Wie macht man Graphen gleichmäßig verteilt?

Graphen ist ein zweidimensionales Wabenkohlenstoffmaterial, das aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomen besteht. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Atome werden durch sp2-Hybridisierung gebildet und ihre Struktur ist sehr stabil. Die spezielle Struktur von Graphen führt zu vielen hervorragenden Eigenschaften. Graphen ist das derzeit härteste Material und weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf (1060 GPa). Seine theoretische spezifische Oberfläche beträgt bis zu 2600 m² / g bei hervorragender Wärmeleitfähigkeit bis zu 3000 W / (M · K). Darüber hinaus weist Graphen auch eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Bei Raumtemperatur, kann seine Elektronenmobilität so hoch wie 20.000 cm ² / (V · s). Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Graphen haben Forscher erwogen, es als Verstärkung zum Matrixmaterial hinzuzufügen, um die Leistung des Matrixmaterials zu verbessern.

Die große spezifische Oberfläche von Graphen neigt jedoch dazu, zusammen zu agglomerieren, was nicht nur die eigene Adsorptionskapazität verringert, sondern auch die Leistung von Graphen selbst beeinflusst, wodurch die Leistungsverbesserung von graphenverstärkten Verbundwerkstoffen beeinflusst wird. Darüber hinaus ist eine solche Agglomeration irreversibel, es sei denn, sie wird durch Aufbringen einer äußeren Kraft wie Ultraschall und heftiges Rühren gleichmäßig verteilt. Um graphenverstärkte Verbundwerkstoffe mit hervorragender Leistung zu erhalten, haben Forscher einige Untersuchungen zur Überwindung der Graphenagglomeration durchgeführt.

1 Verfahren zur gleichmäßigen Dispersion von Graphen in einer Matrix

Die große spezifische Oberfläche von Graphen macht es leicht, irreversibel in der Matrix zu agglomerieren, was die Leistung der Graphenverstärkung beeinflusst. Im Allgemeinen ist seine Dispergierbarkeit aufgrund der Hydrophobizität und chemischen Inertheit von Graphen im Vergleich zu Graphenoxid relativ gering. Daher hat das Phänomen der Agglomeration von Graphen in der Matrix auch bei Forschern immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Es wurden verschiedene Verfahren versucht, um das Problem der Graphenagglomeration zu überwinden.

Gleichmäßige Dispersion von Graphen in der Matrix [Die Methoden umfassen hauptsächlich physikalische Dispersion und chemische Dispersion. Hier werden hauptsächlich das In-situ-Polymerisationsverfahren, die Funktionalisierung von Graphen (kovalente Bindungsfunktionalisierung und nichtkovalente Bindungsfunktionalisierung) und Graphit Alkene und andere Modifizierungsverfahren eingeführt.

1.1 In-situ-Polymerisation

Das In-situ-Polymerisationsverfahren dispergiert zuerst die Nanopartikel gleichmäßig im Monomer und initiiert dann die Polymerisation mit einem Initiator, um die Nanopartikel oder Moleküle gleichmäßig auf der Polymermatrix zu dispergieren und ein in-situ molekulares Polymermaterial zu bilden. Die in situ heterogene Polymerisation behält nicht nur die Nanoeigenschaften der Partikel bei, sondern erreicht auch eine gleichmäßige Dispersion der gefüllten Partikel und kann nanoförmige Partikel mit einer Kern-Schale-Struktur mit einer elastischen Überzugsschicht bilden. Da die äußere Schicht ein organisches Polymer ist, kann sie die Affinität des Materials zur organischen Phase erhöhen.

Lan Liu verwendete In-situ-Polymerisation, um Polyamidamine zwischen Graphenschichten zu polymerisieren, um die Graphenschichten zu öffnen, was den Zwischenschichtabstand vergrößerte und die Agglomeration von Graphenschichten in gewissem Maße verhinderte. . Da dieses Verfahren keinen Oxidationsschritt durchläuft, wird die ursprüngliche sp2-Struktur von Graphen weniger beschädigt, und das resultierende Produkt weist eine gute Stabilität auf und fällt kaum aus.

Huang et al. verwendeten In-situ-Polymerisation, um das Problem der gleichmäßigen Dispersion von Graphen in der Matrix zu lösen. Fig. 2 ist eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme (TEM) eines Polypropylen-Verbundmaterials mit unterschiedlichen Graphengehalten.

