Development of Multi-Functional Polymer-Carbon Nanotube Hybrid Materials

Abstract

This study suggests an efficient method for the separation by gel chromatography and the application to polymer hybrid materials of carbon nanotubes (CNTs). CNTs have been reported for their high tensile strength, electrical conductivity, and thermal conductivity. Interestingly, vertically aligned CNTs show much higher mechanical and electrical properties than randomly networked CNTs, because CNTs are much more resistant to axial impacts than lateral impacts; this property was developed to produce mechanically reinforced polymer by adding vertically aligned carbon nanotubes (VA-CNT).Despite the versatility of polymers, their applications are limited due to their weak strength and poor electrical conductivity. Thus, some studies have improved their properties by adding conductive materials like CNTs. For this purpose, previous studies have produced VA-CNT–polymer hybrid materials by coating polymers on CNT forests synthesized in the vertical direction. However, this method cannot be extended to the large-scale production of hybrid polymers due to the limited area of substrates for the CVD synthesis of the CNT forests, and because the CVD synthesis requires a complex and expensive process. We arranged CNTs in the vertical direction in VA-CNT-polymer mixtures in a short process via electrophoresis. The efficiency of the electrophoresis process and the conductivity of the composite is increased by an application of the metallic CNTs. However, CNTs are synthesized as a mixture of metallic and semiconducting CNTs. Thus, it is necessary to separate CNTs according to their electrical properties.The electrical and mechanical properties of CNTs were introduced in Part I. In Part II, gel chromatography was developed for the high-purity separation of metallic single-walled CNTs (m-SWNTs). It was confirmed that high-purity m-SWNTs were collected when the flow rate of the eluant was controlled at the lowest. In Part III, multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) were applied to VA-CNT-polymer hybrid materials, which were mostly composited of m-SWNTs. The VA-CNT-polymer showed a 17% higher compressive force than the polymer itself and interestingly, a 49% higher compressive force than the polymer with randomly dispersed MWNTs, indicating that the orientation of MWNTs in polymer composites affects their curing behavior as well as mechanical strength. These polymer-MWNT composites can be used as-is or coated on other materials and can be expected to exhibit enhanced mechanical properties in various applications.;본 연구는 젤 크로마토그래피를 이용하여 탄소나노튜브(CNT)의 분리와 분리한 CNT를 CNT-고분자 복합소재에 적용하기 위한 효율적인 기술을 제안한다. CNT는 강철, 구리와 같은 기존 물질보다 높은 인장 강도, 전기 전도도 및 열 전도도로주목받는 물질이다. CNT는 비등방성을 가지는 물질로, 수직으로 정렬된 CNT는 무작위적으로 분산된 CNT와 비교하여 월등히 높은 기계적 및 전기적 특성을 가진다. 이러한 원리에서 CNT가 측면 방향의 충격보다 수직 방향 충격에 강한 특성을나타낸다. 이 특성에 착안하여, 수직 정렬된 CNT를(VA-CNT) 고분자에 첨가하여 기계적 물성을 강화한 고분자를 개발하였다.고분자는 그 범용성에도 불구하고, 약한 기계적 강도와 낮은 전기전도도가 응용에 제약이 된다. 따라서, 선행 연구에서는 CNT와 같은 전도성 물질을 고분자에 첨가하여 전기적·열적·기계적 특성을 향상시켰다. 이를 위해 CVD를 이용하여 수직으로 합성된 CNT에 고분자를 코팅하는 방법이 제안되었으나, CVD 공정이 복잡하고, 고분자 복합소재를 대면적으로 제조하기 어렵다는 문제가 있다.본 연구에서는 유전영동 (DEP) 을 이용한 단시간의 공정을 활용하여, VACNT-고분자를 제작했다. 특히, 유전영동 공정의 효율과 복합소재의 전기전도도는 금속성 CNT (m-CNT) 를 적용하여 대폭 향상시킬 수 있다. 그러나 CNT는 금속성 CNT (m-CNT) 와 반도체성 CNT (s-CNT) 의 혼합물로 합성된다. 따라서, 적절한 응용을 위해 CNT를 전기적 특성에 따라 금속성과 반도체성으로 분리하는 과정이 선행되어야 한다.CNT의 전기적·기계적 특성은 Part I에서 서술되었다. Part II에서는 금속성 단일벽 CNT (m-SWNT) 의 고순도 분리를 위한 젤 크로마토그래피 방법을 제시한다. 용출액의 유량을 가장 낮게 제어하였을 때 고순도의 m-SWNT가 수집되었다. Part III에서는 VA-CNT-고분자 복합소재에 금속성 CNT의 비율이 높은 다중벽 CNT (MWNT) 를 적용하였다. VA-CNT-고분자는 기존의 고분자보다 17% 높은 압축 강도를 보였으며, 특히 MWNT가 무작위로 분산된 고분자보다 49% 높은 압축 강도를 나타냈다. 이는 고분자 복합체에서 MWNT의 배향이 기계적 강도뿐만 아니라 광경화성 고분자의 경화 상태에도 영향을 미치는 것으로 분석된다. 이러한 MWNT-고분자 복합체는 다른 물질에 코팅될 수 있으며, 방탄소재, 항공기 또는 자동차 소재와 같은 고강도 경량소재의 성능을 증대시킬 것으로 기대된다.