We review the present state of polymer nanocomposites research in which the fillers are single-wall or multiwall carbon nanotubes. By way of background we provide a brief synopsis about carbon nanotube materials and their suspensions. We summarize and critique various nanotube/polymer composite fabrication methods including solution mixing, melt mixing, and in situ polymerization with a particular emphasis on evaluating the dispersion state of the nanotubes. We discuss mechanical, electrical, rheological, thermal, and flammability properties separately and how these physical properties depend on the size, aspect ratio, loading, dispersion state, and alignment of nanotubes within polymer nanocomposites. Finally, we summarize the current challenges to and opportunities for efficiently translating the extraordinary properties of carbon nanotubes to polymer matrices in hopes of facilitating progress in this emerging area.

Single-walled carbon nanotube (SWNT)/poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocomposites were prepared via our coagulation method providing uniform dispersion of the nanotubes in the polymer matrix. Optical microscopy, Raman imaging, and SEM were employed to determine the dispersion of nanotube at different length scales. The linear viscoelastic behavior and electrical conductivity of these nanocomposites were investigated. At low frequencies, G' becomes almost independent of the frequency as nanotube loading increases, suggesting an onset of solidlike behavior in these nanocomposites. By plotting G' vs nanotube loading and fitting with a power law function, the rheological threshold of these nanocomposites is ∼0.12 wt %. This rheological threshold is smaller than the percolation threshold of electrical conductivity, ∼0.39 wt %. This difference in the percolation threshold is understood in terms of the smaller nanotube−nanotube distance required for electrical conductivity as compared to that required to impede polymer mobility. Furthermore, decreased SWNT alignment, improved SWNT dispersion, and/or longer polymer chains increase the elastic response of the nanocomposite, as is consistent with our description of the nanotube network.

This Letter describes the production of single-wall carbon nanotube (SWNT) – polymer composites with enhanced mechanical and electrical properties and exceptional nanotube alignment. A combination of solvent casting and melt mixing was used to disperse SWNT materials in poly(methyl methacrylate) (PMMA). Composite films showed higher conductivity along the flow direction than perpendicular to it. Composite fibers were melt spun to achieve draw ratios between 20 and 3600. The elastic modulus and yield strength of SWNT–PMMA composite fibers increased with nanotube loading and draw ratio. Polarized resonant Raman spectroscopy indicates that the nanotubes in the fibers are well aligned, with mosaic distribution FWHMs as small as 4°.

Synthetic polymeric materials are rapidly replacing more traditional inorganic materials, such as metals, and natural polymeric materials, such as wood. As these synthetic materials are flammable, they require modifications to decrease their flammability through the addition of flame-retardant compounds. Environmental regulation has restricted the use of some halogenated flame-retardant additives, initiating a search for alternative flame-retardant additives. Nanoparticle fillers are highly attractive for this purpose, because they can simultaneously improve both the physical and flammability properties of the polymer nanocomposite. We show that carbon nanotubes can surpass nanoclays as effective flame-retardant additives if they form a jammed network structure in the polymer matrix, such that the material as a whole behaves rheologically like a gel. We find this kind of network formation for a variety of highly extended carbon-based nanoparticles: single- and multiwalled nanotubes, as well as carbon nanofibres.

Abstract Polymer nanocomposites (PNCs)–that is, nanopar ticles (spheres, rods, plates) dispersed in a polymer matrix–have garnered substantial academic and industrial in terest since their inception, circa 1990. This is due in large part to the incredible promise demonstrated by these early efforts: PNCs will not only expand the per form ance space of traditional filled polymers, but introduce completely new combinations of properties and thus enable new applications for plastics. Low volume additions (1–5%) of nanopar -ticles, such as layered silicates or carbon nanotubes, provide property enhancements with respect to the neat resin that are comparable to those achieved by conventional loadings (15–40%) of traditional fillers. The lower loadings facilitate proc essing and re duce component weight. Most important, though, is the unique value - added properties not normally possible with traditional fillers, such as reduced permeability, optical clarity, self - passivation, and increased re sis tance to oxidation and ablation. These characteristics have been transformed into numerous commercial suc cesses, including automotive parts, coatings, and flame retardants. This issue of the MRS Bulletin provides a snapshot of these exemplary successes, future opportunities, and the critical scientific challenges still to be addressed for these nanoscale multiphase systems. In addition, these ar ticles provide a perspective on the current status and future directions of polymer nanocomposite science and technology and their potential to move beyond additive concepts to designed ma te rials and devices with prescribed nanoscale composition and morphology.

