[論文レビュー] Gas Barrier Performance of Graphene/Polymer Nanocomposites

Yanbin Cui, S. I. Kundalwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 217被引用数 16

ひとこと要約

本レビューは、グラファイト/ポリマーナノコンposites（PNCs）のガスバリア性能を調査し、グラファイトの高いアスペクト比およびポリマーマトリックス内での分散が、ガス透過率を顕著に低下させるねずみ径のパスを形成することに注目している。研究では、最適な分散状態とグラファイト誘導体の固有の性質が、優れたバリア効率をもたらすことが強調されており、解析的モデルがガス分離および包装用途の高性能PNCsの設計を支援している。

ABSTRACT

Due to its exceptionally outstanding electrical, mechanical and thermal properties, graphene is being explored for a wide array of applications and has attracted enormous academic and industrial interest. Graphene and its derivatives have also been considered as promising nanoscale fillers in gas barrier application of polymer nanocomposites (PNCs). In this review, recent research and development of the utilization of graphene and its derivatives in the fabrication of nanocomposites with different polymer matrices for barrier application are explored. Most synthesis methods of graphene-based PNCs are covered, including solution and melt mixing, in situ polymerization and layer-by-layer process. Graphene layers in polymer matrix are able to produce a tortuous path which works as a barrier structure for gases. A high tortuosity leads to higher barrier properties and lower permeability of PNCs. The influence of the intrinsic properties of these fillers (graphene and its derivatives) and their state of dispersion in polymer matrix on the gas barrier properties of graphene/PNCs are discussed. Analytical modeling aspects of barrier performance of graphene/PNCs are also reviewed in detail. We also discuss and address some of the work on mixed matrix membranes for gas separation.

研究の動機と目的

• ポリマーマトリックスのガスバリア特性を向上させるためのグラファイトおよびその誘導体をナノフィラーとして用いる有効性を評価すること。
• PNCの製造に用いられる主な合成法（溶液混合、溶融プロセシング、イニシャルポリマー化、レイヤー・バイ・レイヤー積層）を特定および分析すること。
• フィラーの分散状態、配向性、および固有の性質がナノコンポジット内のガス透過率に与える影響を理解すること。
• グラファイトベースのPNCsにおけるバリア性能を予測するための解析的モデルをレビューすること。
• 選択的ガス分離を目的としたミックスド・マトリックス膜への応用を検討すること。

提案手法

• 2015年までに発表されたグラファイト/ポリマーナノコンポジット（PNCs）に関する実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 均一なグラファイト分散を達成するための溶液混合、溶融混合、イニシャルポリマー化、レイヤー・バイ・レイヤー堆積を含む合成技術の分析。
• 整列またはランダムに配向したグラファイト層を通過するガス拡散パスをモデル化するためのねずみ径要因の評価。
• ガス透過率の低減を予測するための解析的モデル（マクスウェル＝ウォルター法および有効媒体近似）の適用。
• エポキシ、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの異なるポリマー・マトリックスにおけるガスバリア性能を、グラファイト含有量および機能化度の違いを考慮して比較。
• 理論的予測を検証するための透過率低減比に関する実験データの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリマー・マトリックス内におけるグラファイトの分散状態が、ナノコンポジットのガス透過率にどのように影響するか？
• RQ2 グラファイトおよびその誘導体の固有の性質（例：比表面積、欠际密度）がバリア性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 グラファイトベースのPNCsにおけるガスバリア特性の向上に、ねずみ径が果たす役割は何か？
• RQ4 異なる製造法（例：溶液混合対イニシャルポリマー化）が最終的なバリア効率に与える影響は？
• RQ5 解析的モデルは、グラファイト/ポリマーナノコンポジットのガス透過率を正確に予測できるか？

主な発見

• グラファイトベースのPNCsは、高いねずみ径の拡散パスが形成されることにより、ガス透過率が顕著に低下しており、低含有量（1–3 wt%）で最大80%の透過率低減が報告されている。
• グラファイトシートがポリマー・マトリックス内に均一に分散され、整列している場合に最適なバリア性能が達成され、凝集体形成および界面欠际の低減が重要である。
• 機能化グラファイト誘導体（例：GO、rGO）は、ポリマー・マトリックスとの相性が向上し、分散性が向上することで、天然グラファイトに比べてバリア効率が向上する。
• マクスウェル＝ウォルター法などの解析的モデルは、低～中程度のフィラー含有量において、透過率低減を合理的に予測できる。
• グラファイトを含むミックスド・マトリックス膜は、CO2/N2およびO2/N2系において、調整可能な界面相互作用のおかげで選択的ガス分離に有望である。
• バリア性能は、グラファイトナノシートのアスペクト比および横方向寸法に強く依存しており、大きな横方向寸法がより高いねずみ径と低い透過率をもたらす。