Как сделать графен равномерно диспергированным?

Графен представляет собой двумерный сотовый углеродный материал, состоящий из атомов углерода, расположенных в шестиугольной форме. Атомы углерода-углерода образуются в результате sp2-гибридизации, и их структура очень стабильна. Особая структура графена обеспечивает множество превосходных свойств. Графен - это самый твердый материал, обнаруженный в настоящее время, и он обладает превосходными механическими свойствами (1060 ГПа). Его теоретическая удельная поверхность составляет до 2600 м² / г, с выдающейся теплопроводностью до 3000 Вт / (М · К). Кроме того, графен также обладает хорошей электропроводностью. При комнатной температуре, ее подвижность электронов может достигать 20000 см ² / (V · с). Из-за превосходных свойств графена исследователи рассмотрели возможность добавления его в качестве усиления к матричному материалу, чтобы улучшить характеристики матричного материала.

Однако большая удельная поверхность графена имеет тенденцию к агломерации, что не только снижает его собственную адсорбционную способность, но также влияет на характеристики самого графена, тем самым влияя на улучшение характеристик композитов, армированных графеном. Более того, такая агломерация необратима, если она не будет равномерно диспергирована путем приложения внешней силы, такой как обработка ультразвуком и энергичное перемешивание. Чтобы получить усиленные графеном композиты с превосходными характеристиками, исследователи провели некоторые исследования по преодолению агломерации графена.

1 метод равномерного диспергирования графена в матрице

Большая удельная поверхность графена позволяет легко необратимо агломерировать в матрице, что влияет на характеристики графенового армирования. Как правило, из-за гидрофобности и химической инертности графена его диспергируемость относительно низкая по сравнению с оксидом графена. Поэтому явление агломерации графена в матрице также привлекает все больше внимания исследователей. Проблему агломерации графена пытались решить различными методами.

Равномерное диспергирование графена в матрице [Методы в основном включают физическое диспергирование и химическое диспергирование. Здесь, в основном, представлены метод полимеризации in-situ, функционализация графена (функционализация ковалентной связи и функционализация нековалентной связи) и графита. Алкены и другие методы модификации.

1.1 Полимеризация на месте

Метод полимеризации in-situ сначала равномерно диспергирует наночастицы в мономере, а затем инициирует полимеризацию с инициатором для равномерного диспергирования наночастиц или молекул на полимерной матрице и образования молекулярного полимерного материала in-situ. Гетерогенная полимеризация in-situ не только поддерживает нанохарактеристики частиц, но также обеспечивает равномерное диспергирование наполненных частиц и может формировать частицы нано-формы со структурой ядро-оболочка с эластичным покровным слоем. Поскольку внешний слой представляет собой органический полимер, он может увеличить сродство материала к органической фазе.

Лан Лю использовал полимеризацию на месте для полимеризации полиамид-аминов между слоями графена, чтобы открыть листы графена, что увеличило расстояние между слоями, что в некоторой степени предотвратило агломерацию листов графена. . Поскольку этот метод не подвергается стадии окисления, исходная sp2-структура графена меньше повреждается, а полученный продукт имеет хорошую стабильность и почти не осаждается.

Хуанг и др. использовали полимеризацию in-situ для решения проблемы равномерного диспергирования графена в матрице. Фиг.2 представляет собой фотографию, полученную с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) полипропиленового композитного материала с различным содержанием графена.

Opel также использовал полимеризацию на месте для решения проблемы диспергирования графена. Они обнаружили, что нанокомпозиты могут увеличивать расстояние между листами графена и предотвращать агломерацию листов графена для достижения однородной дисперсии графена. Кроме того, стабильность продукта была относительно хорошей, и он демонстрировал хорошую растворимость в органическом растворителе (муравьиной кислоте), и раствор был стабильным и долговечным, и в течение 6 месяцев не наблюдалось расслоения.

