¿Cómo hacer que el grafeno se distribuya uniformemente?

El grafeno es un material de carbono en forma de panal bidimensional compuesto por átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal. Los átomos de carbono-carbono se forman por hibridación sp2 y su estructura es muy estable. La estructura especial del grafeno da como resultado muchas propiedades excelentes. El grafeno es el material más duro que se encuentra en la actualidad y tiene excelentes propiedades mecánicas (1060GPa). Su área de superficie específica teórica es de hasta 2600m ² / g, con conductividad térmica excepcional, hasta 3000W / (M · K). Además, el grafeno también tiene una buena conductividad eléctrica. A temperatura ambiente, la movilidad de sus electrones puede alcanzar los 20.000 cm² / (V · s). Debido a las excelentes propiedades del grafeno, los investigadores han considerado agregarlo como refuerzo al material de la matriz para mejorar el rendimiento del material de la matriz.

Sin embargo, la gran superficie específica del grafeno tiende a aglomerarse, lo que no solo reduce su propia capacidad de adsorción, sino que también afecta el rendimiento del grafeno en sí, lo que afecta la mejora del rendimiento de los compuestos reforzados con grafeno. Además, tal aglomeración es irreversible a menos que se disperse uniformemente aplicando una fuerza externa como ultrasonidos y agitación vigorosa. Con el fin de obtener compuestos reforzados con grafeno con un rendimiento excelente, los investigadores han realizado algunas investigaciones para superar la aglomeración de grafeno.

1 método para la dispersión uniforme de grafeno en una matriz

La gran superficie específica del grafeno facilita la aglomeración irreversible en la matriz, lo que afecta el rendimiento del refuerzo de grafeno. En general, debido a la hidrofobicidad y la inercia química del grafeno, su dispersabilidad es relativamente baja en relación con el óxido de grafeno. Por tanto, el fenómeno de la aglomeración del grafeno en la matriz también ha atraído cada vez más la atención de los investigadores. Se han probado varios métodos para superar el problema de la aglomeración del grafeno.

Dispersión uniforme de grafeno en la matriz [Los métodos incluyen principalmente la dispersión física y la dispersión química. Aquí, el método de polimerización in situ, la funcionalización de grafeno (funcionalización de enlace covalente y funcionalización de enlace no covalente) y el grafito se introducen principalmente alquenos y otros métodos de modificación.

1.1 Polimerización in situ

El método de polimerización in situ dispersa en primer lugar las nanopartículas de manera uniforme en el monómero y luego inicia la polimerización con un iniciador para dispersar uniformemente las nanopartículas o moléculas en la matriz polimérica y formar un material polimérico molecular in situ. La polimerización heterogénea in situ no solo mantiene las nanocaracterísticas de las partículas, sino que también logra una dispersión uniforme de las partículas llenas y puede formar partículas con forma de nano con una estructura de núcleo-capa con una capa de revestimiento elástica. Dado que la capa exterior es un polímero orgánico, puede aumentar la afinidad del material por la fase orgánica.

Lan Liu utilizó la polimerización in situ para polimerizar poliamida-aminas entre capas de grafeno para abrir las hojas de grafeno, lo que aumentó el espaciado entre capas, lo que impidió la aglomeración de las hojas de grafeno hasta cierto punto. . Dado que este método no se somete a un paso de oxidación, la estructura sp2 original del grafeno está menos dañada y el producto resultante tiene una buena estabilidad y apenas precipita.

Huang y col. utilizó la polimerización in situ para resolver el problema de la dispersión uniforme del grafeno en la matriz. La Figura 2 es una fotografía de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de un material compuesto de polipropileno que tiene diferentes contenidos de grafeno.

Opel también utilizó la polimerización in situ para resolver el problema de la dispersión del grafeno. Descubrieron que los nanocompuestos pueden aumentar el espaciado de las hojas de grafeno y prevenir la aglomeración de las hojas de grafeno para lograr una dispersión uniforme del grafeno. Además, la estabilidad del producto fue relativamente buena y exhibió buena solubilidad en un solvente orgánico (ácido fórmico) y la solución fue estable y duradera, y no se observó delaminación durante 6 meses.

