

Sheath : 0.8

MRF20 9.3~9.8

MRF10 8.5~9.0

PUCF1 9.0 ~ 9.3

PUCF5 9.3 ~ 9.8

PUCF10 10.0 ~ 11.1

PUF1 9.0 ~ 9.5

PUF5 9.3 ~ 10.0

PUF10 9.3 ~ 10.3

PU 8.5~9.0 1.2

20

Figure 3.2 A schematic diagram of coaxial electrospinning

21

3.6. Characterization

3.6.1. Morphology

MWNTs 면에 Fe3O4 나노입자가 결합 모습과 나노

core/sheath 구조를 인 해 High Resolution Transmission

Electron Microscopy(HR-TEM, JEOL JEM-3010, Japan)를

통해 TEM image를 찰 다. 그리고 nanowebs 내 oil이 새어

나 지 않고 안 인 사가 이루어 는지 인 해 Field

Emission Scanning Electron Microscope(FE-SEM, JEOL, JSM-

6300F, Japan) 이용 여 나노웹 morphology를 찰 다.

3.6.2. Chemical and structure analysis

합 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 구조를 인 해

High resolution X-ray Diffractometer(HR-XRD, Bruker D8,

Germany)를 사용 고, MWNTs Fe3O4 간 결합

인 해 Fourier Transform Infrared Spectra(FT-IR,

Nicolet 6700, USA)를 사용 다.

3.6.3. Magnetic properties

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 자 특 분 해

Superconducting Quantum Interference Device (SQUID,

MPMS)를 이용 여 자 이 곡 구했다. 분 상 에

이루어 며 인가 자 장 범 는 –10000 Oe부 10000

22

Oe이다.

3.6.4. Rheological properties

MRF 자 장 에 변 거동 찰 해 Parallel-

plate strain-controlled Rheometer(MCR 301, Anton Paar

Companies, Germany)를 사용 다. 상 동(Steady shear

flow) 에 shear rate에 른 shear stress를 며,

shear rate 범 는 0.1~1000 s-1 다. MRF 샘 과

parallel plate 사이 거리는 0.3mm 며, 자 도

식 자 장 생시키는 electromagnet kit 사용 여

shear flow 향에 직 자 장 인가해 주었다.

3.6.5. Sedimentation analysis

MRF 내 자 입자 종 에 른 분산 안 차이를 알아보

해 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites과 Fe3O4 nanoparticles

농도를 각각 5 wt% MRF sedimentation rate

다.

3.6.6. Mechanical properties

나노웹 계 질 알아보 해 Universal Testing

Machine(UTM, Instron-5543) 사용 다.

자 장 인가 여부에 른 계 특 변 를 알아보 해

Figure 3.3과 같이 샘 고 시키는 Grip 사이에

솔 노이드를 여 인장 향과 평행 향 자 장

23

인가 다. 이 철 grip 자 장에 향

소 고 솔 노이드 사용 시 불편 이 해 종이

에폭시를 이용해 샘 이를 연장시 다.

Figure 3.3 A schematic of UTM with solenoid

3.6.7. Measurement of the electromagnetic shielding

effectiveness

나노웹 자 차폐 효과를 해 Shielding

effectiveness test fixture (EM-2107A, Electro-Metrics,

USA)를 사용 다. 장 본 인 구 Figure 3.4

같다. 시료지지 (specimen holder)는 원 동축 구조 , 양

끝 사이 임 스는 주 역 내에 50±0.5 Ω

지 다. 신 생 (signal generator)는 시료 지지

임 스 합 해 50 Ω 출 임 스 특 가지고

있어야 다. 신 (Receiver) 50 Ω 입 임 스를

24

가지고 신 생 에 생 는 주 범 신 를 신

있어야 며 감쇠 (attenuator)는 임 스 합 해 신

생 신 부 시료 지지 를 격리시키는 ,

일 50 Ω 임 스를 갖는 10 dB 감쇠 가 사용 다.

Figure 3.4 A basic equipment setup of EMSE test

자 차폐 효과를 알아보 해 는 PU, PUCF1, PUCF5,

PUCF10 가지 나노 웹 다. 시험 시료는 Figure

3.5 같이 시료 부 시료 구 는데, 이 종

시료 께 특 동일해야 에 가지

샘 에 해 각각 동일 시료 부 시료 시료를 조 여

다. 샘 들 시험 에 25。C, 상 습도 50 %

조건에 48시간 후 다. 주 범 는 30

MHz ~ 1 GHz 다.

