1 Introduktion
Grafen, en allotrope af elementært kulstof, har vist sig at være et fremragende materiale i dette århundrede. Det består af et plant enkelt lag af kulstofatomer, der er anbragt i et honeycomb gitter i 2-D med en C-C enkeltbindingslængde på 0,142 nm. Dette materiale har fået verdensomspændende betydning på grund af dets termiske, optiske, mekaniske og ladningstransporterende egenskaber. Dette enkeltatomtykke lag af kulstofatomer, der er anbragt i et honeycomb-mønster, er verdens stærkeste, tyndeste og stiveste materiale, og det har desuden en fremragende varme- og elektrisk ledningsevne. Der spekuleres nu i, at disse 2-D-materialer er mere interessante ud fra et anvendelsesmæssigt synspunkt end de andre nanostrukturerede allotroper af kulstof, dvs. 1-D nanorør og 0-D fullerener. De fantastiske egenskaber ved grafen stammer fra 2p-orbitalet, som bidrager til π-båndene, der delokaliseres over det kulstoflag, der udgør grafenet. Derfor er grafen et meget hårdt materiale, der udviser en høj varmeledningsevne, har en effektiv masse på nul, en høj ladningsbærerbevægelighed og er uigennemtrængelig for gasser. Disse egenskaber gør grafen til et lovende fyldstofmateriale til udvikling af polymerbaserede kompositter . Grafen har tiltrukket sig bemærkelsesværdig og betydelig interesse på grund af sit forbedrede overflade/volumen-forhold, hvorved det opnår fremragende termiske, mekaniske og elektriske egenskaber . Graphenplader fremstilles af grafitoxid ved hjælp af en kemisk proces, der er billigere end fremstilling af kulstofnanorør . Denne særlige egenskab gør grafen meget mere interessant for forskellige anvendelser inden for flere teknologiske områder, f.eks. mikroelektronik, elektrisk og termisk ledende materialer, forstærkede polymerkompositter osv. Grafitoxid består af forskellige kovalent bundne funktionelle grupper som f.eks. carboxyl-, hydroxyl-, epoxy- og carbonylgrupper. Tilstedeværelsen af disse funktionelle grupper gør grafitoxid hydrofil i naturen, og det er derfor, at det svulmer op i vand. Disse grupper giver imidlertid også mulighed for kovalent funktionalisering . Grafitoxider er ikke elektrisk ledende i naturen, men ledningsevne kan udvikles ved opvarmning ved forholdsvis lave temperaturer . Derfor kan grafenoxid (GO) på en økonomisk måde fremstilles af grafitpulver ved hjælp af syrer . Forskellige kemiske metoder, såsom interkalativ ekspansion af grafit, termisk reduktion af GO, kemisk dampudfældning (CVD) og epitaksial vækst, er blevet udviklet til fremstilling af dispergerbart grafen . Ved at sonicere grafit i forskellige organiske opløsningsmidler er der blevet isoleret nye graphener . Tour og medarbejdere har rapporteret om fremstilling af ikke-oxiderede og ufunktionaliserede grafen-nanoplader efter en simpel soniceringsproces i ortodichlorbenzen . På samme måde har Bourlinos et al. diskuteret fordelingen af grafit i forskellige organiske opløsningsmidler som chloroacetat, pyridin, perfluorerede aromatiske molekyler osv. i et godt udbytte ved hjælp af kontrolcentrifugering og sonicering i bad. Fordelingen af grafen i organiske opløsningsmidler fremmer dets funktionalisering gennem de forskellige funktionelle grupper. Ved at følge kemisk udpakning af kulstofnanorør er der også blevet fremstillet nye grafen-nanobånd . Funktionalisering af grafen har ikke kun en dybtgående virkning på de fysiske og kemiske egenskaber, men udgør også et vigtigt skridt i udviklingen af nye 2D-materialer. Funktionalisering af uberørt grafen bidrager til en bedre dispersion, hvilket er det vigtigste krav til fremstilling af kompositter med grafen som fyldstof. Desuden giver tilstedeværelsen af chromophorer også nogle fordele som f.eks. ledningsevne. Desuden gør udviklingen af et båndgab ved kemisk dotering det også velegnet til brug i elektroniske apparater . Organisk kovalent funktionalisering af grafen udføres generelt på to måder: (1) ved dannelse af kovalente bindinger mellem de frie radikaler/dienofile grupper og C
C-bindingerne og (2) ved kovalente bindinger mellem de organiske funktionelle grupper og oxygengrupperne i GO. Grafen er blevet et nyt materiale med fremragende mekaniske og elektroniske egenskaber, som giver mulighed for en bred vifte af anvendelsesmuligheder. Derfor er der blevet beskrevet mange kreative teknikker til syntese af grafenbaserede materialer med avancerede egenskaber, der egner sig til forskellige anvendelser . Ud af disse fremstiller CVD-processen generelt grafen med færre defekter, hvilket kan være meget nyttigt til elektroniske applikationer, hvor en lille mængde grafen kan opfylde kravene . Med henblik på udvikling af vigtige anvendelser, lige fra ledende blæk og fyldstoffer i kompositter til batterier eller sensorer, vil det desuden være anbefalelsesværdigt med en omkostningseffektiv fremstillingsteknik med en god korrelation mellem lethed i fremstilling/manipulation og opretholdelse af grafenegenskaberne. Generelt er exfoliering fra bulkgrafit den mest fornuftige metode til at opnå en stor mængde