グラフェン分散の問題を解決する方法は？

グラフェンは、六角形に配置された炭素原子の2次元ハニカムです。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。グラフェンは、その特殊な構造により、多くの優れた特性を備えています。グラフェンはこれまでに見つかった中で最も硬い物質であり、優れた機械的特性（1060GPa）、最大2600m2 / gの理論比表面積、および最大3000W /（m・K）の優れた熱伝導率を備えています。さらに、グラフェンは優れた導電性を持っています。室温では、電子移動度は20000cm2 /（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、その特性を改善するために、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ています。

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改善に影響を及ぼします。さらに、超音波や強力な攪拌などの外力を加えて均一に分散させない限り、凝集は可逆的ではありません。優れた特性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のいくつかの研究を行ってきました。

1.マトリックス中のグラフェンの均一分散法

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な凝集が起こりやすく、グラフェン強化の優れた性能に影響を与えます。一般に、グラフェンは疎水性と不活性であるため、goに比べて分散性が比較的低くなっています。そのため、マトリックス中のグラフェンの凝集は研究者の注目を集めており、グラフェンの凝集を克服するために多くの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。この論文では、その場での重合、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）、グラフェン修飾および他の修飾方法を紹介します。

1.1その場での重合

インサイチュ重合は、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することであり、その結果、ナノ粒子または分子はポリマーマトリックス上に均一に分散され、インサイチュ分子ポリマー材料を形成する。その場多相重合は、粒子のナノメートル特性を維持するだけでなく、フィラー粒子の均一な分散を実現し、弾性コーティングを備えたコアシェル構造を備えたナノ形状の粒子を形成することができます。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が向上します。

Liu LAN etal。 in-situ重合を使用して、グラフェンの層間にポリアミドアミンを生成しました。これにより、グラフェンシート層が引き伸ばされ、層の間隔が広がり、グラフェンシート層の凝集がある程度防止されました。この方法は酸化の段階を経ていないため、グラフェンの元のsp2構造への損傷度は小さく、得られた生成物は安定しており、ほとんど脱落しませんでした。

黄ら。 in-situ重合により、マトリックス中のグラフェンの均一分散の問題を解決しました。図2は、グラフェン含有量が異なるポリプロピレン複合材料のTEM画像を示しています。図2から、グラフェンがポリプロピレンマトリックスに均一に分散していることがわかります。特にグラフェンの含有量が多い場合、分散はより均一になります。これは、このin-situ重合法が実際にグラフェンの均一な分散を実現するのに役立つことを示しています。ポリプロピレンマトリックス。

オパールはまた、グラフェンの分散問題を解決するためにその場での重合を採用しました。彼らは、ナノコンポジットがグラフェンシート間の間隔を広げ、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。さらに、この製品は安定性が高く、有機溶媒（ギ酸）への溶解性が高く、溶液は安定しており、6か月間層化せずに長期間維持できます。

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。原料と無機材料を同時に溶解するのに適した溶媒を見つけるためには、必然的に研究時間とコストが増加し、環境汚染も引き起こします。さらに、グラフェンの添加はポリマーの粘度を増加させ、重合反応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、これは強化材としてのグラフェンの性能を助長します。グラフェンの優れた特性をより多くの分野に適用するには、グラフェンを機能化するための特定の方法と対策を講じる必要があります。機能化の原理は、共有結合法と非共有結合法を使用してグラフェン表面の欠陥やグループを修正し、グラフェンにいくつかの新しい特性を与えることで、その応用分野のさらなる研究と拡大を容易にします。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、特定の特別な特性を準備するため、またはグラフェンの特定の特性の欠陥を解決するための材料に発展しました。官能化グラフェンは、グラフェン本来の性能を維持するだけでなく、修飾基の反応性も示し、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。

グラフェンはベンゼン環を持っているので、比較的安定しています。しかし、グラフェンはベンゼン環の欠陥部分やエッジで高い活性を示し、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数含まれているため、さまざまな化学反応。

一部の研究者は、グラフェン表面に官能基がないため、グラフェン表面にいくつかの特別な官能基を吸着することにより、グラフェンの分散を改善できることを発見しました。 Xu Xiaoyu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、グラフェンの分散を改善しました。未処理のグラフェンを1時間水中に置くと、グラフェンは基本的に容器の底に堆積し、深刻な凝集を引き起こしました。シラン処理後、グラフェン（ps-gg）を均一かつ安定して水に分散させました。 １日置いた後、改質グラフェンは容器の底にほとんど凝集せず、沈殿も見られず、シランカップリング剤で処理されたグラフェンが水に安定して分散できたことを示しています。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多数の活性官能基が存在し、グラフェンの親水性を高め、溶液中に安定して分散させることができます。

Coskunは、エステル化反応による共有結合グラフト化によって、ゴーの表面にポリビニルアルコールを付着させました。これにより、水溶液中のグラフェンの分散が大幅に改善されました。共有結合したグラフェンは、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、共有結合を介して機能化されたグラフェンにはいくつかの明らかな欠陥があります。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、その独特の化学的および物理的特性を変化させます。

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は化学的安定性が高く、その表面は不活性状態を示し、他の媒体との相互作用は弱い。さらに、グラフェンのシート間に強い分子間力があるため、シートを積み重ねやすく、分散させるのが困難です。

Zhang hai jiaoは、イオン液体による膨張黒鉛の表面改質により、グラフェンの分散を改善しました。この修飾は、グラフェンの構造と官能基に対する修飾プロセスの影響を低減する物理的修飾です。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、折りたたまれた状態を示したことを観察した。イオン液体で修飾されたグラフェンは、アセトン溶液中での均一な分散を長期間維持でき、シリコーンゴム（SR）マトリックスに均一に分散できます。イオン液体鎖の長さが長くなると、サンプルがより均一に分散します。

