نانوکامپوزیت های گرافن پلیمری
گرافن به دلیل انتقال استثنایی الکترون، خواص مکانیکی و خواص سطحی بالا بسیار مورد توجه مباحث علمی قرار گرفته است. اگر این ورق های نازک کربنی اتمی به طور مناسب ترکیب شوند، می توانند به طور قابل توجهی خواص فیزیکی پلیمرهای میزبان را در بارگذاری بسیار کوچک بهبود بخشند. در اینجا، ما ابتدا مزایا و معایب مسیرهای تولید گرافیت لایه برداری شده را با تأکید بر راهکارهای بالا به پایین را مورد بررسی قرار می دهیم که از اکسید گرافیت شروع می شود. سپس در مورد راهکارهای متکی به حلال و ذوب به منظور پراکندگی شیمیایی یا گرما کاهش یافتۀ پلیمرهای گرافن اکسید بحث می شود. علاوه براین، تکنیک های تحلیلی با هدف توصیف ابعاد ذرات، خواص سطحی و پراکندگی در پلیمرهای ماتریس نیز معرفی شده اند. همچنین در این مقاله با اشاره به خواص الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و مانع گازی نانوکامپوزیت های گرافن/ پلیمری به بررسی چالش های فعلی مرتبط با پردازش و مقیاس پذیری کامپوزیت های گرافن و راهکارهای پیشرو برای این کامپوزیت های جدید هم می پردازیم.
از نانوکامپوزیت های پلیمری مبتنی بر کربن سیاه، نانو لوله های کربنی و سیلیکات های لایه ای برای بهبود خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و گازی پلیمرها استفاده می شود. کشف گرافن با ترکیبی از خواص فیزیکی منحصر به فرد و قابلیت پراکندگی آن در ماتریس های پلیمری مختلف کلاس جدیدی از نانوکامپوزیت های پلیمری ایجاد کرده است. براساس شکل زیر، گرافن یک ورق اتمی ضخیم و دوبُعدی (2D) است که از اتم های کربن با ساختار لانه زنبوری تشکیل شده است.
شکل 1:
گرافن بعنوان بلوک سازه ایِ سایر کربن آلوتروپ های گرافیتی با ابعاد متفاوت در نظر گرفته شده است. برای مثال، گرافیت (آلوتروپ کربن سه بعدی) از ورق های گرافن ساخته شده است که روی هم چیده شده و با 3.37 Å از هم جدا شده اند. می توان تصور کرد که آلوتروپ کربن صفر، فولرن (باکی بال) با پیچیدن بخشی از ورق گرافن ساخته می شود. آلوتروپ های کربنی تک بعدی (CNT) و نانوروبان ها را می توان به ترتیب با نورد و برش ورق های گرافن تولید کرد. اما در واقع، این آلوتروپ های کربن به استثنای نانوروبان ها، از گرافن سنتز نمی شوند. گرافیت یک ماده طبیعی است که اولین ذخایر آن در بورودال در انگلستان در سال 1555 ثبت شد اما اولین کاربرد آن به 4.000 سال قبل بر می گردد. CNT تک جداره (SWCNT) برای اولین بار در سال 1991 و پس از کشف فولرن در سال 1985 سنتز شد. اگرچه اولین گزارش از تولید نانوورق های گرافن را می توان به سال 1970 نسبت داد، جداسازی گرافین تک لایۀ آزاد برای اولین بار در سال 2004 انجام شد؛ درست زمانی که گرافن با استفاده از شکاف میکرومکانیکی از گرافیت جدا شد. با مدول یانگ 1 TPa و استحکام نهایی 130 گیگاپاسکال، گرافن تک لایه قوی ترین ماده ای است که تاکنون اندازه گیری شده است. از رسانایی حرارتی 5.000 W/m3k برخوردار است که با بالاترین میزان گزارش شده برای SWCNT مطابقت دارد. علاوه براین، گرافن تک لایه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی تا 6.000 ثانیه/ سانتیمتر است که برخلاف CNT، کایرال عاملی در رسانایی (هدایت) الکتریکی آن محسوب نمی شود. این خواص علاوه بر خواص سطحی بالا و نفوذناپذیری گاز، نشان دهندۀ پتانسیل بالایی از گرافن برای بهبود خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و مانع گازی پلیمرها هستند. گرافن به دلیل محبوبیت بالایی که به خاطر خواص استثنایی ورق ها و روش های تولید این ورقه ها دارد، در سراسر جهان بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است. این علاقه مندی پژوهشگران به وضوح با تعداد انتشارات پژوهشی کاملآ مشهود است. همان طور که در شکل زیر مشخص است، یک سرچ (جست و جوی) اینترنتی ساده از گرافن بعنوان کلید واژه از طریق سه پایگاه دادۀ مؤسسات داده علمیِ (ISI) وب آف ساینس، ساینس دیرکت و سای فایندر نشان دهندۀ رشد سریع مقالات و انتشارات در این زمینه با تقریبآ 3.000 انتشار از سال 2005 تا 2009 است.
