1 Bevezetés
A grafén, az elemi szén egyik allotípusa, a jelen század kiemelkedő anyagává vált. Síkbeli, egyrétegű szénatomokból áll, amelyek 2-D-ben méhsejtszerű rácsba rendeződnek, és 0,142 nm C-C egyszeres kötéshosszúsággal rendelkeznek. Ez az anyag hőtechnikai, optikai, mechanikai és töltésszállítási tulajdonságai miatt világszerte nagy jelentőségre tett szert. Ez az egy atom vastagságú, méhsejtszerűen elrendezett szénatomokból álló lemez a világ legerősebb, legvékonyabb és legmerevebb anyaga, emellett kiváló hő- és elektromos vezetőképességgel rendelkezik. Most azt feltételezik, hogy ezek a 2 dimenziós anyagok alkalmazási szempontból egyre nagyobb érdeklődésre tartanak számot, mint a szén többi nanoszerkezetű allotrópja, azaz az 1 dimenziós nanocsövek és a 0 dimenziós fullerének. A grafén lenyűgöző tulajdonságai a 2p orbitálisból származnak, amely hozzájárul a π állapotú sávokhoz, amelyek delokalizálódnak a grafént alkotó szénlapon. Ezért a grafén egy nagyon kemény anyag, amely nagy hővezető képességet mutat, nulla effektív tömeggel rendelkezik, nagy töltéshordozó mobilitást mutat, és gázokkal szemben átjárhatatlan. Ezek a tulajdonságok a grafént ígéretes töltőanyaggá teszik a polimer alapú kompozitok fejlesztéséhez. A grafén figyelemre méltó és jelentős érdeklődést keltett a jobb felület-térfogat arányának köszönhetően, amiért kiváló termikus, mechanikai és elektromos tulajdonságokat ér el . A grafénlapokat grafit-oxidból állítják elő egy olyan kémiai eljárás alapján, amelyről azt állítják, hogy olcsóbb, mint a szén nanocsövek előállítása . Ez a megkülönböztető tulajdonsága miatt a grafén sokkal nagyobb érdeklődésre tart számot számos technológiai területen, például a mikroelektronika, az elektromos és hővezető anyagok, az erősített polimer kompozitok stb. területén. A grafit-oxid különböző kovalensen kötött funkciós csoportokból, például karboxil-, hidroxil-, epoxi- és karbonilcsoportokból áll. E funkciós csoportok jelenléte a grafit-oxidot természeténél fogva hidrofillé teszi, ezért vízben megduzzad. Ezek a csoportok azonban lehetőséget biztosítanak a kovalens funkcionalizációra is. A grafit-oxidok a természetben elektromosan nem vezetnek, de viszonylag alacsony hőmérsékleten történő hevítéssel vezetőképesség fejleszthető . Ezért a grafén-oxid (GO) gazdaságosan előállítható grafitporból savak felhasználásával . A diszpergálható grafén előállítására különböző kémiai módszereket fejlesztettek ki, mint például a grafit interkalatív tágítása, a GO termikus redukciója, a kémiai gőzleválasztás (CVD) és az epitaxiális növekedés . A grafit különböző szerves oldószerekben történő szonikálásával szűz graféneket izoláltak . Tour és munkatársai nem oxidált és nem funkcionalizált grafén nanorétegek előállításáról számoltak be ortodiklór-benzolban történő egyszerű szonikációs folyamatot követően . Hasonló módon Bourlinos és társai a grafit különböző szerves oldószerekben, például klóracetátban, piridinben, perfluorozott aromás molekulákban stb. való eloszlását tárgyalták, jó hozammal, kontrollcentrifugálás és fürdőszonikáció alkalmazásával. A grafén eloszlása szerves oldószerekben segíti a funkcionalizálását a különböző funkciós csoportokon keresztül. A szén nanocsövek kémiai felbontását követően szűz grafén nanoszalagokat is előállítottak . A grafén funkcionalizálása nemcsak a fizikai és kémiai tulajdonságokra van mélyreható