검색 상세

THE EFFECTS OF THE INTERMOLECULAR INTERACTIONS AND THE STRUCTURE ON THE PERCOLATING NETWORKS AND THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF CARBON NANOTUBE/POLYMER COMPOSITES

초록/요약

Since CNTs easily form a percolating network at small concentration than other materials due to their high-aspect ratio, CNT/Polymer composites possess a high transparency and a good electrical conductivity. But CNTs are not used extensively in industry yet because of strong agglomeration caused by strong van der Waals force. Both sonication and surface modification are often employed to decrease the inter-molecular interaction between CNTs and enhance the dispersion. However, sonication increases the polydispersity in CNT aspect ratios because of CNTs being cut down into small pieces. On the other hand, surface modification renders CNT more flexible because many defective sites are generated in CNTs. Either sonication or surface modification, therefore, reduces the effective aspect ratio of CNTs, which results in a significant decrease in the electrical conductivity. We investigate the effects of these treatments on the percolation threshold and the electrical conductivity using Monte Carlo simulations. In our simulations, sonicated CNTs are modeled as a bidisperse mixture of rigid rods of different aspect ratios and surface modificated CNTs are modeled as flexible chains of which stiffness is tuned by bending potential parameter, b. Sonicated CNTs show a lower percolation threshold concentration and higher electrical conductivity than surface modificated CNTs, which is consistent with previous experiments. When CNTs become flexible enough, some parts of CNTs may be buried by themselves, which makes it hard for the parts to participate in percolating network formation. However, when the magnitude of molecular interaction between CNTs is larger than their thermal energy, kBT, the percolation threshold of sonicated CNTs increases significantly because their effective aspect ratio decreases drastically owing to the agglomeration of CNTs. Organic-inorganic polymer nanocomposite membrane has been receive tremendous attention for application in area such as gas separation, biomolecule purification, and petroleum chemicals due to the their designable selectivity and permeability of small molecules or organic molecules. The selectivity and permeability is related with diffusion of tracer particle or polymer, so understanding polymer dynamics in nanoparticle/polymer complex is essential. Typically, tracer diffusion shows a monotonic behavior as with nanoparticle concentration. However, Minfang Mu et al. reported that when carbon nanotubes are added as a nanoparticle in polymer nanocomposite, the diffusion of tracer polymer shows a nonmonotonic behavior and minimum diffusion coefficient. Interestingly, the diffusion minimum also observed when cylinder like nanoparticle, CNT is replaced spherical nanoparticle, fullerene C60. It means that the structure of nanoparticle is not a main reason for diffusion minimum. In this paper, we performed molecular dynamics for CNT/Polymer nanocomposites as a function of CNT concentration and polymer concentration to observe polymer dynamics in the presence of nanoparticles. Their structure and dynamics will be investigated by calculating diffusion coefficient and end-to end vector time correlation function.

more

초록/요약

탄소나노튜브는 종횡비가 매우 크기 때문에 다른 물질에 비해 상대적으로 적은 양만으로도 퍼콜레이션 네트워크를 쉽게 형성한다. 때문에 탄소나노튜브/고분자 복합체는 높은 투명성과 좋은 전기전도도를 띄게 된다. 하지만 탄소나노튜브는 강한 반데르발스 힘 때문에 강하게 엉겨 붙는 성질이 있어 산업적으로 널리 이용되고 있지 못한 실정이다. 음파처리와 표면 산처리 두 가지가 이러한 분자간의 힘을 감소시키고 분산을 향상시키기 위해 많이 사용되고 있다. 하지만, 음파처리는 탄소나노튜브를 작게 자르기 때문에 이 과정에서 탄소나노튜브의 길이를 불균일하게 만든다. 또한 표면 산 처리는 탄소나노튜브에 많은 결함(defect)을 만들기 때문에 탄소나노튜브를 유연하게 만드는 효과가 있다. 때문에, 음파처리 또는 산처리 모두 탄소나노튜브의 종횡비를 감소시키며 이는 전기전도도를 크게 감소시키는 요인으로 작용한다. 본 논문에서는 음파처리와 산처리가 퍼콜레이션 네트워크 형성과 전기전도도에 미치는 영향을 몬테카를로 전사모사를 통해 연구하였다. 음파처리 된 탄소나노튜브는 종횡비 가 다른 2개의 탄소나노튜브를 섞어서 모델링하였으며 산 처리 된 탄소나노튜브는 굽힘 포텐셜을 이용하여 탄소나노튜브의 유연성을 모델링하였다. 음파처리 된 탄소나노튜브는 산처리 된 탄소나노튜브보다 낮은 농도에서 퍼콜레이션 네트워크를 형성하였으며 더 높은 전기전도도를 보여주었고, 이는 이전의 실험 결과와 일치한다. 이는, 탄소나노튜브가 충분히 유연해지면, 탄소나노튜브의 일부분이 스스로를 감싸는 효과로 인해 다른 분자와 접촉을 하기가 어렵고 따라서 퍼콜레이션 네트워크 형성이 어려워지기 때문이다. 하지만 분자간의 상호 작용이 열에너지, kBT 보다 커지면 음파처리 된 탄소나노튜브의 전기전도성이 급격히 떨어지는데 이는 탄소나노튜브끼리 엉겨 붙게 되면서 종횡비가 크게 감소하기 때문이다. 유기-무기물 고분자 나노복합체 막은 작은 분자 또는 유기 분자들에 대해 높은 선택성과 투과성을 갖고 있기 때문에 가스 분별, 생화학 분자 정제, 석유 정제 등의 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 선택성과 투과성은 투과체 혹은 고분자의 확산과 관련이 있기 때문에 나노입자/고분자 복합체에서 고분자의 동역학을 이해하는 것이 필수적이다. 일반적으로, 투과체의 확산은 나노입자의 농도에 따라 단순 증가 또는 감소한다. 하지만, Minfang mu 등의 연구결과에 따르면 탄소나노튜브를 고분자 나노복합체에 넣었을 때, 투과체의 확산이 단조적이지 않은 거동을 보여주었고 또한 최소 확산 계수가 나타나는 현상이 있었다. 흥미롭게도, 최소 확산 계수는 실린더 모양의 탄소나노튜브가 아닌 플러렌(C60)을 넣었을 때도 관측 되었다. 이는, 나노입자의 구조가 최소 확산 계수를 나타내는 원인이 아님을 의미한다. 본 논문에서는 분자동역학 계산을 통해 탄소나노튜브/고분자 나노복합체 중 고분자의 동역학을 탄소나노튜브의 농도에 따라 계산해 볼 것이다. 또한 분자들의 구조와 동역학은 확산 계수와 끝-끝 벡터의 시간 상관 함수를 계산하여 알아 볼 것이다.

more
반출 Meta View 목록