شکل 2:
روند مشابهی در تعداد انتشارات کلید واژۀ "کامپوزیت های گرافن" نیز مشاهده می شود. در این مقاله به بررسی مقالات ارائه شده با تمرکز بر کامپوزیت های گرافن/ پلیمر می پردازیم. ابتدا روش های مختلف تهیه گرافن را با تأکید بر کاربردهای کامپوزیت پلیمری بررسی و بیان می کنیم. سپس، در مورد روش های مختلف در تفسیر گرافن من جمله تعداد لایه ها، اندازه ورق و اصلاح شیمیایی بحث می کنیم. همچنین، مسیرهای پراکندگی گرافن به پلیمرها و خواص کامپوزیت پلیمر/ گرافن را نیز مد نظر قرار می دهیم. در نهایت، مقاله را با بحث دربارۀ رشد آتی این دستۀ جدید از نانوکامپوزیت ها به پایان می رسانیم.
گرافن یک تقویت کنندۀ چندمنظوره است که می تواند خواص مانع (سد) الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و گازی پلیمرها را در حجم بسیار کم بهبود بخشد. گرافن می تواند ترکیبی از مزایای حاصل از سیلیکات های لایه ای (سد نفوذ گاز و سفتی) و نانولوله های کربنی (رسانایی الکتریکی و حرارتی) را ارائه دهد. این ورق های کربن لایه برداری شده را می توان از طریق روشهای بالا-پایین و پایین-بالا تولید کرد. در روش هایی که از پیش سازهای گرافن اصلاح شده شیمیایی بویژه اکسید گرافیت (GO) آغاز می شوند، کاهش شیمیایی (CRG) یا حرارتی (TRG) برای تولید حجم بالایی از تقویت کننده ها در کامپوزیت های پلیمری مناسب تر هستند. هر دو مورد دارای رسانای الکتریکی هستند اما هنوز برخی گروه های اکسیژن روی سطح آنها باقی مانده است. این عوامل پراکندگی در حلال ها را به طور مستقیم یا با عامل دار کردن امکان پذیر می سازند که به اختلاط آسان با پلیمرهای محلول منجر می شود. روش دیگر این است که کامپوزیت ها را می تواند با پلیمریزاسیون مونومرهای حاوی گرافن پردازش کرد. هنوز در هیچ مطالعه ای به مزیت پلیمریزاسیون درجا در مقایسه با ترکیب حلال اشاره نشده است و در برخی موارد حتی ممکن است گروه های عامل روی گرافن با بهبود خواص تداخل داشته باشند. ترکیب مذاب به طور کلی منجر به تضعیف پراکندگی می شود اما می توان با استفاده از اکستروژن مذاب در مقیاس بزرگ، این کار را اقتصادی تر و به صرفه تر انجام داد. با این حال، ترکیب مذاب برای برخی از مواد گرافن اصلاح شدۀ شیمیایی که مستعد تجزیه حرارتی هستند، انتخاب مناسبی نیست. پراکندگی گرافن در پلیمرها را می توان با کمک TEM و اندازه گیری خواص جامد مشخص کرد. اندازه گیری ویسکوالاستیک خطی روی مذاب های کامپوزیت نیز ابزار مفیدی برای تعیین پراکندگی گرافن است.