Figure 3.5 Dimensions of (a) reference and (b )load specimens

25

4. Results and Discussion

4.1. Morphology of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites HR-TEM image를

Figure 4.1에 나타내었다. TEM image에 볼 있듯, 직경이

20~30 nm인 MWNTs 벽면 라 직경 4~8 nm 구

마그 타이트 입자가 합 것 인 다. magnetite 입자

평균 직경 약 5.2 nm 나타났다.

Figure 4.1 HR-TEM images of MWNT/Fe3O4 nanocomposites

26

4.2.Chemical and structure analysis of MWNTs/Fe3O4

nanocomposites

4.2.1. X-ray diffraction patterns

MWNTs 면에 합 magnetite 결 구조를 알아보

해 X-ray diffraction pattern 분 다. Figure 4.2

산처리 과 거 MWNTs-COOH MWNTs/Fe3O4

nanocomposites XRD 나타내고 있다.

MWNTs-COOH에 나타나는 26.4° 크는

MWNTs 0.34nm inter-planar spacing에 것 (0 0 2)

결 면에 회 이 일어난 것 인 있었다. 이는

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 에 도 나타나고 있는데

이를 통해 Fe3O4 chemical precipitation 과 거 후에도

MWNTs 구조가 그 지 고 있 인 있었다.

다 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 에

나타나는 30.0°, 35.4°, 43.1°, 54.1°, 62.6° 크는 각각

magnetite (2 2 0), (3 1 1), (4 0 0), (4 2 2), (4 4 0) 결 면에

는 것 , MWNTs 면에 역스 구조 magnetite가

잘 합 었 인 있었다. Broad magnetite 특 크는

합 magnetite 입자 결 크 가 매우 작 것 나타낸다.

27

Figure 4.2 X-ray diffraction patterns of MWNTs-Fe3O4 and MWNTs-

COOH

28

4.2.2. FT-IR spectra

조 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 결합구조를

알아보 해 FT-IR 다. Figure 4.3 MWNTs-

COOH MWNTs/Fe3O4 nanocomposites IR spectrum

나타내고 있다.

1580 cm-1에 공통 크가 나타나는 것 인

있는데, 이는 MWNTs 내 graphene layer를 이루는 carbon-

carbon 사이 stretching vibration에 것이다. 편 CNT

구조에 라 1600 cm-1 부근 IR active mode가 미

차이를 나타낼 있는데, 1600 cm-1에 여러 드들이 겹쳐

나타나는 broad 크는 다양 직경 layer들 구 는

MWNTs 구조를 보여주고 있다.

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 스펙트럼에 특징

나타나는 585 cm-1 크는 magnetite Fe-O-Fe

interaction 인 stretching vibration 나타내는 것

MWNTs 면에 magnetite가 잘 합 것 인 있다.

다 MWNTs-COOH 1718 cm-1에 나타나는 크는

C=O 결합 stretching vibration에 것인데, MWNTs/Fe3O4

nanocomposites spectrum에 이 부분이 뚜 게 감소 것

보아 개질 MWNTs carboxyl 에 결합 통해

magnetite가 조 것 인 있다.

29

Figure 4.3 FT-IR spectra of MWNTs/Fe3O4 and MWNTs-COOH

1800 1600 1400 1200 1000 800 600

Ab

so

rpti

on

Wavenumber [cm-1]

MWNTs/Fe3O

4

MWNTs-COOH

30

4.3. Magnetic properties of MWNTs/Fe3O4

nanocomposites

Figure 4.4는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

자 이 곡 보여주고 있다. 자 이 곡 통해 구

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 포 자 (Ms)는 9.1 emu/g,

보자 (Hc) 17.5 Oe이다. 자 장 거했

잔 자 (Mr)는 0.32 emu/g 0에 가 운 값 나타내었고, 이를

통해 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites가 상자 질 가짐

인 있다.

Figure 4.4 M-H hysteresis of MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

31

4.4. Magnetorheological properties of MRF

Figure 4.5는 가지 MRF에 해 shear rate 0 s-1부

1000 s-1 지, 자 장 0 mT, 220 mT, 440 mT, 660 mT, 880

mT 변 시 가며 도를 결과이다. (a)는 1 wt%

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 분산시킨 MRF, (b)는 5 wt%

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 분산시킨 MRF, (c)는 5 wt%

Fe3O4 나노입자를 분산시킨 MRF이다.

