Wie kann das Problem der Graphen-Dispersion gelöst werden?

Graphen ist eine zweidimensionale Wabe aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Muster angeordnet sind. Die Kohlenstoffatome werden durch sp2-Hybridisierung gebildet und ihre Struktur ist sehr stabil. Graphen hat aufgrund seiner besonderen Struktur viele hervorragende Eigenschaften. Graphen ist die härteste Substanz, die bisher gefunden wurde, mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften (1060 GPa), einer theoretischen spezifischen Oberfläche von bis zu 2600 m 2 / g und einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit von bis zu 3000 W / (m · K). Darüber hinaus weist Graphen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Bei Raumtemperatur kann die Elektronenmobilität bis zu 20000 cm2 / (V · s) betragen. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Graphen erwägen die Forscher, dem Matrixmaterial Graphen als Verstärkung zuzusetzen, um seine Eigenschaften 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 Verbesserung von graphenverstärkten Verbundwerkstoffen beeinflusst wird. Darüber hinaus ist die Agglomeration nur dann reversibel, wenn äußere Kräfte wie Ultraschall und starkes Rühren angewendet werden, um sie gleichmäßig zu verteilen. Um graphenverstärkte Verbundwerkstoffe mit hervorragenden Eigenschaften zu erhalten, haben Forscher einige Untersuchungen zur Überwindung der Graphenagglomeration durchgeführt.

1. Einheitliche Dispersionsmethode von Graphen in der Matrix

Die große spezifische Oberfläche von Graphen macht es anfällig für irreversible Agglomeration in der Matrix, was die hervorragende Leistung der Graphenverstärkung beeinträchtigt. Im Allgemeinen ist seine Dispergierbarkeit aufgrund der Hydrophobizität und chemischen Inertheit von Graphen im Vergleich zu go relativ gering. Daher hat die Agglomeration von Graphen in der Matrix immer mehr Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen, und es wurden viele Methoden versucht, um die Agglomeration von Graphen zu überwinden.

Die homogene Dispersion von Graphen in der Matrix [Verfahren umfassen hauptsächlich physikalische Dispersion und chemische Dispersion. In dieser Arbeit werden In-situ-Polymerisation, Funktionalisierung von Graphen (Funktionalisierung kovalenter Bindungen und Funktionalisierung nichtkovalenter Bindungen), Graphenmodifikation und andere Modifikationsmethoden vorgestellt.

1.1 In-situ-Polymerisation

In-situ-Polymerisation besteht darin, die Nanopartikel gleichmäßig im Monomer zu dispergieren und dann die Polymerisation mit dem Initiator zu initiieren, so dass die Nanopartikel oder Moleküle gleichmäßig auf der Polymermatrix dispergiert sind und in-situ molekulare Polymermaterialien bilden. In-situ-Mehrphasenpolymerisation behält nicht nur die Nanometer-Eigenschaften der Partikel bei, sondern erreicht auch die gleichmäßige Dispersion der Füllstoffpartikel, die die nanoförmigen Partikel mit der Kern-Schale-Struktur mit einer elastischen Beschichtung bilden können. Da die äußere Schicht ein organisches Polymer ist, verbessert sie die Affinität des Materials zur organischen Phase.

Liu LAN et al. verwendeten In-situ-Polymerisation zur Erzeugung von Polyamidamin zwischen den Graphenschichten, wodurch die Graphenschicht auseinandergezogen und der Schichtabstand vergrößert wurde, was die Agglomeration der Graphenschicht in gewissem Maße verhinderte. Da diese Methode die Oxidationsschritte nicht durchlief, war der Schädigungsgrad der ursprünglichen sp2-Struktur von Graphen gering, und die resultierenden Produkte waren stabil und fielen fast nicht aus.

