グラフェンを均一に分散させる方法は？

グラフェンは、六角形に配置された炭素原子で構成される2次元ハニカム炭素材料です。炭素-炭素原子はsp2混成軌道によって形成され、その構造は非常に安定しています。グラフェンの特殊な構造により、多くの優れた特性が得られます。グラフェンは現在最も硬い材料であり、優れた機械的特性（1060GPa）を備えています。その理論比表面積は、優れた熱伝導率、3000W /（M・K）までで、2600メートル²/グラムまでです。さらに、グラフェンは優れた導電性も備えています。室温では、その電子移動度は20,000cm² /（V・s）に達する可能性があります。グラフェンの優れた特性により、研究者は、マトリックス材料の性能を向上させるために、マトリックス材料に補強材としてグラフェンを追加することを検討しました。

しかし、グラフェンの大きな比表面積は一緒に凝集する傾向があり、それはそれ自体の吸着能力を低下させるだけでなく、グラフェン自体の性能にも影響を及ぼし、したがってグラフェン強化複合材料の性能改善に影響を及ぼします。さらに、そのような凝集は、超音波処理および激しい攪拌などの外力を加えることによって均一に分散されない限り、不可逆的である。優れた性能を備えたグラフェン強化複合材料を得るために、研究者はグラフェンの凝集を克服するためにいくつかの研究を行ってきました。

マトリックス中のグラフェンの均一分散のための1つの方法

グラフェンの比表面積が大きいため、マトリックス内で不可逆的に凝集しやすくなり、グラフェン強化材の性能に影響を与えます。一般に、グラフェンの疎水性と化学的不活性のために、その分散性は酸化グラフェンに比べて比較的低いです。そのため、マトリックス中のグラフェンの凝集現象も研究者の注目を集めています。グラフェンの凝集の問題を克服するために、さまざまな方法が試みられてきました。

マトリックス中のグラフェンの均一分散[方法には、主に物理的分散と化学的分散が含まれます。ここでは、その場での重合法、グラフェンの官能化（共有結合官能化および非共有結合官能化）、およびグラファイトを主にアルケンおよびその他の修飾法で紹介します。

1.1その場での重合

インサイチュ重合法は、最初にナノ粒子をモノマーに均一に分散させ、次に開始剤で重合を開始して、ナノ粒子または分子をポリマーマトリックス上に均一に分散させ、インサイチュ分子ポリマー材料を形成する。その場での不均一重合は、粒子のナノ特性を維持するだけでなく、充填された粒子の均一な分散を達成し、弾性コーティング層を備えたコアシェル構造を有するナノ形状の粒子を形成することができる。外層は有機ポリマーであるため、有機相への材料の親和性を高めることができます。

Lan Liuは、グラフェンの層間でポリアミドアミンを重合してグラフェンシートを開くためにその場重合を使用しました。これにより、層間の間隔が広がり、グラフェンシートの凝集がある程度防止されました。 。この方法は酸化工程を経ないため、グラフェン本来のsp2構造へのダメージが少なく、安定性が良く、析出しにくい生成物です。

黄ら。マトリックス中のグラフェンの均一な分散の問題を解決するために、その場での重合を使用しました。図2は、グラフェン含有量の異なるポリプロピレン複合材料の透過型電子顕微鏡（TEM）写真です。

オペルはまた、グラフェン分散の問題を解決するためにその場での重合を使用しました。彼らは、ナノコンポジットがグラフェンシートの間隔を広げ、グラフェンシートの凝集を防ぎ、グラフェンの均一な分散を実現できることを発見しました。また、製品の安定性は比較的良好であり、有機溶媒（ギ酸）への溶解性も良好であり、溶液は安定で長持ちし、6ヶ月間層間剥離は見られなかった。

その場での重合の限界：

その場での重合にも限界があります。つまり、無機ナノ材料は、選択した原材料との良好な適合性を備えている必要があります。原材料と無機材料の両方を溶解するのに適した溶媒を見つけるためには、必然的に研究時間が長くなり、コストも環境汚染を引き起こします。これに加えて、グラフェンの添加はポリマーの粘度を増加させ、重合をより複雑にします。

1.2グラフェンの機能化

官能基化されたグラフェンは、マトリックス内に均一に分散させることができ、強化材としてのグラフェンの優れた性能に貢献します。グラフェンの優れた特性をより多くの分野に応用できるようにするためには、グラフェンを機能化するための特定の方法と手段を採用する必要があります。機能化の原理は、共有結合および非共有結合法によってグラフェンの表面の欠陥またはグループを変更し、グラフェンにいくつかの新しい特性を与え、その応用分野をさらに研究および拡大することです。機能化は、グラフェンの溶解性と分散性を改善し、加工と成形を容易にするための重要な方法です。

グラフェンの機能化は、特定の特性の材料を製造するため、またはグラフェンの特定の側面の性能に対処するために進化してきました。官能化グラフェンは、グラフェン本来の性質を維持するだけでなく、修飾基の反応性を示し、グラフェンの分散と反応の可能性を提供し、グラフェンの適用範囲をさらに拡大します。