Opel verwendete auch In-situ-Polymerisation, um das Problem der Graphen-Dispersion zu lösen. Sie fanden heraus, dass Nanokomposite den Abstand von Graphenschichten vergrößern und die Agglomeration von Graphenschichten verhindern können, um eine gleichmäßige Dispersion von Graphen zu erreichen. Zusätzlich war die Stabilität des Produkts relativ gut und es zeigte eine gute Löslichkeit in einem organischen Lösungsmittel (Ameisensäure), und die Lösung war stabil und langlebig, und 6 Monate lang wurde keine Delaminierung beobachtet.

Einschränkungen der In-situ-Polymerisation:

Die In-situ-Polymerisation hat auch ihre Grenzen, dh anorganische Nanomaterialien müssen eine gute Verträglichkeit mit den ausgewählten Rohstoffen aufweisen. Um ein geeignetes Lösungsmittel zu finden, um sowohl Rohstoffe als auch anorganische Materialien aufzulösen, wird dies zwangsläufig die Forschungszeit verlängern und die Kosten werden auch Umweltverschmutzung verursachen. Zusätzlich erhöht die Zugabe von Graphen die Viskosität des Polymers, was die Polymerisation komplizierter macht.

1.2 Funktionalisierung von Graphen

Das funktionalisierte Graphen kann gleichmäßig in der Matrix dispergiert werden, was zur hervorragenden Leistung von Graphen als Verstärkung beiträgt. Um die hervorragenden Eigenschaften von Graphen in mehr Bereichen anwenden zu können, müssen bestimmte Methoden und Maßnahmen zur Funktionalisierung angewendet werden. Das Prinzip der Funktionalisierung besteht darin, die Defekte oder Gruppen auf der Oberfläche von Graphen durch kovalente und nichtkovalente Methoden zu modifizieren, Graphen einige neue Eigenschaften zu verleihen und seine Anwendungsfelder weiter zu untersuchen und zu erweitern. Die Funktionalisierung ist eine wichtige Methode, um die Löslichkeit und Dispergierbarkeit von Graphen zu verbessern und die Verarbeitung und Formgebung zu erleichtern.

Die Funktionalisierung von Graphen hat sich entwickelt, um ein Material mit einer bestimmten Eigenschaft herzustellen oder um die Leistung bestimmter Aspekte von Graphen zu berücksichtigen. Funktionalisiertes Graphen behält nicht nur die ursprünglichen Eigenschaften von Graphen bei, sondern zeigt auch die Reaktivität der modifizierenden Gruppe, was eine Möglichkeit zur Dispersion und Reaktion von Graphen bietet und den Anwendungsbereich von Graphen weiter vergrößert.

Die Struktur von Graphen ist ein Benzolring, daher ist es relativ stabil. Die Benzolringdefektstelle und die Kante weisen jedoch eine relativ hohe Aktivität auf, und die Oberfläche des oxidierten Graphens enthält eine große Menge an aktiven Epoxygruppen, wie einer Carboxylgruppe und einer Hydroxylgruppe, so dass verschiedene chemische Reaktionsverfahren verwendet werden können zur Behandlung der kovalenten Graphembindung.

Einige Forscher haben herausgefunden, dass aufgrund des Fehlens funktioneller Gruppen auf der Oberfläche von Graphen die Dispergierbarkeit von Graphen durch Adsorption bestimmter spezieller funktioneller Gruppen auf der Oberfläche von Graphen verbessert werden kann. Xiaoyue Xu verwendet ein Silankupplungsmittel, um Graphen zu silanisieren, um die Dispergierbarkeit von Graphen zu verbessern. Unbehandeltes Graphen wurde 1 h in Wasser gegeben und Graphen wurde im wesentlichen am Boden des Gefäßes abgelagert. Das Agglomerationsphänomen war schwerwiegender, wie in Fig. 2 (a) gezeigt. Wie in Fig. 2 (b) gezeigt, war das silanisierte Graphen (PS-gG) gleichmäßig und stabil in Wasser dispergiert, und nach einem Tag Stehen agglomerierte das modifizierte Graphen kaum. Es gab auch keine Ausfällung am Boden des Behälters, was darauf hinweist, dass das Graphen, das der Silankupplungsmittel-Kupplungsbehandlung unterzogen wurde, stabil in Wasser dispergiert werden kann. Aufgrund der Einführung des Silankupplungsmittels ist eine große Menge reaktiver funktioneller Gruppen auf der Oberfläche des Graphens vorhanden, was die Hydrophilie des Graphens erhöht, so dass es stabil in der Lösung dispergiert werden kann.