Limitaciones de la polimerización in situ:

La polimerización in situ también tiene sus limitaciones, es decir, los nanomateriales inorgánicos deben tener una buena compatibilidad con las materias primas seleccionadas. Para encontrar un solvente adecuado para disolver tanto las materias primas como los materiales inorgánicos, inevitablemente aumentará el tiempo de investigación y el costo también causará contaminación ambiental. Además de esto, la adición de grafeno aumenta la viscosidad del polímero, lo que complica la polimerización.

1.2 Funcionalización del grafeno

El grafeno funcionalizado se puede dispersar uniformemente en la matriz, lo que contribuye al excelente rendimiento del grafeno como refuerzo. Para que las excelentes propiedades del grafeno se apliquen en más campos, es necesario adoptar ciertos métodos y medidas para funcionalizarlo. El principio de funcionalización es modificar los defectos o grupos en la superficie del grafeno por métodos covalentes y no covalentes, para darle algunas propiedades nuevas al grafeno y para estudiar y ampliar sus campos de aplicación. La funcionalización es un método importante para mejorar la solubilidad y dispersabilidad del grafeno y facilitar su procesamiento y forma.

La funcionalización del grafeno ha evolucionado para producir un material de una propiedad particular o para abordar el rendimiento de ciertos aspectos del grafeno. El grafeno funcionalizado no solo mantiene las propiedades originales del grafeno, sino que también exhibe la reactividad del grupo modificador, lo que brinda la posibilidad de dispersión y reacción del grafeno, aumentando aún más el rango de aplicación del grafeno.

La estructura del grafeno es un anillo de benceno, por lo que es relativamente estable. Sin embargo, el sitio del defecto del anillo de benceno y el borde tienen una actividad relativamente alta, y la superficie del grafeno oxidado contiene una gran cantidad de grupos epoxi activos, como un grupo carboxilo y un grupo hidroxilo, por lo que se pueden utilizar varios métodos de reacción química. para el tratamiento de modificación de enlace covalente de grafema.

Algunos investigadores han descubierto que debido a la falta de grupos funcionales en la superficie del grafeno, la dispersabilidad del grafeno se puede mejorar adsorbiendo ciertos grupos funcionales especiales en la superficie del grafeno. Xiaoyue Xu utiliza un agente de acoplamiento de silano para silanizar el grafeno y mejorar la dispersabilidad del grafeno. El grafeno sin tratar se colocó en agua durante 1 hora y el grafeno se depositó sustancialmente en el fondo del recipiente. El fenómeno de aglomeración fue más grave, como se muestra en la Fig. 2 (a). Como se muestra en la Fig. 2 (b), el grafeno silanizado (PS-gG) se dispersó de manera uniforme y estable en agua, y después de un día de reposo, el grafeno modificado apenas se aglomeró. Tampoco hubo precipitación en el fondo del recipiente, lo que indica que el grafeno sometido al tratamiento de acoplamiento del agente de acoplamiento de silano se puede dispersar de manera estable en agua. Debido a la introducción del agente de acoplamiento de silano, una gran cantidad de grupos funcionales reactivos están presentes en la superficie del grafeno, lo que aumenta la hidrofilia del grafeno para que pueda dispersarse de manera estable en la solución.

Coskun adhiere alcohol polivinílico a la superficie del óxido de grafeno mediante injerto covalente mediante esterificación, de modo que la dispersabilidad del grafeno en solución acuosa mejora considerablemente. El grafeno funcionalizado por enlaces covalentes mejora en gran medida sus propiedades de procesamiento y le otorga algunas propiedades nuevas y superiores.

Desventajas del grafeno funcionalizado:

Sin embargo, el grafeno funcionalizado por enlaces covalentes también tiene algunas deficiencias obvias. La modificación del enlace covalente del grafeno destruye la estructura intrínseca del grafeno y cambia las propiedades químicas y físicas únicas del grafeno.

1.3 modificación del grafeno

Grafeno con estructura estable de anillo de benceno, su estabilidad química es alta, la superficie presenta un estado inerte, la interacción con otros medios es débil y existe una fuerte intercapa entre el grafeno. Las fuerzas intermoleculares hacen que las hojas se apilen fácilmente y sean difíciles de dispersar.

