¿Cómo solucionar el problema de la dispersión del grafeno?

El grafeno es un panal bidimensional de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal. Los átomos de carbono están formados por hibridación sp2 y su estructura es muy estable. El grafeno tiene muchas propiedades excelentes debido a su estructura especial. El grafeno es la sustancia más dura encontrada hasta ahora, con excelentes propiedades mecánicas (1060GPa), una superficie específica teórica de hasta 2600m2 / gy una conductividad térmica excepcional de hasta 3000W / (m · K). Además, el grafeno tiene una buena conductividad eléctrica. A temperatura ambiente, la movilidad de los electrones puede alcanzar los 20000 cm2 / (V · s). Debido a las excelentes propiedades del grafeno, los investigadores consideran agregar grafeno como refuerzo al material de la matriz para mejorar sus propiedades.

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 propio grafeno, lo que afecta la mejora de los compuestos reforzados con grafeno. Además, la aglomeración no es reversible a menos que se apliquen fuerzas externas, como ultrasonidos y una fuerte agitación, para dispersarla uniformemente. Para obtener compuestos reforzados con grafeno con excelentes propiedades, los investigadores han realizado algunas investigaciones para superar la aglomeración de grafeno.

1. Método de dispersión uniforme del grafeno en la matriz

La gran superficie específica del grafeno lo hace propenso a una aglomeración irreversible en la matriz, lo que afectará al excelente rendimiento del refuerzo de grafeno. En general, debido a la hidrofobicidad e inercia química del grafeno, su dispersabilidad es relativamente baja en comparación con la del go. Por tanto, la aglomeración del grafeno en la matriz ha atraído cada vez más la atención de los investigadores, y se han intentado muchos métodos para superar la aglomeración del grafeno.

La dispersión homogénea del grafeno en la matriz [los métodos incluyen principalmente la dispersión física y la dispersión química. En este artículo, se introducen la polimerización in situ, la funcionalización del grafeno (funcionalización del enlace covalente y funcionalización del enlace no covalente), la modificación del grafeno y otros métodos de modificación.

1.1 polimerización in situ

La polimerización in situ consiste en dispersar las nanopartículas uniformemente en el monómero y luego iniciar la polimerización con el iniciador, de modo que las nanopartículas o moléculas se dispersen uniformemente sobre la matriz polimérica y formen materiales poliméricos moleculares in situ. La polimerización polifásica in situ no solo mantiene las propiedades nanométricas de las partículas, sino que también logra la dispersión uniforme de las partículas de relleno, que pueden formar las partículas en forma de nano con la estructura núcleo-capa con un revestimiento elástico. Debido a que la capa exterior es un polímero orgánico, mejora la afinidad del material por la fase orgánica.

Liu LAN y col. utilizó la polimerización in situ para generar poliamida-amina entre las capas de grafeno, lo que estiró la capa de la hoja de grafeno y aumentó el espaciado de las capas, lo que hasta cierto punto impidió la aglomeración de las capas de la hoja de grafeno. Dado que este método no pasó por los pasos de oxidación, el grado de daño a la estructura sp2 original del grafeno fue pequeño y los productos resultantes fueron estables y casi no se cayeron.

Huang y col. resolvió el problema de la dispersión uniforme del grafeno en la matriz mediante polimerización in situ. La Figura 2 muestra las imágenes TEM de compuestos de polipropileno con diferentes contenidos de grafeno. Se puede ver en la figura 2 que el grafeno se dispersa uniformemente en la matriz de polipropileno, especialmente cuando el contenido de grafeno es alto, la dispersión es más uniforme, lo que indica que este método de polimerización in situ es de hecho propicio para lograr la dispersión uniforme del grafeno en la matriz de polipropileno.

Opal también adoptó la polimerización in situ para resolver el problema de la dispersión del grafeno. Descubrieron que los nanocompuestos pueden aumentar el espacio entre las hojas de grafeno y prevenir la aglomeración de las hojas de grafeno para lograr una dispersión uniforme del grafeno. Además, el producto tiene buena estabilidad y puede mostrar buena solubilidad en el solvente orgánico (ácido fórmico), la solución puede ser estable y mantenerse durante mucho tiempo, 6 meses sin estratificación.