Coskun haftet Polyvinylalkohol durch kovalente Pfropfung durch Veresterung an der Oberfläche von Graphenoxid, so dass die Dispergierbarkeit von Graphen in wässriger Lösung stark verbessert wird. Durch kovalente Bindungen funktionalisiertes Graphen verbessert seine Verarbeitungseigenschaften erheblich und verleiht ihm einige neue und überlegene Eigenschaften.

Nachteile von funktionalisiertem Graphen:

Durch kovalente Bindungen funktionalisiertes Graphen weist jedoch auch einige offensichtliche Mängel auf. Die kovalente Bindungsmodifikation von Graphen zerstört die intrinsische Struktur von Graphen und verändert die chemischen und physikalischen Eigenschaften, die für Graphen selbst einzigartig sind.

1.3 Graphenmodifikation

Graphen mit stabiler Benzolringstruktur, seine chemische Stabilität ist hoch, die Oberfläche weist einen inerten Zustand auf, die Wechselwirkung mit anderen Medien ist schwach und es gibt eine starke Zwischenschicht zwischen Graphen. Die intermolekularen Kräfte bewirken, dass die Blätter leicht gestapelt und schwer zu dispergieren sind.

Haijiao Zhang verbesserte die Dispergierbarkeit von Graphen durch Oberflächenmodifikation von expandiertem Graphit durch ionische Flüssigkeit. Diese Modifikation ist eine Modifikation der physikalischen Methode, die den Einfluss des Modifikationsprozesses auf die Struktur und die funktionellen Gruppen des Graphens verringern kann. Sie beobachteten, dass die modifizierten Graphenschichten eine kleine Teilchengröße haben und einen faltigen Zustand aufweisen; Das durch die ionische Flüssigkeit modifizierte Graphen kann über lange Zeit einen gleichmäßigen Dispersionszustand in der Acetonlösung aufrechterhalten und kann gleichmäßig im Silikonkautschuk verteilt sein. In der (SR) -Matrix wird die Kettenlänge der ionischen Flüssigkeit erhöht, damit die Probe gleichmäßiger verteilt werden kann.

Li fand heraus, dass das modifizierte Graphen gleichmäßig in der Matrix verteilt war. Er modifizierte Graphen durch organisches niedermolekulares Isocyanat und fand heraus, dass Graphen stabil in N, N-Dimethylformamid-Lösungsmittel dispergiert werden kann, was vorteilhaft ist, um die Gleichmäßigkeit von Graphen beim Compoundieren mit Polyvinylidenfluorid zu verbessern. Die Dispergierbarkeit vermeidet die Agglomeration von Graphen in der Matrix.

Dieses Verfahren hat jedoch auch seine Nachteile: Die Isocyanatmoleküle auf der Oberfläche des Graphens können nicht dazu dienen, die Graphene zwischen den Graphenschichten voneinander zu trennen, und daher werden einige Eigenschaften des Graphens nicht verbessert.

Die Modifikation von Graphen kann die Dispergierbarkeit von Graphen in der Matrix in gewissem Maße erhöhen, aber die Leistung in anderen Aspekten wird verschlechtert. Wir sollten den Effekt der Modifikation auf andere Eigenschaften untersuchen, um ein optimiertes Ergebnis zu erhalten.

Neben der Verbesserung der Dispergierbarkeit von Graphen durch Modifikation der ionischen Flüssigkeit und Modifikation kleiner Moleküle gibt es andere Methoden, um die Agglomeration von Graphen zu verhindern, wie den Co-Sulfonierungs-Fällungsprozess und die Art der Verzweigung funktioneller Gruppen. Das Co-Sulfonierungs-Fällungsverfahren mischt das modifizierte Graphen und den nicht sulfonierten Polyphenylenether direkt in Chloroform, und durch Steuern der Zugaberate der Chlorsulfonsäure wird der Verbundstoff gleichzeitig unter Ultraschallbedingungen ausgefällt, und der Graphit kann wirksam durch Agglomeration von Alkenen verhindert werden.