모든 샘 에 자 장 가 증가함에 라 도가

증가 는 것 볼 있는데, 이를 통해 용액 내 자 입자들이

자 장 향에 라 체인 면 이 변 는 MR 질

보이는 것 인 있다. 자 장이 인가 었 모든

샘 에 shear rate가 증가함에 라 도가 감소 는 shear

thinning 상 보이는데, 이는 MRF 인 거동 써,

자 장이 가해 었 체인이 외 에 해 깨지면

생 는 상이다. 특히 자 장 가 강 에는 자 입자 간

체인이 욱 강 게 었다가 깨지 에 도가 감 는

상 보인다.

(a) (b) 그래 는 MRF 내 복합체 농도를 각각 1wt%,

5wt% 달리 것 써, (b) 경우 많 양 자 입자를

함 고 있 에 자 장 에 욱 뚜 도 증가를

보인다. 지만 높 입자 농도 인해 일부 aggregation이

고 이에 라 다소 불안 거동 보이는 것 인

있다.

마지막 Fe3O4 자 입자만 사용 MRF MWNTs/Fe3O4

nanocomposites 첨가 MRF 변 질 해

32

(b) (c) 그래 를 했 , 660 mT 이 자 장

에 는 도 자 장에 는 도에 거 차이가 없는

것 인 있다. 이를 통해 MWNTs/Fe3O4

nanocomposites 사용해 MRF를 조함 써 존 magnetite를

이용 MRF에 해 변 질 감소 없이, sedimentation

stability를 증가시키고 나노 웹 크게 증가시킬

있 것이라 상 있다.

33

Figure 4.5 Shear rate-viscosity curves of (a) CF1 (b) CF5 (c) F5

34

fluid the of viscosity

radius particle

density fluid

density particle

velocity ionsedimentatV

9

)(2V

0

2

0

=

=

=

=

=

-=

h

r

r

h

rr

a

ga

f

s

fs

4.5. Sedimentation stability of MWNTs/Fe3O4

nanocomposites based MRF

MRF 내 자 입자 magnetite가 아닌 MWNTs/Fe3O4

nanocomposites를 도입 가장 큰 이 는 MRF 나노

조에 요 요소인 분산안 높이 해 이다. Fluid 내

sedimentation velocity는 식 (1)과 같이 다.

…………(1)

이 식 통해 도가 5 g/cm3인 magnetite에 해 도가 1.8

g/cm3 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites를 oil에 분산시

분산안 이 매우 높아질 것이라 상 있다.

높 length-diameter 를 갖는 튜 태

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 구조 특징 분산안 에

향 있다. 특히 입자 농도가 높 , MWNTs/Fe3O4

nanocomposites carrier fluid 내에 집이 일어나는 신

3차원 인 트워크를 여 sedimentation이 어 게 다.

실 magnetite MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

MRF를 이알에 담아 sedimentation 속도를 찰해 보았

그림 4.6과 같이 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites

35

조 MRF 분산안 이 뛰어난 것 인 있었다.

Figure 4.6 An image of the sedimentation of the MRF

36

4.6. Morphology of nanowebs

4.6.1. The effect of MRF ratios on morphology

core에 100% MRF를 사용 여 사 나노 웹

SEM image TEM image를 통해 morphology를 찰 다.

Figure 4.7(a) SEM image를 보면 께가 일 지 않고

곳곳에 bead가 것 인 있다. 사 간

경계가 불분명 고 달라붙어 체 불안 웹

태를 보이고 있다.

그 원인 찾 해 Figure 4.7(b) TEM image를 찰해

보았 , 나노 가 core/sheath 구조를 지 지 못 고 core

부분에 MRF 일이 sheath 부분 새어 나 것

인 있다. 이 같이 새어 나 MRF 일 분이 PU

용액 DMF, THF 합용매 이면 용매 증 해 고

그 결과 불안 구조를 보이고 있다. Figure 4.7

(b)에 시 부분과 같이 oil이 sheath 지 새어나가면

web 시 Figure 4.7 (a) 같이 엉겨 붙 태를 보이게

다.

이 같이 Core에 100% MRF를 사용했 oil이 새어 나

는 를 해결 해 core 부분 MRF에 PU용액 합 여

안 인 나노 웹 얻고자 다.

