Manufacture and Characterization of Multifunctional Polymer-Based Nanocomposites through Dispersion and Coating of 2D Graphene Nano-Platelets

Abstract

이 논문은 분산 및 코팅 방법론등을 통하여 폴리머를 2D 그래핀 나노판과 통합한 다기능 복합재의 생산 및 특성화 가능성에 대한 연구를 정리한 것이다. 뛰어난 전기전도성, 열전도성, 물리, 화학적 내성 등의 특성들로 인해 차세대 소재로써 많은 관심을 받아온 2D 그래핀 나노판은 자체적인 분자구조 특성으로 인하여 일반적인 대기 조건에서 안정하게 존재하기 어렵고 대량생산 및 혼합 과정에서 재응집이 일어나 실질적인 응용에 한계점을 보여주기 때문에 연구목적으로의 소재로만 이용 되어 왔다. 이러한 한계점을 극복하기 위한 방법으로는 크게 안정된 2D 그래핀 나노판의 상태를 유지하기 위한 분산시스템의 정립 및 이를 바탕으로 한 고분자 기반 복합화가 간단하면서도 안정적이며, 대량생산의 가능성까지 있기때문에 대표적인 해결방안이라 생각할 수 있다. 이를 위하여 2장에서는, 2D 그래핀 나노판의 분산 특성에 대한 심층적인 탐구를 진행하고, 분산 안정성에 관한 기본 이론을 바탕으로 2D 그래핀 나노판의 안정적인 분산을 유지하기 위한 용매 선택, 친화성이 낮아 잘 분산이 되지는 않지만 환경이나 건강과 관련한 문제가 없고 손쉽게 구할 수 있는 수성기반의 분산시스템에 대한 연구를 수행하였다. 검은색 계통의 물질이기에 분광학을 기반으로 하는 기존의 평가방식이 적용되기 힘든 고농축 2D 그래핀 나노판 분산에 대해서는 유변학을 기반으로 한 분산 안정성 평가방식을 새로운 방법으로 제안하였다. 아울러 수성 매질에 대한 고농축 시스템에서의 계면활성제의 영향에 대한 실험 및 고찰을 진행하여 안정적인 2D 그래핀 나노판의 분산과 관련된 기초연구를 수행하였다. 앞서 언급한 기본 이론적 배경과 결과들을 바탕으로, 3장부터는 실질적인 응용가능성을 확인하는 연구들을 수행하였다. 3장에서는 2D 그래핀 나노판을 폴리실록산 기반의 유무기 고분자와 복합화 시킨 후 금속소재 표면에 코팅하여 전기전도성을 조절 가능한 내부식성 배리어 필름에 대한 연구를 소개하였다. 유무기 폴리머 매트릭스와 2D 그래핀 나노판으로 구성된 PSX-G 코팅막은 해수 부식을 시뮬레이션한 환경에서 배리어 필름의 수치 분석을 통해 순수 금속에 비해 향상된 부식 방지 성능을 보여주었으며, 뿐만 아니라 전기 전도성 또한 부여할 수 있어 이를 통해 다기능성 소재로써의 이용 가능성을 확인하였다. 4장에서는 유기고분자인 PVDF와 2D 그래핀 나노판으로 구성된 중압부터 고압의 범위에서 기능하는 정전용량 기반 압력 센서용 유전층으로 제작된 경량 복합 필름에 대한 연구를 수행하였다. 이 복합체 내에서 PVDF는 유전체 층의 주요 폴리머 매트릭스 역할을 담당하는 한편, 2D 그래핀 나노판의 도입은 센서 감도와 반응을 증폭시키는 역할을 하는 것으로, 폴리머로만 이루어진 필름에 비하여 향상된 성능을 확인하였다. 복합 페이스트는 어쿠스틱 기반의 혼합 공정을 이용해 쉽게 합성되었으며, 다른 처리없이 열판 건조만으로 알루미늄 호일에서 쉽게 분리될 수 있는 독립형 복합 필름을 생성할 수 있었다. 이 독립형 복합 필름 층은 수백 밀리초 이내의 빠르고 일관된 응답 시간과 주기 안정성을 보장하고 용량성 압력 센서의 향상된 감도를 보여주었다. 또한, 이 연구에서는 연속적이고 선택적인 압력 감지에 대한 필름의 적성을 면밀히 조사하여 복합체 내 필러 농도의 변화가 용량성 압력 감지 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는지 고찰하였다. 5장에서는 2D 그래핀 나노판으로 코팅된 멜라민 폼으로 구성된 유연한 폼 소재에 대한 연구를 수행하였다. 이 소재는 압력을 통해 히팅 특성을 조절할 수 있는 새로운 유형의 히터소재로의 응용가능성이 확인되었고, 실험실 규모 및 산업 표준 난연성 테스트와 복합체의 난연 메커니즘을 포괄적으로 고찰하여 열 관련 장치와 밀접한 화재사고로부터 안전을 확보할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 이 같은 이점들을 이용하여 얻어진 복합체 폼을 온도감지 색상 변경 테이프와 같은 시각화가 가능한 소재등과 결합하여 실시간 모니터링 기능이 있는 실질적인 히터 장치에 대한 실현가능성 또한 확인하였다. 이에 더하여, 이 복합체 폼 소재는 코팅공정의 횟수에 따라 조절이 가능한 저항의 특성을 기반으로 하여 수성 기반의 에너지 하베스팅 소재로써도 응용될 수 있음을 확인하였다. 모든 연구결과에 대한 종합적인 내용에 대한 요약 및 고찰은 마지막 장에 정리되었다.|The primary focus of this thesis revolves around the exploration of opportunities for the production and characterization of multifunctional composites, integrating polymers with 2D graphene nanoplatelets through dispersion and coating methodologies. Recognized for their exceptional qualities, 2D graphene nanoplatelets stand out as an advanced material for the upcoming generation of devices. However, their practical deployment faces a difficulty in the form of susceptibility to an unstable state under typical atmospheric conditions. To overcome this obstacle, a proposed solution involves a polymer composite system, offering precise control over the mixed phase and preserving the exceptional properties of 2D graphene nanoplatelets. Furthermore, fully processed polymer composites have the potential to showcase multifunctionality while ensuring stability in real-world environmental conditions. Consequently, the objective of this thesis is to advance the development of polymer-based composites with 2D graphene nanoplatelets with the stable state. Thesis for Doctor of Philosophy Department of Materials Science and Chemical Engineering Graduate School of Hanyang University Manufacture and Characterization of Multifunctional Polymer- Based Nanocomposites through Dispersion and Coating of 2D Graphene Nano-Platelets The study initiated with an in-depth exploration of the dispersion characteristics of 2D graphene nanoplatelets in Chapter 2, driven by the objective of attaining a stable dispersion