グラフェンの構造はベンゼン環であるため、比較的安定しています。ただし、ベンゼン環の欠陥部位やエッジは比較的活性が高く、酸化グラフェンの表面にはカルボキシル基やヒドロキシル基などの活性エポキシ基が多く含まれているため、さまざまな化学反応法が可能です。グラフェン共有結合修飾処理用。

一部の研究者は、グラフェンの表面に官能基がないため、グラフェンの表面に特定の特殊な官能基を吸着することにより、グラフェンの分散性を改善できることを発見しました。 Xiaoyue Xuは、シランカップリング剤を使用してグラフェンをシラン化し、グラフェンの分散性を向上させます。未処理のグラフェンを1時間水中に置き、グラフェンは実質的に容器の底に堆積しました。図2（a）に示すように、凝集現象はより深刻でした。図2（b）に示すように、シラン化グラフェン（PS-gG）は均一かつ安定して水に分散し、1日放置した後、修飾グラフェンはほとんど凝集しませんでした。また、容器底部に析出物はなく、シランカップリング剤カップリング処理を施したグラフェンを水に安定して分散させることができます。シランカップリング剤の導入により、グラフェンの表面に大量の反応性官能基が存在し、グラフェンの親水性が高まり、溶液中に安定して分散することができます。

Coskunは、エステル化による共有結合グラフト化により酸化グラフェンの表面にポリビニルアルコールを付着させるため、水溶液中のグラフェンの分散性が大幅に向上します。共有結合によって官能化されたグラフェンは、その処理特性を大幅に改善し、いくつかの新しい優れた特性を提供します。

機能化グラフェンのデメリット：

ただし、共有結合によって機能化されたグラフェンにもいくつかの明らかな欠点があります。グラフェンの共有結合修飾は、グラフェンの固有の構造を破壊し、グラフェン自体に固有の化学的および物理的特性を変更します。

1.3グラフェン修飾

安定したベンゼン環構造を持つグラフェン、その化学的安定性は高く、表面は不活性状態を示し、他の媒体との相互作用は弱く、グラフェン間に強い層間があります。分子間力により、シートは簡単に積み重ねられ、分散しにくくなります。

Haijiao Zhangは、イオン液体による膨張黒鉛の表面改質により、グラフェンの分散性を改善しました。この変更は、物理的方法の変更であり、グラフェンの構造と官能基に対する変更プロセスの影響を減らすことができます。彼らは、修飾されたグラフェンシートの粒子サイズが小さく、しわのある状態を示すことを観察しました。イオン液体で修飾されたグラフェンは、アセトン溶液中で長期間均一な分散状態を維持でき、シリコーンゴム中に均一に分布することができます。 （SR）マトリックスでは、イオン液体鎖の長さが長くなり、サンプルをより均一に分散させることができます。

Liは、修飾グラフェンがマトリックス内に均一に分布していることを発見しました。彼は、有機低分子イソシアネートを介してグラフェンを修飾し、グラフェンがN、N-ジメチルホルムアミド溶媒に安定して分散できることを発見しました。これは、ポリフッ化ビニリデンとの配合プロセスにおけるグラフェンの均一性を改善するのに有益です。分散性により、マトリックス内のグラフェンの凝集が回避されます。

ただし、この方法には欠点もあります。グラフェンの表面にあるイソシアネート分子は、グラフェンシート間でグラフェンを互いに分離するように機能できないため、グラフェンの一部の特性が改善されません。

グラフェンの修飾は、マトリックス中のグラフェンの分散性をある程度高めることができますが、他の側面での性能は低下します。最適化された結果を得るには、他のプロパティに対する変更の影響を調査する必要があります。

イオン液体修飾や小分子修飾によってグラフェンの分散性を向上させることに加えて、共スルホン化沈殿プロセスや官能基の分岐方法など、グラフェンの凝集を防ぐ他の方法があります。共スルホン化沈殿法は、修飾グラフェンと非スルホン化ポリフェニレンエーテルをクロロホルム中で直接混合し、クロロスルホン酸の添加速度を制御することで、超音波条件下で同時に沈殿させ、グラファイトのアルケンの凝集を効果的に防止します。

1.4分散剤と電荷引力の追加

修飾のさらなる発展に伴い、グラフェンに分散剤を添加する方法は、徐々に研究者の注目と研究を集めています。ウーは、分散剤としてポリビニルアルコール（PVA）を使用して、グラフェンを溶液中にさらに分散させます。彼は、調製した複合フィルムでは、PVAの長鎖がグラフェンシートを包み、2つの相が非常に緊密に結合しているため、グラフェンが溶液中に均一に分散していることを発見しました。

しかしながら、この方法の操作は困難であり、膜形成のメカニズムをさらに正確に研究する必要があり、それによって材料の適用範囲およびコストを改善する。

Tianjiao Qiらは、電荷引力法を使用してグラフェンの分散性を解決しました。彼は、ハマーズ法を使用して、大量の酸素含有基を含む酸化グラフェンを調製しました。これにより、酸化グラフェンは強い負電荷を帯びるようになりました。次に、アルミニウム粉末の表面が正に帯電し、最後にグラフェンの分散性の問題が正と負の電荷の引力によって解決されます。グラフェンには明らかな凝集現象がなく、ある程度グラフェンを均一に分散させることがわかった。

