[논문 리뷰] Regulation of dispersion of carbon nanotubes in a mixture of good and bad solvents

O. Deriabina, Nikolaï Lebovka외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 21.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수분율 X를 조절함으로써 수성-1-시클로헥실-2-피롤리돈(1-CHP) 혼합물 내 다중벽 나노튜브(MWCNTs)의 분산을 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준다. X를 0에서 1.0으로 변화시키면서 MWCNT 군집의 프랙탈 차원은 X→1일 때 약 1.9로 증가하였고, 전기적 전도도는 다중 퍼콜레이션 임계점들을 보이며 복잡한 네트워크 형성을 시사하였으며, 표면장력은 분산 거동을 예측하는 데 부적합함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수-CHP 혼합물 내 용매 조성이 MWCNT의 분산과 응집에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 표면장력이 혼합 용매 내 분산 품질을 예측하는 데서 수행하는 역할을 규명하는 것.
• MWCNT 분산액 내 퍼콜레이션 네트워크 형성의 탐침으로서 전기 전도도를 분석하는 것.
• 용매 조성의 함수로 MWCNT 군집의 프랙탈 차원을 정량화하는 것.

제안 방법

• CHP-물 혼합물 내 수분율 X를 0에서 1.0으로 체계적으로 변화시킴.
• 이진 혼합물 내 MWCNT 농도를 0–1 wt.% 범위에서 분산.
• 분산 안정성과 미세구조 변화를 평가하기 위해 가열 및 냉각 사이클을 시행.
• 퍼콜레이션 임계점과 네트워크 형성을 감지하기 위해 전기 전도도 측정.
• 응집의 형태를 특성화하기 위해 프랙탈 차원(df)을 사용한 군집 표면 형태 분석.
• 예측 능력을 평가하기 위해 관측된 분산 거동과 표면장력 간 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CHP-물 혼합물 내 수분율 X가 MWCNT의 분산 품질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 용매 조성 X와 MWCNT 군집의 프랙탈 차원 df 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 왜 좋은 용매와 나쁜 용매가 혼합된 혼합용매에서는 표면장력이 분산 거동 예측에 실패하는가?
• RQ4 MWCNT 분산액에서 전기 전도도에 다중 퍼콜레이션 임계점이 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ5 이 시스템에서 관찰된 흐린 유형의 퍼콜레이션을 뒷받침하는 미세구조적 특징은 무엇인가?

주요 결과

• MWCNT 군집의 프랙탈 차원 df는 수분율 X가 증가함에 따라 증가하였으며, X가 1.0에 가까워질수록 약 1.9에 도달함.
• 전기 전도도는 다중 퍼콜레이션 임계점들을 나타내어, 서로 다른 MWCNT 농도에서 공존하는 여러 개의 도전성 네트워크 형성이 있음을 시사함.
• 분산 품질은 X가 0에서 1.0에 이르는 전체 범위에서 정밀하게 조절 가능하였으며, 중간 X 값에서 최적의 분산이 관찰됨.
• 좋은 용매와 나쁜 용매가 혼합된 혼합용매 내에서 분산 거동을 예측하기 위해 표면장력은 부적합한 기술적 특성으로 밝혀짐.
• MWCNT의 응집 거동은 용매 조성에 크게 의존하였으며, X가 증가함에 따라 군집 형태는 고밀도에서 매우 비틀린 형태로 변화함.
• 이 시스템은 퍼콜레이션 전이가 농도 범위가 넓은 편에서 발생하는 흐린 유형의 퍼콜레이션을 나타내었으며, 이는 비균일한 네트워크 형성에 기인함.