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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 서용석
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2018
Pickering-Emulsion-Polymerized Polystyrene/Fe₃O₄-based Magnetorheological Suspension with High Performance and Enhanced Sedimentation Stability
최준석
,
서용석
,
한상석
한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집
2018.10
학술대회자료
Synthesis of SiO₂@PMAA@Fe₃O₄ Core-Shell Particles for Improvement of Anti-sedimentation Property of Magnetorheological Fluids
최준석
,
서용석
,
한상석
한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집
2018.04
학술대회자료
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자기유변유체는 자성입자가 비자성 매개액에 분산된 현탁액 형태의 스마트물질이다. 외부 자기장 하에서 자성입자들 사이의 쌍극자로 인한 정자기성 상호작용으로 체인 형태의 구조가 형성되고, 이 구조가 유체의 흐름을 막아 매우 짧은 시간 내에 점도가 크게 향상되게 된다. 이러한 성질로 인해 자기유변유체의 유변특성을 외부 자기장을 통해 쉽게 조절하는 것이 가능하다. 이러한 외부자장에 대한 톡특한 반응성으로 인해, 햅틱 디바이스 파워스티어링 펌프, 그리고 자동차, 다리, 건물 등의 충격 방지 시스템에 자기유변유체를 이용할 수 있다.
하지만 자기유변유체의 활용은 자성입자의 침전에 대한 안정성의 부족함으로 인해 크게 제한 될 수 있다. 밀도가 높은 자성입자와 밀도가 낮은 매개액 사이의 큰 밀도차이로 인해 자성입자가 빠르게 가라앉게 되면, 자기유변유체의 수명이 크게 감소하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 한가지 방법으로 자성물질과 밀도가 낮은 물질(고분자, 실리카 탄소물질 등)을 결합하여 자성복합입자를 합성함으로써, 자성입자의 밀도를 낮추고 자기유변유체의 침강안정성을 높이는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 이러한 경우 복합자성입자의 자기적 성질이 저하되기 때문에 자기유변유체의 침강안정성과 성능이 서로 상충관계에 있다는 문제점을 가지고 있다.
본 논문에서는 뛰어난 성능과 침강안정성을 가지는 자기유변유체를 제조하기 위해 다양한 물질구성과 구조를 가지는 합성하였다. 첫 단계로 실리카를 템플레이트로 사용하여 할로우 구조를 가지는 고분자-Fe3O4 복합자성입자를 합성하였다. 할로우 구조 내부의 공동으로 인해, 입자의 밀도가 순수 Fe3O4 대비 40 % 수준까지 감소하였고, 이로 인해 자기유변유체의 침강안정성이 크게 상승하였다. 다음 연구로, 비자성 고분자로 인한 자기유변유체 성능의 감소를 최소화하기 위해, 간단한 전기방사 방법을 통해 계층구조를 가지는 Fe3O4 나노입자들을 제조하였다. 앞의 연구와 대비하여, 고분자의 배제를 통해 높은 자화값을 가지는 Fe3O4 나노구조입자들을 얻을 수 있었고, 이를 자기유변유체에 적용하여 할로우 고분자-Fe3O4 입자 기반 자기유변유체 대비 3배 이상의 성능을 가지는 자기유변유체를 얻을 수 있었다. 이와 동시에 Fe3O4 나노구조입자 내부에 생성된 기공들로 인해 순수 Fe3O4 대비 밀도가 약 23 % 정도 감소하였고, 이로 인해 침 Fe3O4 나노구조입자기반 자기유변유체의 침강안정성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
