1 Introducción
El grafeno, un alótropo de los carbones elementales, ha surgido como un material destacado del presente siglo. Se compone de una sola capa plana de átomos de carbono que se organizan en una red en forma de panal de abeja en 2-D que posee una longitud de enlace simple C-C de 0,142 nm. Este material ha cobrado importancia en todo el mundo por sus propiedades térmicas, ópticas, mecánicas y de transporte de cargas. Esta lámina de átomos de carbono de un solo átomo de grosor dispuesta en forma de panal es el material más fuerte, delgado y rígido del mundo, además de su excelente conductividad térmica y eléctrica. Ahora se especula con que estos materiales bidimensionales están despertando más interés desde el punto de vista de las aplicaciones que los demás alótropos nanoestructurados del carbono, es decir, los nanotubos unidimensionales y los fullerenos unidimensionales. Las sorprendentes características del grafeno se derivan del orbital 2p, que contribuye, las bandas del estado π que se deslocalizan sobre la hoja de carbono que constituye el grafeno. Por lo tanto, el grafeno es un material muy duro que presenta una alta conductividad térmica, posee una masa efectiva nula, muestra una alta movilidad de los portadores de carga y es impermeable a los gases. Estas características convierten al grafeno en un prometedor material de relleno para el desarrollo de compuestos basados en polímeros. El grafeno ha suscitado un notable y considerable interés debido a su mejor relación superficie-volumen, por lo que alcanza excelentes propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas . Las láminas de grafeno se preparan a partir de óxido de grafito mediante un proceso químico que se asegura que es más barato que la producción de nanotubos de carbono . Esta característica distintiva hace que el grafeno sea mucho más interesante para diversas aplicaciones en varios campos tecnológicos, como la microelectrónica, el material conductor eléctrico y térmico, los compuestos poliméricos reforzados, etc. . El óxido de grafeno está formado por varios grupos funcionales unidos covalentemente, como los grupos carboxilo, hidroxilo, epoxi y carbonilo. La presencia de estos grupos funcionales hace que el óxido de grafito sea hidrófilo por naturaleza, y por eso se hincha en el agua. Sin embargo, estos grupos también proporcionan una vía para la funcionalización covalente . Los óxidos de grafito son eléctricamente no conductores en la naturaleza, pero la conductividad puede desarrollarse mediante el calentamiento a temperaturas comparativamente bajas . Por ello, el óxido de grafeno (GO) puede producirse de forma económica a partir de polvos de grafito utilizando ácidos. Se han desarrollado varios métodos químicos, como la expansión intercalativa del grafito, la reducción térmica del GO, la deposición química de vapor (CVD) y el crecimiento epitaxial, para la preparación de grafeno dispersable. Mediante la sonicación del grafito en diferentes disolventes orgánicos, se han aislado grafenos vírgenes. Tour y sus colaboradores han informado de la producción de nanoplanchas de grafeno no oxidadas y no funcionalizadas tras un sencillo proceso de sonicación en ortodiclorobenceno . De forma similar, Bourlinos et al. han analizado la distribución de grafeno en diferentes disolventes orgánicos como el cloroacetato, la piridina, las moléculas aromáticas perfluoradas, etc., en buen rendimiento utilizando centrifugación controlada y sonicación en baño. La distribución del grafeno en los disolventes orgánicos ayuda a su funcionalización a través de los distintos grupos funcionales. Siguiendo la descomposición química de los nanotubos de carbono, también se han producido nanoribbones de grafeno vírgenes. La funcionalización del grafeno no sólo tiene un profundo efecto sobre las propiedades físicas y químicas, sino que también representa un paso importante en el desarrollo de nuevos materiales bidimensionales. La funcionalización del grafeno prístino ayuda a una mejor dispersión, que es el requisito clave para la preparación de compuestos que utilizan grafeno como material de relleno. Además, la presencia de cromóforos también proporciona algunas ventajas como la conductividad. Además, el desarrollo de un bandgap mediante dopaje químico también lo hace adecuado para su uso en dispositivos electrónicos. La funcionalización covalente orgánica del grafeno se realiza generalmente de dos maneras: (1) mediante la formación de enlaces covalentes entre los radicales libres/dienófilos con los enlaces C
C, y (2) mediante enlaces covalentes entre los grupos funcionales orgánicos con los grupos de oxígeno del GO. El grafeno se ha revelado como un nuevo material con excelentes propiedades mecánicas y electrónicas que permite su amplia gama de aplicaciones . Por ello, se han descrito muchas técnicas creativas para la síntesis de materiales basados en el grafeno con propiedades avanzadas, apropiadas para diferentes aplicaciones . De entre ellas, generalmente el proceso de CVD produce grafeno con menos defectos, lo que puede ser muy útil para aplicaciones electrónicas en las que una pequeña cantidad de grafeno puede cumplir el requisito . Además, para el desarrollo de aplicaciones importantes, desde tintas conductoras y rellenos en materiales compuestos hasta baterías o sensores, sería recomendable la técnica de fabricación rentable con una buena correlación entre la facilidad de fabricación/manipulación y la continuación de las propiedades del grafeno. En general, la exfoliación a partir de grafito a granel es la forma más razonable de obtener una gran cantidad