Simple Functionalization of Graphene Oxide and Its Application to PET/ Graphene Composites

Abstract

Graphene oxide (GO) prepared in bulk quantities by oxidation of graphite with strong oxidants has many hydrophilic groups, such as hydroxyl, epoxy, and carboxyl acid. We first present a method to efficiently convert these hydrophilic groups into alkyl ether and alkylated groups by a one step reaction of bimolecular nucleophilic substitution with alkyl bromide. The functionalized graphene oxide (fGO) can be homogeneously dispersed as exfoliated monolayers in various organic solvents as a result of this substitution reaction. Then, the effectiveness of fGO/PET composites is examined in terms of the dispersion of fGO in PET matrix. The alkyl groups in fGO promote solubility in PET matrix by enhancing the compatibility between fGO and PET matrix. Consequently, fGO improved mechanical and gas barrier properties of the composites.

본 연구에서는 그래핀 옥사이드를 유기용매 혹은 고분자 매트릭스에 균일하게 분산시켜 기계적강도를 향상시키고 산소 투과율을 감소시키는 복합재료를 만들기 위해서 기존에 나와있는 방법과 다른 방법으로 alkyl group을 그래핀 옥사이드에 치환시킨 기능화된 그래핀 옥사이드를 만들었다. 기능화된 그래핀 옥사이드를 이용하여 PET/fGO1 복합재료를 제조하였고 기계적 강도가 증가되고 산소투과율이 감소될 것으로 기대된다. 그래핀 옥사이드에 달려있는 많은 작용기들 (hydroxyl, epoxy, carboxylic acid)를 KOH로 우선 환원시킨 후 bromoalkyl과 반응시켜 치환반응을 통해 hydroxyl, epoxy group이 ether group으로 변하고, carboxylic acid group이 ester group으로 변하는 것을 FT-IR로 확인하였고, 치환 후 기능화된 그래핀이 크기와 두께의 변화가 있는지에 대해 확인하기 위해 TEM과 AFM으로 확인하였으며, 양적으로 얼마만큼 치환되었는지 XPS를 통해서 확인하였다. 또한, alkyl group의 길이에 따라서 유기용매에 분산되는 정도를 UV visible spectrum으로 확인하여 dodecyl group으로 치환한 fGO1이 가장 분산이 잘된다고 판단하여 PET와 composite을 만들어 보았다. fGO1이 PET에서 잘 분산되는 것을 확인하기 위해 TEM으로 확인한 결과 그래핀 옥사이드에 비해서 분산이 균일하게 잘 되어있는 것을 확인하였고, 기계적 특성에 대해 측정해 본 결과 PET/fGO1 복합재료의 기계적 강도의 경우 0.5 wt%에서 최대값을 가지고 3 wt%까지 순수한 PET의 기계적 강도보다 높게 나타났지만, PET/GO 경우에는 많은 양이 들어갈수록 인장특성이 감소되는 것을 확인하였다. 또한, PET/fGO1의 경우 순수한 PET에 비해서 변형율이 높은 이유에 대해 알아보기 위해 DSC로 각 필름을 무정형상태로 제조한 후에 변형 전과 변형 후를 결정화도 차이를 확인하여 fGO1이 induced strain crystallization을 억제하는 것을 결과를 얻어내었다. 산소투과율 역시 PET/fGO1이 순수한 PET와 PET/GO에 비하여 감소되는 것으로 확인하였으며, fGO1의 양이 많이 들어갈수록 더 많은 감소량을 보이는 것을 확인하였지만, 그래핀 옥사이드의 경우에는 순수한 PET와 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다. 인장 특성과 산소투과율을 확인한 결과 PET에 fGO1이 잘 분산되어 혼합성을 향상시키고 이로 인해 PET/fGO1 복합재료의 기계적 특성이 향상되고 산소투과율이 감소되었다.