자기유변유체의 성능과 침강안정성사이의 상충성을 최소화 하기 위해서 비구형의, CoFeNi 합금기반 자성 복합입자를 합성하고 자기유변유체에 적용하였다. 먼저 개질된 카본나노튜브 표면에 CoFeNi를 합성하는 방법을 통해 카본나노튜브-CoFeNi 복합체를 합성하였다. Fe3O4 대비 높은 CoFeNi의 자화값으로 인해 카본나노튜브-CoFeNi 복합체 기반 자기유변유체는 Fe3O4 복합체기반 유체 대비 3배에서 10배 이상의 뛰어난 유변성능을 보였다. 또한 종횡비가 높은 카본나노튜브로 인해 복합체가 유체 내에서 3차원 네트워크 구조를 형성하여, 빛 투과도 22 %의 매우 뛰어난 침강안정성을 보였다. 마지막으로 비자성 물질인 카본나노튜브를, 자성물질인 플레이크형 센더스트로 대체한 센더스트-CoFeNi 복합입자를 합성하여 자기유변유체에 적용하였다. 플레이크형 센더스트의 높은 종횡비로 인해 나타나는 높은 항력계수로 인해, 해당 자기유변유체는 빛 투과도 23 %의, 높은 입자밀도 대비 매우 뛰어난 침강안정성을 보였다. 동시에, 센더스트 CoFeNi 모두 높은 자화값을 가지는 자성물질이기 때문에, 센더스트-CoFeNi 기반 자기유변유체의 성능이 카본나노튜브-CoFeNi 유체 대비 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
하지만 자기유변유체의 활용은 자성입자의 침전에 대한 안정성의 부족함으로 인해 크게 제한 될 수 있다. 밀도가 높은 자성입자와 밀도가 낮은 매개액 사이의 큰 밀도차이로 인해 자성입자가 빠르게 가라앉게 되면, 자기유변유체의 수명이 크게 감소하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 한가지 방법으로 자성물질과 밀도가 낮은 물질(고분자, 실리카 탄소물질 등)을 결합하여 자성복합입자를 합성함으로써, 자성입자의 밀도를 낮추고 자기유변유체의 침강안정성을 높이는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 이러한 경우 복합자성입자의 자기적 성질이 저하되기 때문에 자기유변유체의 침강안정성과 성능이 서로 상충관계에 있다는 문제점을 가지고 있다.
본 논문에서는 뛰어난 성능과 침강안정성을 가지는 자기유변유체를 제조하기 위해 다양한 물질구성과 구조를 가지는 합성하였다. 첫 단계로 실리카를 템플레이트로 사용하여 할로우 구조를 가지는 고분자-Fe3O4 복합자성입자를 합성하였다. 할로우 구조 내부의 공동으로 인해, 입자의 밀도가 순수 Fe3O4 대비 40 % 수준까지 감소하였고, 이로 인해 자기유변유체의 침강안정성이 크게 상승하였다. 다음 연구로, 비자성 고분자로 인한 자기유변유체 성능의 감소를 최소화하기 위해, 간단한 전기방사 방법을 통해 계층구조를 가지는 Fe3O4 나노입자들을 제조하였다. 앞의 연구와 대비하여, 고분자의 배제를 통해 높은 자화값을 가지는 Fe3O4 나노구조입자들을 얻을 수 있었고, 이를 자기유변유체에 적용하여 할로우 고분자-Fe3O4 입자 기반 자기유변유체 대비 3배 이상의 성능을 가지는 자기유변유체를 얻을 수 있었다. 이와 동시에 Fe3O4 나노구조입자 내부에 생성된 기공들로 인해 순수 Fe3O4 대비 밀도가 약 23 % 정도 감소하였고, 이로 인해 침 Fe3O4 나노구조입자기반 자기유변유체의 침강안정성이 향상됨을 확인할 수 있었다.
