[논문 리뷰] Polysiloxane surfactants for the dispersion of carbon nanotubes in non-polar organic solvents

Yali Ji, Youqing Huang외 2명|ArXiv.org|2009. 07. 18.

Porphyrin and Phthalocyanine Chemistry인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다중벽탄소나노튜브(MWNTs)와 단일벽탄소나노튜브(SWNTs)를 페트로레움 에터와 실록산 매트릭스와 같은 비극성 용매에서 효과적으로 분산시킬 수 있는 두 가지 폴리실록산 기반 계면활성제—모노피렌실록산(mPSi 70)과 페오프린실록산(PhrSi 60)—을 개발하였다. 계면활성제는 CNT 친화성 헤드로 피렌과 페오프린을 사용하고, 산란 안정화를 위해 긴 실록산 사슬(n ≈ 60–70)을 활용하여, MWNT 분산 농도가 10 mg/mL 이상, SWNT 용해도가 최대 0.5 mg/mL에 도달하였다.

ABSTRACT

We develop two new amphiphilic molecules that are shown to act as efficient surfactants for carbon nanotubes in non-polar organic solvents. The active conjugated groups, which are highly attracted to graphene nanotube surface, are based on pyrene and porphyrin. We show that relatively short (C18) carbon tails are insufficient to provide stabilization. As our ultimate aim is to disperse and stabilize nanotubes in siloxane matrix (polymer and crosslinked elastomer), both surfactant molecules were made with long siloxane tails to facilitate solubility and steric stabilization. We show that pyrene-siloxane surfactant is very effective in dispersing multi-wall nanotubes, while the porphyrin-siloxane is making single-wall nanotubes soluble, both in petroleum ether and in siloxane matrix.

연구 동기 및 목표

• 비극성 유기용매에서 탄소나노튜브(CNTs)의 안정된 분산을 가능하게 하는 양친화성 계면활성제 개발
• 에라스토머 및 고분자 복합재료에 응용하기 위한 실록산 기반 매트릭스에서 CNT 분산을 효과적으로 달성하는 데 도전
• 계면활성제 구조—특히 헤드 그룹의 CNT 친화성과 용매 친화성 꼬리의 길이—가 분산 효율에 미치는 영향 분석
• 간단한 일단계 유기 합성으로 계면활성제의 규모화 및 실용성 입증

제안 방법

• 1-피렌부티르산과 수산기 종말형 폴리디메틸실록산(PDMS, Mn ≈ 5600 g/mol, n ≈ 70) 간의 일단계 에스터화 반응을 통해 모노피렌실록산(mPSi 70) 합성
• 피렌기반 산과 n ≈ 60인 PDMS를 사용한 유사한 일단계 반응을 통해 페오프린실록산(PhrSi 60) 합성
• FTIR(1740 cm⁻¹에서 에스터 결합 형성 확인), ¹H NMR(치환 비율 평가, 단일치환의 경우 x ≈ 0.89), 열중량 분석(TGA)을 통한 계면활성제 특성 분석
• 초음파 처리 및 시각적/자외선-가시광선 분석을 통한 페트로레움 에터 및 실록산 매트릭스에서 CNT의 분산 테스트를 통한 용해도 및 안정도 평가
• 순수 실록산 오일(5 cSt 및 100 cSt)과 PDMS 반응물에서 장기적 분산 안정도 평가를 위한 점성도 및 침강 연구
• 반경의 기울기(Rg ≈ 1.3 nm) 이론적 추정: Rg = √n × a_SiO 공식을 사용하여 n ≈ 60–70 및 a_SiO ≈ 1.6 Å 조건 하에

실험 결과

연구 질문

• RQ1 긴 실록산 꼬리가 있는 피렌 및 페오프린 기반 계면활성제가 페트로레움 에터와 같은 비극성 용매에서 다중벽탄소나노튜브(MWNTs)와 단일벽탄소나노튜브(SWNTs)를 효과적으로 분산시킬 수 있는가?
• RQ2 짧은 알킬 사슬(C18)은 비극성 용매에서 CNT를 안정화시키지 못하는 이유는 무엇인가, 반면 긴 실록산 사슬은 성공하는가?
• RQ3 실록산 사슬이 CNT 표면과 직접 상호작용하는가, 아니면 용액 내에서 순수하게 기계적 안정화 작용만 하는가?
• RQ4 분산 안정성을 극대화하면서도 계면활성제의 이동성이나 표면 커버리지 감소를 방지하기 위한 실록산 꼬리의 최적 길이는 얼마인가?

주요 결과

• 피렌-실록산 계면활성제(mPSi 70)는 페트로레움 에터에서 다중벽탄소나노튜브(MWNTs)를 10 mg/mL 이상의 농도로 안정적으로 분산시켰다.
• 페오프린-실록산 계면활성제(PhrSi 60)는 페트로레움 에터에서 단일벽탄소나노튜브(SWNTs)를 최대 0.5 mgmL의 임시 용해도 한계까지 분산시켰다.
• 순수한 실록산 오일(5 cSt 및 100 cSt)과 PDMS 반응물은 CNT를 분산시키는 능력이 없었으며, 이는 실록산 사슬만으로는 CNT 표면과 유리한 상호작용을 하지 못한다는 것을 시사한다.
• NMR 분석 결과, 약 89%의 계면활성제 분자가 단일치환되었으며, 나머지는 이중치환 상태였으며, 이는 반응의 높은 선택성을 나타낸다.
• 실록산 사슬의 반경의 기울기(Rg)는 약 1.3 nm로 추정되었으며, 이는 반데르발스 상호작용 거리(~1 nm)를 초과하여 효과적인 기계적 안정화를 제공한다.
• 이 연구는 긴 실록산 사슬(n ≈ 60–70)이 기계적 안정화에 필수적이며, 단순 일단계 반응을 통한 계면활성제 합성이 규모화 가능하다는 것을 입증한다.