[論文レビュー] Multifunctional epoxy nanocomposites reinforced by two-dimensional materials: A review

Ming Dong, Han Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Conducting polymers and applications参考文献 212被引用数 12

ひとこと要約

本レビューでは、グラフェン、窒化ホウ素、遷移金属ジ chalcogenides などの二次元（2D）材料をエポキシナノコンポジットに統合し、引張り強度、熱安定性、電気伝導性、バリア性能を含む多機能的特性を向上させる方法を検討する。著者らは、製造技術、界面工学、構造-物性関係を体系的に分析し、2D充填材が低含有量でも複数の性能指標において相乗的な向上を実現できることを示している。

ABSTRACT

Epoxy resins are thermosetting polymers with an extensive set of applications such as anticorrosive coatings, adhesives, matrices for fibre reinforced composites and elements of electronic systems for automotive, aerospace and construction industries.

研究の動機と目的

• エポキシナノコンポジットの多機能的特性を向上させる二次元（2D）材料の役割を包括的に分析すること。
• 2D強化エポキシ系の分散性、界面接着性、スケーラビリティに関する主な課題を特定すること。
• 異なる2D充填材における機械的・熱的・電気的・バリア特性の性能向上を評価すること。
• 最適な強化を実現するための製造法および界面工学戦略の批判的評価を行うこと。
• 将来の研究を導くために、有望な2D材料と実用応用における未解決の技術的障壁を明らかにすること。

提案手法

• 2010年から2021年までの2D材料を含むエポキシマトリックスに関する最近の研究を体系的文献レビューした。
• タイプ別に2D材料を分類：グラフェン、ヘキサゴナル窒化ホウ素、遷移金属ジ chalcogenides、MXenes。
• 均一な分散を実現するための処理技術（溶液混合、超音波処理、イン・サイト重合）を分析した。
• 表面官能化や共有結合／非共有結合による界面修飾戦略を評価し、充填材-マトリックス接着性の向上を検討した。
• 充填材の形状、含有量、性能結果との構造-物性相関モデルを用いて分析した。
• 引張試験、熱重量測定、動的機械分析、電気伝導度測定のデータを統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン、h-BN、MoS₂ などの異なる2D材料は、エポキシナノコンポジットの機械的および熱的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2D強化エポキシ系における電気的および熱的伝導性の向上をもたらす主なメカニズムは何か？
• RQ3 界面相互作用および表面官能化は、分散性および荷重移行効率にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 多機能的特性の向上と、プロセッシングの複雑さやコストの間には、どのような重要なトレードオフがあるか？
• RQ5 産業応用における2D-エポキシナノコンポジットのスケーラビリティおよび長期的安定性の現在の制限要因は何か？

主な発見

• グラフェンおよび窒化ホウ素ナノシートは、1–2 wt%含有量で引張り強度が最大40%向上し、エポキシコンポジットの引張り強度と熱安定性を顕著に向上させる。
• ヘキサゴナル窒化ホウ素（h-BN）は、最大30 W/mKの優れた熱伝導性と絶縁性を示し、電子部品包装用途に最適である。
• MXeneを含むエポキシコンポジットは、低含有量（5 wt%未満）で電気伝導度が最大100 S/mに達し、EMIシールド効果が40 dBを超える。
• 2D充填材の表面官能化は界面接着性を向上させ、界面剥離を低減し、荷重移行効率を改善する。
• 超音波処理および界面活性剤支援プロセスによる最適な分散は、均一な充填材分布を実現し、物性の最大限の向上を可能にする。
• シリカやカーボンナノチューブなどの他のナノ材料と2D充填材を組み合わせることで、相乗効果が得られ、さらに多機能的特性が向上する。