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可能性があることを発見しました。彼はグラフェンを有機小分子イソシアネートで修飾し、グラフェンがN、n-ジメチル-メチルアミン溶媒に安定して分散できることを発見しました。これは、フッ化ポリビニリデンとの複合プロセスにおけるグラフェンの均一性と分散を改善し、グラフェンの凝集を回避するのに役立ちます。マトリックス。

ただし、この方法には欠点があります。グラフェン表面のイソシアネート分子はグラフェンシート間のバリアとして機能できないため、グラフェンの一部の特性が改善されません。

グラフェンの改質性能は、マトリックス中のグラフェンの分散をある程度増加させますが、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さらに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を改善することに加えて、共スルホン化沈殿プロセスや官能基のグラフト化など、グラフェンの凝集を防ぐ他の方法があります。共スルホン化沈殿プロセスは、クロロホルム中で修飾グラフェンと非スルホン化ポリフェニルエーテルを直接混合することです。クロロスルホン酸の添加速度を制御することにより、超音波条件下で化合物を同時に沈殿させることができ、グラフェンの凝集を効果的に防ぐこともできます。

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。 Wu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、複合フィルムのグラフェンシートに巻き付けられた長いPVA鎖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、この方法の操作性は難しく、この材料の適用範囲を改善し、コストを削減するために、膜形成のメカニズムを正確にさらに研究する必要があります。

Qi tianjiao etal。グラフェンの分散を解決するために電荷引力の方法を使用しました。彼はハマーズ法を使用して、多数の酸素含有基を処理し、非常に負に帯電させました。次に、アルミニウム粉末の表面が正に帯電し、最後に、正および負の電荷引力によってグラフェンの分散が解決されました。グラフェンの明らかな凝集は見られず、ある程度、グラフェンの均一な分散が達成された。

しかし、この方法では、複合材料の伸びが純アルミニウムの伸びよりも大幅に低くなります。電荷引力による他の機能の低下も無視できない問題です。これは、特定の状況下で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

Zhou mingjieは、グラフェン懸濁液の超音波処理によってグラフェンの分散を強化しました。臨界流体の作用下で、カーボンナノチューブとグラフェンはより均一に混合されます。超音波によって放出された瞬間的な圧力がグラフェン層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のがより困難になり、カーボンナノチューブとグラフェンが均一に分散して混合されます。

Li jiongli etal。グラフェンをマトリックスに追加して、グラフェンがマトリックス内に均一に分散するようにしました。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、彼らは「グラフェン/アルミニウム合金」中間合金を形成しました。これにより、グラフェンを中間合金の形で溶融アルミニウムに添加して、アルミニウム溶液中のグラフェンの均一性と分散を最大化できます。ただし、この方法ではグラフェン複合材料の製造プロセスとコストが増加するため、コストを削減するための比較的簡単な方法と方法を見つける必要があります。

Hu jingは、その場での還元により、グラフェンの分散不良の問題を解決しました。しかし、この方法は有毒物質であるヒドラジン水和物を使用するため、工業生産や廃水処理の安全性に問題が生じます。

周ら。反応プロセスでの溶媒熱によるジメチルホルムアミド中のグラフェンと還元型酸化グラフェンの分散を増加させ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、溶媒-熱還元プロセスで還元剤または安定剤を添加する必要はありません。代わりに、酸化グラフェンは、反応プロセスでの高温高圧によって生成される自発圧力によって還元されます。

チョンら。 ABS樹脂ベースで化学還元を行うと、グラフェンナノシートの凝集を回避できることがわかりました。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、フィラー含有量の増加に伴い、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、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よく研究されておらず、いくつかのメカニズムは十分に理解されていません。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便利な方法を提案するには、この分野でさらに研究する必要があります。

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を増加させるためのいくつかの導入の後、グラフェンの均一性はまだ準備段階にあり、比較的ほとんど研究が行われていないことがわかります。多くの研究は、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を考慮せずに、1つの側面に焦点を合わせています。複合材料中のグラフェンの均一な分散の研究には、グラフェンとマトリックスの濡れ性、グラフェンの大きな比表面積など、まだ多くの問題があります。

Ye Weizongは、溶媒中のグラフェンの濡れ性がその沈降体積に影響を与え、さらにその分散に影響を与えると信じていました。溶媒とグラフェンの間に良好な溶解性がある場合、グラフェンは媒体中で良好な分散性能を示し、凝集しにくい。溶媒中の分散分布は、グラフェンの堆積速度が比較的小さく、形成される沈降体積が比較的小さいことを意味します。逆に、溶媒中のグラフェンの濡れ性が良くない場合、グラフェン間に凝集を形成して比表面積を減少させるのは簡単です。溶媒に反映される沈降効果は、沈降速度が速く、沈降量が大きいことです。

グラフェンやマトリックスの濡れ性などの上記の問題については、マトリックス組成を最適化するために他の要素を追加したり、マイクロ波プラズマ化学蒸着（CVD）、その場成長CVDまたは無電解めっきによる材料表面の化学処理を行うことができます。グラフェンの機能化または修飾を検討することができます。

グラフェンの比表面積が大きいため、グラフェンの表面コーティングによってグラフェン間の物理的接触を防ぐことができます。近年、計算機シミュレーションの手法がますます注目され、いくつかの困難な問題を解決するためにこの分野で広く使用されています。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使用して最適な実験プログラムを見つけ、実験結果と組み合わせて検証することができます。理論と実践を組み合わせることにより、最適化された製造プロセスが開発され、優れた特性を備えたグラフェン複合材料が調製されました。

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