1 Einleitung
Graphen, ein Allotrop des elementaren Kohlenstoffs, hat sich zu einem herausragenden Material des gegenwärtigen Jahrhunderts entwickelt. Es besteht aus einer planaren Einzelschicht von Kohlenstoffatomen, die in einem wabenförmigen 2-D-Gitter angeordnet sind und eine C-C-Einfachbindung von 0,142 nm Länge besitzen. Dieses Material hat aufgrund seiner thermischen, optischen, mechanischen und ladungstransportierenden Eigenschaften weltweite Bedeutung erlangt. Diese einatomig dicke Platte aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen ist das stärkste, dünnste und steifste Material der Welt und zeichnet sich zudem durch eine hervorragende Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aus. Es wird nun spekuliert, dass diese 2-D-Materialien für Anwendungen interessanter sind als die anderen nanostrukturierten Allotrope des Kohlenstoffs, d. h. 1-D-Nanoröhren und 0-D-Fullerene. Die erstaunlichen Eigenschaften von Graphen ergeben sich aus dem 2p-Orbital, das zu den π-Zustandsbändern beiträgt, die über die Kohlenstoffschicht, aus der Graphen besteht, delokalisiert werden. Daher ist Graphen ein sehr hartes Material, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, eine effektive Masse von Null besitzt, eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit zeigt und undurchlässig für Gase ist. Diese Eigenschaften machen Graphen zu einem vielversprechenden Füllstoff für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen auf Polymerbasis. Graphen hat aufgrund seines verbesserten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, mit dem es hervorragende thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften erzielt, bemerkenswertes und erhebliches Interesse auf sich gezogen. Graphenblätter werden aus Graphitoxid in einem chemischen Verfahren hergestellt, das kostengünstiger ist als die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren. Diese Besonderheit macht Graphen für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen technologischen Bereichen, wie z. B. Mikroelektronik, elektrisch und thermisch leitendes Material, verstärkte Polymerverbundwerkstoffe usw., sehr viel interessanter. Graphitoxid besteht aus verschiedenen kovalent gebundenen funktionellen Gruppen wie Carboxyl-, Hydroxyl-, Epoxy- und Carbonylgruppen. Das Vorhandensein dieser funktionellen Gruppen macht Graphitoxid von Natur aus hydrophil, weshalb es in Wasser aufquillt. Diese Gruppen bieten jedoch auch die Möglichkeit einer kovalenten Funktionalisierung. Graphitoxide sind von Natur aus elektrisch nicht leitend, können aber durch Erhitzen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen leitfähig gemacht werden. Deshalb kann Graphenoxid (GO) auf wirtschaftliche Weise aus Graphitpulvern unter Verwendung von Säuren hergestellt werden. Für die Herstellung von dispergierbarem Graphen wurden verschiedene chemische Methoden entwickelt, wie die interkalative Expansion von Graphit, die thermische Reduktion von GO, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und das epitaktische Wachstum. Durch Beschallen von Graphit in verschiedenen organischen Lösungsmitteln wurden unbehandelte Graphene isoliert. Tour und Mitarbeiter berichteten über die Herstellung von nicht oxidierten und nicht funktionalisierten Graphen-Nanoblättern nach einem einfachen Beschallungsprozess in Orthodichlorbenzol. In ähnlicher Weise haben Bourlinos et al. die Verteilung von Graphit in verschiedenen organischen Lösungsmitteln wie Chloracetat, Pyridin, perfluorierten aromatischen Molekülen usw. in guter Ausbeute unter Verwendung von Kontrollzentrifugation und Badbeschallung diskutiert. Die Verteilung von Graphen in organischen Lösungsmitteln begünstigt seine Funktionalisierung durch die verschiedenen funktionellen Gruppen. Durch chemisches Aufspalten von Kohlenstoff-Nanoröhren wurden auch neue Graphen-Nanobänder