Percolation conductivity of a stick network depends on alignment as well as concentration. We show that both dependences exhibit critical (power-law) behavior, and study the alignment threshold in detail. The highest conductivity occurs for slightly aligned, rather than isotropic, sticks. Experiments on single wall carbon nanotube composites are supported by Monte Carlo simulations. These results should be broadly applicable to percolating networks of anisotropic conductors.

The field of polymer nanocomposites has been at the forefront of research in the polymer community for the past few decades. Foundational work published in Macromolecules during this time has emphasized the physics and chemistry of the inclusion of nanofillers; remarkable early developments suggested that these materials would create a revolution in the plastics industry. After 25 years of innovative and groundbreaking research, PNCs have enabled many niche solutions. To complement the extensive literature currently available, we focus this Perspective on four case studies of PNCs applications: (i) filled rubbers, (ii) continuous fiber reinforced thermoset composites, (iii) membranes for gas separations, and (iv) dielectrics for capacitors and insulation. After presenting synthetic developments we discuss the application of polymer nanocomposites to each of these topic areas; successes will be noted, and we will finish each section by highlighting the various technological bottlenecks that need to be overcome to take these materials to full-scale practical application. By considering past successes and failures, we will emphasize the critical fundamental science needed to further expand the practical relevance of these materials.

Abstract A coagulation method providing a better dispersion of single‐walled carbon nanotubes (SWNTs) in a polymer matrix was used to produce SWNT/poly(methyl methacrylate) (PMMA) composites. Optical microscopy and scanning electron microscopy showed an improved dispersion of SWNTs in the PMMA matrix, a key factor in composite performance. Aligned and unaligned composites were made with purified SWNTs with different SWNT loadings (0.1–7 wt %). Comprehensive testing showed improved elastic modulus, electrical conductivity, and thermal stability with the addition of SWNTs. The electrical conductivity of a 2 wt % SWNT composite decreased significantly (>10 5 ) when the SWNTs were aligned, and this result was examined in terms of percolation. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 41: 3333–3338, 2003

We have produced haloperidol-loaded PLGA/PLA nanoparticles by using two emulsification-solvent evaporation methods: homogenization and sonication. We have established how five independent processing parameters and two materials characteristics control the particle size and drug content. The interdependencies between processing and materials parameters and the subsequent nanoparticle characteristics are discussed in terms of underlying scientific principles that are broadly applicable to the production of drug-loaded polymer nanoparticles. This level of understanding should quicken the pace of designing protocols for making new drug-PLGA nanoparticles. It was determined that the particle size of haloperidol-loaded PLGA/PLA nanoparticles is effectively controlled by the amount of shear stress transferred from the energy source to the organic phase, which is strongly correlated to the following parameters: type of applied energy, aqueous phase volume, and polymer concentration in the organic solvent. The drug content of these nanoparticles is controlled by reducing the diffusion of the drug from the organic to the aqueous phase during the solvent evaporation stage of the preparation and by increasing the drug–polymer interactions. The following significantly inhibit drug diffusion: large particle size, higher polymer concentration and polymer molecular weight, and reducing the drug solubility in the aqueous phase by adjusting the pH. Specific drug–polymer interactions are engineered by optimizing the lactide to glycolide ratio (L:G ratio) and including specific polymer end groups. When optimized, the drug-loaded PLGA/PLA nanoparticles contain as much as 2.5% haloperidol.

The thermal and electrical conductivities in nanocomposites of single walled carbon nanotubes (SWNT) and polyethylene (PE) are investigated in terms of SWNT loading, the degree of PE crystallinity, and the PE alignment. Isotropic SWNT/PE nanocomposites show a significant increase in thermal conductivity with increasing SWNT loading, having 1.8 and 3.5 W/mK at a SWNT volume fraction of φ ∼ 0.2 in low-density PE (LDPE) and high-density PE (HDPE), respectively. This increase in SWNT/HDPE is more than additive and suggests a reduction of the interfacial thermal resistance. Fitting the thermal conductivity data of the SWNT/HDPE nanocomposites with two models indicates that the thermal conductivity relies on a percolating SWNT network. Oriented SWNT/HDPE nanocomposites exhibit higher thermal conductivities, which are attributed primarily to the aligned PE matrix.