1 Introduction
Le graphène, un allotrope des carbones élémentaires, est apparu comme un matériau exceptionnel du siècle actuel. Il est constitué d’une couche unique planaire d’atomes de carbone qui sont disposés dans un réseau en nid d’abeille en 2-D possédant une longueur de liaison simple C-C de 0,142 nm. Ce matériau a reçu une importance mondiale en raison de ses propriétés thermiques, optiques, mécaniques et de transport de charges. Cette feuille d’un seul atome d’épaisseur composée d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille est le matériau le plus solide, le plus mince et le plus rigide au monde, en plus de son excellente conductivité thermique et électrique. On estime aujourd’hui que ces matériaux bidimensionnels suscitent davantage d’intérêt du point de vue des applications que les autres allotropes nanostructurés du carbone, à savoir les nanotubes unidimensionnels et les fullerènes unidimensionnels. Les caractéristiques étonnantes du graphène sont dérivées de l’orbitale 2p, qui contribue aux bandes de l’état π qui se délocalisent sur la feuille de carbone constituant le graphène. Par conséquent, le graphène est un matériau très dur qui présente une conductivité thermique élevée, une masse effective nulle, une mobilité élevée des porteurs de charge et une imperméabilité aux gaz. Ces caractéristiques font du graphène un matériau de remplissage prometteur pour le développement de composites à base de polymères. Le graphène a suscité un intérêt remarquable et considérable en raison de son rapport surface/volume amélioré, qui lui confère d’excellentes propriétés thermiques, mécaniques et électriques. Les feuilles de graphène sont préparées à partir d’oxyde de graphite selon un procédé chimique dont on sait qu’il est plus économique que la production de nanotubes de carbone. Cette caractéristique distinctive rend le graphène beaucoup plus intéressant pour diverses applications dans plusieurs domaines technologiques, comme la microélectronique, les matériaux conducteurs électriques et thermiques, les composites polymères renforcés, etc. L’oxyde de graphite est constitué de divers groupes fonctionnels liés de manière covalente, comme les groupes carboxyle, hydroxyle, époxy et carbonyle. La présence de ces groupes fonctionnels rend l’oxyde de graphite hydrophile par nature, et c’est pourquoi il gonfle dans l’eau. Cependant, ces groupes permettent également une fonctionnalisation covalente. Les oxydes de graphite sont électriquement non-conducteurs dans la nature, mais la conductivité peut être développée par chauffage à des températures relativement basses. C’est pourquoi l’oxyde de graphène (GO) peut être produit de manière économique à partir de poudres de graphite en utilisant des acides. Diverses méthodes chimiques, comme l’expansion intercalaire du graphite, la réduction thermique du GO, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la croissance épitaxiale, ont été développées pour la préparation de graphène dispersible. Par sonication du graphite dans différents solvants organiques, des graphènes vierges ont été isolés. Tour et ses collègues ont rapporté la production de nanofeuillets de graphène non oxydés et non fonctionnalisés suite à un simple processus de sonication dans l’orthodichlorobenzène. De manière similaire, Bourlinos et al. ont étudié la distribution du graphite dans différents solvants organiques comme le chloroacétate, la pyridine, les molécules aromatiques perfluorées, etc., avec un bon rendement en utilisant la centrifugation contrôlée et la sonication en bain. La distribution du graphène dans les solvants organiques facilite sa fonctionnalisation par les différents groupes fonctionnels. En suivant la décomposition chimique des nanotubes de carbone, des nanorubans de graphène vierges ont également été produits. La fonctionnalisation du graphène a non seulement un effet profond sur ses propriétés physiques et chimiques, mais représente également une étape importante dans le développement de nouveaux matériaux bidimensionnels. La fonctionnalisation du graphène vierge permet une meilleure dispersion, ce qui est une condition essentielle pour la préparation de composites utilisant le graphène comme matériau de remplissage. De plus, la présence de chromophores offre également certains avantages comme la conductivité. En outre, le développement d’une bande interdite par dopage chimique permet également de l’utiliser dans des dispositifs électroniques. La fonctionnalisation organique covalente du graphène s’effectue généralement de deux manières : (1) par la formation de liaisons covalentes entre les radicaux libres/diénophiles et les liaisons C
C, et (2) par la liaison covalente entre les groupes fonctionnels organiques et les groupes oxygène du GO. Le graphène est apparu comme un nouveau matériau doté d’excellentes propriétés mécaniques et électroniques qui lui permettent d’avoir une large gamme d’applications. Par conséquent, de nombreuses techniques créatives ont été décrites pour la synthèse de matériaux à base de graphène avec des propriétés avancées, appropriées pour différentes applications. Parmi celles-ci, le processus CVD produit généralement du graphène avec moins de défauts, ce qui peut être très utile pour les applications électroniques dans lesquelles une quantité minuscule de graphène peut répondre aux besoins. De plus, pour le développement d’applications importantes, allant des encres conductrices et des charges dans les composites aux batteries ou aux capteurs, la technique de fabrication rentable serait recommandable avec une bonne corrélation entre la facilité de fabrication/manipulation et la continuation des propriétés du graphène. En général, l’exfoliation à partir du graphite en vrac est le moyen le plus raisonnable d’obtenir une grande quantité de