Figure 4.8 core 내 MRF 각각 10 wt%, 20 wt%,

30 wt% 여 조 나노 TEM image이다. core 내

MRF를 10 wt% 조 Figure 4.8(a) 나노 를 보

면 core 내 PU 양이 많아 사 시 core 부분 PU가

37

sheath부분 PU 합 고 core-sheath PU 간 경계가 일부

사라진 것 인 있다. 면 Figure 4.8(b)를 보면 MRF

20 wt% core 내 PU oil 양이 sheath

PU용액과 균 이루어 가장 안 인 core/sheath 구조를 보이

는 것 인 있다. 편 Figure 4.8(c) 경우, core에 100

wt% MRF를 사용했 마찬가지 core 내 oil이 sheath 부분

용매 이면 core/sheath 간 경계가 불분명 구조를 보이

고 있다. 이를 통해 MRF를 core에 충진 여 core/sheath 구조

나노 웹 조 경우, core MRF 양 20 wt% 는 것

이 가장 합 것 인 있었다.

38

Figure 4.7 (a) FE-SEM image and (b) HR-TEM image of Core(100%

MRF)/Sheath(PU) nanofibers

39

Figure 4.8 HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU) nanofibers (a)

10wt%, (b) 20wt%, (c) 30wt%

40

4.6.2. The effect of particle concentrations on morphology

Core MRF 내 입자 농도에 른 morphology 변 를 찰

해 MRF 내 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 농도를 각

각 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 여 3가지 나노 웹 조

다. 이 core MRF PU 용액 가장 안 인 나

노 를 얻었 2:8 다.

Figure 4.9는 MRF 내 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 농도

를 1 wt%, 5 wt%, 10 wt% 여 조 나노 웹 SEM,

TEM image이다.

SEM image를 보면 가지 나노 웹 모 bead가 없고,

800 nm에 1.5 ㎛ 사이 균일 께를 갖는 안 인

웹 고 있다.

TEM image를 통해 도 안 인 core/sheath 구조를 인

있다. 이는 MRF 내 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 높 분산

안 인해 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 농도가 10 wt%

지 증가 라도 집 인 해가 일어나지 않고 안 인

사가 이루어 이다.

41

Figure 4.9 FE-SEM and HR-TEM images of Core(MRF+PU)/Sheath(PU)

nanofibers (a), (b) : PUCF1, (c), (d) : PUCF5, (e), (f) : PUCF10

42

4.7. Mechanical properties of nanowebs

4.7.1. The effect of particle concentrations

Figure 4.10 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 양

달리 여 조 나노 웹 strain에 른 stress 변 를 나타낸

그래 이다.

MRF를 첨가 나노 웹 경우 PU 나노 웹에 해

연신 다소 감소 나 stress 값이 175.6 %에

228.4 % 지 증가 것 인 있었다.

Table 4.1 인장시험 결과를 통해 MWNTs/Fe3O4

nanocomposites 양에 른 리 질들 해 보았 ,

5 wt% 지는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 양이 증가함에

라 Stress modulus가 증가 는 것 인 있었다.

자 장 인가 지 않았 에도 불구 고 자 입자 농도에 라

이 증가 는 상 core 용액 MRF PU 합액

사용했 이다. MRF PU용액이 합 PU matrix에

분산 일부 자 입자들이 나노 웹 인장시험 시 load

transfer 역 행 게 면 stress 증가를 보이게 다.

그러나 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 양이 10 wt% 지

증가 면 일부 입자들 aggregation이 일어나 계 질

향상에 여를 지 못 게 다. 나노 웹 단 시 연신

해 보았 , 입자 농도가 증가함에 라 연신 이 다소

감소 는 것 보 다.

43

Figure 4.10 Stress-strain curves of nanowebs with different particle

concentrations

Table 4. 1 Mechanical properties of nanowebs with different particle

concentrations

Modulus (Automatic Young's)

(MPa)

Stress at Maximum

Load (MPa)

Elongation at Break (%)

PU 12.6684 9.0413 198.992

PUCF1 23.2236 15.8754 181.364

PUCF5 31.0559 20.0607 179.254

PUCF10 29.8842 20.6484 176.471

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

PUCF10 PUCF5 PUCF1 PU

Ten

sile

Str

ess

(M

Pa)

Strain (%)

44

4.7.2. The effect of magnetic field strength

Figure 4.11 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 10 wt%

첨가 나노 웹 자 장 른 strain-stress curve이다.