hergestellt. Die Funktionalisierung von Graphen hat nicht nur einen tiefgreifenden Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften, sondern stellt auch einen wichtigen Schritt in der Entwicklung neuer 2D-Materialien dar. Die Funktionalisierung von reinem Graphen trägt zu einer besseren Dispersion bei, was die wichtigste Voraussetzung für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Graphen als Füllstoff ist. Darüber hinaus bietet das Vorhandensein von Chromophoren auch einige Vorteile wie Leitfähigkeit. Die Entwicklung einer Bandlücke durch chemische Dotierung macht Graphen außerdem für den Einsatz in elektronischen Geräten geeignet. Die organische kovalente Funktionalisierung von Graphen wird im Allgemeinen auf zwei Arten durchgeführt: (1) durch die Bildung kovalenter Bindungen zwischen den freien Radikalen/Dienophilen und den C
C-Bindungen und (2) durch kovalente Bindungen zwischen den organischen Funktionsgruppen und den Sauerstoffgruppen des GO. Graphen hat sich zu einem neuen Material mit hervorragenden mechanischen und elektronischen Eigenschaften entwickelt, das eine breite Palette von Anwendungen ermöglicht. Daher wurden viele kreative Techniken für die Synthese von Materialien auf Graphenbasis mit fortschrittlichen Eigenschaften beschrieben, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Von diesen Verfahren erzeugt das CVD-Verfahren in der Regel Graphen mit geringeren Defekten, was für elektronische Anwendungen, bei denen eine winzige Menge Graphen die Anforderungen erfüllen kann, sehr nützlich ist. Für die Entwicklung bedeutender Anwendungen, angefangen bei leitenden Tinten und Füllstoffen in Verbundwerkstoffen bis hin zu Batterien oder Sensoren, wäre eine kostengünstige Herstellungstechnik empfehlenswert, bei der eine gute Korrelation zwischen der einfachen Herstellung/Manipulation und der Aufrechterhaltung der Grapheneigenschaften besteht. Im Allgemeinen ist die Exfoliation aus Bulk-Graphit die vernünftigste Methode, um eine große Menge Graphen zu erhalten. Darüber hinaus bietet die Flüssigphasenexfoliationstechnik mehrere Vorteile, da die stabilen Graphen-Suspensionen für verschiedene Verarbeitungsschritte des Materials genutzt werden können, z. B. für die chemische Funktionalisierung, die Oberflächenmodifizierung und die Filmabscheidung. Für die Exfoliation von Graphen in Lösungen können die enormen van-der-Waals-ähnlichen Kräfte zwischen den Graphitschichten durch Beschallung von Graphit in geeigneten Lösungsmitteln und durch elektrochemische und chemische Oxidation gebrochen werden. Diese Verfahren sind jedoch mit gewissen Einschränkungen verbunden. Die Oxidationsmethode ist zwar hilfreich, aber störend. Selbst nach der Reduktion entstehen unvollkommene Graphene. Graphen von besserer Qualität kann durch Beschallung in organischen Lösungsmitteln erhalten werden, obwohl es immer noch fehlerhaft ist, aber normalerweise ist die Flockengröße recht klein. Außerdem haben die Graphenschichten die Tendenz, die graphitische Struktur wiederherzustellen, um die freie Oberflächenenergie zu verringern. Dies kann entweder durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit Stabilisatoren wie aromatischen Molekülen, Polymeren und Tensiden oder durch kovalente Funktionalisierung überwunden werden. Obwohl die elektronische Struktur von Graphen durch kovalente Wechselwirkungen erheblich verändert werden kann, kann die Absorption von Molekülen auf Graphen als reine Schutzschicht der Graphenblätter wirken. Andererseits kann die Adsorption bestimmter Moleküle auch eine Bandlücke in Graphen hervorrufen. Daher ist die Kenntnis der nichtkovalenten Wechselwirkung verschiedener Moleküle mit Graphen ein attraktives Thema für die Entwicklung neuer Derivate für beneidenswerte Anwendungen, zu denen Graphen-basierte Feldeffekttransistoren, chemische Detektoren oder organische optoelektronische