1.4 Hinzufügen von Dispergiermittel und Ladungsanziehung

Mit der Weiterentwicklung der Modifikation hat die Methode der Zugabe von Dispergiermittel zu Graphen allmählich die Aufmerksamkeit und Forschung der Forscher auf sich gezogen. Wu verwendet Polyvinylalkohol (PVA) als Dispergiermittel, um Graphen in der Lösung dispergierter zu machen. Er fand heraus, dass in dem hergestellten Verbundfilm die lange Kette aus PVA die Graphenschicht umwickelte und die beiden Phasen sehr eng miteinander verbunden waren, so dass das Graphen gleichmäßig in der Lösung dispergiert war.

Die Manipulation dieses Verfahrens ist jedoch schwierig, und es ist notwendig, den Mechanismus der Filmbildung genauer zu untersuchen, wodurch der Anwendungsbereich und die Kosten des Materials verbessert werden.

Tianjiao Qi und andere verwendeten eine Ladungsanziehungsmethode, um die Dispergierbarkeit von Graphen zu lösen. Er verwendete die Hummers-Methode, um Graphenoxid herzustellen, das eine große Menge sauerstoffhaltiger Gruppen enthielt, wodurch das Graphenoxid eine stark negative Ladung aufwies. Dann wird die Oberfläche des Aluminiumpulvers positiv geladen, und schließlich wird das Problem der Dispergierbarkeit von Graphen durch die positive und negative Ladungsanziehung gelöst. Es wurde gefunden, dass Graphen kein offensichtliches Agglomerationsphänomen aufweist und bis zu einem gewissen Grad eine gleichmäßige Dispersion von Graphen erreicht.

Dieser Ansatz führt jedoch zu einer signifikanten Verringerung der Verbunddehnung im Vergleich zu reinem Aluminium. Die Ladungsanziehungsmethode führt dazu, dass andere Funktionen abnehmen, und es ist auch ein Problem, das nicht ignoriert werden kann. Dies erfordert unter bestimmten Umständen eine Verbesserung und Lösung dieses Problems.

1.5 Andere Dispersionsmethoden

Mingjie Zhou verbesserte die Dispersionseigenschaften von Graphen durch Ultraschallbehandlung der Graphensuspension. Aufgrund der Wirkung der kritischen Flüssigkeit werden die Kohlenstoffnanoröhren gleichmäßiger mit dem Graphen gemischt. Da der momentane Freisetzungsdruck der Ultraschallwellen die Van-der-Waals-Kraft zwischen der Graphenschicht und der Schicht zerstört, ist es weniger wahrscheinlich, dass das Graphen zusammen agglomeriert, wodurch die Kohlenstoffnanoröhren und das Graphen gleichmäßig miteinander gemischt werden.

Li et al. Fügten der Matrix Graphen hinzu, um das Graphen gleichmäßig in der Matrix zu dispergieren. Durch Zugabe von Graphen zur Aluminiummatrix bilden sie eine Masterlegierung "Graphen / Aluminiumlegierung", die es ermöglicht, der geschmolzenen Aluminiumlösung mittels einer Zwischenlegierung Graphen zuzusetzen, wodurch die gleichmäßige Dispersion des Graphems in der Aluminiumflüssigkeit maximiert wird. Dieses Verfahren erhöht jedoch das Verfahren und die Kosten der Herstellung des Graphenverbundmaterials, was das Finden eines relativ einfachen Weges und Verfahrens zum Reduzieren der Kosten und dergleichen erfordert.

Jing Hu löste das Problem der schlechten Dispersion von Graphen durch ein In-situ-Reduktionsverfahren. Bei diesem Verfahren werden jedoch toxische Substanzen wie Hydrazinhydrat verwendet, was die Sicherheit industrieller Produktionsabläufe und die Abwasserbehandlung erschwert.