Haijiao Zhang mejoró la dispersabilidad del grafeno mediante la modificación de la superficie del grafito expandido con líquido iónico. Esta modificación es una modificación del método físico, que puede reducir la influencia del proceso de modificación sobre la estructura y los grupos funcionales del grafeno. Observaron que las láminas de grafeno modificado tienen un tamaño de partícula pequeño y exhiben un estado arrugado; el grafeno modificado por el líquido iónico puede mantener un estado de dispersión uniforme en la solución de acetona durante mucho tiempo y puede distribuirse uniformemente en el caucho de silicona. En la matriz (SR), la longitud de la cadena de líquido iónico aumenta para permitir que la muestra se disperse de manera más uniforme.

Li descubrió que el grafeno modificado se distribuía uniformemente en la matriz. Modificó el grafeno a través de isocianato orgánico de moléculas pequeñas y descubrió que el grafeno se puede dispersar de manera estable en disolvente N, N-dimetilformamida, lo que es beneficioso para mejorar la uniformidad del grafeno en el proceso de composición con fluoruro de polivinilideno. La dispersabilidad evita la aglomeración de grafeno en la matriz.

Sin embargo, este método también tiene sus desventajas: las moléculas de isocianato en la superficie del grafeno no pueden funcionar para separar los grafeno entre las láminas de grafeno y, por lo tanto, algunas propiedades del grafeno no mejoran.

La modificación del grafeno puede aumentar la dispersabilidad del grafeno en la matriz hasta cierto punto, pero el rendimiento en otros aspectos se degrada. Debemos estudiar el efecto de la modificación sobre otras propiedades para obtener un resultado optimizado.

Además de mejorar la dispersabilidad del grafeno mediante la modificación de líquidos iónicos y la modificación de moléculas pequeñas, existen otros métodos para prevenir la aglomeración del grafeno, como el proceso de precipitación por cosulfonación y la forma de ramificación de grupos funcionales. El proceso de precipitación por cosulfonación mezcla directamente el grafeno modificado y el éter de polifenileno no sulfonado en cloroformo y, al controlar la velocidad de adición del ácido clorosulfónico, el material compuesto se precipita simultáneamente en condiciones ultrasónicas y el grafito puede evitarse eficazmente la aglomeración de alquenos.

1.4 Adición de dispersante y atracción de carga

Con el mayor desarrollo de la modificación, el método de agregar dispersante al grafeno ha atraído gradualmente la atención y la investigación de los investigadores. Wu usa alcohol polivinílico (PVA) como agente dispersante para hacer que el grafeno esté más disperso en la solución. Descubrió que en la película compuesta preparada, la cadena larga de PVA envolvía la hoja de grafeno y las dos fases estaban muy juntas, de modo que el grafeno se dispersaba uniformemente en la solución.

Sin embargo, la manipulación de este método es difícil y es necesario estudiar con mayor precisión el mecanismo de formación de la película, mejorando así el rango de aplicación y el costo del material.

Tianjiao Qi y otros utilizaron un método de atracción de carga para resolver la dispersabilidad del grafeno. Usó el método de Hummers para preparar óxido de grafeno que contiene una gran cantidad de grupos que contienen oxígeno, lo que hizo que el óxido de grafeno tuviera una fuerte carga negativa. Luego, la superficie del polvo de aluminio se carga positivamente y finalmente el problema de la dispersabilidad del grafeno se resuelve mediante la atracción de carga positiva y negativa. Se encontró que el grafeno no tiene un fenómeno de aglomeración obvio y logra una dispersión uniforme del grafeno hasta cierto punto.

Sin embargo, este enfoque da como resultado una disminución significativa en el alargamiento del material compuesto en comparación con el aluminio puro. El método de atracción de carga hace que otras funciones disminuyan y también es un problema que no se puede ignorar. Esto requiere mejorar y resolver este problema en determinadas circunstancias.

1.5 Otros métodos de dispersión

Mingjie Zhou mejoró las propiedades de dispersión del grafeno mediante el tratamiento ultrasónico de la suspensión de grafeno. Debido a la acción del fluido crítico, los nanotubos de carbono se mezclan de manera más uniforme con el grafeno. Debido a que la presión de liberación instantánea de las ondas ultrasónicas destruye la fuerza de van der Waals entre la capa de grafeno y la capa, es menos probable que el grafeno se aglomere, mezclando uniformemente los nanotubos de carbono y el grafeno.

