[논문 리뷰] Polymer-stabilized graphene dispersions at high concentrations in organic solvents for nanocomposite production

Ahmed S. Wajid, Sriya Das외 8명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 07.

Graphene research and applications참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고체 상태의 불기능화된 그래핀을 다양한 유기 용매에서 고농도로 안정적으로 분산시키기 위해 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 사용하는 고분자 안정화 방법을 제시한다. 이 기법은 우수한 분산성과 하중 전달 성능을 바탕으로 열적, 기계적, 전기적 성질이 향상된 효과적인 나노복합재를 제조할 수 있게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 화학적 기능화 없이 유기 용매에서 고농도로 순수한 불기능화된 그래핀을 분산시키는 방법을 개발하기 위해.
• 비수계 매질에서 그래핀의 응집 문제로 인해 나노복합재 제조에 제한이 생기는 문제를 해결하기 위해.
• 우수한 분산성을 가진 그래핀을 나노필러로 사용하여 고성능 고분자 나노복합재를 제조할 수 있도록 하기 위해.
• 이러한 분산체에서 유도된 나노복합재의 열전도도 및 기계적/전기적 성질 향상을 입증하기 위해.
• 산업적 응용을 위한 가공성과 확장성을 확보하기 위해 동결건조 후 재분산 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 다양한 유기 용매에서 그래핀 응집을 방지하기 위해 입체적 안정제로 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 사용하였다.
• 초음파 처리와 기계 혼합을 통해 PVP 함유 유기 용매 내에서 순수한 그래핀을 분리 및 분산시켰다.
• 최적의 PVP 대 그래핀 비율과 용매 선택을 통해 고농도 그래핀 분산을 달성하였다.
• 분산된 그래फ린과 함께 N-비닐피롤리돈의 복합 중합을 통해 PVP/그래핀 나노복합재를 제조하였다.
• 자외선-가시광선 분광법과 동적 빛산산산측정을 사용하여 분산 안정성을 특성화하였다.
• 유도된 나노복합재의 열전도도, 기계적 강도 및 전기 전도도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화학적 기능화 없이 순수한 그래핀이 유기 용매에서 고농도로 효과적으로 분산될 수 있는가?
• RQ2 PVP 안정화가 동결건조 후 그래핀의 콜로이드 안정성과 재분산 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순수한 그래핀의 첨가가 유기 유체 매트릭스의 열전도도에 어느 정도 향상 효과를 미치는가?
• RQ4 그래핀 필러가 고분자 나노복합재에서 하중 전달에 얼마나 효과적으로 기여하며 기계적 및 전기적 성질 향상에 기여하는가?
• RQ5 이 분산 방법이 다양한 유기 용매에 일반화되어 확장 가능한 나노복합재 생산에 응용될 수 있는가?

주요 결과

• PVP 안정화 그래핀 분산체는 이전에 보고된 방법보다 다양한 유기 용매에서 유의미하게 높은 그래핀 농도를 달성하였다.
• 분산체는 높은 콜로이드 안정성을 보였으며, 동결건조 후에도 재분산 가능성을 유지하여 강력한 안정화 효과를 입증하였다.
• 유체 매트릭스에 순수한 그래핀을 첨가함으로써 측정 가능한 우수한 열전도도 향상 효과를 관찰하였다.
• PVP 안정화 그래핀을 포함한 N-비닐피롤리돈의 복합 중합을 통해 기계적 및 전기적 성질이 향상된 나노복합재를 제조하였다.
• PVP/그래핀 나노복합재는 효과적인 하중 전달을 보이며, 고분자 매트릭스와 그래핀 필러 간의 강한 인터페이스 상호작용을 나타내었다.
• 공유 결합 기능화 없이도 고성능 나노복합재의 확장 가능한 생산이 가능한 방법을 확보하였다.