자 장이 가해짐에 라 나노 웹 Stress가 크게 증가 는

것 인 있었다. Table 4.2 결과를 보면, 자 장

인가 stress값인 20.6484 MPa과 여 50 mT에 는

22.6267 MPa, 100 mT에 는 28.1127 MPa , 각각 9.6 %,

36.1% 증가 나타내고 있다. Young’s modulus 값

각각 107.1 %, 114.3 % 큰 증가 보이고 있다. 이는

자 장이 가해 자 입자들이 체인 며 계

이 증가 는 MR 질 보여주는 결과이다. 이를 통해

나노 Core에 함 MRF Oil이 웹이 후에도

자 입자들이 움직일 있는 Carrier 역 고 있 인

있다.

단 시 연신 해 보면, 자 장 가 증가함에 라

연신 이 다소 감소 는 것 인 있다. 이는 높 stress

값이 보여주는 같이, 자 장 에 자 입자들이 욱 강 게

체인 면 solid-like 질이 강해지고 그 인해

나노 웹이 stiff해 지는 것 상 있다.

45

Figure 4.11 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic

fields

Table 4.2 Mechanical properties of nanowebs with and without magnetic

fields

Modulus (Automatic Young's)

(MPa)

Stress at Maximum

Load (MPa)

Elongation at Break (%)

0 mT 31.0559 20.0607 179.254

50 mT 64.3244 22.6267 172.215

100 mT 66.5586 28.1127 167.976

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

20

25

30

Field On (100 mT) Field On (50 mT) Field Off

T

ensi

le S

tre

ss (

MP

a)

Strain (%)

46

4.7.3. The effect of particle types

Figure 4.12는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 첨가

MRF를 사용 경우 magnetite만 첨가 존 MRF를

사용 경우 해, 자 장 인가 여부에 른

Strain-Stress 를 결과이다. 앞 결과 마찬가지

자 장 인가시 샘 모 Stress가 크게 증가 는 것 인

있었다. 그러나 MWNTs가 첨가 지 않 경우 자 장이 없

Stress 값이 PU 나노 웹 히 낮아 자 장이

인가 후에도 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 첨가

나노 웹 Stress 값에 미 지 못 는 것 인 있었다.

이는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 나노 웹에 첨가 었

MWNTs 자체 뛰어난 인해, 존 MRF를

첨가했 는 차별 는 계 질 가짐 보여주는

결과이다. 장시간 사를 통해 나노 웹 조

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 포함 MRF를 사용 경우,

높 sedimentation stability 인해 입자가 균일 게 분포 어

있는 나노 조가 가능 고 이 인해 계 이 크게

향상 있다.

47

Figure 4.12 Stress-strain curves of nanowebs with and without magnetic

fields

Table 4.3 Mechanical properties of nanowebs with different particle

types

Modulus (Automatic Young's)

(MPa)

Stress at Maximum

Load (MPa)

Elongation at Break (%)

PUCF5, off 31.0559 18.0607 177.736

PUCF5, on 73.6845 26.7509 180.312

PUF5, off 7.1086 8.7928 163.200

PUF5, on 10.8053 12.1925 182.535

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

20

25

S

tre

ss (

MP

a)

Strain (%)

PUCF5, Field Off PUCF5, Field On PUF5, Field Off PUF5, Field On

48

4.8. Electromagnetic shielding effectiveness of

nanowebs

Figure 4.13 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites이 0 wt%, 1

wt%, 5 wt%, 10 wt% 첨가 나노 웹 자 차폐 효과를

인해 본 결과이다. 고주 에 해 는 큰 차폐 효과를 보이지

못했지만 모든 샘 에 해 60 MHz 이 주 에

50 %이상 차폐 효과를 보 다. 특히 나노 웹에 첨가

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 농도가 높아짐에 라

차폐효과가 증가 는 것 인 있었다.

Figure 4.14는 각각 나노 웹 께를 0.08 mm, 0.16 mm,

0.24 mm 변 시 가며 자 차폐 효 나타낸

그래 , 이를 통해 차폐 효과에 차폐재료 께가 매우 큰

향 미 다는 것 인 있었다. 특히 PUCF10 샘

께를 0.24 mm 여 차폐 효 했 70% 이상

높 차폐 효 보 며, 이는 PU 샘 에 해 약 13 % 증가

값이다.

