1 Introdução
Graphene, uma alotróia de carbonos elementares, surgiu como um material notável do século presente. É composto por uma camada planar única de átomos de carbono que estão dispostos numa estrutura alveolar em 2-D, possuindo um comprimento de ligação única C-C de 0,142 nm. Este material tem recebido importância mundial devido às suas propriedades térmicas, ópticas, mecânicas e de transporte de cargas. Esta folha de átomos de carbono com uma espessura de uma átomo de carbono, disposta num padrão alveolar, é o material mais forte, fino e rígido do mundo, além da sua excelente condutividade térmica e eléctrica. Especula-se agora que estes materiais 2-D estão a crescer mais interesse do ponto de vista da aplicação do que os outros allotropos nanoestruturados de carbono, ou seja, nanotubos 1-D e fullerenes 0-D. As incríveis características do grafeno são derivadas do orbital 2p, que contribui, as bandas de estado π que ficam, deslocalizam-se sobre a folha de carbono que constitui o grafeno. Assim, o grafeno é um material muito duro que apresenta alta condutividade térmica, possuindo massa zero efetiva, apresentando alta mobilidade de carga e impermeabilidade aos gases. Estas características fazem do grafeno um material de enchimento promissor para o desenvolvimento de compósitos à base de polímeros . O grafeno tem atraído um interesse notável e considerável devido à sua melhor relação superfície/volume, para a qual atinge excelentes propriedades térmicas, mecânicas e elétricas . As folhas de grafeno são preparadas a partir de óxido de grafite com base em um processo químico assegurado de ser mais barato do que a produção de nanotubos de carbono . Esta característica distintiva torna o grafeno muito mais interessante para diversas aplicações em diversos campos tecnológicos, como microeletrônica, materiais condutores elétricos e térmicos, compósitos de polímeros reforçados, etc. . O óxido de grafite é constituído por vários grupos funcionais covalentemente ligados, como os grupos carboxilo, hidroxilo, epoxi e carbonilo. A presença destes grupos funcionais torna o óxido de grafite hidrófilo na natureza, e é por isso que ele incha na água. No entanto, estes grupos também proporcionam uma forma de funcionalização covalente. Os óxidos de grafite são eletricamente não-condutores na natureza, mas a condutividade pode ser desenvolvida através do aquecimento a temperaturas comparativamente baixas . É por isso que o óxido de grafite (GO) de forma econômica pode ser produzido a partir de pós de grafite utilizando ácidos . Vários métodos químicos, como expansão intercalar de grafite, redução térmica de GO, deposição química de vapor (CVD) e crescimento epitaxial, foram desenvolvidos para a preparação de grafeno dispersável . Através da sonicação da grafite em diferentes solventes orgânicos, grafenos virgens foram isolados . Os colegas de trabalho relataram a produção de nanoquetas de grafeno não oxidadas e não funcionalizadas, seguindo um processo simples de sonicação em ortodiclorobenzeno . De maneira semelhante, Bourlinos et al. discutiram a distribuição de grafite em diferentes solventes orgânicos como cloroacetato, piridina, moléculas aromáticas perfluoradas, etc., em bom rendimento usando centrifugação de controle e sonicação de banho. A distribuição de grafeno em solventes orgânicos auxilia na sua funcionalização através dos vários grupos funcionais. Seguindo a descompressão química dos nanotubos de carbono, também foram produzidos nanoribões de grafeno virgem. A funcionalização do grafeno não só tem um efeito profundo nas propriedades físicas e químicas, mas também representa um passo importante no desenvolvimento de novos materiais 2-D. A funcionalização do grafeno intacto ajuda a uma melhor dispersão, que é o requisito fundamental para a preparação de compósitos usando grafeno como material de enchimento. Além disso, a presença de cromóforos também oferece algumas vantagens como condutividade. Além disso, o desenvolvimento de um bandgap por doping químico também o torna adequado para uso em dispositivos eletrônicos . A funcionalização covalente orgânica do grafeno é geralmente realizada de duas maneiras: (1) pela formação de ligações covalentes entre os radicais livres/dienófilos com as ligações C
C, e (2) pela ligação covalente entre os grupos funcionais orgânicos com os grupos de oxigénio do GO. O grafeno foi visto como um novo material com excelentes propriedades mecânicas e eletrônicas que permite sua ampla gama de aplicações. Portanto, muitas técnicas criativas têm sido descritas para a síntese de materiais baseados em grafeno com propriedades avançadas, apropriadas para diferentes aplicações . Destas, geralmente o processo CVD produz grafeno com defeitos menores, o que pode ser muito útil para aplicações eletrônicas, nas quais uma pequena quantidade de grafeno pode preencher a exigência . Além disso, para o desenvolvimento de aplicações significativas, desde a condução de tintas e enchimentos em compósitos até baterias ou sensores, a técnica de fabricação econômica seria recomendável com uma boa correlação entre facilidade de fabricação/manipulação e continuação das propriedades do grafeno. Geralmente, a esfoliação de grafite a granel é a forma mais razoável de obter uma enorme quantidade de grafeno. Além