1 Inleiding
Grafeen, een allotroop van elementair koolstof, is naar voren gekomen als een uitstekend materiaal van de huidige eeuw. Het bestaat uit een vlakke enkele laag van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatrooster in 2-D met een C-C enkele bindingslengte van 0,142 nm. Dit materiaal is wereldwijd belangrijk geworden vanwege zijn thermische, optische, mechanische en ladingstransporterende eigenschappen. Deze één-atoom-dikke plaat van koolstofatomen, gerangschikt in een honingraatpatroon, is ’s werelds sterkste, dunste en stijfste materiaal, naast zijn uitstekende warmte- en elektrische geleiding. Er wordt nu gespeculeerd dat deze 2D-materialen vanuit toepassingsoogpunt interessanter worden dan de andere nanogestructureerde allotropen van koolstof, d.w.z. 1-D nanobuisjes en 0-D fullerenen. De verbazingwekkende eigenschappen van grafeen zijn afgeleid van de 2p orbitaal, die bijdraagt tot de π toestand banden die zich delokaliseren over de koolstofplaat waaruit het grafeen is opgebouwd. Vandaar dat grafeen een zeer hard materiaal is met een hoge thermische geleidbaarheid, een effectieve massa van nul, een hoge mobiliteit van de ladingsdragers en een ondoordringbaarheid voor gassen. Deze eigenschappen maken grafeen tot een veelbelovend vulmateriaal voor de ontwikkeling van composietmaterialen op polymeerbasis. Grafeen heeft opmerkelijke en aanzienlijke belangstelling getrokken wegens zijn verbeterde oppervlakte/volumeverhouding, waardoor het uitstekende thermische, mechanische en elektrische eigenschappen bereikt. Grafeenvellen worden bereid uit grafietoxide op basis van een chemisch proces waarvan wordt aangenomen dat het goedkoper is dan de productie van koolstofnanobuisjes . Dit onderscheidende kenmerk maakt grafeen veel interessanter voor diverse toepassingen op verschillende technologische gebieden, zoals micro-elektronica, elektrisch en thermisch geleidend materiaal, versterkte polymeercomposieten, enz. Grafietoxide bestaat uit verschillende covalent gebonden functionele groepen zoals carboxyl-, hydroxyl-, epoxy- en carbonylgroepen. De aanwezigheid van deze functionele groepen maakt grafietoxide hydrofiel van aard, en dat is de reden waarom het opzwelt in water. Deze groepen bieden echter ook een mogelijkheid tot covalente functionalisering. Grafietoxiden zijn van nature elektrisch niet geleidend, maar geleidbaarheid kan worden ontwikkeld door verhitting bij betrekkelijk lage temperaturen. Daarom kan grafeenoxide (GO) op een economische manier geproduceerd worden uit grafietpoeders met behulp van zuren . Verschillende chemische methoden, zoals intercalatieve expansie van grafiet, thermische reductie van GO, chemische dampdepositie (CVD), en epitaxiale groei, zijn ontwikkeld voor de bereiding van dispergeerbaar grafeen . Door het soniceren van grafiet in verschillende organische oplosmiddelen zijn maagdelijke grafenen geïsoleerd. Tour en medewerkers hebben de productie gerapporteerd van niet-geoxideerde en niet-gefunctionaliseerde grafeen-nanosheets na een eenvoudig sonicatieproces in orthodichloorbenzeen. Op soortgelijke wijze hebben Bourlinos et al. de verdeling van grafiet in verschillende organische oplosmiddelen zoals chlooracetaat, pyridine, geperfluoreerde aromatische moleculen, enz. in goede opbrengst met behulp van controle centrifugatie en bad sonicatie besproken. De verdeling van grafeen in organische oplosmiddelen bevordert de functionalisering ervan door de verschillende functionele groepen. Door het chemisch uitpakken van koolstofnanobuisjes zijn ook maagdelijke grafeennanoribbons geproduceerd. Functionalisering van grafeen heeft niet alleen een diepgaand effect op de fysische en chemische