grafen. Desuden har væskefaseeksfolieringsteknikken flere fordele, da de stabile suspensioner af grafen kan anvendes til forskellige forarbejdningstrin af materialet, f.eks. kemisk funktionalisering, overflademodifikation og filmudfældning. Med henblik på exfoliering af grafen i opløsninger kan de enorme van der Waals-lignende kræfter mellem grafitlagene brydes ved sonicering af grafit i egnede opløsningsmidler og ved elektrokemisk og kemisk oxidation . Men der er visse begrænsninger forbundet med disse processer. Selv om oxidationsmetoden er nyttig, er den forstyrrende. Selv efter reduktion giver den ufuldstændige graphener . Graphene af bedre kvalitet kan opnås ved sonicering i organiske opløsningsmidler, selv om det stadig er defekt, men normalt er flagernes størrelse ret lille. Desuden har grafenlagene en tendens til at genoprette den grafittiske struktur for at reducere den frie overfladeenergi. Dette kan overvindes enten ved ikke-kovalent interaktion med stabilisatorer som aromatiske molekyler, polymerer og overfladeaktive stoffer eller ved kovalent funktionalisering . Selv om grafenets elektroniske struktur kan variere betydeligt ved kovalente interaktioner, kan absorptionen af molekyler på grafen blot fungere som en beskyttende belægning af grafenpladerne. På den anden side kan adsorptionen af bestemte molekyler også medføre et bandgap i grafen . Derfor er viden om forskellige molekylers ikke-kovalente interaktion med grafen et attraktivt emne for udvidelse af nye derivater til misundelsesværdige anvendelser, som omfatter grafenbaserede felteffekttransistorer, kemiske detektorer eller organiske optoelektroniske anordninger. Hernandez et al. og Blake et al. har etableret produktion af defektfrit monolagsgrafen ved exfoliering af grafit i N-methylpyrrolidon . Denne fremgangsmåde udnytter den ensartede overfladeenergi i grafen og N-methylpyrrolidon, som fremmer exfolieringen. Lotya og hans holdmedlemmer har ligeledes anvendt natriumdodecylbenzolsulfonat i vand til exfoliering af grafit for at fremstille grafen. I modsætning til jomfrueligt grafen er GO en elektrisk isolator i naturen med et karakteristisk kulstof-til-syre-forhold (C/O) på ̴∼2 . Efter delvis reduktion har den udviklede elektrisk ledende tilstand et C/O-forhold i intervallet ̴ på 6 til 500 . Den ufuldstændige og funktionaliserede struktur af det reducerede GO (rGO) spiller en vigtigere rolle for dets anvendelse end den uberørte grafen . Funktionaliserede grafenplader med et C/O-forhold på ca. 2 består af sp3-hybridiserede kulstofatomer, der er fastgjort i en 2-D hexagonal plade med en vifte af oxygen bestående af funktionaliteter på begge sider af pladen. Jo flere oxygenfunktionaliteter der er på funktionaliserede grafenplader, jo bedre er dispersionen i polære opløsningsmidler. Det giver også egnede steder til yderligere funktionalisering. For at kunne anvendes skal grafenpladerne være godt adskilt fra hinanden og uden aggregation. Dette kan bedst opnås ved at forbinde de tilstødende grafenplader kovalent ved hjælp af en stiv, kort, ledende bro. Der findes litteratur, som fremhæver brugen af ester og amid som bindinger . Desuden foretages forbindelsen til det konjugerede netværk ved hjælp af diazoniumkemi . Kovalente forbindelser til funktionaliserede grafenplader med et C/O-forhold på 2 er blevet angivet for en række molekyler, herunder makrocykler som cyclodextriner, aromatiske farvestoffer som porphyriner, diaminoalkaner, 4-tert-butylphenyl og azido-termineret polycaprolactan . Der er for nylig blevet udviklet forskellige metoder til fremstilling af defektfri monolag til få- og flerlagsgrafen, funktionaliseret grafen, rGO og GO . Denne mangfoldighed i grafen gør det nemmere at bøje grænsefladeadhæsionen effektivt og øger dets kompatibilitet med en lang række polymerer som f.eks. polymælkesyre, polyanilin, polyethylenglycol, polycaprolacton osv. Generelt kan grafenproduktionsteknikkerne klassificeres i to kategorier, nemlig bottom-up-metoder (f.eks. CVD og SiC) og top-down-metoder (f.eks. kemisk exfoliering, blanding ved høj shear osv.). Bottom-up-metoder producerer grafen af høj kvalitet med minimale defekter, og disse kan være værdifulde til elektroniske anvendelser. Men de er dyre og ikke nemme at producere i stor skala .
I dette kapitel diskuteres virkningerne af forskellige faktorer såsom overfladeareal, defekter, porøsitet og arten af funktionelle grupper med hensyn til polymerbaserede nanokompositter med forstærkning af funktionaliseret grafen. Egenskaberne af de polymerbaserede nanokompositter påvirkes i høj grad af ændringen i materialernes overfladeareal, defekter, porøsitet osv. Omfanget af polaritetsændringen i grafen som følge af funktionalisering er en del af dette kapitel. De forskellige teknikker til funktionalisering af grafen er også medtaget. De faktorer, der påvirker egenskaberne af funktionaliserede grafenforstærkede polymermatrixbaserede kompositter, vil spille en rolle i manipuleringen af egenskaberne ved udformningen af nye polymerbaserede kompositter.
