[논문 리뷰] Gas Barrier Performance of Graphene/Polymer Nanocomposites

Yanbin Cui, S. I. Kundalwal외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 18.

Graphene research and applicationsMaterials Science참고 문헌 217인용 수 16

한 줄 요약

이 리뷰는 고분자 매트릭스 내에서 그래프ène의 높은 비율과 분산이 기포 확산 경로를 복잡하게 만들어 기체 누출을 크게 감소시키는 방식으로 그래프ène/고분자 나노복합재(PNCs)의 기체 차단 성능을 조사한다. 연구는 그래프ène 衍생체의 최적의 분산 및 본질적 성질이 뛰어난 차단 효율성을 이끌어내며, 이는 고성능 PNCs의 설계를 뒷받침하는 분석 모델을 지원한다. 이는 기체 분리 및 포장 응용 분야에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고분자 매트릭스 내에서 나노필러로서의 그래프ène 및 그 衍생체가 기체 차단 성능을 향상시키는 데 효과적인지 평가하기.
• PNC 제조를 위한 핵심 합성 방법인 용액 혼합, 용융 가공, 현장 중합 및 층층으로 쌓는 방법 등을 특정하고 분석하기.
• 필러의 분산, 정렬 및 본질적 성질이 나노복합재 내 기체 확산성에 미치는 영향을 이해하기.
• 그래프ène 기반 PNCs의 차단 성능을 예측하는 데 사용되는 분석 모델을 검토하기.
• 선택적 기체 분리에 적합한 혼합 매트릭스 막 응용 분야를 검토하기.

제안 방법

• 2015년 이전에 발표된 그래프ène/고분자 나노복합재(PNCs)에 관한 실험적 및 이론적 연구를 체계적으로 검토한 바탕.
• 균일한 그래프ène 분산을 달성하기 위한 용액 혼합, 용융 복합, 현장 중합 및 층층으로 쌓는 침착 기법을 분석한 바탕.
• 정렬된 또는 무작위로 배열된 그래프ène 층을 통과하는 기체 확산 경로를 모델링할 때 핵심 매개변수인 복잡성 인자(tortuosity factor)를 평가한 바탕.
• 기체 확산 감소를 예측하기 위해 맥스웰-워너 및 효과적 매질 근사 모델과 같은 분석 모델을 적용한 바탕.
• 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 등 다양한 고분자 매트릭스에서 그래프ène 함량 및 기능화 수준에 따라 기체 차단 성능을 비교한 바탕.
• 이론적 예측을 검증하기 위해 기체 확산 감소 비율에 대한 실험 데이터를 통합한 바탕.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분자 매트릭스 내에서 그래프ène의 분산 상태가 나노복합재의 기체 확산성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 그래프ène 및 그 衍생체의 본질적 성질(예: 표면적, 결함 밀도 등)이 차단 성능에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 그래프ène 기반 PNCs에서 기체 차단 성능 향상에 기여하는 복잡성 인자의 역할은 무엇인가?
• RQ4 용액 혼합과 현장 중합 등의 다양한 제조 방법이 최종 차단 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 분석 모델은 그래프ène/고분자 나노복합재의 기체 확산성을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 그래프ène 기반 PNCs는 높은 복잡성 확산 경로 형성으로 인해 기체 확산성이 크게 감소하며, 낮은 그래프ène 함량(1–3 wt%)에서도 최대 80%의 확산 감소가 보고된 바 있다.
• 그래프ène 시트가 고분자 매트릭스 내에서 잘 분산되고 균일하게 정렬된 상태일 때 최적의 차단 성능이 달성되며, 응집 및 계면 결함을 최소화한다.
• 기능화된 그래프ène 衍생체(GO, rGO 등)는 고분자 매트릭스와의 호환성이 향상되어 분산성이 높아지고, 순수 그래프ène보다 더 뛰어난 차단 효율성을 보인다.
• 맥스웰-워너 접근법과 같은 분석 모델은 특히 낮은에서 중간 수준의 필러 함량에서 기체 확산 감소를 합리적으로 예측할 수 있다.
• 그래프ène를 포함한 혼합 매트릭스 막은 조절 가능한 계면 상호작용 덕분에 CO2/N2 및 O2/N2 체계에서 선택적 기체 분리에 유망한 성능을 보인다.
• 차단 성능은 그래프ène 나노시트의 비율과 횡단면 크기에 크게 의존하며, 더 큰 횡단면 치수는 더 높은 복잡성과 낮은 기체 확산성에 기여한다.