eigenschappen, maar vormt ook een belangrijke stap in de ontwikkeling van nieuwe 2-D materialen. Functionalisering van ongerept grafeen draagt bij tot een betere dispersie, wat de belangrijkste voorwaarde is voor de bereiding van composieten die grafeen als vulmateriaal gebruiken. Bovendien biedt de aanwezigheid van chromoforen ook voordelen zoals geleidingsvermogen. Bovendien maakt de ontwikkeling van een bandkloof door chemische doping het ook geschikt voor gebruik in elektronische apparaten. Organische covalente functionalisering van grafeen wordt over het algemeen op twee manieren uitgevoerd: (1) door de vorming van covalente bindingen tussen de vrije radicalen/dienofielen met de C
C bindingen, en (2) door covalente bindingen tussen de organische functionele groepen met de zuurstofgroepen van het GO. Grafeen is in beeld gekomen als een nieuw materiaal met uitstekende mechanische en elektronische eigenschappen dat een breed scala aan toepassingen mogelijk maakt. Daarom zijn er vele creatieve technieken beschreven voor de synthese van op grafeen gebaseerde materialen met geavanceerde eigenschappen, geschikt voor verschillende toepassingen. Van deze technieken produceert het CVD-proces over het algemeen grafeen met minder defecten, wat zeer nuttig kan zijn voor elektronische toepassingen waarin een kleine hoeveelheid grafeen aan de eisen kan voldoen. Bovendien zou voor de ontwikkeling van belangrijke toepassingen, gaande van geleidende inkten en vulstoffen in composieten tot batterijen of sensoren, de kostenefficiënte fabricagetechniek aan te bevelen zijn met een goede correlatie tussen het gemak van fabricage/manipulatie en de voortzetting van de grafeeneigenschappen. Over het algemeen is exfoliatie van bulkgrafiet de meest redelijke manier om een enorme hoeveelheid grafeen te verkrijgen. Bovendien, de vloeibare fase exfoliatie techniek bezit verschillende voordelen, zoals de stabiele suspensies van grafeen kan worden gebruikt voor verschillende verwerkingsstappen van het materiaal, zoals chemische functionalisering, oppervlakte modificatie, en film depositie. Voor de exfoliatie van grafeen in oplossingen kan het breken van de grote van der Waals krachten tussen de grafietlagen worden bereikt door het soniceren van grafiet in geschikte oplosmiddelen en door elektrochemische en chemische oxidatie. Maar er zijn bepaalde beperkingen verbonden aan deze processen. Hoewel de oxidatiemethode nuttig is, is zij ontwrichtend. Zelfs na reductie levert het onvolmaakte grafenen op. Grafeen van betere kwaliteit kan worden verkregen door sonicatie in organische oplosmiddelen, hoewel nog steeds onvolmaakt, maar normaal gesproken is de vlokgrootte vrij klein. Bovendien hebben de grafeenlagen de neiging de grafietstructuur te herstellen om de oppervlakte-vrije energie te verminderen. Dit kan worden verholpen door niet-covalente interactie met stabilisatoren zoals aromatische moleculen, polymeren en oppervlakteactieve stoffen of door covalente functionalisatie. Hoewel de elektronische structuur van grafeen opmerkelijk kan variëren door covalente interacties, kan de absorptie van moleculen op grafeen fungeren als een loutere beschermlaag van de grafeenbladen. Aan de andere kant kan de adsorptie van bepaalde moleculen ook een bandkloof in grafeen teweegbrengen. Daarom is de kennis van de niet-covalente interactie van diverse moleculen met grafeen een aantrekkelijk onderwerp voor de uitbreiding van nieuwe derivaten voor benijdenswaardige toepassingen, waaronder op grafeen gebaseerde veldeffecttransistoren, chemische detectoren, of organische opto-elektronische apparaten. Hernandez et al. en Blake et al. hebben de productie vastgesteld van defectvrij