1 Introduktion
Grafen, en allotrope av elementärt kol, har framstått som ett enastående material under detta århundrade. Det består av ett plant enkelt skikt av kolatomer som är arrangerade i ett honungskaksgitter i 2-D med en C-C enkelbindningslängd på 0,142 nm. Detta material har fått stor betydelse över hela världen på grund av dess termiska, optiska, mekaniska och laddningstransporterande egenskaper. Detta enatomtjocka skikt av kolatomer som är arrangerade i ett honungskaksmönster är världens starkaste, tunnaste och styvaste material, förutom att det har en utmärkt värme- och elektrisk ledningsförmåga. Det spekuleras nu i att dessa 2-D-material är mer intressanta ur tillämpningssynpunkt än de andra nanostrukturerade allotroperna av kol, dvs. 1-D-nanorör och 0-D-fullerener. Grafens fantastiska egenskaper härrör från 2p-orbitalet, som bidrar till π-banden som delokaliseras över det kolskikt som utgör grafen. Grafen är därför ett mycket hårt material som uppvisar hög värmeledningsförmåga, har noll effektiv massa, hög rörlighet för laddningsbärare och är ogenomträngligt för gaser. Dessa egenskaper gör grafen till ett lovande fyllnadsmaterial för utveckling av polymerbaserade kompositer. Grafen har väckt ett anmärkningsvärt och stort intresse på grund av sitt förbättrade förhållande mellan yta och volym, vilket gör att det har utmärkta termiska, mekaniska och elektriska egenskaper. Grafenplattor framställs från grafitoxid med hjälp av en kemisk process som är billigare än framställningen av kolnanorör . Denna speciella egenskap gör grafen mycket intressantare för olika tillämpningar inom flera tekniska områden, t.ex. mikroelektronik, elektriskt och termiskt ledande material, förstärkta polymerkompositer osv. Grafitoxid består av olika kovalent bundna funktionella grupper som karboxyl-, hydroxyl-, epoxi- och karbonylgrupper. Förekomsten av dessa funktionella grupper gör grafitoxid hydrofil i naturen, och det är därför den sväller i vatten. Dessa grupper ger emellertid också en möjlighet till kovalent funktionalisering . Grafitoxider är elektriskt oledande i naturen, men ledningsförmåga kan utvecklas genom upphettning vid jämförelsevis låga temperaturer . Därför kan grafenoxid (GO) på ett ekonomiskt sätt framställas från grafitpulver med hjälp av syror . Olika kemiska metoder, t.ex. interkalativ expansion av grafit, termisk reduktion av grafenoxid, kemisk förångningsdeposition (CVD) och epitaxiell tillväxt, har utvecklats för framställning av dispergerbart grafen . Genom att sonika grafit i olika organiska lösningsmedel har nya grafer isolerats . Tour och medarbetare har rapporterat om framställning av icke-oxiderade och icke-funktionaliserade grafen-nanoplattor efter en enkel sonikationsprocess i ortodiklorbenzen . På liknande sätt har Bourlinos et al. diskuterat fördelningen av grafit i olika organiska lösningsmedel som kloracetat, pyridin, perfluorerade aromatiska molekyler etc., med god avkastning med hjälp av kontrollcentrifugering och sonikation i bad. Distributionen av grafen i organiska lösningsmedel underlättar dess funktionalisering genom de olika funktionella grupperna. Genom att kemiskt avlägsna kolnanorör har man också framställt nya grafen-nanoband. Funktionalisering av grafen har inte bara en djupgående effekt på de fysiska och kemiska egenskaperna, utan utgör också ett viktigt steg i utvecklingen av nya 2D-material. Funktionalisering av obearbetat grafen bidrar till bättre dispersion, vilket är det viktigaste kravet för framställning av kompositer där grafen används som fyllnadsmaterial. Dessutom ger närvaron av kromoforer också vissa fördelar som ledningsförmåga. Utvecklingen av ett bandgap genom kemisk dopning gör den dessutom lämplig för användning i elektroniska apparater. Organisk kovalent funktionalisering av grafen utförs i allmänhet på två sätt: (1) genom bildande av kovalenta bindningar mellan de fria radikalerna/dienofilerna och C
C-bindningarna och (2) genom kovalenta bindningar mellan de organiska funktionella grupperna och syregrupperna i grafen. Grafen har kommit att betraktas som ett nytt material med utmärkta mekaniska och elektroniska egenskaper som möjliggör ett brett spektrum av tillämpningar. Därför har många kreativa tekniker beskrivits för syntesen av grafenbaserade material med avancerade egenskaper som lämpar sig för olika tillämpningar . Av dessa producerar CVD-processen i allmänhet grafen med mindre defekter, vilket kan vara mycket användbart för elektroniska tillämpningar där en liten mängd grafen kan uppfylla kraven . För utvecklingen av viktiga tillämpningar, från ledande bläck och fyllmedel i kompositer till batterier eller sensorer, skulle dessutom en kostnadseffektiv tillverkningsteknik vara att rekommendera, med en god korrelation mellan enkel tillverkning/manipulering och fortsatta grafenegenskaper. Generellt sett är exfoliering från bulkgrafit det mest rimliga sättet att få fram en stor mängd grafen. Dessutom har exfolieringstekniken i flytande fas flera