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 las materias primas y los materiales inorgánicos al mismo tiempo, inevitablemente aumentará el tiempo y el costo de la investigación, y también causará contaminación ambiental. Además, la adición de grafeno aumentará la viscosidad del polímero, haciendo que la reacción de polimerización sea más compleja.

1.2 funcionalización del grafeno

El grafeno funcionalizado se puede dispersar uniformemente en la matriz, lo que favorece el rendimiento del grafeno como refuerzo. Para aplicar las excelentes propiedades del grafeno en más campos, se deben tomar ciertos métodos y medidas para funcionalizar el grafeno. El principio de funcionalización es utilizar métodos covalentes y no covalentes para modificar los defectos o grupos en la superficie del grafeno y dotar al grafeno de algunas propiedades nuevas, facilitando el estudio y la ampliación de su campo de aplicación. La funcionalización es un método importante para mejorar la solubilidad y la dispersión del grafeno y facilitar su procesamiento y formación.

La funcionalización del grafeno se ha convertido en material para la preparación de determinadas propiedades especiales o para solucionar la deficiencia de determinadas propiedades del grafeno. El grafeno funcionalizado no solo mantiene el rendimiento original del grafeno, sino que también muestra la reactividad de los grupos modificadores, lo que brinda la posibilidad de dispersión y reacción del grafeno y aumenta aún más el rango de aplicación del grafeno.

El grafeno tiene un anillo de benceno, por lo que es relativamente estable. Sin embargo, el grafeno tiene una alta actividad en las partes defectuosas y los bordes del anillo de benceno, y la superficie del grafeno oxidado contiene una gran cantidad de grupos epoxi activos, como el grupo carboxilo y el grupo hidroxilo, etc., por lo que puede ser modificado covalentemente por un variedad de reacciones químicas.

Algunos investigadores han descubierto que debido a la falta de grupos funcionales en la superficie del grafeno, la dispersión del grafeno se puede mejorar adsorbiendo algunos grupos funcionales especiales en la superficie del grafeno. Xu Xiaoyu utilizó un agente de acoplamiento de silano para silanizar el grafeno con el fin de mejorar la dispersión del grafeno. Cuando se colocó grafeno sin tratar en agua durante 1 hora, el grafeno se depositó básicamente en el fondo del recipiente, lo que provocó una aglomeración grave. Después de ser silanizado, el grafeno (ps-gg) se dispersó de manera uniforme y estable en agua. Después de ser colocado durante un día, el grafeno modificado mostró poca aglomeración y ninguna precipitación en el fondo del recipiente, lo que indica que el grafeno tratado con agente de acoplamiento de silano podría dispersarse de manera estable en agua. Debido a la introducción del agente de acoplamiento de silano, existe una gran cantidad de grupos funcionales activos en la superficie del grafeno, lo que aumenta la hidrofilia del grafeno y le permite dispersarse de manera estable en solución.

Coskun adhirió alcohol polivinílico a la superficie del go mediante injerto covalente mediante reacción de esterificación, lo que mejoró en gran medida la dispersión del grafeno en solución acuosa. El grafeno unido covalentemente mejora en gran medida sus propiedades de procesamiento y le confiere nuevas propiedades excelentes.

Desventajas del grafeno funcionalizado:

Sin embargo, existen algunas deficiencias obvias en el grafeno funcionalizado a través de enlaces covalentes. La modificación covalente del grafeno destruirá la estructura intrínseca del grafeno y cambiará sus propiedades químicas y físicas únicas.

1.3 modificación del grafeno

El grafeno con estructura estable de anillo de benceno tiene una alta estabilidad química y su superficie presenta un estado inerte, con débil interacción con otros medios. Además, existen fuertes fuerzas intermoleculares entre las hojas de grafeno, lo que hace que sea fácil apilar las hojas juntas y difícil dispersarlas.