이 같 결과는 도 MWNTs 자 Fe3O4 고주

손실 특 에 른 자 에 해 나타나는 결과이다.

자 장이 가해 , MWNTs Fe3O4 내부에 질 게

분포 어 있 dipole들 이 일어나게 는데, 고주

자 장이 가해지면 dipole들 이 자 장 변 를 미처

라잡지 못 고, 그에 라 외부 자 장과 질 내부에 도 는

분극 사이에 시간 지연이 생 고, 이러 이 상에 해

자 에 지 일부가 열에 지 어 차폐 효과가 나타난다.

49

Figure 4.13 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with

different particle concentration

Figure 4.14 Electromagnetic shielding effectiveness of samples with

different thickness

50

5. Conclusions

본 연구에 는 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites를 합 고 이

를 높 sedimentation stability를 가진 MRF를 조

다. MRF를 core 질, PU를 sheath 질 여 동축

사를 행 고 조 core/sheath 구조 나노 웹 평

가 다.

HR-TEM 이미지를 통해 MWNTs 면에 직경 4~8 nm

구 마그 타이트 입자가 합 것 인 며, XRD 분 과

FT-IR 분 통해 마그 타이트 입자가 산처리 MWNTs

면에 결합 것 인 있었다. 조

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 자 이 곡 통해 상자

질 인 있었 며, 이를 mineral oil에 분산시킨 MRF는

자 장에 여 높 도를 나타냄과 동시에 높

sedimentation stability를 보 다.

이 게 조 MRF PU 합액 core 질 , PU를

sheath 질 여 조 나노 웹 HR-TEM SEM 이미

지를 통해 안 인 core/sheath 구조를 인 있었다. 인장시

험 통해 MRF가 포함 core/sheath 구조 나노 웹 계

, PU 나노 웹에 해 연신 다소 낮

지만 tensile stress modulus 값이 크게 증가 것 인

있었다. 자 장 인가 경우에는 자 입자들이 내에

chain 여 욱 향상 나타내었다. 그리고

magnetite만 포함 존 MRF를 사용해 조 나노 웹에

해 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites MRF를 사용해 조

51

나노 웹 이 뛰어난 것 인 있는데, 이는

MWNTs 자체 높 load transfer 질과 불어 장시간

사를 행 는 동안 뛰어난 sedimentation stability 인해 나노

웹 내에 자 입자가 고르게 분산 어 있 이다.

나노 웹 내부에 포함 는 magnetite MWNTs 자

능 탕 나노 웹 자 차폐 효과를 해 보

았다. 이를 통해 좁 주 범 지만 께가 증가함에 라, 나노

웹 내 MWNTs/Fe3O4 nanocomposites 함량이 증가함에

라 자 차폐 효과가 크게 증가 는 것 인 있었다.

52

6. References

[1] Zhao. S., et al., A novel solvethermal method for the preparation of

magnetic monodisperse Fe3O4 nanoparticles II: High-surface-

activity ferrihydrite used as precursor. Materials Research Bulletin,

2013. 48. 4385-4389

[2] Pedicini, A. and Farris, R.J., Mechanical behavior of electrospun

polyurethane. Polymer, 2003. 44. 6857-6862.

[3] Park, B.J., Fang, F.F. and Choi, H.J., Magnetorheology: Materials

and application. Soft Matter, 2010. 6. 5246-5253.

[4] Marquez, F., et al., Attachment of magnetite nanoparticles on

carbon nanotubes bundles and their response to magnetic fields.

Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2009. 9. 3810-3814.

[5] Pu, H. and Jiang, F., Towards high sedimentation stability:

Magnetorheological fluids based on CNT/ Fe3O4 nanocomposites.

Nanotechnology, 2005. 16. 1486-1489.

[6] Chung, D.L., Materials for electromagnetic interference shielding.

Journal of Materials Engineering and Performance, 2000. 9. 350-

354

[7] Liu, Z., et al., Reflection and absorption contributions to the

electromagnetic interference shielding of single-walled carbon

nanotube/polyurethane composites. Carbon, 2007. 45. 821-827.

[8] Zhao. S., et al., A novel solvethermal method for the preparation of

magnetic monodisperse Fe3O4 nanoparticles II: High-surface-

activity ferrihydrite used as precursor. Materials Research Bulletin,

2013. 48. 4385-4389

[9] Xu, Y., et al., A high-performance magnetorheological material:

Preparation, characterization and magnetic-mechanic coupling

properties. Soft Matter, 2011. 7. 5246-5254.

