1 Introduzione
Il grafene, un allotropo del carbonio elementare, è emerso come un materiale eccezionale del secolo attuale. Comprende un singolo strato planare di atomi di carbonio che sono disposti in un reticolo a nido d’ape in 2-D che possiede una lunghezza del legame C-C di 0,142 nm. Questo materiale ha ricevuto un’importanza mondiale per le sue proprietà termiche, ottiche, meccaniche e di trasporto delle cariche. Questo foglio spesso un solo atomo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape è il materiale più forte, più sottile e più rigido del mondo, oltre alla sua eccellente conducibilità termica ed elettrica. Si ipotizza ora che questi materiali 2-D stiano crescendo di interesse dal punto di vista applicativo rispetto agli altri allotropi nanostrutturati del carbonio, cioè i nanotubi 1-D e i fullereni 0-D. Le sorprendenti caratteristiche del grafene derivano dall’orbitale 2p, che contribuisce, le bande di stato π che si delocalizzano sul foglio di carbonio che costituisce il grafene. Quindi, il grafene è un materiale molto duro che esibisce un’alta conducibilità termica, possiede una massa effettiva zero, mostra un’alta mobilità dei portatori di carica e l’impermeabilità ai gas. Queste caratteristiche rendono il grafene un materiale di riempimento promettente per lo sviluppo di compositi a base di polimeri. Il grafene ha attirato notevolmente e considerevole interesse grazie al suo miglior rapporto superficie-volume, per cui raggiunge eccellenti proprietà termiche, meccaniche ed elettriche. I fogli di grafene sono preparati dall’ossido di grafite sulla base di un processo chimico che si è assicurato essere più economico rispetto alla produzione di nanotubi di carbonio. Questa caratteristica distintiva rende il grafene molto più interessante per varie applicazioni in diversi campi tecnologici, come la microelettronica, materiale conduttore elettrico e termico, compositi polimerici rinforzati, ecc. L’ossido di grafite consiste di vari gruppi funzionali legati covalentemente come i gruppi carbossilici, idrossilici, epossidici e carbonilici. La presenza di questi gruppi funzionali rende l’ossido di grafite idrofilo in natura, ed è per questo che si gonfia in acqua. Tuttavia, questi gruppi forniscono anche un modo per la funzionalizzazione covalente. Gli ossidi di grafite sono elettricamente non conduttivi in natura, ma la conduttività può essere sviluppata dal riscaldamento a temperature relativamente basse. Ecco perché l’ossido di grafene (GO) in modo economico può essere prodotto da polveri di grafite utilizzando acidi. Vari metodi chimici, come l’espansione intercalare della grafite, la riduzione termica del GO, la deposizione chimica da vapore (CVD) e la crescita epitassiale, sono stati sviluppati per la preparazione del grafene dispersibile. Sonicando la grafite in diversi solventi organici, sono stati isolati grafeni vergini. Tour e colleghi hanno riportato la produzione di nanoschede di grafene non ossidato e non funzionalizzato a seguito di un semplice processo di sonicazione in ortodiclorobenzene. In modo simile, Bourlinos et al. hanno discusso la distribuzione della grafite in diversi solventi organici come cloroacetato, piridina, molecole aromatiche perfluorurate, ecc. La distribuzione del grafene nei solventi organici aiuta la sua funzionalizzazione attraverso i vari gruppi funzionali. Seguendo la decompressione chimica dei nanotubi di carbonio, sono stati prodotti anche nanoribboni di grafene vergine. La funzionalizzazione del grafene non solo ha un profondo effetto sulle proprietà fisiche e chimiche, ma rappresenta anche un passo importante nello sviluppo di nuovi materiali 2-D. La funzionalizzazione del grafene incontaminato aiuta una migliore dispersione, che è il requisito chiave per la preparazione di compositi che utilizzano il grafene come materiale di riempimento. Oltre a questo, la presenza di cromofori fornisce anche alcuni vantaggi come la conduttività. Oltre a ciò, lo sviluppo di un bandgap per drogaggio chimico lo rende anche adatto all’uso in dispositivi elettronici. La funzionalizzazione covalente organica del grafene è generalmente effettuata in due modi: (1) attraverso la formazione di legami covalenti tra i radicali liberi/dienofili con i legami C
C, e (2) attraverso il legame covalente tra i gruppi funzionali organici con i gruppi di ossigeno del GO. Il grafene è venuto in vista come un nuovo materiale con eccellenti proprietà meccaniche ed elettroniche che permette la sua vasta gamma di applicazioni. Pertanto, molte tecniche creative sono state descritte per la sintesi di materiali a base di grafene con proprietà avanzate, appropriate per diverse applicazioni. Tra queste, generalmente il processo CVD produce grafene con meno difetti, che può essere molto utile per applicazioni elettroniche in cui una piccola quantità di grafene può soddisfare il requisito. Inoltre, per lo sviluppo di applicazioni significative, a partire da inchiostri conduttori e riempitivi in compositi a batterie o sensori, la tecnica di fabbricazione efficiente in termini di costi sarebbe raccomandabile con una buona correlazione tra facilità di fabbricazione/manipolazione e continuazione delle proprietà del grafene. In generale, l’esfoliazione dalla grafite sfusa è il modo più ragionevole per ottenere un’enorme quantità di grafene. Inoltre, la tecnica di esfoliazione in fase liquida possiede diversi