1 Introducere
Grafenul, un alotrop al carbonului elementar, a apărut ca un material remarcabil al secolului actual. Acesta cuprinde un singur strat planar de atomi de carbon care sunt aranjați într-o rețea alveolată în 2-D, posedând o lungime a legăturii simple C-C de 0,142 nm. Acest material a căpătat o importanță mondială datorită proprietăților sale termice, optice, mecanice și de transport de sarcină. Această foaie cu grosimea unui singur atom de atomi de carbon dispusă în formă de fagure de miere este cel mai rezistent, mai subțire și mai rigid material din lume, pe lângă faptul că are o conductivitate termică și electrică excelentă. În prezent, se speculează că aceste materiale 2-D prezintă un interes mai mare din punct de vedere al aplicațiilor decât ceilalți alotropi nanostructurați ai carbonului, și anume nanotuburile 1-D și fullerenele 0-D. Caracteristicile uimitoare ale grafenei derivă din orbitalul 2p, care contribuie, prin benzile de stare π care se delocalizează pe foaia de carbon care constituie grafena. Prin urmare, grafenul este un material foarte dur care prezintă o conductivitate termică ridicată, posedă o masă efectivă zero, prezintă o mobilitate ridicată a purtătorilor de sarcină și impermeabilitate la gaze . Aceste caracteristici fac din grafenă un material de umplutură promițător pentru dezvoltarea de materiale compozite pe bază de polimeri. Grafenul a atras un interes remarcabil și considerabil datorită raportului îmbunătățit dintre suprafață și volum, fapt pentru care obține proprietăți termice, mecanice și electrice excelente . Foi de grafenă sunt preparate din oxid de grafit pe baza unui proces chimic despre care s-a asigurat că este mai ieftin decât producția de nanotuburi de carbon . Această caracteristică distinctivă face ca grafenul să prezinte un interes mult mai mare pentru diverse aplicații în mai multe domenii tehnologice, cum ar fi microelectronica, materiale conductoare electrice și termice, materiale compozite polimerice ranforsate etc. . Oxidul de grafit este format din diverse grupări funcționale legate covalent, cum ar fi grupările carboxil, hidroxil, epoxi și carbonil. Prezența acestor grupe funcționale face ca oxidul de grafit să fie hidrofil în natură și de aceea se umflă în apă. Cu toate acestea, aceste grupe oferă, de asemenea, o cale pentru funcționalizarea covalentă . Oxizii de grafit sunt neconductivi din punct de vedere electric în natură, dar conductivitatea poate fi dezvoltată prin încălzire la temperaturi relativ scăzute . De aceea, oxidul de grafenă (GO) poate fi produs în mod economic din pulberi de grafit cu ajutorul acizilor . Diferite metode chimice, cum ar fi expansiunea intercalativă a grafitului, reducerea termică a GO, depunerea chimică în stare de vapori (CVD) și creșterea epitaxială, au fost dezvoltate pentru prepararea grafenului dispersabil . Prin sonicarea grafitului în diferiți solvenți organici, au fost izolate grafene virgine . Tour și colaboratorii au raportat producerea de nanofolii de grafene neoxidate și nefuncționalizate în urma unui proces simplu de sonicare în ortodiclorbenzen . Într-o manieră similară, Bourlinos et al. au discutat despre distribuția grafitului în diferiți solvenți organici, cum ar fi cloroacetatul, piridina, moleculele aromatice perfluorurate etc., cu un randament bun, folosind centrifugarea de control și sonicare în baie. Distribuția grafenului în solvenți organici ajută la funcționalizarea acestuia prin intermediul diferitelor grupări funcționale. Urmărind desfacerea chimică a nanotuburilor de carbon, s-au produs, de asemenea, nanoriboni de grafenă virgină . Funcționalizarea grafenului nu numai că are un efect profund asupra proprietăților fizice și chimice, dar reprezintă, de asemenea, un pas important în dezvoltarea de noi materiale 2D. Funcționalizarea grafenei imaculate contribuie la o mai bună dispersie, ceea ce reprezintă o cerință esențială pentru prepararea compozitelor care utilizează grafena ca material de umplutură. În plus, prezența cromoforilor oferă, de asemenea, unele avantaje, cum ar fi conductivitatea. În plus, dezvoltarea unei benzi interzise prin dopaj chimic îl face, de asemenea, potrivit pentru utilizarea în dispozitive electronice . Funcționalizarea organică covalentă a grafenului se realizează, în general, în două moduri: (1) prin formarea de legături covalente între radicalii liberi/dienofili cu legăturile C
C și (2) prin legături covalente între grupele funcționale organice și grupele de oxigen ale GO. Grafenul a intrat în vizor ca un nou material cu proprietăți mecanice și electronice excelente care permite o gamă largă de aplicații . Prin urmare, au fost descrise multe tehnici creative pentru sinteza de materiale pe bază de grafen cu proprietăți avansate, adecvate pentru diferite aplicații . Dintre acestea, în general, procesul CVD produce grafene cu defecte mai puține, ceea ce poate fi foarte util pentru aplicațiile electronice în care o cantitate infimă de grafenă poate îndeplini cerințele . În plus, pentru dezvoltarea unor aplicații semnificative, începând de la cerneluri conductoare și materiale de umplutură în materiale compozite până la baterii sau senzori, tehnica de fabricare eficientă din punct de vedere al costurilor ar fi recomandabilă, existând o bună corelație între ușurința de fabricare/manipulare și continuarea proprietăților grafenei. În general, exfolierea din grafitul masiv este cea mai rezonabilă modalitate de