hatással, hanem fontos lépést jelent az új 2D anyagok kifejlesztésében is. Az érintetlen grafén funkcionalizálása elősegíti a jobb diszpergálást, ami a grafén töltőanyagként való felhasználásával készült kompozitok előállításának kulcsfontosságú követelménye. Ezen túlmenően a kromofór jelenléte néhány előnyt is biztosít, mint például a vezetőképesség. Ezen túlmenően a sávhézag kifejlesztése kémiai adalékolással szintén alkalmassá teszi az elektronikus eszközökben való felhasználásra . A grafén szerves kovalens funkcionalizálása általában kétféleképpen történik: (1) a szabad gyökök/dienofilek és a C
C kötések közötti kovalens kötések kialakításával, és (2) a szerves funkciós csoportok és a GO oxigéncsoportjai közötti kovalens kötéssel. A grafén kiváló mechanikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkező új anyagként került a figyelem középpontjába, amely lehetővé teszi az alkalmazások széles körét . Ezért számos kreatív technikát írtak le a különböző alkalmazásokhoz megfelelő, fejlett tulajdonságokkal rendelkező grafénalapú anyagok szintézisére . Ezek közül általában a CVD-eljárás kisebb hibákkal rendelkező grafént állít elő, ami nagyon hasznos lehet az elektronikus alkalmazásokban, ahol egy apró mennyiségű grafén teljesítheti a követelményeket. Ezen túlmenően a jelentős alkalmazások fejlesztéséhez, kezdve a vezető tintáktól és a kompozitok töltőanyagától kezdve az akkumulátorokig vagy érzékelőkig, a költséghatékony gyártási technika ajánlott lenne, amely jó korrelációt mutat a gyártás/manipuláció egyszerűsége és a grafén tulajdonságainak folytonossága között. Általában az ömlesztett grafitból történő hámlasztás a legésszerűbb módja annak, hogy nagy mennyiségű grafénhez jussunk. Emellett a folyadékfázisú exfoliációs technika számos előnnyel rendelkezik, mivel a stabil grafénszuszpenziók felhasználhatók az anyag különböző feldolgozási lépéseihez, például kémiai funkcionalizáláshoz, felületmódosításhoz és filmek lerakásához. A grafén oldatokba történő hámlasztásához a grafitrétegek között fennálló hatalmas van der Waals-szerű erők megtörése a grafit megfelelő oldószerekben történő szonikálásával, valamint elektrokémiai és kémiai oxidációval érhető el . Ezekhez az eljárásokhoz azonban bizonyos korlátok kapcsolódnak. Bár az oxidációs módszer hasznos, de bomlasztó hatású. Még redukció után is tökéletlen graféneket eredményez . Jobb minőségű grafén nyerhető szerves oldószerekben történő szonikálással, bár még mindig hibás, de általában a pehelyméret meglehetősen kicsi. Továbbá a grafénrétegek hajlamosak a grafitos szerkezet helyreállítására, hogy csökkentsék a felületi szabad energiát. Ezt vagy a stabilizátorokkal, például aromás molekulákkal, polimerekkel és felületaktív anyagokkal való nem kovalens kölcsönhatással, vagy kovalens funkcionalizálással lehet leküzdeni . Bár a grafén elektronikus szerkezete a kovalens kölcsönhatások révén figyelemre méltóan változhat, a molekulák grafénen való abszorpciója a grafénlapok puszta védőrétegeként működhet. Másrészt, a meghatározott molekulák adszorpciója is hozhat egy sávhézagot a grafénben . Ezért a különböző molekulák grafénnel való nem kovalens kölcsönhatásának ismerete vonzó téma az irigylésre méltó alkalmazások új származékainak bővítéséhez, amelyek közé tartoznak a grafén alapú térhatású tranzisztorok, kémiai detektorok vagy szerves optoelektronikai eszközök. Hernandez és