ただし、このアプローチでは、純アルミニウムと比較して複合材料の伸びが大幅に減少します。電荷引力法は他の機能を低下させるだけでなく、無視できない問題でもあります。これには、特定の状況下でこの問題を改善および解決する必要があります。

1.5その他の分散方法

Mingjie Zhouは、グラフェン懸濁液を超音波処理することにより、グラフェンの分散特性を改善しました。臨界流体の作用により、カーボンナノチューブはグラフェンとより均一に混合されます。超音波の瞬間的な放出圧力がグラフェン層と層の間のファンデルワールス力を破壊するため、グラフェンが一緒に凝集する可能性が低くなり、それによってカーボンナノチューブとグラフェンが均一に混合されます。

Liらは、グラフェンをマトリックスに追加して、グラフェンをマトリックス内に均一に分散させました。アルミニウムマトリックスにグラフェンを添加することにより、それらは「グラフェン/アルミニウム合金」マスター合金を形成し、中間合金によってグラフェンを溶融アルミニウム溶液に添加することを可能にし、アルミニウム液体中のグラフェンの均一な分散を最大化します。しかしながら、この方法は、グラフェン複合材料を調製するプロセスおよびコストを増加させ、コストなどを削減するための比較的簡単な方法および方法を見つける必要がある。

京胡は、グラフェンの分散不良の問題をその場還元法で解決しました。しかし、この方法ではヒドラジン水和物などの有毒物質を使用するため、工業生産や廃水処理の安全性が低下します。

周ら。グラフェンの分散性を高めるために界面活性剤の添加を必要としない方法を使用し、反応中のソルボサーマル熱によってジメチルホルムアミド中の酸化グラフェンを還元しました。溶液中のグラフェンの分散濃度は0.3mg / mlに達する可能性があり、この安定した分散は1年以上維持できます。このように、ソルボサーマル還元時に還元剤や安定剤を添加する必要はありませんが、反応中の高温高圧により自発的に発生する圧力により酸化グラフェンが還元されます。

チョンら。グラフェンナノシートの凝集は、ABS樹脂グループで化学的に還元するときに回避できることを発見しました。グラフェンはスチレン-アクリロニトリルマトリックスに均一に分散させることができ、フィラー含有量が増えると、グラフェンはスチレン-アクリロニトリルマトリックス内に安定したネットワーク構造を形成し、それによってグラフェンの凝集を防ぎます。グラフェンを分散させる他の方法はあまり研究されておらず、いくつかのメカニズムはよく理解されていません。これには、この分野での研究を強化する必要があり、グラフェンの潜在的な用途を実現するためのより効率的で簡単な方法を提案します。

2グラフェン複合材料の均一分散の研究の方向性と調査

マトリックス中のグラフェンの分散性を高めるためのいくつかの導入の後、グラフェンの均一な分散はまだ初期段階であり、研究はほとんど行われていないことがわかりました。多くの研究は1つの側面に焦点を合わせており、処理されたグラフェンがその優れた性能に影響を与えるかどうかは考慮されていません。グラフェンとマトリックスの濡れ性の問題やグラフェンの比表面積が大きいなど、複合材料中のグラフェンの均一な分散に関してはまだ多くの問題があります。

Weizong Yeは、溶媒中のグラフェンの濡れ性がその沈降量に影響を与え、さらにその分散性に影響を与えると考えています。溶媒とグラフェンの相溶性が良好であれば、グラフェンは媒体中での分散性が良く、凝集しにくく、溶媒中に分散しており、グラフェンの黒鉛化速度は比較的小さい。形成される沈降量は比較的小さい。一方、溶媒中のグラフェンの濡れ性が良くない場合、グラフェン間で凝集が起こりやすく比表面積が小さくなり、溶媒に反映される沈降効果は、沈降速度が速く、沈降量が大。

グラフェンとマトリックスの濡れ性の問題などの上記の問題を考慮して、マトリックス成分を最適化するため、またはマイクロ波プラズマ化学蒸着（CVD）によって材料の表面を化学的に処理するために他の要素を追加することを検討できます。その場成長CVDまたは無電解めっき。グラフェンは機能化または修飾されています。

グラフェンの比表面積が大きいという問題は、グラフェンの表面コーティングによるグラフェン間の物理的接触を妨げる可能性があります。近年、計算機シミュレーションの手法が注目され、いくつかの問題を解決するためにこの分野でますます広く適用されています。コンピュータシミュレーションを使用して、実験プロセスをシミュレートするための数学モデルを確立し、コンピュータシミュレーションを通じて最良の実験ソリューションを見つけ、実験結果を検証することができます。理論と実践を組み合わせて、優れた特性を備えたグラフェン複合材料を調製するための最適化された製造プロセスを開発します。

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