Li et al agregaron grafeno a la matriz para hacer que el grafeno se dispersara uniformemente en la matriz. Al añadir grafeno a la matriz de aluminio, forman una aleación maestra de "aleación de grafeno / aluminio" que permite añadir grafeno a la solución de aluminio fundido mediante una aleación intermedia, maximizando la dispersión uniforme del grafema en el aluminio líquido. Sin embargo, este método aumenta el proceso y el costo de preparar el material compuesto de grafeno, lo que requiere encontrar una forma y un método relativamente simples para reducir el costo y similares.

Jing Hu resolvió el problema de la mala dispersión del grafeno mediante el método de reducción in situ. Sin embargo, este método utiliza sustancias tóxicas como el hidrato de hidracina, lo que trae dificultades para la seguridad de las operaciones de producción industrial y tratamiento de aguas residuales.

Zhou y col. utilizó un método que no requiere la adición de un tensioactivo para aumentar la dispersabilidad del grafeno, y redujo el óxido de grafeno en dimetilformamida por calor solvotermal durante la reacción. La concentración de dispersión de grafeno en la solución puede alcanzar 0,3 mg / ml, y esta dispersión estable se puede mantener durante más de un año. De esta forma, no es necesario añadir un agente reductor y un estabilizador durante la reducción solvotermal, sino que el óxido de grafeno se reduce por la presión generada espontáneamente por la alta temperatura y la alta presión durante la reacción.

Chong y col. encontraron que la aglomeración de nanohojas de grafeno se puede evitar cuando se reduce químicamente en grupos de resina ABS. El grafeno se puede dispersar uniformemente en la matriz de estireno-acrilonitrilo y, a medida que aumenta el contenido de relleno, el grafeno forma una estructura de red estable en la matriz de estireno-acrilonitrilo, evitando así la aglomeración del grafeno. Otros métodos para dispersar el grafeno se han estudiado menos y algunos mecanismos no se comprenden bien. Esto requiere fortalecer la investigación en esta área, y propone un método más eficiente y simple para hacer realidad la posible aplicación del grafeno.

2 Dirección de investigación y exploración de la dispersión uniforme de compuestos de grafeno

Después de algunas introducciones para aumentar la dispersabilidad del grafeno en la matriz, se encuentra que la dispersión uniforme del grafeno aún está en pañales y se ha realizado menos investigación. Mucha investigación se centra en un aspecto y no considera si el grafeno tratado afectará su excelente rendimiento. Todavía existen muchos problemas relacionados con la dispersión uniforme del grafeno en materiales compuestos, como el problema de la humectabilidad del grafeno y la matriz, y la gran superficie específica del grafeno.

Weizong Ye cree que la humectabilidad del grafeno en el solvente afectará su volumen de sedimentación y afectará aún más su dispersabilidad. Si hay una buena compatibilidad entre el solvente y el grafeno, entonces el grafeno tiene buenas propiedades de dispersión en el medio, no es propenso a la aglomeración, se dispersa en el solvente y la tasa de graficación del grafeno es relativamente pequeña. El volumen de sedimentación formado es relativamente pequeño. Por otro lado, si la mojabilidad del grafeno en un solvente no es buena, se forma fácilmente una aglomeración entre el grafeno para reducir el área de superficie específica, y el efecto de sedimentación reflejado en el solvente es que la velocidad de sedimentación es rápida y el volumen de sedimentación es grande.

En vista de los problemas anteriores, como el problema de humectabilidad del grafeno y la matriz, se puede considerar agregar otros elementos para optimizar el componente de la matriz o para tratar químicamente la superficie del material por deposición química en fase de vapor (CVD) por plasma de microondas, en ECV de crecimiento in situ o placas electrolíticas. El grafeno está funcionalizado o modificado.

El problema de la gran superficie específica del grafeno puede evitar el contacto físico entre el grafeno mediante el recubrimiento de la superficie del grafeno. En los últimos años, el método de simulación computacional ha recibido mucha atención y se está aplicando cada vez más ampliamente en este campo para resolver algunos problemas. La simulación por computadora se puede utilizar para establecer un modelo matemático para simular el proceso experimental, para encontrar la mejor solución experimental a través de la simulación por computadora y para verificar los resultados experimentales; combinar la teoría y la práctica para desarrollar un proceso de producción optimizado para preparar compuestos de grafeno con excelentes propiedades.

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