Как решить проблему диспергирования графена?

Графен представляет собой двумерную соту из атомов углерода, расположенных в гексагональном узоре. Атомы углерода образуются в результате sp2-гибридизации, и его структура очень стабильна. Графен обладает множеством превосходных свойств благодаря своей особой структуре. Графен - самое твердое вещество, обнаруженное до сих пор, с превосходными механическими свойствами (1060 ГПа), теоретической удельной поверхностью до 2600 м2 / г и выдающейся теплопроводностью до 3000 Вт / (м · К). Кроме того, графен обладает хорошей электропроводностью. При комнатной температуре подвижность электронов может достигать 20000 см2 / (В · с). Из-за превосходных свойств графена исследователи рассматривают возможность добавления графена в качестве усиления к материалу матрицы, чтобы улучшить его свойства.

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 армированных графеном композитов. Более того, агломерация не является обратимой, если внешние силы, такие как ультразвук и сильное перемешивание, не применяются для ее равномерного диспергирования. Чтобы получить армированные графеном композиты с превосходными свойствами, исследователи провели некоторые исследования по преодолению агломерации графена.

1. Метод равномерного диспергирования графена в матрице.

Большая удельная поверхность графена делает его склонным к необратимой агломерации в матрице, что влияет на отличные характеристики графенового армирования. В целом, из-за гидрофобности и химической инертности графена его диспергируемость относительно низкая по сравнению с графеном. Таким образом, агломерация графена в матрице привлекает все больше и больше внимания исследователей, и многие методы пытались преодолеть агломерацию графена.

Гомогенная дисперсия графена в матрице [методы в основном включают физическое диспергирование и химическое диспергирование. В этой статье представлены полимеризация in-situ, функционализация графена (функционализация ковалентных связей и функционализация нековалентных связей), модификация графена и другие методы модификации.

1.1 полимеризация на месте

Полимеризация in situ заключается в том, чтобы равномерно диспергировать наночастицы в мономере, а затем инициировать полимеризацию с инициатором, так что наночастицы или молекулы равномерно диспергируются на полимерной матрице и образуют молекулярные полимерные материалы in-situ. Полифазная полимеризация in-situ не только поддерживает нанометровые свойства частиц, но также обеспечивает равномерное диспергирование частиц наполнителя, которые могут образовывать частицы нано-формы со структурой ядро-оболочка с эластичным покрытием. Поскольку внешний слой представляет собой органический полимер, он улучшает сродство материала к органической фазе.

Лю Лан и др. использовали полимеризацию на месте для образования полиамид-амина между слоями графена, который растягивал слой графенового листа и увеличивал расстояние между слоями, что в некоторой степени предотвращало агломерацию слоев графенового листа. Поскольку в этом методе не было стадий окисления, степень повреждения исходной sp2-структуры графена была небольшой, а полученные продукты были стабильными и почти не выпадали.

Хуанг и др. решил проблему равномерного диспергирования графена в матрице методом in-situ полимеризации. На рис. 2 показаны ПЭМ-изображения полипропиленовых композитов с различным содержанием графена. Из рисунка 2 видно, что графен равномерно диспергирован в полипропиленовой матрице, особенно при высоком содержании графена дисперсия более равномерная, что указывает на то, что этот метод полимеризации на месте действительно способствует достижению однородной дисперсии графена в полипропиленовая матрица.

Компания Opal также применила 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, продукт обладает хорошей стабильностью и может показывать хорошую растворимость в органическом растворителе (муравьиной кислоте), раствор может быть стабильным и сохраняться долгое время, 6 месяцев без 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 одновременного растворения сырья и неорганических материалов неизбежно увеличит время и стоимость исследования, а также вызовет загрязнение окружающей среды. Кроме того, добавление графена увеличивает вязкость полимера, делая реакцию полимеризации более сложной.

1.2 функционализация графена

Функционализированный графен может быть равномерно диспергирован в матрице, что способствует выполнению графена в качестве усиления. Чтобы применить превосходные свойства графена в большем количестве областей, необходимо предпринять определенные методы и меры для функционализации графена. Принцип функционализации заключается в использовании ковалентных и нековалентных методов для модификации дефектов или групп на поверхности графена и наделения графена некоторыми новыми свойствами, что упрощает дальнейшее изучение и расширение области его применения. Функционализация - важный метод улучшения растворимости и дисперсности графена, а также облегчения его обработки и формирования.

Функционализация графена превратилась в материал для получения определенных специальных свойств или для устранения недостатка определенных свойств графена. Функционализированный графен не только сохраняет исходные характеристики графена, но также демонстрирует реакционную способность модифицирующих групп, что обеспечивает возможность диспергирования и реакции графена и еще больше увеличивает область применения графена.

Графен имеет бензольное кольцо, поэтому он относительно стабилен. Однако графен обладает высокой активностью на дефектных частях и краях бензольного кольца, а поверхность окисленного графена содержит большое количество активных эпоксидных групп, таких как карбоксильная группа, гидроксильная группа и т. Д., Поэтому его можно ковалентно модифицировать с помощью разнообразные химические реакции.