Zhou et al. verwendeten ein Verfahren, bei dem kein Tensid zugesetzt werden muss, um die Dispergierbarkeit von Graphen zu erhöhen, und reduzierten Graphenoxid in Dimethylformamid durch Solvothermalwärme während der Reaktion. Die Dispersionskonzentration von Graphen in der Lösung kann 0,3 mg / ml erreichen, und diese stabile Dispersion kann länger als ein Jahr aufrechterhalten werden. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, während der Solvothermalreduktion ein Reduktionsmittel und einen Stabilisator zuzusetzen, aber das Graphenoxid wird durch den Druck reduziert, der spontan durch die hohe Temperatur und den hohen Druck während der Reaktion erzeugt wird.

Chong et al. fanden heraus, dass eine Agglomeration von Graphen-Nanoblättern vermieden werden kann, wenn ABS-Harzgruppen chemisch reduziert werden. Graphen kann gleichmäßig in der Styrol-Acrylnitril-Matrix dispergiert werden, und mit zunehmendem Füllstoffgehalt bildet Graphen eine stabile Netzwerkstruktur in der Styrol-Acrylnitril-Matrix, wodurch die Agglomeration von Graphen verhindert wird. Andere Methoden zum Dispergieren von Graphen wurden weniger untersucht, und einige Mechanismen sind nicht gut verstanden. Dies erfordert eine Stärkung der Forschung auf diesem Gebiet und schlägt eine effizientere und einfachere Methode vor, um die potenzielle Anwendung von Graphen Wirklichkeit werden zu lassen.

2 Forschungsrichtung und Erforschung der gleichmäßigen Dispersion von Graphen-Kompositen

Nach einigen Einführungen zur Erhöhung der Dispergierbarkeit von Graphen in der Matrix wurde festgestellt, dass die gleichmäßige Dispersion von Graphen noch in den Kinderschuhen steckt und weniger Forschung betrieben wurde. Viele Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf einen Aspekt und berücksichtigen nicht, ob das behandelte Graphen seine hervorragende Leistung beeinträchtigt. Es gibt immer noch viele Probleme hinsichtlich der gleichmäßigen Dispersion von Graphen in Verbundwerkstoffen, wie das Problem der Benetzbarkeit von Graphen und Matrix und die große spezifische Oberfläche von Graphen.

Weizong Ye glaubt, dass die Benetzbarkeit von Graphen im Lösungsmittel sein Sedimentationsvolumen und seine Dispergierbarkeit weiter beeinflusst. Wenn eine gute Verträglichkeit zwischen dem Lösungsmittel und dem Graphen besteht, hat das Graphen gute Dispergiereigenschaften im Medium, neigt nicht zur Agglomeration, ist im Lösungsmittel dispergiert und die Graphisierungsrate des Graphens ist relativ gering. Das gebildete Absetzvolumen ist relativ klein. Wenn andererseits die Benetzbarkeit von Graphen in einem Lösungsmittel nicht gut ist, wird leicht eine Agglomeration zwischen Graphen gebildet, um die spezifische Oberfläche zu verringern, und der im Lösungsmittel reflektierte Sedimentationseffekt besteht darin, dass die Sedimentationsrate schnell ist und das Sedimentationsvolumen gleich ist groß.

In Anbetracht der obigen Probleme, wie des Benetzbarkeitsproblems von Graphen und Matrix, kann erwogen werden, andere Elemente hinzuzufügen, um die Matrixkomponente zu optimieren oder die Oberfläche des Materials durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) im Mikrowellenplasma chemisch zu behandeln situ Wachstum CVD oder stromlose Beschichtung. Graphen ist funktionalisiert oder modifiziert.

Das Problem der großen spezifischen Oberfläche von Graphen kann den physikalischen Kontakt zwischen Graphen durch Oberflächenbeschichtung von Graphen verhindern. In den letzten Jahren hat die Methode der Computersimulation viel Aufmerksamkeit erhalten und wird auf diesem Gebiet immer häufiger angewendet, um einige Probleme zu lösen. Mithilfe von Computersimulationen kann ein mathematisches Modell erstellt werden, um den experimentellen Prozess zu simulieren, die beste experimentelle Lösung durch Computersimulation zu finden und die experimentellen Ergebnisse zu überprüfen. Kombination von Theorie und Praxis zur Entwicklung eines optimierten Produktionsprozesses zur Herstellung von Graphen-Verbundwerkstoffen mit hervorragenden Eigenschaften.

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