vantaggi, in quanto le sospensioni stabili di grafene possono essere utilizzate per diverse fasi di lavorazione del materiale come la funzionalizzazione chimica, la modifica della superficie e la deposizione di film. Per l’esfoliazione del grafene in soluzioni, la rottura delle enormi forze di van der Waals esistenti tra gli strati di grafite può essere ottenuta mediante sonicazione della grafite in solventi adatti e mediante ossidazione elettrochimica e chimica. Ma ci sono alcune limitazioni associate a questi processi. Anche se il metodo di ossidazione è utile, è dirompente. Anche dopo la riduzione, produce grafeni imperfetti. Grafene di migliore qualità può essere ottenuto per sonicazione in solventi organici, anche se ancora difettoso, ma normalmente la dimensione dei fiocchi è abbastanza piccola. Inoltre, gli strati di grafene hanno la tendenza a ripristinare la struttura grafitica per ridurre l’energia libera superficiale. Questo può essere superato sia dall’interazione non covalente con stabilizzatori come molecole aromatiche, polimeri e tensioattivi, sia dalla funzionalizzazione covalente. Anche se la struttura elettronica del grafene può variare notevolmente tramite interazioni covalenti, l’assorbimento delle molecole sul grafene può agire come un semplice mantello protettivo dei fogli di grafene. D’altra parte, l’adsorbimento di molecole definite può anche portare un bandgap nel grafene. Quindi, la conoscenza dell’interazione non covalente di varie molecole con il grafene è un argomento attraente per l’espansione di nuovi derivati per applicazioni invidiabili, che includono transistor a effetto campo basati sul grafene, rilevatori chimici o dispositivi optoelettronici organici. Hernandez et al. e Blake et al. hanno stabilito la produzione di grafene monostrato senza difetti tramite l’esfoliazione della grafite in N-metilpirrolidone. Questo approccio utilizza la simile energia superficiale del grafene e l’N-metilpirrolidone che promuove l’esfoliazione. Allo stesso modo, Lotya e i membri del suo team hanno usato sodio dodecil benzene solfonato in acqua per l’esfoliazione della grafite per produrre grafene. Contrariamente al grafene vergine, il GO è un isolante elettrico in natura con un caratteristico rapporto carbonio-ossigeno (C/O) di ̴∼2 . Dopo la riduzione parziale, lo stato sviluppato elettricamente conduttivo possiede un rapporto C/O nell’intervallo ̴di 6 a 500 . L’imperfezione e la struttura funzionalizzata del GO ridotto (rGO) gioca un ruolo più importante nella sua applicazione rispetto a quella del grafene incontaminato. I fogli di grafene funzionalizzato che possiedono un rapporto C/O di circa 2 consistono di atomi di carbonio ibridati sp3 attaccati in un foglio esagonale 2-D con un array di ossigeno costituito da funzionalità su entrambi i lati del foglio. Più alte sono le funzionalità di ossigeno sui fogli di grafene funzionalizzato, migliore è la dispersione nei solventi polari. Fornisce anche siti adatti per un’ulteriore funzionalizzazione. Per l’applicazione, i fogli di grafene dovrebbero essere ben separati e privi di aggregazione. Il modo migliore per ottenere questo è quello di collegare covalentemente i fogli di grafene adiacenti con un ponte rigido, corto e conduttore. La letteratura è disponibile evidenziando l’uso di estere e ammide come collegamenti. Inoltre, il collegamento alla rete coniugata viene effettuato seguendo la chimica del diazonio . Collegamenti covalenti al foglio di grafene funzionalizzato in possesso di rapporto C / O di 2 sono stati dichiarati per un certo numero di molecole, che includono macrocicli come ciclodestrine, coloranti aromatici come porfirine, diaminoalcani, 4-tert-butilfenile, e azido-terminato poli caprolattano. Recentemente, sono stati sviluppati diversi metodi per la produzione di grafene senza difetti da monostrato a pochi strati e multistrato, grafene funzionalizzato, e rGO così come GO. Questa diversità nel grafene facilita l’inflessione competente dell’adesione interfacciale e migliora la sua compatibilità con una vasta gamma di polimeri come l’acido polilattico, polianilina, polietilenglicole, policaprolattone, ecc. In generale, le tecniche di produzione del grafene possono essere classificate in due categorie, cioè i metodi bottom-up (ad esempio, CVD e SiC) e i metodi top-down (ad esempio, esfoliazione chimica, miscelazione ad alto taglio, ecc.) I metodi bottom-up producono grafene di alta qualità con difetti minimi, e questi possono essere preziosi per le applicazioni elettroniche. Ma sono costosi e non facili da produrre su larga scala.
In questo capitolo, gli effetti di diversi fattori come l’area superficiale, i difetti, la porosità e la natura dei gruppi funzionali sono discussi in relazione ai nanocompositi a base di polimeri con rinforzo di grafene funzionalizzato. Le proprietà dei nanocompositi a base di polimeri sono largamente influenzate dal cambiamento dell’area superficiale, dei difetti, della porosità, ecc. dei materiali. L’entità del cambiamento di polarità nel grafene dovuto alla funzionalizzazione fa parte del presente capitolo. Sono incluse anche le diverse tecniche di funzionalizzazione del grafene. I fattori che influenzano le proprietà dei compositi a matrice polimerica rinforzati con grafene funzionalizzato avranno un ruolo nella manipolazione delle caratteristiche della progettazione di nuovi compositi a base di polimeri.