Ограничения полимеризации на месте:

Полимеризация на месте также имеет свои ограничения, то есть неорганические наноматериалы должны иметь хорошую совместимость с выбранным сырьем. Поиск подходящего растворителя для растворения как сырья, так и неорганических материалов неизбежно увеличит время исследования, а стоимость также вызовет загрязнение окружающей среды. В дополнение к этому добавление графена увеличивает вязкость полимера, что усложняет полимеризацию.

1.2 Функционализация графена

Функционализированный графен может быть равномерно диспергирован в матрице, что способствует отличным характеристикам графена как армирующего элемента. Чтобы использовать превосходные свойства графена в большем количестве областей, необходимо принять определенные методы и меры по его функционализации. Принцип функционализации состоит в том, чтобы модифицировать дефекты или группы на поверхности графена ковалентными и нековалентными методами, чтобы придать графену некоторые новые свойства, а также в дальнейшем изучении и расширении областей его применения. Функционализация - важный метод улучшения растворимости и диспергируемости графена, а также облегчения его обработки и придания формы.

Функционализация графена эволюционировала для производства материала с определенным свойством или для решения некоторых аспектов графена. Функционализированный графен не только сохраняет исходные свойства графена, но также демонстрирует реакционную способность модифицирующей группы, которая обеспечивает возможность диспергирования и реакции графена, дополнительно расширяя область применения графена.

Структура графена представляет собой бензольное кольцо, поэтому оно относительно стабильно. Однако дефектный участок бензольного кольца и край имеют относительно высокую активность, а поверхность окисленного графена содержит большое количество активных эпоксидных групп, таких как карбоксильная группа и гидроксильная группа, так что можно использовать различные методы химической реакции. для обработки модификации ковалентной связи графема.

Некоторые исследователи обнаружили, что из-за отсутствия функциональных групп на поверхности графена диспергируемость графена можно улучшить путем адсорбции определенных специальных функциональных групп на поверхности графена. Xiaoyue Xu использует силановый связующий агент для силанизации графена, чтобы улучшить его диспергируемость. Необработанный графен помещался в воду на 1 ч, и графен осаждался практически на дно сосуда. Явление агломерации было более серьезным, как показано на рис. 2 (а). Как показано на рис. 2 (b), силанизированный графен (PS-gG) был однородно и стабильно диспергирован в воде, и после одного дня стояния модифицированный графен почти не агломерировал. Также не было осаждения на дне контейнера, что указывает на то, что графен, подвергнутый обработке сочетанием силанового связующего агента, может стабильно диспергироваться в воде. Из-за введения силанового связующего агента на поверхности графена присутствует большое количество реакционноспособных функциональных групп, что увеличивает гидрофильность графена, так что он может стабильно диспергироваться в растворе.

Coskun прикрепляет поливиниловый спирт к поверхности оксида графена путем ковалентной прививки посредством этерификации, так что диспергируемость графена в водном растворе значительно улучшается. Графен, функционализированный ковалентными связями, значительно улучшает его технологические свойства и придает ему некоторые новые превосходные свойства.

Недостатки функционализированного графена:

Однако графен, функционализированный ковалентными связями, также имеет некоторые очевидные недостатки. Модификация ковалентной связи графена разрушает внутреннюю структуру графена и изменяет химические и физические свойства, уникальные для самого графена.

1.3 модификация графена

Графен со стабильной структурой бензольного кольца, его химическая стабильность высока, поверхность находится в инертном состоянии, взаимодействие с другими средами слабое, и между графеном существует прочный промежуточный слой. Межмолекулярные силы приводят к тому, что листы легко укладываются друг на друга и трудно диспергировать.