자기유변유체의 성능과 침강안정성사이의 상충성을 최소화 하기 위해서 비구형의, CoFeNi 합금기반 자성 복합입자를 합성하고 자기유변유체에 적용하였다. 먼저 개질된 카본나노튜브 표면에 CoFeNi를 합성하는 방법을 통해 카본나노튜브-CoFeNi 복합체를 합성하였다. Fe3O4 대비 높은 CoFeNi의 자화값으로 인해 카본나노튜브-CoFeNi 복합체 기반 자기유변유체는 Fe3O4 복합체기반 유체 대비 3배에서 10배 이상의 뛰어난 유변성능을 보였다. 또한 종횡비가 높은 카본나노튜브로 인해 복합체가 유체 내에서 3차원 네트워크 구조를 형성하여, 빛 투과도 22 %의 매우 뛰어난 침강안정성을 보였다. 마지막으로 비자성 물질인 카본나노튜브를, 자성물질인 플레이크형 센더스트로 대체한 센더스트-CoFeNi 복합입자를 합성하여 자기유변유체에 적용하였다. 플레이크형 센더스트의 높은 종횡비로 인해 나타나는 높은 항력계수로 인해, 해당 자기유변유체는 빛 투과도 23 %의, 높은 입자밀도 대비 매우 뛰어난 침강안정성을 보였다. 동시에, 센더스트 CoFeNi 모두 높은 자화값을 가지는 자성물질이기 때문에, 센더스트-CoFeNi 기반 자기유변유체의 성능이 카본나노튜브-CoFeNi 유체 대비 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
목차
Chapter 1. Introduction 11. 1. Magnetorheological (MR) Fluids and Applications. 11. 2. Long-Term Stability Problem and Proposed Solutions . 41. 3. Research Objectives .. 7References . 9Chapter 2. Backgrounds .. 162. 1. Definition of Terms 162. 1. 1. Shear Stress 162. 1 .2. Shear Rate 162. 1. 3. Shear Viscosity 172. 1 .4. Viscoelastic Behavior . 172. 1. 4. 1. Storage Modulus and Loss Modulus 172. 2. Yield Stress of MR Fluids 182. 2. 1. Rheological Models for Prediction of Dynamic and Static Yield Stress . 192. 2 .2. Yield Stress Dependency on the Magnetic Field Strength . 222. 3. Mechanism of Structures Evolution . 25References 27Chapter 3. Suspensions of Hollow Polydivinylbenzene Nanoparticles Decorated with Fe3O4 Nanoparticles as Magnetorheological Fluids for Microfluidics Applications 313. 1. Introduction 313. 2. Experimental Section . 343. 2. 1. Synthesis of Hollow Polydivinylbezene (h-PDVB) Particles 343. 2. 2. Deposition of Fe3O4 onto Hollow PDVB Particles 363. 2. 3. Characterization 373. 3. Results and Discussion . 413. 3. 1 Morphology and Structures 413. 3. 2. Magnetorheological Behaviors 483. 3. 3. Long-Term Stability of Suspensions . 623. 4. Conclusion . 65References . 67Chapter 4. Hierarchically Structured Fe3O4 Nanoparticles for High-Performance Magnetorheological Fluids with Long-Term Stability .. 744. 1. Introduction . 744. 2. Experimental Section 774. 2. 1. Synthesis of Citric Acid-Capped Fe3O4 774. 2. 2. Fabrication of HS-Fe3O4 with Electrospraying Process . 784. 2. 3. Characterization 794. 3. Results and Discussion . 824 . 3. 1. Morphology and Structures 824. 3. 2. Magnetorheological Behaviors . 894. 3. 3. Long-Term Stability of Suspensions . 1034. 4. Conclusion 106References 108Chapter 5. High-Performance Magnetorheological Fluids of Carbon Nanotube-CoFeNi Composites with Enhanced Long-Term Stability.. 1165. 1. Introduction . 1165. 2. Experimental Section 1195. 2. 1. Functionalization of Carbon Nanotubes 1195. 2. 2. Synthesis of Co0.4Fe0.4Ni0.2 and CNT-Co0.4Fe0.4Ni0.2 . 1195. 2. 3. Characterization . 1205. 3. Results and Discussion . 1235. 3. 1. Morphology and Structures 1235. 3. 2. Magnetorheological Behaviors . 1305. 3. 3. Long-Term Stability of Suspensions . 1425. 4. Conclusion 145References 146Chapter 6. Sendust-CoFeNi Magnetic-Magnetic Composites-Based Magnetorheological Fluids for Simultaneous Improvement of Performance and Long-Term Stability 1546. 1. Introduction 1546. 2. Experimental Section . 1576. 2. 1. Synthesis of Citric Acid-Capped Fe3O4 . 1576. 2. 2. Characterization . 1576. 3. Results and Discussion . 1596. 3. 1. Morphology and Structures 1596. 3. 2. Magnetorheological Behaviors 1636. 3. 3. Long-Term Stability of Suspensions 1766. 4. Conclusion 179References 181Chapter 7. Conclusions 1887. 1. Overall conclusion 1887. 2. Further works 194References . 195국문초록 . 196Appendix 199Appendix A. Nonisothermal Crystallization Behaviors of Structure-Modified Polyamides (Nylon 6s) . 201
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