conducive to the mass production of both the nanoplatelets and their polymer-based composites for practical industrial applications. Anchored in fundamental theories of dispersion stability, this investigation stated the sensible selection of solvents to sustain the stable dispersion of 2D graphene nanoplatelets and elucidated the impact of surfactants on particle dispersion in aqueous mediums. The subsequent rheological study, focusing on highly concentrated 2D graphene nanoplatelets dispersion, emerged as a promising method for assessing dispersion stability, especially in materials presenting challenges for conventional dispersion stability characterization which is based on the spectroscopy. The incorporation of surfactants into aqueous media induced observable changes in viscosity, indicative of the potential to achieve stable dispersion. Building upon these foundational principles and discoveries, the ensuing chapters will introduce the exploration of enhanced performance and additional multifunctional applications. In Chapter 3, an exploration was conducted into the potential of nanocomposites based on polysiloxane, incorporating 2D graphene nanoplatelets as materials for barrier films, demonstrating anti-corrosion and electrical conducting properties. The PSX-G barrier film, consisting of an inorganic polymer matrix and 2D graphene nanoplatelets as fillers, served a dual purpose within the anti-corrosion system. Through a numerical analysis of the barrier film in an environment simulating seawater corrosion, enhanced anti-corrosion performance was observed compared to bare metal, complemented by its electrical conductivity. The proposed composite film is envisioned for application in various devices, including anti-icing, electromagnetic shielding (EMI), and energy storage systems. Chapter 4 undertook an investigation into a lightweight composite film, consisting of PVDF and 2D graphene nanoplatelets, crafted as the dielectric layer for a capacitive pressure sensor engineered to withstand medium to high pressure ranges. Within this composite, PVDF assumed the role of the primary polymer matrix for the dielectric layer, while the introduction of 2D graphene nanoplatelets aimed to amplify sensor sensitivity and response. The composite paste was easily synthesized through a direct process of acoustic mixing, yielding a stand-alone composite film that could be effortlessly separated from an aluminum foil after undergoing hot plate drying. This free-standing composite film layer showcased improved performance for the capacitive pressure sensor, characterized by a rapid and consistent response time, typically within a few hundred milliseconds and cycle stability. Furthermore, the study scrutinized the film's aptitude for continuous and selective pressure sensing, investigating how variations in filler concentration within the composite influenced the capacitive pressure sensing mechanism. In Chapter 5, an exploration was conducted on a flexible foam material, comprising melamine foam enveloped with 2D graphene nanoplatelets. This material showcases versatility, enabling pressure-regulated heating, flame retardancy, and energy harvesting. The adaptable composite foam holds significant promise for applications in heating devices with temperature monitoring, utilizing color-changing tape to signify temperature variations. To assess the device's safety concerning potential fire hazards, a comprehensive examination was undertaken, involving laboratory-scale and industrial-standard flame resistance tests, coupled with an investigation into the fundamental mechanisms of flame retardancy. Additionally, the potential application of energy harvesting using this composite foam was examined. A comprehensive summary of all these findings will be presented in the final chapter of the thesis.