Huang et al. löste das Problem der gleichmäßigen Dispersion von Graphen in der Matrix durch In-situ-Polymerisation. 2 zeigt die TEM-Bilder von Polypropylen-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Graphengehalten. Aus 2 ist ersichtlich, dass Graphen gleichmäßig in der Polypropylenmatrix dispergiert ist, insbesondere wenn der Graphengehalt hoch ist, ist die Dispersion gleichmäßiger, was darauf hinweist, dass dieses In-situ-Polymerisationsverfahren tatsächlich dazu beiträgt, die gleichmäßige Dispersion von Graphen in zu erreichen die Polypropylenmatrix.

Opal übernahm auch die In-situ-Polymerisation, um das Dispersionsproblem von Graphen zu lösen. Sie fanden heraus, dass Nanokomposite den Abstand zwischen Graphenschichten vergrößern und die Agglomeration von Graphenschichten verhindern können, um eine gleichmäßige Dispersion von Graphen zu erreichen. Darüber hinaus hat das Produkt eine gute Stabilität und kann eine gute Löslichkeit im organischen Lösungsmittel (Ameisensäure) zeigen, die Lösung kann stabil sein und über eine lange Zeit, 6 Monate ohne Schichtung, gehalten werden.

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 die Rohstoffe und anorganischen Materialien gleichzeitig aufzulösen, wird dies zwangsläufig die Forschungszeit und -kosten erhöhen und auch Umweltverschmutzung verursachen. Zusätzlich erhöht die Zugabe von Graphen die Viskosität des Polymers, wodurch die Polymerisationsreaktion komplexer wird.

1.2 Funktionalisierung von Graphen

Das funktionalisierte Graphen kann gleichmäßig in der Matrix dispergiert werden, was der Leistung von Graphen als Verstärkung förderlich ist. Um die hervorragenden Eigenschaften von Graphen in mehr Bereichen anwenden zu können, müssen bestimmte Methoden und Maßnahmen zur Funktionalisierung von Graphen ergriffen werden. Das Prinzip der Funktionalisierung besteht darin, kovalente und nichtkovalente Methoden zu verwenden, um die Defekte oder Gruppen auf der Graphenoberfläche zu modifizieren und Graphen mit einigen neuen Eigenschaften auszustatten, wodurch es einfacher wird, sein Anwendungsgebiet weiter zu untersuchen und zu erweitern. Die Funktionalisierung ist eine wichtige Methode, um die Löslichkeit und Dispersion von Graphen zu verbessern und die Verarbeitung und Bildung zu erleichtern.

Die Funktionalisierung von Graphen hat sich zu einem Material zur Herstellung bestimmter besonderer Eigenschaften oder zur Behebung des Mangels an bestimmten Eigenschaften von Graphen entwickelt. Funktionalisiertes Graphen behält nicht nur die ursprüngliche Leistung von Graphen bei, sondern zeigt auch die Reaktivität modifizierender Gruppen, was eine Möglichkeit für die Dispersion und Reaktion von Graphen bietet und den Anwendungsbereich von Graphen weiter erhöht.

Graphen hat einen Benzolring und ist daher relativ stabil. Graphen hat jedoch eine hohe Aktivität an den Defektteilen und Kanten des Benzolrings, und die Oberfläche von oxidiertem Graphen enthält eine große Anzahl aktiver Epoxygruppen wie Carboxylgruppen und Hydroxylgruppen usw., so dass es durch a kovalent modifiziert werden kann Vielzahl chemischer Reaktionen.

Einige Forscher haben herausgefunden, dass aufgrund des Fehlens funktioneller Gruppen auf der Graphenoberfläche die Dispersion von Graphen durch Adsorption einiger spezieller funktioneller Gruppen auf der Graphenoberfläche verbessert werden kann. Xu Xiaoyu verwendete ein Silankupplungsmittel, um Graphen zu silanisieren, um die Dispersion von Graphen zu verbessern. Wenn unbehandeltes Graphen 1 Stunde lang in Wasser gegeben wurde, lagerte sich das Graphen im Wesentlichen am Boden des Behälters ab, was zu einer ernsthaften Agglomeration führte. Nach der Silanisierung wurde Graphen (ps-gg) gleichmäßig und stabil in Wasser dispergiert. Nach einem Tag zeigte das modifizierte Graphen eine geringe Agglomeration und keine Ausfällung am Boden des Behälters, was darauf hinweist, dass das mit Silankupplungsmittel behandelte Graphen stabil in Wasser dispergiert werden konnte. Aufgrund der Einführung des Silankupplungsmittels existiert eine große Anzahl von aktiven funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Graphen, was die Hydrophilie von Graphen erhöht und es ermöglicht, es stabil in Lösung zu dispergieren.