Хайцзяо Чжан улучшил диспергируемость графена путем модификации поверхности расширенного графита ионной жидкостью. Эта модификация является модификацией физического метода, которая может уменьшить влияние процесса модификации на структуру и функциональные группы графена. Они заметили, что листы модифицированного графена имеют малый размер частиц и имеют сморщенное состояние; графен, модифицированный ионной жидкостью, может сохранять однородное состояние дисперсии в растворе ацетона в течение длительного времени и может быть равномерно распределен в силиконовом каучуке. В матрице (SR) длина цепочки ионной жидкости увеличена, чтобы образец мог диспергироваться более равномерно.

Ли обнаружил, что модифицированный графен равномерно распределен в матрице. Он модифицировал графен с помощью органического низкомолекулярного изоцианата и обнаружил, что графен может стабильно диспергироваться в растворителе N, N-диметилформамида, что полезно для улучшения однородности графена в процессе соединения с поливинилиденфторидом. Дисперсность предотвращает агломерацию графена в матрице.

Однако этот метод также имеет свои недостатки: молекулы изоцианата на поверхности графена не могут действовать, чтобы отделять графены друг от друга между листами графена, и, таким образом, некоторые свойства графена не улучшаются.

Модификация графена может в некоторой степени увеличить диспергируемость графена в матрице, но производительность в других аспектах ухудшается. Мы должны изучить влияние модификации на другие свойства, чтобы получить оптимизированный результат.

Помимо улучшения диспергируемости графена посредством модификации ионной жидкостью и модификации малых молекул, существуют другие методы предотвращения агломерации графена, такие как процесс осаждения совместным сульфированием и способ разветвления функциональных групп. Процесс совместного осаждения сульфированием непосредственно смешивает модифицированный графен и несульфированный полифениленовый эфир в хлороформе, и, контролируя скорость добавления хлорсульфоновой кислоты, композит одновременно осаждается в ультразвуковых условиях, и графит может эффективно предотвращать агломерацию алкенов.

1.4 Добавление диспергатора и привлечение заряда

По мере дальнейшего развития модификации метод добавления диспергатора в графен постепенно привлекал внимание и исследования исследователей. Ву использует поливиниловый спирт (ПВА) в качестве диспергирующего агента, чтобы сделать графен более диспергированным в растворе. Он обнаружил, что в подготовленной композитной пленке длинная цепочка ПВС обернула графеновый лист, и две фазы были очень плотно объединены, так что графен был равномерно диспергирован в растворе.

Однако манипулирование этим методом затруднено, и необходимо дополнительно точно изучить механизм образования пленки, тем самым улучшив область применения и стоимость материала.

Тяньцзяо Ци и другие использовали метод притяжения зарядов для определения дисперсности графена. Он использовал метод Хаммерса для получения оксида графена, содержащего большое количество кислородсодержащих групп, из-за чего оксид графена имел сильный отрицательный заряд. Затем поверхность алюминиевого порошка заряжается положительно, и, наконец, проблема диспергируемости графена решается за счет притяжения положительного и отрицательного зарядов. Было обнаружено, что графен не имеет явного явления агломерации и в определенной степени обеспечивает однородное диспергирование графена.

Однако такой подход приводит к значительному уменьшению удлинения композита по сравнению с чистым алюминием. Метод притяжения заряда приводит к снижению других функций, и это тоже проблема, которую нельзя игнорировать. Это требует улучшения и решения этой проблемы при определенных обстоятельствах.

1.5 Другие методы диспергирования

Минцзе Чжоу улучшил дисперсионные свойства графена путем ультразвуковой обработки суспензии графена. Из-за действия критической жидкости углеродные нанотрубки более равномерно смешиваются с графеном. Поскольку мгновенное высвобождение давления ультразвуковых волн разрушает силу Ван-дер-Ваальса между слоем графена и слоем, графен с меньшей вероятностью агломерируется вместе, тем самым равномерно смешивая углеродные нанотрубки и графен вместе.