graphène. De plus, la technique d’exfoliation en phase liquide présente plusieurs avantages, car les suspensions stables de graphène peuvent être utilisées pour différentes étapes de traitement du matériau, telles que la fonctionnalisation chimique, la modification de surface et le dépôt de films. Pour l’exfoliation du graphène dans des solutions, la rupture des énormes forces de type van der Waals existant entre les couches de graphite peut être obtenue par sonication du graphite dans des solvants appropriés et par oxydation électrochimique et chimique. Mais ces procédés présentent certaines limites. Bien que la méthode d’oxydation soit utile, elle est perturbatrice. Même après réduction, elle produit des graphènes imparfaits . Des graphènes de meilleure qualité peuvent être obtenus par sonication dans des solvants organiques, bien qu’encore défectueux, mais normalement la taille des paillettes est assez petite. En outre, les couches de graphène ont tendance à rétablir la structure graphitique pour réduire l’énergie libre de surface. Ceci peut être surmonté soit par une interaction non covalente avec des stabilisateurs comme des molécules aromatiques, des polymères et des surfactants, soit par une fonctionnalisation covalente . Bien que la structure électronique du graphène puisse varier remarquablement par des interactions covalentes, l’absorption de molécules sur le graphène peut agir comme une simple couche protectrice des feuilles de graphène. D’un autre côté, l’adsorption de certaines molécules peut également créer une bande interdite dans le graphène. Par conséquent, la connaissance de l’interaction non covalente de diverses molécules avec le graphène est un sujet attrayant pour l’expansion de nouveaux dérivés pour des applications enviables, qui incluent les transistors à effet de champ à base de graphène, les détecteurs chimiques, ou les dispositifs optoélectroniques organiques. Hernandez et al. et Blake et al. ont établi la production de graphène monocouche sans défaut par l’exfoliation du graphite dans la N-méthyl pyrrolidone . Cette approche utilise l’énergie de surface similaire du graphène et de la N-méthyl pyrrolidone qui favorise l’exfoliation. De même, Lotya et les membres de son équipe ont utilisé le dodécyl benzène sulfonate de sodium dans l’eau pour l’exfoliation du graphite afin de produire du graphène. Contrairement au graphène vierge, le GO est un isolant électrique dans la nature avec un rapport carbone/oxygène (C/O) distinctif de ̴∼2 . Après réduction partielle, l’état électriquement conducteur développé possède un rapport C/O dans la gamme ̴de 6 à 500 . L’imperfection et la structure fonctionnalisée du GO réduit (rGO) jouent un rôle plus important dans son application que celle du graphène vierge . Les feuilles de graphène fonctionnalisé possédant un rapport C/O d’environ 2 sont constituées d’atomes de carbone hybridés sp3 attachés dans une feuille hexagonale 2-D avec un réseau d’oxygène constitué de fonctionnalités des deux côtés de la feuille. Plus les fonctionnalités de l’oxygène sont élevées sur les feuilles de graphène fonctionnalisé, meilleure est la dispersion dans les solvants polaires. Elles fournissent également des sites appropriés pour une fonctionnalisation supplémentaire. Pour l’application, les feuilles de graphène doivent être bien séparées et exemptes d’agrégation. La meilleure façon d’y parvenir est de relier de manière covalente les feuilles de graphène adjacentes par un pont rigide, court et conducteur. La littérature disponible met en évidence l’utilisation d’esters et d’amides comme liens. De même, la liaison au réseau conjugué est réalisée en suivant la chimie des diazoniums . Des liaisons covalentes avec des feuilles de graphène fonctionnalisées présentant un rapport C/O de 2 ont été établies pour un certain nombre de molécules, notamment des macrocycles comme les cyclodextrines, des colorants aromatiques comme les porphyrines, des diaminoalcanes, du 4-tert-butylphényle et du polycaprolactane à terminaison azido. Récemment, différentes méthodes ont été développées pour la production de graphène monocouche sans défaut, de graphène à quelques couches et de graphène multicouche, de graphène fonctionnalisé, de rGO et de GO . Cette diversité du graphène facilite l’inflexion de l’adhésion interfaciale et améliore sa compatibilité avec une large gamme de polymères comme l’acide polylactique, la polyaniline, le polyéthylène glycol, le polycaprolactone, etc. En général, les techniques de production de graphène peuvent être classées en deux catégories, à savoir les méthodes ascendantes (par exemple, CVD et SiC) et les méthodes descendantes (par exemple, exfoliation chimique, mélange à haut cisaillement, etc.) Les méthodes ascendantes produisent du graphène de haute qualité avec un minimum de défauts, ce qui peut être utile pour les applications électroniques. Mais elles sont coûteuses et pas faciles à produire à grande échelle .
Dans ce chapitre, les effets de différents facteurs tels que l’aire de surface, les défauts, la porosité, et la nature des groupes fonctionnels sont discutés en ce qui concerne les nanocomposites à base de polymères avec un renforcement de graphène fonctionnalisé. Les propriétés des nanocomposites à base de polymères sont largement affectées par le changement de la surface, des défauts, de la porosité, etc. des matériaux. L’étendue du changement de polarité du graphène dû à la fonctionnalisation fait partie du présent chapitre. Les différentes techniques de fonctionnalisation du graphène sont également incluses. Les facteurs influençant les propriétés des composites à base de matrice polymère renforcée par du graphène fonctionnalisé joueront un rôle dans la manipulation des caractéristiques de la conception de nouveaux composites à base de polymères.