Coskun band Polyvinylalkohol mittels kovalenter Pfropfung durch Veresterungsreaktion an die Oberfläche von go, was die Dispersion von Graphen in wässriger Lösung stark verbesserte. Kovalent gebundenes Graphen verbessert seine Verarbeitungseigenschaften erheblich und verleiht ihm einige neue hervorragende Eigenschaften.

Nachteile von funktionalisiertem Graphen:

Es gibt jedoch einige offensichtliche Mängel im funktionalisierten Graphen durch kovalente Bindungen. Eine kovalente Modifikation von Graphen zerstört die intrinsische Struktur von Graphen und verändert seine einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

1.3 Graphenmodifikation

Graphen mit stabiler Benzolringstruktur weist eine hohe chemische Stabilität auf und seine Oberfläche weist einen inerten Zustand mit schwacher Wechselwirkung mit anderen Medien auf. Zusätzlich gibt es starke intermolekulare Kräfte zwischen den Graphenschichten, was es einfach macht, die Schichten zusammen zu stapeln und sie schwer zu dispergieren.

Zhang hai jiao verbesserte die Dispersion von Graphen durch Oberflächenmodifikation von expandiertem Graphit durch ionische Flüssigkeit. Diese Modifikation ist eine physikalische Modifikation, die die Wirkung des Modifikationsprozesses auf die Struktur und die funktionellen Gruppen von Graphen verringert. Sie beobachteten, dass die Partikelgröße der modifizierten Graphenschicht klein war und einen gefalteten Zustand zeigte. Das durch ionische Flüssigkeit modifizierte Graphen kann über lange Zeit eine gleichmäßige Dispersion in Acetonlösung aufrechterhalten und kann gleichmäßig in der Silikonkautschuk (SR) -Matrix verteilt sein. Die Zunahme der Kettenlänge der ionischen Flüssigkeit macht die Probe gleichmäßiger verteilt.

Li fand heraus, dass das modifizierte Graphen gleichmäßig in der Matrix verteilt sein konnte. Er modifizierte Graphen mit organischem niedermolekularem Isocyanat und fand heraus, dass Graphen stabil in N, n-Dimethylmethylamin-Lösungsmittel dispergiert werden konnte, was dazu beitrug, die Homogenität und Dispersion von Graphen im Verbundverfahren mit Polyvinylidenfluorid zu verbessern und eine Agglomeration von Graphen in zu vermeiden die Matrix.

Dieses Verfahren hat jedoch seine Nachteile: Die Isocyanatmoleküle auf der Graphenoberfläche können nicht als Barriere zwischen Graphenschichten wirken, so dass einige Eigenschaften von Graphen nicht verbessert werden.

Die Modifizierungsleistung von Graphen erhöht die Dispersion von Graphen in der Matrix in gewissem Maße, aber seine Leistung in anderen Aspekten nimmt ab. Wir sollten den Einfluss der Modifikation auf andere Eigenschaften weiter untersuchen, um ein optimiertes Ergebnis zu erhalten.

Zusätzlich zur Verbesserung der Dispersion von Graphen durch Modifikation ionischer Flüssigkeiten und Modifikation kleiner Moleküle gibt es andere Verfahren, um die Agglomeration von Graphenen zu verhindern, wie den Co-Sulfonierungs-Fällungsprozess und das Pfropfen funktioneller Gruppen. Das Co-Sulfonierungs-Fällungsverfahren besteht darin, modifiziertes Graphen und nicht sulfonierten Polyphenylether direkt in Chloroform zu mischen. Durch Steuern der Zugaberate von Chlorsulfonsäure kann die Verbindung gleichzeitig unter Ultraschallbedingungen ausgefällt werden, was auch eine Agglomeration von Graphen wirksam verhindern kann.