disso, a técnica de esfoliação em fase líquida possui várias vantagens, já que as suspensões estáveis do grafeno podem ser utilizadas para diferentes etapas de processamento do material, como a funcionalização química, modificação da superfície e deposição do filme. Para a esfoliação do grafeno em soluções, a quebra das enormes forças do tipo van der Waal, existentes entre as camadas de grafite, pode ser obtida pela sonicação da grafite em solventes adequados e pela oxidação eletroquímica e química. Mas existem certas limitações associadas a estes processos. Embora o método de oxidação seja um método útil, é perturbador. Mesmo após a redução, ele produz grafenos imperfeitos . Grafenos de melhor qualidade podem ser obtidos por sonicação em solventes orgânicos, embora ainda defeituosos, mas normalmente o tamanho dos flocos é bastante pequeno. Além disso, as camadas de grafeno têm a tendência de restaurar a estrutura gráfica para reduzir a energia livre de superfície. Isto pode ser superado tanto pela interação não-vigalente com estabilizadores como moléculas aromáticas, polímeros e surfactantes ou pela funcionalização covalente. Embora a estrutura eletrônica do grafeno possa variar notavelmente por interações covalentes, a absorção das moléculas no grafeno pode atuar como uma mera camada protetora das folhas de grafeno. Por outro lado, a adsorção de moléculas definidas também pode trazer um bandgap no grafeno . Assim, o conhecimento da interação nãocovalente de várias moléculas com o grafeno é um tópico atraente para a expansão de novos derivados para aplicações invejáveis, que incluem transistores de efeito de campo baseados em grafeno, detectores químicos, ou dispositivos optoeletrônicos orgânicos. Hernandez et al. e Blake et al. estabeleceram a produção de grafeno monocamada livre de defeitos através da esfoliação de grafite em N-metilpirrolidona . Esta abordagem utiliza a energia superficial similar do grafeno, e da N-metilpirrolidona, que promove a esfoliação. Da mesma forma, Lotya e os membros da sua equipa têm usado dodecilbenzeno sulfonato de sódio na água para a esfoliação da grafite para produzir grafite. Ao contrário do grafeno virgem, GO é um isolante elétrico na natureza com uma relação carbono/oxigênio (C/O) distinta de ̴∼2 . Após redução parcial, o estado de condução eléctrica desenvolvido possui uma relação C/O na gama ̴of 6 a 500 . A imperfeição e a estrutura funcionalizada do GO reduzido (rGO) desempenha um papel mais importante na sua aplicação do que o do grafeno intacto. As folhas de grafeno funcionalizadas com uma relação C/O de aproximadamente 2 consistem em átomos de carbono hibridizados sp3 ligados numa folha hexagonal 2-D com um conjunto de oxigénio constituído por funcionalidades em ambos os lados da folha. Quanto maiores forem as funcionalidades de oxigénio nas folhas de grafeno funcionalizadas, melhor é a dispersão em solventes polares. Também fornece locais adequados para uma funcionalização adicional. Para aplicação, as folhas de grafeno devem estar bem separadas e desprovidas de agregação. A melhor forma de o conseguir é ligando covalentemente as folhas de grafeno adjacentes através de uma ponte rígida, curta e condutora. A literatura está disponível destacando o uso de éster e amide como links . Além disso, a ligação à rede conjugada é feita seguindo a química do diazônio . Ligações covalentes a folhas de grafeno funcionalizadas com relação C/O de 2 foram declaradas para uma série de moléculas, que incluem macrociclos como ciclodextrinas, corantes aromáticos como porfirinas, diaminoalcanos, 4-terc-butilfenil, e polivinilcaprolactano azido-terminado. Recentemente, diferentes métodos foram desenvolvidos para a produção de monocamada livre de defeitos para poucas e múltiplas camadas de grafeno, grafeno funcionalizado, e rGO, bem como GO . Esta diversidade em grafeno facilita a inflexão proficiente da adesão interfacial e aumenta sua compatibilidade com uma ampla gama de polímeros como ácido poliláctico, polianilina, polietilenoglicol, polycaprolactona, etc. . Geralmente, as técnicas de produção de grafeno podem ser classificadas em duas categorias, ou seja, métodos bottom-up (por exemplo, CVD e SiC) e métodos top-down (por exemplo, esfoliação química, alta mistura de cisalhamento, etc. ). Os métodos bottom-up produzem grafeno de alta qualidade com o mínimo de defeitos, e estes podem ser valiosos para aplicações eletrônicas. Mas eles são caros e não são fáceis de produzir em grande escala .
Neste capítulo, os efeitos de diferentes fatores como área de superfície, defeitos, porosidade e natureza dos grupos funcionais são discutidos com relação aos nanocompósitos à base de polímeros com reforço de grafeno funcionalizado. As propriedades dos nanocompósitos à base de polímeros são amplamente afetadas por alterações na área de superfície, defeitos, porosidade, etc., dos materiais. A extensão da mudança de polaridade no grafeno devido à funcionalização faz parte do presente capítulo. As diferentes técnicas para a funcionalização do grafeno também estão incluídas. Os fatores que influenciam as propriedades dos compósitos baseados em matrizes de polímeros reforçados com grafeno funcionalizado desempenharão um papel na manipulação das características do projeto de novos compósitos baseados em polímeros.