53

[10] Popplewell, J. and R.E. Rosensweig, Magnetorheological fluid

composites. Journal of Physics D: Applied Physics, 1996. 29.

2297-2303.

[11] Reilly, R.M., Carbon nanotubes: potential benefits and risks of

nanotechnology in nuclear medicine. The Journal of Nuclear

Medicine, 2007. 48. 1039-1042.

[12] Sen, R., et al., Preparation of single-walled carbon nanotube

reinforced polystyrene and polyurethane nanofibers and

membranes by electrospinning. Nano Letters, 2004. 4. 459-464.

[13] Chen, H., et al., Preparation, characterization, and microwave

absorption properties of multifunctional carbon

nanotube/magnetite nanocomposites. Nanoscience and

Nanotechnology Letters, 2013. 5. 191-194

[14] He. Y., et al., Structure and electrochemical performance of

nanostructured Fe3O4/carbon nanotube composites as anodes for

lithium ion batteries. Electrochimica Acta, 2010. 53. 39-42.

[15] Samouhos, S. and McKinley, G., Carbon nanotube-magnetite

composites, with applications to developing unique

magnetorheological fluids. Journal of Fluids Engineering, 2007.

129. 429-437

[16] Demir, M.M., et al., Electrospinning of polyurethane fibers.

Polymer, 2002. 43. 3303-3309.

[17] Kimmel, D., et al., Polyurethane/multiwalled carbon nanotube

nanowebs prepared by an electrospieeing process. Journal of

Applied Polymer Science, 2009. 111. 2711-2714.

[18] Li, H.-Y., et al., Poly(lactide)-functionalized and Fe3O4

nanoparticle-decorated multiwalled carbon nanotubes for

preparation of electrically-conductive and magnetic poly(lactide)

films and electrospun nanofibers. Journal of Materials Chemistry,

2012. 22. 4855-4860

54

[19] Saini, P. and Arora, M., Microwave absorption and EMI shielding

behavior of nanocomposites based on intrinsically conducting

polymers, graphene and carbon nanotubes. Intech, 2012. 71-112.

[20] Wu, H., et al., Morphology, electrical resistance, electromagnetic

interference shielding and mechanical properties of

functionalized MWNT and poly(urea urethane) nanocomposites.

Journal of Polymer science: Polymer Physics, 2006. 44. 1096-

1105.

55

ENGLISH ABSTRACT

Magnetic Nanofibers with Core (Magnetorheological fluid)/Sheath(Polyurethane) Structure Fabricated by Coaxial Electrospinning

Dayeong Jeong

Department of Materials Science and Engineering

The Graduate School

Seoul National University

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites were prepared simply by the

coprecipitation method from the solution of ferrous/ferric

mixed salt in the presence of MWNTs. The morphology of

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites was analyzed by HR-TEM,

and then the structure and chemical bonding of

MWNTs/Fe3O4 nanocomposites were confirmed by XRD and

FT-IR analysis. The M-H hysteresis of MWNTs/Fe3O4

nanocomposites shows the superparamagnetic behavior with

small remnant magnetization.

Magnetorheological fluid was prepared from MWNTs/Fe3O4

nanocomposites dispersed in a mineral oil. The viscosity of

MRF increases under magnetic field because the applied field

aligns magnetic particles into fibrous structure. Due to the

low density of MWNTs, the sedimentation stability of MRF is

also improved compared to the MRF based on pure magnetite

particles.

Field responsive nanofibers with core(MRF)/sheath

56

(polyurethane) structure were fabricated by coaxial

electrospinning and the mechanical properties of both with

and without magnetic field were measured by tensile tests.

Since the load-carrying capacity of MWNTs is outstanding,

the tensile stress and the modulus of core/sheath nanowebs

are much higher than those of PU nanowebs. When the

magnetic fields are applied to core/sheath nanowebs, the

mechanical properties improve, but the elongation at break is

slightly decreases.

Due to the ability to absorb electromagnetic waves,

nanowebs containing MWNTs/Fe3O4 nanocomposites can be

applied as EMI shielding material. Even in a narrow range of

frequencies, core/sheath nanowebs show outstanding EMI

shielding properties.

………………………………………

keywords : Magneto-rheological fluid; Carbon nanotubes, Coaxial

electrospinning, Electromagnetic interference shielding

Student Number : 2012-20630