1.4 Zugabe 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 die lange PVA-Kette, die in der Verbundfolie um die Graphenschicht gewickelt war, so fest gebunden war, dass das Graphen gleichmäßig in der Lösung dispergiert war.

Die Manövrierfähigkeit dieses Verfahrens ist jedoch schwierig, und es ist notwendig, den Mechanismus der Filmbildung genau weiter zu untersuchen, um den Anwendungsbereich dieses Materials zu verbessern und die Kosten zu senken.

Qi tianjiao et al. verwendeten eine Methode der Ladungsanziehung, um die Dispersion von Graphen zu lösen. Er benutzte die Hummers-Methode, um mit einer großen Anzahl sauerstoffhaltiger Gruppen loszulegen und sie stark negativ zu laden. Dann wurde die Oberfläche des Aluminiumpulvers positiv geladen, und schließlich wurde die Dispersion von Graphen durch positive und negative Ladungsanziehung gelöst. Es wurde gefunden, dass es keine offensichtliche Agglomeration von Graphen gab, und bis zu einem gewissen Grad wurde die gleichmäßige Dispersion von Graphen erreicht.

Durch diese Methode ist die Dehnung des Verbundwerkstoffs jedoch deutlich geringer als die von reinem Aluminium. Die durch Ladungsanziehung verursachte Abnahme anderer Funktionen ist ebenfalls ein Problem, das nicht ignoriert werden kann. Dies muss unter bestimmten Umständen verbessert und gelöst werden.

1,5 andere Dispersionsmethoden

Zhou Mingjie verbesserte die Dispersion von Graphen durch Ultraschallbehandlung der Graphensuspension. Unter der Einwirkung einer kritischen Flüssigkeit werden Kohlenstoffnanoröhren und Graphen gleichmäßiger gemischt. Da der durch Ultraschallwellen freigesetzte augenblickliche Druck die Van-der-Waals-Kraft zwischen den Graphenschichten zerstört, ist es für Graphen schwieriger, zusammen zu agglomerieren, so dass die Kohlenstoffnanoröhren und das Graphen gleichmäßig verteilt und miteinander gemischt werden.

Li Jiongli et al. Graphen zur Matrix hinzugefügt, so dass Graphen gleichmäßig in der Matrix verteilt ist. Durch Zugabe von Graphen zur Aluminiummatrix bildeten sie eine Zwischenlegierung "Graphen / Aluminiumlegierung", die es ermöglicht, geschmolzenem Aluminium Graphen in Form einer Zwischenlegierung zuzusetzen, um die Homogenität und Dispersion von Graphen in der Aluminiumlösung zu maximieren. Dieses Verfahren erhöht jedoch das Verfahren und die Kosten für die Herstellung von Graphen-Verbundwerkstoffen, so dass es notwendig ist, einen relativ einfachen Weg und ein Verfahren zu finden, um die Kosten zu senken.

Hu jing löste das Problem der schlechten Dispersion von Graphen durch In-situ-Reduktionen. Bei dieser Methode wird jedoch Hydrazinhydrat verwendet, eine toxische Substanz, die die Sicherheit der industriellen Produktion und der Abwasserbehandlung erschwert.

Zhou et al. verwendeten ein Verfahren, bei dem kein Tensid zugesetzt werden muss, um die Dispersion von Graphen und reduziertem Graphenoxid in Dimethylformamid durch Lösungsmittelwärme im Reaktionsprozess zu erhöhen. 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 erforderlich, dem Lösungsmittel-thermischen Reduktionsprozess ein Reduktionsmittel oder einen Stabilisator zuzusetzen. Stattdessen wird Graphenoxid durch den spontanen Druck reduziert, der durch hohe Temperatur und hohen Druck im Reaktionsprozess erzeugt wird.