fördelar, eftersom de stabila suspensionerna av grafen kan utnyttjas för olika bearbetningssteg av materialet, t.ex. kemisk funktionalisering, ytmodifiering och filmdeponering. För exfoliering av grafen i lösningar kan man bryta de enorma van der Waals-liknande krafter som finns mellan grafitskikten genom sonikation av grafit i lämpliga lösningsmedel och genom elektrokemisk och kemisk oxidation . Det finns dock vissa begränsningar som är förknippade med dessa processer. Även om oxidationsmetoden är användbar är den störande. Även efter reduktion ger den ofullständiga grafer . Grafen av bättre kvalitet kan erhållas genom sonikation i organiska lösningsmedel, även om det fortfarande är defekt, men normalt är flingstorleken ganska liten. Dessutom har grafenlagren en tendens att återställa den grafitiska strukturen för att minska den fria ytenergin. Detta kan övervinnas antingen genom icke-kovalent interaktion med stabilisatorer som aromatiska molekyler, polymerer och ytaktiva ämnen eller genom kovalent funktionalisering . Även om grafenets elektroniska struktur kan variera anmärkningsvärt genom kovalenta interaktioner kan absorptionen av molekyler på grafen fungera som en ren skyddsrock för grafenplattorna. Å andra sidan kan adsorptionen av bestämda molekyler också ge upphov till ett bandgap i grafen . Kunskapen om olika molekylers icke-kovalenta interaktion med grafen är därför ett attraktivt ämne för att utveckla nya derivat för avundsvärda tillämpningar, som omfattar grafenbaserade fälteffekttransistorer, kemiska detektorer eller organiska optoelektroniska anordningar. Hernandez et al. och Blake et al. har fastställt att man kan framställa defektfri monolagergrafen genom exfoliering av grafit i N-metylpyrrolidon . Detta tillvägagångssätt utnyttjar den liknande ytenergin hos grafen och N-metylpyrrolidon som främjar exfolieringen. Lotya och hans medarbetare har också använt natriumdodecylbensensulfonat i vatten för exfoliering av grafit för att framställa grafen. I motsats till jungfrulig grafen är GO en elektrisk isolator i naturen med ett distinkt kol-till-syre-förhållande (C/O) på ̴∼2 . Efter partiell reduktion har det utvecklade elektriskt ledande tillståndet ett C/O-förhållande i intervallet ̴6-500 . Den reducerade GO:s (rGO) ofullkomliga och funktionaliserade struktur spelar en viktigare roll för dess tillämpning än den för orört grafen . Funktionaliserade grafenplattor med ett C/O-förhållande på ungefär 2 består av sp3-hybridiserade kolatomer som är fästade i en 2-D hexagonal platta med en uppsättning syre som består av funktionaliteter på båda sidor av plattan. Ju högre syrefunktionalitet på funktionaliserade grafenplattor, desto bättre är dispersionen i polära lösningsmedel. Det ger också lämpliga platser för ytterligare funktionalisering. För tillämpning bör grafenplattorna vara väl separerade och saknar aggregering. Det bästa sättet att uppnå detta är att kovalent koppla samman de intilliggande grafenbladen genom en styv, kort, ledande bro. Det finns litteratur som belyser användningen av ester och amid som länkar . Dessutom sker kopplingen till det konjugerade nätverket med hjälp av diazoniumkemi . Kovalenta kopplingar till funktionaliserade grafenplattor med ett C/O-förhållande på 2 har fastställts för ett antal molekyler, bland annat makrocykler som cyklodextriner, aromatiska färgämnen som porfyriner, diaminoalkaner, 4-tert-butylfenyl och azido-terminerad polykaprolaktan . På senare tid har olika metoder utvecklats för framställning av defektfritt monolager till grafen med få och flera lager, funktionaliserat grafen, rGO och GO . Denna mångfald i grafen underlättar en effektiv anpassning av gränsytans vidhäftning och förbättrar dess kompatibilitet med ett brett spektrum av polymerer som t.ex. polymjölksyra, polyanilin, polyetylenglykol, polycaprolakton osv. Generellt sett kan tekniker för grafenframställning klassificeras i två kategorier, nämligen nedifrån och upp-metoder (t.ex. CVD och SiC) och uppifrån och ned-metoder (t.ex. kemisk exfoliering, blandning med hög skjuvning etc. ). Metoderna nedifrån och upp producerar grafen av hög kvalitet med minimala defekter, vilket kan vara värdefullt för elektroniska tillämpningar. Men de är kostsamma och inte lätta att producera i stor skala .
I detta kapitel diskuteras effekterna av olika faktorer såsom yta, defekter, porositet och arten av funktionella grupper med avseende på polymerbaserade nanokompositer med förstärkning av funktionaliserad grafen. Egenskaperna hos de polymerbaserade nanokompositerna påverkas i hög grad av förändringar i materialens yta, defekter, porositet etc. Omfattningen av polaritetsförändringen i grafen på grund av funktionalisering är en del av detta kapitel. De olika teknikerna för funktionalisering av grafen ingår också. De faktorer som påverkar egenskaperna hos funktionaliserade grafenförstärkta polymermatrisbaserade kompositer kommer att spela en roll för att manipulera egenskaperna vid utformning av nya polymerbaserade kompositer.