Некоторые исследователи обнаружили, что из-за отсутствия функциональных групп на поверхности графена дисперсия графена может быть улучшена путем адсорбции некоторых специальных функциональных групп на поверхности графена. Сюй Сяоюй использовал силановый связующий агент для силанизации графена, чтобы улучшить его дисперсию. Когда необработанный графен был помещен в воду на 1 час, графен в основном оседал на дно контейнера, что приводило к серьезной агломерации. После силанизации графен (ps-gg) равномерно и стабильно диспергировался в воде. После помещения на один день модифицированный графен показал небольшую агломерацию и отсутствие осадков на дне контейнера, что указывает на то, что графен, обработанный силановым связующим агентом, может стабильно диспергироваться в воде. Из-за введения силанового связующего агента на поверхности графена существует большое количество активных функциональных групп, что увеличивает гидрофильность графена и позволяет ему стабильно диспергироваться в растворе.

Коскун прикрепил поливиниловый спирт к поверхности с помощью ковалентной прививки через реакцию этерификации, что значительно улучшило дисперсию графена в водном растворе. Ковалентно связанный графен значительно улучшает его технологические свойства и придает ему новые превосходные свойства.

Недостатки функционализированного графена:

Однако есть некоторые очевидные недостатки в функционализированном графене за счет ковалентных связей. Ковалентная модификация графена разрушит внутреннюю структуру графена и изменит его уникальные химические и физические свойства.

1.3 модификация графена

Графен со стабильной структурой бензольного кольца обладает высокой химической стабильностью, а его поверхность находится в инертном состоянии со слабым взаимодействием с другими средами. Кроме того, между листами графена существуют сильные межмолекулярные силы, что позволяет легко складывать листы вместе и затруднять их рассредоточение.

Чжан Хай Цзяо улучшил дисперсию графена путем модификации поверхности расширенного графита ионной жидкостью. Эта модификация представляет собой физическую модификацию, которая снижает влияние процесса модификации на структуру и функциональные группы графена. Они заметили, что размер частиц модифицированного графенового листа был небольшим и имел сложенное состояние. Графен, модифицированный ионной жидкостью, может сохранять однородную дисперсию в растворе ацетона в течение длительного времени и может быть равномерно распределен в матрице силиконового каучука (SR). Увеличение длины цепочки ионной жидкости делает образец более равномерно диспергированным.

Ли обнаружил, что модифицированный графен может быть равномерно распределен в матрице. Он модифицировал графен с помощью органического низкомолекулярного изоцианата и обнаружил, что графен может быть стабильно диспергирован в растворителе N, n-диметил-метиламина, что способствует улучшению гомогенности и дисперсии графена в композитном процессе с поливинилиденфторидом и предотвращению агломерации графена в матрица.

Однако у этого метода есть свои недостатки: молекулы изоцианата на поверхности графена не могут действовать как барьер между листами графена, поэтому некоторые свойства графена не улучшаются.

Характеристики модификации графена в некоторой степени увеличивают дисперсию графена в матрице, но его характеристики в других аспектах ухудшаются. Мы должны дополнительно изучить влияние модификации на другие свойства, чтобы получить оптимизированный результат.

Помимо улучшения дисперсии графена за счет модификации ионной жидкостью и модификации малых молекул, существуют другие методы предотвращения агломерации графенов, такие как процесс осаждения совместным сульфированием и прививка функциональных групп. Процесс осаждения совместным сульфированием заключается в непосредственном смешивании модифицированного графена и несульфированного полифенилового эфира в хлороформе. Контролируя скорость добавления хлорсульфоновой кислоты, соединение можно одновременно осаждать в ультразвуковых условиях, что также может эффективно предотвращать агломерацию графена.

1.4 добавление диспергатора и привлечение заряда

По мере дальнейшего развития модификации метод добавления диспергатора в графен постепенно привлекал внимание и исследования исследователей. Wu ИСПОЛЬЗУЕТ поливиниловый спирт (ПВС) в качестве диспергатора, чтобы графен более диспергировался в растворе. Он обнаружил, что длинная цепочка ПВС, обернутая вокруг листа графена в композитной пленке, была настолько плотно связана, что графен был равномерно диспергирован в растворе.

Однако маневренность этого метода затруднена, и необходимо дополнительно изучить механизм образования пленки, чтобы расширить область применения этого материала и снизить стоимость.

Ци Тяньцзяо и др. использовал метод притяжения зарядов для решения дисперсии графена. Он использовал метод Хаммерса, чтобы справиться с большим количеством кислородсодержащих групп, что сделало его сильно отрицательно заряженным. Затем поверхность алюминиевого порошка заряжалась положительно, и, наконец, дисперсия графена решалась путем притяжения положительного и отрицательного зарядов. Было обнаружено, что явной агломерации графена не было, и в определенной степени была достигнута однородная дисперсия графена.