Chong et al. fanden heraus, dass bei Durchführung der chemischen Reduktion in der ABS-Harzbasis eine Agglomeration von Graphen-Nanoblättern vermieden werden konnte. Graphen kann gleichmäßig in der Styrol-Acrylnitril-Matrix dispergiert werden, und mit zunehmendem Füllstoffgehalt bildet das Graphen eine stabile Netzwerkstruktur in der Styrol-Acrylnitril-Matrix, wodurch die Agglomeration von Graphen verhindert wird. Andere Methoden zum Dispergieren von Graphen sind weniger gut untersucht und einige Mechanismen sind nicht gut verstanden, was mehr Forschung auf diesem Gebiet erfordert, um effizientere und bequemere Methoden vorzuschlagen, um mögliche Anwendungen von Graphen Wirklichkeit werden zu lassen.

2. Forschungsrichtung und Erforschung der gleichmäßigen Dispersion von Graphen-Kompositen

Nach einiger Einführung zur Erhöhung der Dispersion von Graphen in der Matrix wurde festgestellt, dass sich die Homogenität von Graphen noch in einem vorläufigen Stadium befindet und relativ wenig Forschung betrieben wurde. Viele Studien haben sich auf einen Aspekt konzentriert, ohne zu berücksichtigen, ob das behandelte Graphen seine hervorragende Leistung beeinträchtigt. Es gibt immer noch viele Probleme bei der Untersuchung der gleichmäßigen Dispersion von Graphen in Verbundwerkstoffen, wie die Benetzbarkeit von Graphen und Matrix und die große spezifische Oberfläche von Graphen.

Ye Weizong glaubte, dass die Benetzbarkeit von Graphen in Lösungsmitteln sein Absetzvolumen und seine Dispersion weiter beeinflussen würde. Wenn zwischen dem Lösungsmittel und Graphen eine gute Löslichkeit besteht, hat Graphen eine gute Dispersionsleistung im Medium und neigt nicht zur Agglomeration. Die Dispersionsverteilung im Lösungsmittel bedeutet, dass die Abscheidungsrate von Graphen relativ klein und das gebildete Absetzvolumen relativ klein ist. Im Gegenteil, wenn die Benetzbarkeit von Graphen im Lösungsmittel nicht gut ist, ist es leicht, eine Agglomeration zwischen Graphen zu bilden, um die spezifische Oberfläche zu verringern. Der im Lösungsmittel reflektierte Sedimentationseffekt besteht darin, dass die Sedimentationsrate schnell und das Sedimentationsvolumen groß ist.

Für die obigen Probleme, wie die Benetzbarkeit von Graphen und Matrix, können andere Elemente hinzugefügt werden, um die Matrixzusammensetzung zu optimieren, oder die chemische Behandlung der Materialoberfläche durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) im Mikrowellenplasma, CVD-Wachstum in situ oder stromloses Plattieren und Eine Funktionalisierung oder Modifikation von Graphen kann in Betracht gezogen werden.

Aufgrund der großen spezifischen Oberfläche von Graphen kann ein physikalischer Kontakt zwischen Graphen durch eine Oberflächenbeschichtung aus Graphen verhindert werden. In den letzten Jahren wurde der Methode der Computersimulation immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt und auf diesem Gebiet häufig zur Lösung einiger schwieriger Probleme eingesetzt. Computersimulation kann verwendet werden, um ein mathematisches Modell zur Simulation des experimentellen Prozesses zu erstellen, durch Computersimulation, um das beste experimentelle Programm zu finden, und kombiniert mit experimentellen Ergebnissen, um dies zu überprüfen; Durch die Kombination von Theorie und Praxis wurde der optimierte Produktionsprozess entwickelt, um Graphen-Verbundwerkstoffe mit hervorragenden Eigenschaften herzustellen.

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