mtsai. és Blake és mtsai. megállapították a hibamentes egyrétegű grafén előállítását grafit N-metil-pirrolidonban történő hámozásával . Ez a megközelítés a grafén és az N-metil-pirrolidon hasonló felületi energiáját használja ki, ami elősegíti a hámlást. Hasonlóképpen, Lotya és munkatársai nátrium-dodecil-benzol-szulfonátot használtak vízben a grafit hámlasztásához grafén előállításához. A szűz grafittal ellentétben a GO a természetben elektromos szigetelő, a szén-oxigén arány (C/O) jellemzően ̴∼2 . Részleges redukció után a kialakult elektromosan vezető állapot C/O aránya 6 és 500 között van. A redukált GO (rGO) tökéletlensége és funkcionalizált szerkezete fontosabb szerepet játszik az alkalmazásában, mint az érintetlen graféné . A körülbelül 2 C/O aránnyal rendelkező funkcionalizált grafénlapok sp3 hibridizált szénatomokból állnak, amelyek egy 2-D hatszögletű lapba kapcsolódnak, a lap mindkét oldalán funkcionalitásokból álló oxigéntömbbel. Minél magasabb a funkcionalizált grafénlapok oxigén-funkcionalitása, annál jobb a diszperziójuk poláris oldószerekben. Ez további funkcionalizáláshoz is megfelelő helyeket biztosít. Az alkalmazáshoz a grafénlapoknak jól elkülönítettnek és aggregációtól mentesnek kell lenniük. Ennek jobb módja a szomszédos grafénlapok kovalens összekapcsolása egy merev, rövid, vezető híddal. A szakirodalom kiemeli az észterek és amidok kötésként való használatát . A konjugált hálózathoz való kapcsolódás is a diazónium-kémiát követve történik . A 2 C/O aránnyal rendelkező funkcionalizált grafénlapokhoz való kovalens kötéseket számos molekula esetében állapították meg, amelyek közé tartoznak a makrociklusok, mint a ciklodextrinek, az aromás színezékek, mint a porfirinek, a diaminoalkánok, a 4-tert-butilfenil és azido-terminált polikaprolaktán . A közelmúltban különböző módszereket fejlesztettek ki hibamentes egyrétegű, néhány és többrétegű grafén, funkcionalizált grafén és rGO, valamint GO előállítására . A grafén e sokfélesége megkönnyíti a határfelületi adhézió szakszerű inflexióját, és fokozza a polimerek széles skálájával, például polimájsavval, polianilinnel, polietilénglikollal, polikaprolaktonnal stb. való kompatibilitását. Általában a grafén előállítási technikák két kategóriába sorolhatók, azaz az alulról felfelé irányuló módszerek (pl. CVD és SiC) és a felülről lefelé irányuló módszerek (pl. kémiai hámlasztás, nagy nyírószilárdságú keverés stb. ). Az alulról felfelé irányuló módszerekkel kiváló minőségű, minimális hibákkal rendelkező grafén állítható elő, amely értékes lehet az elektronikai alkalmazásokban. Ezek azonban költségesek és nem könnyű őket nagy léptékben előállítani .
Ez a fejezet a különböző tényezők, mint például a felület, a hibák, a porozitás és a funkciós csoportok jellege hatását tárgyalja a funkcionalizált grafénnel erősített polimer alapú nanokompozitok tekintetében. A polimer alapú nanokompozitok tulajdonságait nagymértékben befolyásolja az anyagok felületének, hibáinak, porozitásának stb. változása. A funkcionalizálás következtében a grafénben bekövetkező polaritásváltozás mértéke jelen fejezet részét képezi. A grafén funkcionalizálásának különböző technikái is szerepelnek. A funkcionalizált grafénnel erősített polimer mátrix alapú kompozitok tulajdonságait befolyásoló tényezők szerepet játszanak majd az új polimer alapú kompozitok tervezésénél a jellemzők manipulálásában.
