[論文レビュー] Regulation of dispersion of carbon nanotubes in a mixture of good and bad solvents

O. Deriabina, Nikolaï Lebovka+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2013

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、水-1シクロヘキシル-2ピロリドン（CHP）混合系における多層カーボンナノチューブ（MWCNT）の分散状態が、水分率Xを調整することによって微細に制御可能であることを示している。Xを0から1.0に変化させたところ、MWCNT凝集体のフラクタル次元はX→1に伴い約1.9に増加し、電気伝導度には複数のパーベクレーション閾値が観察された。これは複雑なネットワーク形成を示しており、界面張力は分散挙動の予測に不適切であることが判明した。

ABSTRACT

The microstructure and electrical conductivity of suspensions of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in binary liquid mixtures water-1-Cyclohexyl-2-pyrrolidone (CHP) were studied in the heating and cooling cycles. The concentration of MWCNTs was varied in the interval between 0-1 wt.% and the content of water in a binary mixture X = [water]/([CHP]+[water]) was varied within 0-1.0. The experimental data have shown that dispersing quality of MWCNTs in a mixture of good (CHP) and bad (water) solvents may be finely regulated by adjustment of composition of the CHP+ water mixtures. The aggregation ability of MWCNTs in dependence on X was discussed. The surface of MWCNT clusters was highly tortuous, its fractal dimension df increased with increase of X, approaching -> 1.9 at X->1. It was concluded that the surface tension is not suitable characteristic for prediction of dispersion ability in the mixture of good and bad solvents. The electrical conductivity data evidenced the presence of a fuzzy-type percolation with multiple thresholds in the systems under investigation. This behavior was explained by formation of different percolation networks in dependence of MWCNT concentration.

研究の動機と目的

• 水-CHP混合系における溶媒組成がMWCNTの分散および凝集体形成に与える影響を調査すること。
• 界面張力が混合溶媒における分散状態の予測に果たす役割を特定すること。
• MWCNTスラリーにおけるパーベクレーションネットワーク形成をプローブとして電気伝導度を分析すること。
• 溶媒組成の関数としてMWCNT凝集体のフラクタル次元を定量化すること。

提案手法

• CHP-水混合系における水含有量Xを0から1.0に系統的に変化させた。
• 二成分混合系に0–1 wt.%のMWCNTを分散させた。
• 加熱・冷却サイクルを用いて、分散安定性および微細構造の変化を評価した。
• パーベクレーション閾値およびネットワーク形成を検出するため、電気伝導度を測定した。
• 凝集体の表面形態を特徴付けるためにフラクタル次元（df）を用いて分析した。
• 観察された分散挙動と比較して、界面張力の予測能力を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CHP-水混合系における水分率XがMWCNTの分散状態にどのように影響するか？
• RQ2 溶媒組成XとMWCNT凝集体のフラクタル次元dfとの関係は何か？
• RQ3 良好溶媒と不良溶媒を含む混合溶媒において、なぜ界面張力が分散挙動の予測に不適切となるのか？
• RQ4 MWCNTスラリーにおいて複数のパーベクレーション閾値が電気伝導度に現れる理由は何か？
• RQ5 この系で観察された「かすみ型」パーベクレーションの背後にある微細構造的特徴は何か？

主な発見

• MWCNT凝集体のフラクタル次元dfは水分率Xの増加に伴い上昇し、Xが1.0に近づくにつれて約1.9に達した。
• 電気伝導度には複数のパーベクレーション閾値が観察され、異なるMWCNT濃度で複数の共存する導電ネットワークが形成されていることが示された。
• Xを0から1.0の全範囲にわたり、分散状態が微細に制御可能であり、中間のX値で最良の分散状態が得られた。
• 良好溶媒と不良溶媒を含む混合系において、界面張力は分散状態の予測に不適切であることが判明した。
• MWCNTの凝集体挙動は溶媒組成に強く依存しており、Xの増加に伴い凝集体の形態はコンパクトなものから非常にねじれの強い構造に変化した。
• この系は「かすみ型」パーベクレーションを示し、不均一なネットワーク形成のため、導電度の遷移が広い濃度範囲にわたり発生した。