Но этот метод делает удлинение композитного материала значительно ниже, чем у чистого алюминия. Уменьшение других функций, вызванное притяжением зарядов, также является проблемой, которую нельзя игнорировать. Это необходимо улучшить и решить при определенных обстоятельствах.

1.5 другие методы диспергирования

Чжоу Минцзе увеличил дисперсию графена с помощью ультразвуковой обработки суспензии графена. Под действием критической жидкости углеродные нанотрубки и графен перемешиваются более равномерно. Поскольку мгновенное давление, создаваемое ультразвуковыми волнами, разрушает силу Ван-дер-Ваальса между слоями графена, графену труднее агломерировать вместе, так что углеродные нанотрубки и графен равномерно диспергируются и смешиваются вместе.

Ли Цзионгли и др. добавили графен в матрицу, так что графен равномерно диспергирован в матрице. Путем добавления графена к алюминиевой матрице они сформировали промежуточный сплав «графен / алюминиевый сплав», который позволяет добавлять графен в расплавленный алюминий в виде промежуточного сплава, чтобы максимизировать однородность и дисперсию графена в растворе алюминия. Однако этот метод увеличивает процесс и стоимость изготовления графеновых композитов, поэтому необходимо найти относительно простой способ и метод снижения стоимости.

Ху цзин решил проблему плохого диспергирования графена путем восстановления на месте. Однако в этом методе ИСПОЛЬЗУЕТСЯ гидразингидрат, токсичное вещество, которое создает трудности для безопасности промышленного производства и очистки сточных вод.

Чжоу и др. использовали метод, который не требует добавления поверхностно-активного вещества для увеличения дисперсии графена и восстановленного оксида графена в диметилформамиде за счет нагрева растворителя в процессе реакции. Концентрация дисперсии графена в растворе может достигать 0,3 мг / мл, и эта стабильная дисперсия может сохраняться более года. Таким образом, нет необходимости добавлять восстанавливающий агент или стабилизатор в процессе термического восстановления с использованием растворителя. Вместо этого оксид графена восстанавливается за счет спонтанного давления, создаваемого высокой температурой и высоким давлением в процессе реакции.

Чонг и др. обнаружили, что, когда химическое восстановление проводилось в основе смолы ABS, агломерации графеновых нанолистов можно было избежать. Графен может быть равномерно диспергирован в стирол-акрилонитрильной матрице, и с увеличением содержания наполнителя графен будет образовывать стабильную сетчатую структуру в стирол-акрилонитрильной матрице, предотвращая тем самым агломерацию графена. Другие методы диспергирования графена менее изучены, а некоторые механизмы не совсем понятны, что требует дополнительных исследований в этой области, чтобы предложить более эффективные и удобные методы, позволяющие реализовать потенциальные применения графена.

2. Направление исследований и изучение однородной дисперсии графеновых композитов.

После некоторого введения для увеличения дисперсии графена в матрице было обнаружено, что однородность графена все еще находится на предварительной стадии, и было проведено относительно мало исследований. Многие исследования были сосредоточены на одном аспекте, без учета того, повлияет ли обработанный графен на его отличные характеристики. При изучении однородной дисперсии графена в композитных материалах все еще существует множество проблем, таких как смачиваемость графена и матрицы, а также большая удельная поверхность графена.

Е Вейцзун считал, что смачиваемость графена в растворителях повлияет на его объем осаждения и в дальнейшем повлияет на его дисперсию. Если между растворителем и графеном имеется хорошая растворимость, то графен имеет хорошие характеристики диспергирования в среде и не склонен к агломерации. Распределение дисперсии в растворителе означает, что скорость осаждения графена относительно мала, а образующийся объем осаждения относительно невелик. Напротив, если смачиваемость графена в растворителе плохая, между графеном легко образоваться агломерация, чтобы уменьшить удельную поверхность. Эффект седиментации, отраженный в растворителе, заключается в том, что скорость седиментации высокая, а объем седиментации большой.

Для решения вышеупомянутых проблем, таких как смачиваемость графена и матрицы, могут быть добавлены другие элементы для оптимизации состава матрицы или химической обработки поверхности материала с помощью микроволнового плазменного химического осаждения из паровой фазы (CVD), выращивания на месте химического осаждения из паровой фазы или химического нанесения покрытия, а также можно рассмотреть функционализацию или модификацию графена.

Из-за большой удельной поверхности графена физический контакт между графеном может быть предотвращен с помощью поверхностного покрытия графена. В последние годы методу вычислительного моделирования уделяется все больше внимания и он широко используется в этой области для решения некоторых сложных задач. Компьютерное моделирование может использоваться для создания математической модели для моделирования экспериментального процесса, путем компьютерного моделирования для поиска наилучшей экспериментальной программы и в сочетании с экспериментальными результатами для проверки; Комбинируя теорию с практикой, был разработан оптимизированный производственный процесс для получения графеновых композитов с превосходными свойствами.

Страница содержит содержимое машинного перевода.