1 Úvod
Grafén, alotrop elementárního uhlíku, se stal výjimečným materiálem současného století. Skládá se z rovinné jednoduché vrstvy atomů uhlíku, které jsou uspořádány do voštinové mřížky ve 2-D a mají délku jednoduché vazby C-C 0,142 nm. Tento materiál získal celosvětový význam díky svým tepelným, optickým, mechanickým a transportním vlastnostem. Tento list atomů uhlíku o tloušťce jednoho atomu uspořádaný do voštinové mřížky je nejpevnějším, nejtenčím a nejtužším materiálem na světě, navíc má vynikající tepelnou a elektrickou vodivost. V současné době se spekuluje, že o tyto 2-D materiály roste z aplikačního hlediska větší zájem než o ostatní nanostrukturované alotropy uhlíku, tj. 1-D nanotrubičky a 0-D fullereny. Úžasné vlastnosti grafenu jsou odvozeny od orbitalu 2p, který přispívá ke vzniku pásů π, které se delokalizují na uhlíkovém listu tvořícím grafen. Proto je grafen velmi tvrdý materiál, který vykazuje vysokou tepelnou vodivost, má nulovou efektivní hmotnost, vykazuje vysokou pohyblivost nosičů náboje a nepropustnost pro plyny. Díky těmto vlastnostem je grafen slibným plnivem pro vývoj kompozitů na bázi polymerů . Grafen vzbudil pozoruhodný a značný zájem díky svému lepšímu poměru povrchu k objemu, díky němuž dosahuje vynikajících tepelných, mechanických a elektrických vlastností . Grafenové listy se připravují z oxidu grafitu na základě chemického procesu, o němž je zajištěno, že je levnější než výroba uhlíkových nanotrubiček . Díky této charakteristické vlastnosti je grafen mnohem zajímavější pro různé aplikace v několika technologických oblastech, jako je mikroelektronika, elektricky a tepelně vodivý materiál, vyztužené polymerní kompozity atd. Oxid grafitový se skládá z různých kovalentně vázaných funkčních skupin, jako jsou karboxylové, hydroxylové, epoxidové a karbonylové skupiny. Přítomnost těchto funkčních skupin činí oxid grafitový hydrofilním, a proto ve vodě bobtná. Tyto skupiny však také umožňují kovalentní funkcionalizaci . Oxidy grafitu jsou v přírodě elektricky nevodivé, ale vodivost lze vyvinout zahříváním při poměrně nízkých teplotách . Proto lze oxid grafenový (GO) úsporným způsobem vyrábět z grafitového prášku pomocí kyselin . Pro přípravu dispergovatelného grafenu byly vyvinuty různé chemické metody, např. interkalační expanze grafitu, tepelná redukce GO, chemické napařování (CVD) a epitaxní růst . Sonikací grafitu v různých organických rozpouštědlech byly izolovány panenské grafeny . Tour a spolupracovníci oznámili výrobu neoxidovaných a nefunkcionalizovaných grafenových nanolistů po jednoduchém procesu sonikace v ortodichlorbenzenu . Podobným způsobem se Bourlinos a spol. zabývali distribucí grafitu v různých organických rozpouštědlech, jako je chloroacetát, pyridin, perfluorované aromatické molekuly atd. s dobrým výtěžkem za použití kontrolní centrifugace a sonikace v lázni. Distribuce grafenu v organických rozpouštědlech napomáhá jeho funkcionalizaci prostřednictvím různých funkčních skupin. Následným chemickým rozpojením uhlíkových nanotrubiček byly rovněž vyrobeny panenské grafenové nanorubičky . Funkcionalizace grafenu má nejen zásadní vliv na fyzikální a chemické vlastnosti, ale také představuje důležitý krok ve vývoji nových 2-D materiálů. Funkcionalizace prvotního grafenu napomáhá lepší disperzi, což je klíčový požadavek pro přípravu kompozitů využívajících grafen jako plnivo. Kromě toho přítomnost chromoforů poskytuje také některé výhody, jako je vodivost. Kromě toho rozvoj pásmové mezery chemickým dopováním jej také činí vhodným pro použití v elektronických zařízeních . Organická kovalentní funkcionalizace grafenu se obecně provádí dvěma způsoby: (1) vytvořením kovalentních vazeb mezi volnými radikály/dienofily s vazbami C
C a (2) kovalentní vazbou mezi organickými funkčními skupinami s kyslíkovými skupinami GO. Grafen se dostal do povědomí jako nový materiál s vynikajícími mechanickými a elektronickými vlastnostmi, které umožňují jeho širokou škálu aplikací . Proto bylo popsáno mnoho kreativních technik pro syntézu materiálů na bázi grafenu s pokročilými vlastnostmi, vhodných pro různé aplikace . Z nich obecně proces CVD produkuje grafen s menším počtem defektů, který může být velmi užitečný pro elektronické aplikace, v nichž může požadavek splnit i malé množství grafenu . Navíc pro vývoj významných aplikací, počínaje vodivými inkousty a plnivy v kompozitech až po baterie nebo senzory, by bylo vhodné doporučit nákladově efektivní výrobní techniku s dobrou korelací mezi snadností výroby/manipulace a pokračováním vlastností grafenu. Obecně je nejrozumnějším způsobem, jak získat velké množství grafenu, exfoliace