Bauelemente gehören. Hernandez et al. und Blake et al. haben die Herstellung von defektfreiem einlagigem Graphen durch die Exfoliation von Graphit in N-Methylpyrrolidon nachgewiesen. Dieser Ansatz nutzt die ähnliche Oberflächenenergie von Graphen und N-Methylpyrrolidon, die die Exfoliation fördert. In ähnlicher Weise haben Lotya und seine Mitarbeiter Natriumdodecylbenzolsulfonat in Wasser für die Abblätterung von Graphit zur Herstellung von Graphen verwendet. Im Gegensatz zu unbehandeltem Graphen ist GO in der Natur ein elektrischer Isolator mit einem ausgeprägten Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis (C/O) von ̴∼2 . Nach teilweiser Reduktion weist der entwickelte elektrisch leitende Zustand ein C/O-Verhältnis im Bereich von ̴6 bis 500 auf. Die unvollkommene und funktionalisierte Struktur des reduzierten GO (rGO) spielt bei seiner Anwendung eine wichtigere Rolle als die des reinen Graphens. Funktionalisierte Graphenblätter mit einem C/O-Verhältnis von etwa 2 bestehen aus sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen, die in einem 2-D-hexagonalen Blatt mit einer Anordnung von Sauerstoff aus Funktionalitäten auf beiden Seiten des Blattes gebunden sind. Je höher die Sauerstofffunktionalitäten auf funktionalisierten Graphenschichten sind, desto besser ist die Dispersion in polaren Lösungsmitteln. Außerdem bietet es geeignete Stellen für eine zusätzliche Funktionalisierung. Für die Anwendung sollten die Graphenblätter gut getrennt und frei von Aggregation sein. Dies lässt sich am besten durch eine kovalente Verbindung der benachbarten Graphenblätter über eine starre, kurze, leitende Brücke erreichen. In der Literatur finden sich Hinweise auf die Verwendung von Estern und Amiden als Bindungen. Auch die Verknüpfung mit dem konjugierten Netzwerk wird mit Hilfe der Diazoniumchemie durchgeführt. Kovalente Verbindungen zu funktionalisierten Graphenblättern mit einem C/O-Verhältnis von 2 wurden für eine Reihe von Molekülen beschrieben, darunter Makrozyklen wie Cyclodextrine, aromatische Farbstoffe wie Porphyrine, Diaminoalkane, 4-tert-Butylphenyl und azido-terminiertes Polycaprolactan. In jüngster Zeit wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung von defektfreiem ein- bis mehrlagigem Graphen, funktionalisiertem Graphen und rGO sowie GO entwickelt. Diese Vielfalt an Graphen ermöglicht eine kompetente Beugung der Grenzflächenhaftung und verbessert die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Polymeren wie Polymilchsäure, Polyanilin, Polyethylenglykol, Polycaprolacton usw. . Im Allgemeinen lassen sich die Verfahren zur Herstellung von Graphen in zwei Kategorien einteilen: Bottom-up-Methoden (z. B. CVD und SiC) und Top-down-Methoden (z. B. chemische Exfoliation, Mischen unter hoher Scherung usw.). Bottom-up-Methoden erzeugen hochwertiges Graphen mit minimalen Defekten, das für elektronische Anwendungen wertvoll sein kann. Sie sind jedoch kostspielig und nicht leicht in großem Maßstab herzustellen.
In diesem Kapitel werden die Auswirkungen verschiedener Faktoren wie Oberfläche, Defekte, Porosität und Art der funktionellen Gruppen auf die Nanokomposite auf Polymerbasis mit Verstärkung durch funktionalisiertes Graphen diskutiert. Die Eigenschaften der Nanokomposite auf Polymerbasis werden weitgehend durch Veränderungen der Oberfläche, Defekte, Porosität usw. der Materialien beeinflusst. Das Ausmaß der Polaritätsveränderung von Graphen aufgrund der Funktionalisierung ist Teil des vorliegenden Kapitels. Die verschiedenen Techniken zur Funktionalisierung von Graphen werden ebenfalls behandelt. Die Faktoren, die die Eigenschaften von mit funktionalisiertem Graphen verstärkten Verbundwerkstoffen auf Polymermatrixbasis beeinflussen, werden eine Rolle bei der Beeinflussung der Eigenschaften bei der Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis spielen.
