[論文レビュー] Polymer-stabilized graphene dispersions at high concentrations in organic solvents for nanocomposite production

Ahmed S. Wajid, Sriya Das+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2011

Graphene research and applications参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、酸化パルチクルを含まないグラフェンを高濃度で安定分散させるためのポリビニルピロリドン（PVP）を用いたポリマー安定化法を提示する。この技術により、優れた分散性と荷重移行性のおかげで、熱的・機械的・電気的特性が向上したナノコンポジットの効果的な作製が可能になる。

ABSTRACT

We demonstrate a simple and effective technique for dispersing pristine (unfunctionalized) graphene at high concentrations in a wide range of organic solvents by use of a stabilizing polymer (polyvinylpyrrolidone, PVP). These polymer-stabilized graphene dispersions are shown to be highly stable and readily redispersible even after freeze-drying. This technique yields significantly higher graphene concentrations as compared to prior studies. Excellent enhancement in thermal conductivity of the fluid by addition of pristine graphene is also demonstrated. These well-dispersed pristine graphene sheets were then used as a strong and conductive nano-filler for polymer nanocomposites. PVP/graphene nanocomposites were produced via bulk polymerization of N-vinylpyrrolidone loaded with dispersed graphene, resulting in excellent load transfer and improved mechanical and electrical properties.

研究の動機と目的

• 化学的修飾を施さずに、有機溶媒中に酸化パルチクルを含まないグラフェンを高濃度で分散させる方法の開発を目的とする。
• ナノコンポジット製造における応用を制限する非水的媒体におけるグラフェンの凝集という課題を克服することを目的とする。
• 良好に分散されたグラフェンをナノフィラーとして用いて、高性能ポリマー系ナノコンポジットの作製を可能とすることを目的とする。
• これらの分散体から得られるナノコンポジットにおける熱伝導率および機械的・電気的特性の向上を実証することを目的とする。
• 凍結乾燥後の再分散性を実現し、工業的応用に向けたプロセス性およびスケーラビリティを確保することを目的とする。

提案手法

• グラフェンの凝集を防ぐために、ステリック安定化剤としてポリビニルピロリドン（PVP）を用いた。
• 超音波処理および機械攪拌を用いて、PVP含有の有機溶媒中で酸化パルチクルを含まないグラフェンの剥離および分散を実施した。
• 最適化されたPVP対グラフェン比および溶媒選択により、高濃度のグラフェンを達成した。
• 分散されたグラフェンとN-ビニルピロリジンのバルク重合を用いて、PVP/グラフェンナノコンポジットを合成した。
• UV-Vis分光法および動的光散乱を用いて、分散安定性を評価した。
• 得られたナノコンポジットの熱伝導率、引張強度、電気伝導率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化パルチクルを含まないグラフェンは、化学的修飾なしに有機溶媒中に高濃度で効果的に分散可能か？
• RQ2 PVP安定化が、凍結乾燥後のグラフェンのコロイド的安定性および再分散性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 酸化パルチクルを含まないグラフェンの添加が、有機フラッドマトリックスの熱伝導率にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 グラフェンフィラーは、ポリマー系ナノコンポジットにおける荷重移行をどの程度効果的に実現するか？
• RQ5 この分散法は、スケーラブルなナノコンポジット生産を目的とした、幅広い有機溶媒に一般化可能か？

主な発見

• PVP安定化グラフェン分散体は、さまざまな有機溶媒において、従来の手法よりも顕著に高いグラフェン濃度を達成した。
• 分散体は高いコロイド的安定性を示し、凍結乾燥後も再分散可能であったことから、強固な安定化が実現していることが示された。
• フラッドマトリックスに酸化パルチクルを含まないグラフェンを添加したことで、測定可能な良好な熱伝導率の向上が得られた。
• PVP安定化グラフェンを用いたN-ビニルピロリジンのバルク重合により、機械的および電気的特性が向上したナノコンポジットが得られた。
• PVP/グラフェンナノコンポジットは、効果的な荷重移行を示し、ポリマーマトリックスとグラフェンフィラーとの界面に強い相互作用があることが示された。
• 本手法により、共有結合的修飾を伴わずに、酸化パルチクルを含まないグラフェンを用いた高性能ナノコンポジットのスケーラブルな生産が可能になった。