z objemového grafitu. Technika exfoliace v kapalné fázi má navíc několik výhod, protože stabilní suspenze grafenu lze využít pro různé kroky zpracování materiálu, jako je chemická funkcionalizace, modifikace povrchu a nanášení filmu. Pro exfoliaci grafenu do roztoků lze rozbití obrovských van der Waalsových sil existujících mezi vrstvami grafitu dosáhnout sonikací grafitu ve vhodných rozpouštědlech a elektrochemickou a chemickou oxidací . S těmito procesy jsou však spojena určitá omezení. Ačkoli je oxidační metoda užitečná, je rušivá. I po redukci při ní vznikají nedokonalé grafeny . Sonikací v organických rozpouštědlech lze získat grafen lepší kvality, i když stále defektní, ale obvykle je velikost vloček poměrně malá. Kromě toho mají vrstvy grafenu tendenci obnovovat grafitickou strukturu, aby se snížila povrchová volná energie. To lze překonat buď nekovalentní interakcí se stabilizátory, jako jsou aromatické molekuly, polymery a povrchově aktivní látky, nebo kovalentní funkcionalizací . Ačkoli se elektronická struktura grafenu může kovalentními interakcemi pozoruhodně měnit, absorpce molekul na grafen může působit jako pouhý ochranný plášť grafenových listů. Na druhou stranu adsorpce urč itých molekul mů že také př inést pásmovou mezeru v grafenu . Proto je znalost nekovalentních interakcí různých molekul s grafenem atraktivním tématem pro rozšíření nových derivátů pro záviděníhodné aplikace, mezi které patří tranzistory na bázi grafenu, chemické detektory nebo organická optoelektronická zařízení. Hernandez a spol. a Blake a spol. zavedli výrobu jednovrstvého grafenu bez defektů exfoliací grafitu v N-methylpyrolidonu . Tento přístup využívá podobné povrchové energie grafenu a N-methylpyrolidonu, který podporuje exfoliaci. Podobně Lotya a členové jeho týmu použili dodecylbenzensulfonát sodný ve vodě k exfoliaci grafitu za účelem výroby grafenu. Na rozdíl od panenského grafenu je GO v přírodě elektrickým izolantem s charakteristickým poměrem uhlíku a kyslíku (C/O) ̴∼2 . Po částečné redukci má vyvinutý elektricky vodivý stav poměr C/O v rozmezí ̴6 až 500 . Nedokonalost a funkcionalizovaná struktura redukovaného GO (rGO) hraje při jeho použití důležitější roli než u nedokonalého grafenu . Funkcionalizované grafenové listy disponující poměrem C/O přibližně 2 se skládají ze sp3 hybridizovaných atomů uhlíku připojených v 2-D hexagonálním listu s matricí kyslíku tvořenou funkčními prvky na obou stranách listu. Čím vyšší je počet kyslíků na funkcionalizovaných grafenových listech, tím lepší je disperze v polárních rozpouštědlech. Poskytuje také vhodná místa pro další funkcionalizaci. Pro použití by měly být grafenové listy dobře oddělené a bez agregací. Toho lze lépe dosáhnout kovalentním propojením sousedních grafenových listů pevným krátkým vodivým můstkem. K dispozici je literatura zdůrazňující použití esterů a amidů jako spojů . Také propojení do konjugované sítě se provádí podle diazoniové chemie . Kovalentní vazby na funkcionalizovaný grafenový list mající poměr C/O 2 byly uvedeny pro řadu molekul, mezi něž patří makrocykly jako cyklodextriny, aromatická barviva jako porfyriny, diaminoalkany, 4-terc-butylfenyl a azido-terminovaný polykaprolaktan . V poslední době byly vyvinuty různé metody výroby jednovrstvého až několikavrstvého a vícevrstvého grafenu bez defektů, funkcionalizovaného grafenu a rGO i GO . Tato rozmanitost grafenu usnadňuje zdatné ovlivnění mezifázové adheze a zvyšuje jeho kompatibilitu se širokou škálou polymerů, jako je kyselina polymléčná, polyanilin, polyethylenglykol, polykaprolakton atd. Obecně lze techniky výroby grafenu rozdělit do dvou kategorií, tj. metody zdola nahoru (např. CVD a SiC) a metody shora dolů (např. chemická exfoliace, míchání ve vysokém smyku atd. ). Metody bottom-up produkují vysoce kvalitní grafen s minimem defektů, který může být cenný pro elektronické aplikace. Jsou však nákladné a není snadné je vyrábět v obrovském měřítku .
V této kapitole je diskutován vliv různých faktorů, jako je plocha povrchu, defekty, pórovitost a povaha funkčních skupin, s ohledem na nanokompozity na bázi polymerů s výztuží z funkcionalizovaného grafenu. Vlastnosti nanokompozitů na bázi polymerů jsou do značné míry ovlivněny změnou plochy povrchu, defektů, pórovitosti atd. materiálů. Rozsah změny polarity grafenu v důsledku funkcionalizace je součástí této kapitoly. Zahrnuty jsou rovněž různé techniky funkcionalizace grafenu. Faktory ovlivňující vlastnosti funkcionalizovaných kompozitů na bázi polymerní matrice vyztužených grafenem budou hrát roli při manipulaci s vlastnostmi při navrhování nových kompozitů na bázi polymerů.
.