Zhang hai jiao mejoró la dispersión del grafeno mediante la modificación de la superficie del grafito expandido mediante líquido iónico. Esta modificación es una modificación física que reduce el efecto del proceso de modificación sobre la estructura y los grupos funcionales del grafeno. Observaron que el tamaño de partícula de la hoja de grafeno modificado era pequeño y mostraba un estado plegado. El grafeno modificado por líquido iónico puede mantener una dispersión uniforme en la solución de acetona durante mucho tiempo y puede distribuirse uniformemente en la matriz de caucho de silicona (SR). El aumento de la longitud de la cadena de líquido iónico hace que la muestra se disperse de manera más uniforme.

Li descubrió que el grafeno modificado podía distribuirse uniformemente en la matriz. Modificó el grafeno con isocianato orgánico de molécula pequeña y descubrió que el grafeno podía dispersarse de manera estable en disolvente N, n-dimetilmetilamina, lo que contribuía a mejorar la homogeneidad y dispersión del grafeno en el proceso compuesto con fluoruro de polivinilideno y evitar la aglomeración del grafeno en la matriz.

Sin embargo, este método tiene sus desventajas: las moléculas de isocianato en la superficie del grafeno no pueden actuar como barrera entre las láminas de grafeno, por lo que algunas propiedades del grafeno no mejoran.

El rendimiento de modificación del grafeno aumenta la dispersión del grafeno en la matriz hasta cierto punto, pero su rendimiento en otros aspectos disminuye. Deberíamos estudiar más a fondo la influencia de la modificación en otras propiedades para obtener un resultado optimizado.

Además de mejorar la dispersión del grafeno mediante la modificación de líquidos iónicos y la modificación de moléculas pequeñas, existen otros métodos para prevenir la aglomeración de grafenos, como el proceso de precipitación por cosulfonación y el injerto de grupos funcionales. El proceso de precipitación por cosulfonación consiste en mezclar directamente grafeno modificado y éter polifenílico no sulfonado en cloroformo. Al controlar la tasa de adición de ácido clorosulfónico, el compuesto se puede precipitar simultáneamente en condiciones ultrasónicas, lo que también puede prevenir eficazmente la aglomeración de grafeno.

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 UTILIZA alcohol polivinílico (PVA) como dispersante para hacer que el grafeno esté más disperso en la solución. Descubrió que la larga cadena de PVA envuelta alrededor de la hoja de grafeno en la película compuesta estaba tan fuertemente unida que el grafeno se dispersaba uniformemente en la solución.

Sin embargo, la maniobrabilidad de este método es difícil, y es necesario seguir estudiando con precisión el mecanismo de formación de la película, para mejorar el rango de aplicación de este material y reducir el costo.

Qi tianjiao y col. utilizó un método de atracción de carga para resolver la dispersión del grafeno. Usó el método Hummers para adaptarse a una gran cantidad de grupos que contienen oxígeno, lo que lo hace altamente cargado negativamente. Luego se cargó positivamente la superficie del polvo de aluminio, y finalmente, se resolvió la dispersión del grafeno mediante la vía de atracción de carga positiva y negativa. Se encontró que no había una aglomeración obvia de grafeno y, hasta cierto punto, se logró la dispersión uniforme del grafeno.

Pero este método hace que el alargamiento del material compuesto sea significativamente menor que el del aluminio puro. La disminución de otras funciones provocada por la atracción de cargas también es un problema que no se puede ignorar. Esto debe mejorarse y resolverse en determinadas circunstancias.

1.5 otros métodos de dispersión

Zhou mingjie mejoró la dispersión del grafeno mediante un tratamiento ultrasónico de suspensión de grafeno. Bajo la acción de un fluido crítico, los nanotubos de carbono y el grafeno se mezclan de manera más uniforme. Debido a que la presión instantánea liberada por las ondas ultrasónicas destruye la fuerza de van der Waals entre las capas de grafeno, es más difícil que el grafeno se aglomere, de modo que los nanotubos de carbono y el grafeno se dispersen y mezclen uniformemente.