Ли и др. Добавили графен в матрицу, чтобы графен равномерно распределился в матрице. Добавляя графен к алюминиевой матрице, они образуют лигатуру «графен / алюминиевый сплав», которая позволяет добавлять графен в расплавленный раствор алюминия с помощью промежуточного сплава, максимально увеличивая однородную дисперсию графема в жидком алюминии. Однако этот способ увеличивает процесс и стоимость изготовления графенового композитного материала, что требует поиска относительно простого способа и способа снижения стоимости и тому подобного.

Цзин Ху решил проблему плохого диспергирования графена методом восстановления на месте. Однако в этом методе используются токсичные вещества, такие как гидразингидрат, что создает трудности для безопасности промышленных производственных операций и очистки сточных вод.

Чжоу и др. использовали метод, который не требует добавления поверхностно-активного вещества для увеличения диспергируемости графена, и восстановил оксид графена в диметилформамиде за счет сольвотермического тепла во время реакции. Концентрация дисперсии графена в растворе может достигать 0,3 мг / мл, и эта стабильная дисперсия может сохраняться более одного года. Таким образом, нет необходимости добавлять восстанавливающий агент и стабилизатор во время сольвотермического восстановления, но оксид графена восстанавливается за счет давления, спонтанно создаваемого высокой температурой и высоким давлением во время реакции.

Чонг и др. обнаружили, что агломерации графеновых нанолистов можно избежать при химическом восстановлении групп смол АБС. Графен может быть равномерно диспергирован в стирол-акрилонитрильной матрице, и по мере увеличения содержания наполнителя графен образует стабильную сетчатую структуру в стирол-акрилонитрильной матрице, тем самым предотвращая агломерацию графена. Другие методы диспергирования графена изучены меньше, а некоторые механизмы не совсем понятны. Это требует усиления исследований в этой области и предлагает более эффективный и простой метод, позволяющий реализовать потенциальное применение графена.

2 Направление исследований и изучение однородной дисперсии графеновых композитов

После некоторых введений, направленных на повышение диспергируемости графена в матрице, было обнаружено, что однородная дисперсия графена все еще находится в зачаточном состоянии, и было проведено меньше исследований. Многие исследования сосредоточены на одном аспекте и не учитывают, повлияет ли обработанный графен на его отличные характеристики. По-прежнему существует много проблем, связанных с равномерной дисперсией графена в композиционных материалах, таких как проблема смачиваемости графена и матрицы, а также большая удельная поверхность графена.

Вейцзонг Е считает, что смачиваемость графена в растворителе будет влиять на объем его осаждения и в дальнейшем влиять на его диспергируемость. Если между растворителем и графеном имеется хорошая совместимость, то графен обладает хорошими диспергирующими свойствами в среде, не склонен к агломерации, диспергируется в растворителе и скорость графического изображения графена относительно мала. Образовавшийся отстойный объем относительно невелик. С другой стороны, если смачиваемость графена в растворителе невысока, между графеном легко образуется агломерация, чтобы уменьшить удельную площадь поверхности, и эффект седиментации, отраженный в растворителе, заключается в том, что скорость седиментации высокая, а объем седиментации большой.

Ввиду вышеупомянутых проблем, таких как проблема смачиваемости графена и матрицы, можно рассмотреть возможность добавления других элементов для оптимизации компонента матрицы или химической обработки поверхности материала методом микроволнового плазменного химического осаждения из паровой фазы (CVD) в выращивание на месте CVD или химическое нанесение покрытия. Графен функционализирован или модифицирован.

Проблема большой удельной поверхности графена может предотвратить физический контакт между графеном из-за поверхностного покрытия графена. В последние годы методу вычислительного моделирования уделяется большое внимание, и он все шире применяется в этой области для решения некоторых задач. Компьютерное моделирование может использоваться для создания математической модели для моделирования экспериментального процесса, для поиска наилучшего экспериментального решения посредством компьютерного моделирования и для проверки экспериментальных результатов; объединить теорию и практику для разработки оптимизированного производственного процесса для получения графеновых композитов с превосходными свойствами.

Страница содержит содержимое машинного перевода.