obținere a unei cantități uriașe de grafenă. În plus, tehnica de exfoliere în fază lichidă posedă mai multe avantaje, deoarece suspensiile stabile de grafenă pot fi utilizate pentru diferite etape de prelucrare a materialului, cum ar fi funcționalizarea chimică, modificarea suprafeței și depunerea de filme. Pentru exfolierea grafenului în soluții, ruperea forțelor uriașe de tip van der Waals existente între straturile de grafit poate fi obținută prin sonicare a grafitului în solvenți adecvați și prin oxidare electrochimică și chimică. Dar există anumite limitări asociate cu aceste procese. Deși metoda oxidării este una utilă, ea este perturbatoare. Chiar și după reducere, aceasta produce grafene imperfecte . Grafene de o calitate mai bună pot fi obținute prin sonicare în solvenți organici, deși sunt încă defecte, dar în mod normal dimensiunea fulgilor este destul de mică. În plus, straturile de grafenă au tendința de a reface structura grafiticească pentru a reduce energia liberă de suprafață. Acest lucru poate fi depășit fie prin interacțiune necovalentă cu stabilizatori precum moleculele aromatice, polimerii și agenții tensioactivi, fie prin funcționalizare covalentă . Deși structura electronică a grafenului poate varia în mod remarcabil prin interacțiuni covalente, absorbția moleculelor pe grafen poate acționa ca un simplu strat protector al foilor de grafen. Pe de altă parte, adsorbția unor molecule definite poate aduce, de asemenea, o bandă interzisă în grafenă . Prin urmare, cunoașterea interacțiunii necovalente a diferitelor molecule cu grafenul este un subiect atractiv pentru extinderea noilor derivați pentru aplicații de invidiat, care includ tranzistori cu efect de câmp pe bază de grafen, detectoare chimice sau dispozitive optoelectronice organice. Hernandez et al. și Blake et al. au stabilit producerea de grafene monostrat fără defecte prin exfolierea grafitului în N-metil-pirrolidonă . Această abordare utilizează energia de suprafață similară a grafenei și a N-metil-pirrolidonei, care favorizează exfolierea. În mod similar, Lotya și membrii echipei sale au folosit dodecil benzen sulfonat de sodiu în apă pentru exfolierea grafitului pentru a produce grafenă. Spre deosebire de grafenul virgin, GO este un izolator electric în natură, cu un raport carbon-oxigen (C/O) distinctiv de ̴∼2 . După o reducere parțială, starea de conductivitate electrică dezvoltată posedă un raport C/O în intervalul ̴de 6 până la 500 . Imperfecțiunea și structura funcționalizată a GO redus (rGO) joacă un rol mai important în aplicarea sa decât cea a grafenei pristine . Foi de grafene funcționalizate care posedă un raport C/O de aproximativ 2 constau din atomi de carbon hibridizați sp3 atașați într-o foaie hexagonală 2-D cu o matrice de oxigen constând în funcționalități pe ambele părți ale foii. Cu cât numărul de funcționalități de oxigen de pe foile de grafene funcționalizate este mai mare, cu atât mai bună este dispersia în solvenți polari. De asemenea, oferă situsuri adecvate pentru o funcționalizare suplimentară. Pentru aplicare, foile de grafenă trebuie să fie bine separate și lipsite de agregare. Cea mai bună modalitate de a realiza acest lucru este legarea covalentă a foilor de grafenă adiacente printr-o punte rigidă, scurtă și conductoare. Există literatură care evidențiază utilizarea esterilor și amidelor ca legături . De asemenea, legarea la rețeaua conjugată se realizează în urma chimiei diazoniului . Legăturile covalente cu foaia de grafenă funcționalizată care posedă un raport C/O de 2 au fost declarate pentru o serie de molecule, care includ macrocicluri precum ciclodextrinele, coloranți aromatici precum porfirinele, diaminoalcanii, 4-terț-butilfenilul și policaprolactanul cu terminații azido . Recent, au fost dezvoltate diferite metode de producere a grafenei fără defecte cu un singur strat până la grafene cu câteva și mai multe straturi, a grafenei funcționalizate și a rGO, precum și a GO . Această diversitate a grafenului facilitează o inflexiune competentă a adeziunii interfaciale și sporește compatibilitatea sa cu o gamă largă de polimeri, cum ar fi acidul polilactic, polianilina, polietilenglicolul, policaprolactona etc. . În general, tehnicile de producere a grafenei pot fi clasificate în două categorii, și anume, metode de jos în sus (de exemplu, CVD și SiC) și metode de sus în jos (de exemplu, exfoliere chimică, amestecare cu forfecare ridicată etc. ). Metodele de jos în sus produc grafenă de înaltă calitate cu defecte minime, iar acestea pot fi valoroase pentru aplicații electronice. Dar ele sunt costisitoare și nu sunt ușor de produs la scară uriașă .
În acest capitol, efectele diferiților factori, cum ar fi suprafața, defectele, porozitatea și natura grupărilor funcționale, sunt discutate în ceea ce privește nanocompozitele pe bază de polimeri cu întărire de grafenă funcționalizată. Proprietățile nanocompozitelor pe bază de polimeri sunt afectate în mare măsură de modificarea suprafeței, a defectelor, a porozității etc., a materialelor. Gradul de modificare a polarității grafenei ca urmare a funcționalizării face parte din prezentul capitol. De asemenea, sunt incluse diferitele tehnici de funcționalizare a grafenului. Factorii care influențează proprietățile compozitelor pe bază de matrice polimerică ranforsate cu grafene funcționalizate vor juca un rol în manipularea caracteristicilor de proiectare a unor noi compozite pe bază de polimeri.
.