Li jiongli y col. agregó grafeno a la matriz, de modo que el grafeno se dispersa uniformemente en la matriz. Al agregar grafeno a la matriz de aluminio, formaron una aleación intermedia de "aleación de grafeno / aluminio", que permite agregar grafeno al aluminio fundido en forma de aleación intermedia para maximizar la homogeneidad y dispersión del grafeno en la solución de aluminio. Sin embargo, este método aumenta el proceso y el costo de preparar los compuestos de grafeno, por lo que es necesario encontrar una forma y un método relativamente simples para reducir el costo.

Hu jing resolvió el problema de la mala dispersión del grafeno mediante reducciones in situ. Sin embargo, este método UTILIZA hidrato de hidracina, una sustancia tóxica, que trae dificultades a la seguridad de la producción industrial y el tratamiento de aguas residuales.

Zhou y col. utilizó un método que no requiere la adición de surfactante para aumentar la dispersión de grafeno y óxido de grafeno reducido en dimetilformamida por calor de solvente en el proceso de reacción. La concentración de dispersión de grafeno en la solución puede alcanzar 0,3 mg / ml y esta dispersión estable puede mantenerse durante más de un año. De esta forma, no es necesario añadir un agente reductor o estabilizador en el proceso de reducción térmica con disolvente. En cambio, el óxido de grafeno se reduce por la presión espontánea generada por la alta temperatura y la alta presión en el proceso de reacción.

Chong y col. encontraron que cuando la reducción química se realizaba en la base de resina ABS, se podía evitar la aglomeración de las nanohojas de grafeno. El grafeno se puede dispersar uniformemente en la matriz de estireno-acrilonitrilo y, con el aumento del contenido de relleno, el grafeno formará una estructura de red estable en la matriz de estireno-acrilonitrilo, evitando así la aglomeración del grafeno. Otros métodos para dispersar el grafeno están menos estudiados y algunos mecanismos no se comprenden bien, lo que requiere más investigación en esta área para proponer métodos más eficientes y convenientes para hacer realidad las posibles aplicaciones del grafeno.

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

Después de alguna introducción para aumentar la dispersión del grafeno en la matriz, se encuentra que la homogeneidad del grafeno aún se encuentra en una etapa preliminar y se ha realizado relativamente poca investigación. Muchos estudios se han centrado en un aspecto, sin considerar si el grafeno tratado afectará a su excelente rendimiento. Todavía existen muchos problemas en el estudio de la dispersión uniforme del grafeno en materiales compuestos, como la humectabilidad del grafeno y la matriz, y la gran superficie específica del grafeno.

Ye Weizong creía que la humectabilidad del grafeno en solventes afectaría su volumen de sedimentación y afectaría aún más su dispersión. Si hay una buena solubilidad entre el disolvente y el grafeno, entonces el grafeno tiene un buen rendimiento de dispersión en el medio y no es propenso a la aglomeración. La distribución de la dispersión en el disolvente significa que la tasa de deposición del grafeno es relativamente pequeña y el volumen de sedimentación formado es relativamente pequeño. Por el contrario, si la humectabilidad del grafeno en el disolvente no es buena, es fácil formar una aglomeración entre el grafeno para reducir la superficie específica. El efecto de sedimentación reflejado en el solvente es que la velocidad de sedimentación es rápida y el volumen de sedimentación es grande.

Para los problemas anteriores, como la humectabilidad del grafeno y la matriz, se pueden agregar otros elementos para optimizar la composición de la matriz, o el tratamiento químico de la superficie del material mediante deposición química de vapor (CVD) con plasma de microondas, CVD de crecimiento in situ o galvanoplastia, y Se puede considerar la funcionalización o modificación del grafeno.

Debido a la gran área de superficie específica del grafeno, el contacto físico entre el grafeno se puede prevenir mediante una capa superficial de grafeno. En los últimos años, el método de simulación computacional se ha prestado cada vez más atención y se ha utilizado ampliamente en este campo para resolver algunos problemas difíciles. La simulación por computadora puede usarse para establecer un modelo matemático para simular el proceso experimental, a través de la simulación por computadora para encontrar el mejor programa experimental, y combinarse con resultados experimentales para verificar; Combinando la teoría con la práctica, se desarrolló el proceso de producción optimizado para preparar compuestos de grafeno con excelentes propiedades.

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