de grafeno. Además, la técnica de exfoliación en fase líquida posee varias ventajas, ya que las suspensiones estables de grafeno pueden utilizarse para diferentes pasos de procesamiento del material, como la funcionalización química, la modificación de la superficie y la deposición de películas. Para la exfoliación del grafeno en soluciones, la ruptura de las enormes fuerzas tipo Van der Waals existentes entre las capas de grafeno puede lograrse mediante la sonicación del grafito en disolventes adecuados y mediante la oxidación electroquímica y química. Pero hay ciertas limitaciones asociadas a estos procesos. Aunque el método de oxidación es útil, es perjudicial. Incluso después de la reducción, produce grafenos imperfectos . Se puede obtener grafeno de mejor calidad por sonicación en disolventes orgánicos, aunque sigue siendo defectuoso, pero normalmente el tamaño de las escamas es bastante pequeño. Además, las capas de grafeno tienen la tendencia a restaurar la estructura grafítica para reducir la energía libre superficial. Esto puede superarse mediante la interacción no covalente con estabilizadores como las moléculas aromáticas, los polímeros y los tensioactivos o mediante la funcionalización covalente . Aunque la estructura electrónica del grafeno puede variar notablemente mediante interacciones covalentes, la absorción de moléculas sobre el grafeno puede actuar como una mera capa protectora de las láminas de grafeno. Por otro lado, la adsorción de moléculas definidas también puede provocar un bandgap en el grafeno . Por lo tanto, el conocimiento de la interacción no covalente de varias moléculas con el grafeno es un tema atractivo para la expansión de nuevos derivados para aplicaciones envidiables, que incluyen transistores de efecto de campo basados en el grafeno, detectores químicos o dispositivos optoelectrónicos orgánicos. Hernández et al. y Blake et al. han establecido la producción de grafeno monocapa sin defectos mediante la exfoliación de grafito en N-metilpirrolidona . Este enfoque utiliza la energía superficial similar del grafeno y la N-metilpirrolidona que promueve la exfoliación. Del mismo modo, Lotya y los miembros de su equipo han utilizado dodecil benceno sulfonato de sodio en agua para la exfoliación del grafito y producir grafeno. A diferencia del grafeno virgen, el GO es un aislante eléctrico en la naturaleza con una relación carbono-oxígeno (C/O) distintiva de ̴∼2 . Tras una reducción parcial, el estado conductor de la electricidad desarrollado posee una relación C/O en el rango ̴de 6 a 500 . La imperfección y la estructura funcionalizada del GO reducido (rGO) desempeñan un papel más importante en su aplicación que la del grafeno prístino . Las láminas de grafeno funcionalizado que poseen una relación C/O de aproximadamente 2 están formadas por átomos de carbono hibridizados sp3 unidos en una lámina hexagonal bidimensional con una matriz de oxígeno formada por funcionalidades en ambos lados de la lámina. Cuanto mayor sea el número de funcionalidades de oxígeno en las hojas de grafeno funcionalizadas, mejor será la dispersión en disolventes polares. También proporciona sitios adecuados para la funcionalización adicional. Para su aplicación, las láminas de grafeno deben estar bien separadas y carecer de agregación. La mejor manera de conseguirlo es uniendo covalentemente las hojas de grafeno adyacentes mediante un puente rígido, corto y conductor. Existe literatura que destaca el uso de ésteres y amidas como enlaces . Además, la unión a la red conjugada se realiza siguiendo la química del diazonio . Los enlaces covalentes a la hoja de grafeno funcionalizada que posee una relación C/O de 2 se han establecido para una serie de moléculas, que incluyen macrociclos como las ciclodextrinas, tintes aromáticos como las porfirinas, diaminoalcanos, 4-tert-butilfenilo y poli caprolactano azido-terminado . Recientemente, se han desarrollado diferentes métodos para la producción de grafeno de una a varias capas sin defectos, grafeno funcionalizado y rGO, así como GO. Esta diversidad del grafeno facilita la inflexión competente de la adhesión interfacial y mejora su compatibilidad con una amplia gama de polímeros como el ácido poliláctico, la polianilina, el polietilenglicol, la policaprolactona, etc. . En general, las técnicas de producción de grafeno pueden clasificarse en dos categorías: métodos ascendentes (por ejemplo, CVD y SiC) y métodos descendentes (por ejemplo, exfoliación química, mezcla de alto cizallamiento, etc.). Los métodos ascendentes producen grafeno de alta calidad con un mínimo de defectos, lo que puede ser valioso para las aplicaciones electrónicas. Pero son costosos y no son fáciles de producir a gran escala.
En este capítulo se discuten los efectos de diferentes factores como el área superficial, los defectos, la porosidad y la naturaleza de los grupos funcionales con respecto a los nanocompuestos basados en polímeros con refuerzo de grafeno funcionalizado. Las propiedades de los nanocompuestos basados en polímeros se ven afectadas en gran medida por el cambio en el área superficial, los defectos, la porosidad, etc., de los materiales. El alcance del cambio de polaridad en el grafeno debido a la funcionalización forma parte del presente capítulo. También se incluyen las diferentes técnicas de funcionalización del grafeno. Los factores que influyen en las propiedades de los materiales compuestos basados en matrices poliméricas reforzadas con grafeno funcionalizado desempeñarán un papel en la manipulación de las características del diseño de nuevos materiales compuestos basados en polímeros.