monolaaggrafeen door exfoliatie van grafiet in N-methylpyrrolidon. Deze aanpak maakt gebruik van de vergelijkbare oppervlakte-energie van grafeen en N-methylpyrrolidon die de exfoliatie bevordert. Lotya en zijn teamleden hebben eveneens natriumdodecylbenzeensulfonaat in water gebruikt voor de exfoliatie van grafiet om grafeen te produceren. In tegenstelling tot ruw grafeen is GO van nature een elektrisch isolator met een kenmerkende koolstof/zuurstofverhouding (C/O) van ̴∼2 . Na gedeeltelijke reductie bezit de ontwikkelde elektrisch geleidende toestand een C/O-verhouding in het bereik ̴ van 6 tot 500 . De imperfectie en de gefunctionaliseerde structuur van het gereduceerde GO (rGO) speelt een belangrijkere rol bij de toepassing ervan dan die van ongerept grafeen . Gefunctionaliseerde grafeenvellen met een C/O-verhouding van ongeveer 2 bestaan uit sp3 gehybridiseerde koolstofatomen die in een 2-D hexagonaal vel zijn bevestigd met een array van zuurstof bestaande uit functionaliteiten aan beide zijden van het vel. Hoe hoger de zuurstoffunctionaliteiten op gefunctionaliseerde grafeenvellen, des te beter is de dispersie in polaire oplosmiddelen. Het biedt ook geschikte plaatsen voor aanvullende functionalisering. Voor toepassing moeten de grafeenvellen goed gescheiden zijn en mogen ze niet aggregeren. De beste manier om dit te bereiken is door de aangrenzende grafeenvellen covalent te verbinden door een stijve, korte, geleidende brug. Er is literatuur beschikbaar waarin het gebruik van ester en amide als links wordt belicht. Ook wordt de koppeling aan het geconjugeerde netwerk uitgevoerd volgens de diazoniumchemie . Covalente verbindingen met gefunctionaliseerde grafeenplaten met een C/O-verhouding van 2 zijn vermeld voor een aantal moleculen, waaronder macrocycli zoals cyclodextrinen, aromatische kleurstoffen zoals porfyrines, diaminoalkanen, 4-tert-butylfenyl, en azido-getermineerd polycaprolactaan. Recentelijk zijn verschillende methoden ontwikkeld voor de productie van defectvrij monolaag- tot enkele- en meerlagig grafeen, gefunctionaliseerd grafeen, en rGO alsmede GO . Deze verscheidenheid in grafeen vergemakkelijkt een bekwame verbuiging van de interfaciale adhesie en verbetert de compatibiliteit ervan met een brede waaier van polymeren zoals polymelkzuur, polyaniline, polyethyleenglycol, polycaprolacton, enz. In het algemeen kunnen grafeenproductietechnieken in twee categorieën worden ingedeeld, namelijk bottom-up-methoden (bijvoorbeeld CVD en SiC) en top-down-methoden (bijvoorbeeld chemische exfoliatie, mengen onder hoge afschuifsnelheid, enz.) Bottom-up-methoden leveren grafeen van hoge kwaliteit op met een minimum aan defecten, en deze kunnen waardevol zijn voor elektronische toepassingen. Maar ze zijn kostbaar en niet gemakkelijk op grote schaal te produceren.
In dit hoofdstuk worden de effecten van verschillende factoren zoals oppervlakte, defecten, porositeit, en de aard van de functionele groepen besproken met betrekking tot de polymeer-gebaseerde nanocomposieten met versterking van gefunctionaliseerd grafeen. De eigenschappen van de polymeer-gebaseerde nanocomposieten worden grotendeels beïnvloed door verandering in het oppervlak, defecten, porositeit, enz. van de materialen. De mate van polariteitsverandering in grafeen als gevolg van functionalisatie maakt deel uit van het huidige hoofdstuk. De verschillende technieken voor functionalisering van grafeen komen ook aan de orde. De factoren die de eigenschappen van gefunctionaliseerde grafeen-versterkte polymeer-matrix-gebaseerde composieten beïnvloeden, zullen een rol spelen bij het manipuleren van de eigenschappen van het ontwerpen van nieuwe polymeer-gebaseerde composieten.
