پیشرفت های اخیر در ساخت و شناسایی نانوکامپوزیت های گرافن - پلیمر
در سال های اخیر، گرافن به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی ذاتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. افزودن مقدار کمی از فیلرهای گرافن در پلیمر می تواند نانوکامپوزیت های جدیدی با خواص ساختاری و عملکردی بهبود یافته ایجاد کند. این مقاله به معرفی پیشرفت های اخیر در ساخت، خواص و کاربردهای بالقوۀ نانوکامپوزیت های گرافن-پلیمر می پردازد. تحقیقات اخیر به وضوح بر کاربرد این نانوکامپوزیت ها در حوزه های حمل و نقل، سیستم های زیست پزشکی، ساخت حسگرها، الکترودهای پیل خورشیدی و تداخل الکترومغناطیسی تأکید کردند. در اینجا علاوه نانوکامپوزیت های گرافن-پلیمر، به بیان اثرات هم افزایی نانولوله های هیبریدی گرافن-کربن (CNT) بر خواص کامپوزیت ها نیز پرداخته می شود. در آخر، در مورد برخی از مشکلات فنی مرتبط با توسعه این نانوکامپوزیت ها بحث می شود.
توسعه نانوکامپوزیت های پلیمری جدید (PNC) در چند دهه اخیر تلاش های تحقیقاتی روزافزونی را در سراسر جهان به خود معطوف کرده است. برخلاف کامپوزیت های معمولی، PNC ها توسط فیلرهایی با اندازۀ کمتر از 100 نانومتر مشخص می شوند. مزیت نانوکامپوزیت پلیمری در ارائه خواص ارزش افزوده به پلیمر بکر بدون به خطر انداختن فرایند پذیری، خواص مکانیکی ذاتی و وزن سبک آن است. خواص کلیدی در طراحی و رفتار PNC ها شامل اندازه و خواص نانوفیلر رابطه بین نانوفیلر و ماتریس می شود. اخیرآ، PNC ها با پایۀ نانولوله های کربنی (CNT) به طور گسترده مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته اند. دسته بندی ذاتی نانولوله های کربنی، دسترسی محدود به نانولوله های با کیفیت بالا و بالا بودن هزینه تولید باعث محدود شدن کاربردهای آنها شده است. گرافن به دلیل دارا بودن خواص عالی و دسترسی آسان به گرافیت بعنوان پیش سازۀ آن، جایگزین مناسب و امیدوارکننده ای برای ساخت PNC های جدید محسوب می شود. ترکیب گرافن می تواند به طرز چشمگیری خواص الکتریکی، فیزیکی، مکانیکی و مانع کامپوزیت پلیمری را در بارهای بسیار کم افزایش دهد. میزان بهبود آن نیز مستقیمآ با میزان پراکندگی نانوفیلرها در ماتریس پلیمری مرتبط است. گرافن یک مونولایر (تک لایه) مسطح متشکل از اتم های کربن هیبریدی sp² با آرایش لانه زنبوری 2 بعدی مشبک و طول پیوند کربن-کربن 0.142 نانومتر است. ورق های گرافن در گرافیت تا 0.335 نانومتر از یکدیگر جدا می شوند که نیمی از فاصلۀ کریستالوگرافی گرافیت شش ضلعی محسوب می شود. این ورق های گرافن توسط نیروهای ضعیف واندروالس در کنار هم نگه داشته می شوند و بنابراین، ورق های گرافن می توانند روی یکدیگر لغزیده و خواص روان کنندگی گرافیت را ارتقاء دهند. الکترون های موجود در گرافن مانند ذرات نسبیتی بدون جرم رفتار می کنند که این امر به بروز خواص بسیار عجیبی مانند اثر ناهنجار کوانتومی هال و عدم محلی سازی کمک می کند.
گرافن از خواص مختلفی و شگفت انگیزی همچون تحرک الکترون بالا در دمای محیط، رسانایی حرارتی منحصر به فرد و خواص مکانیکی برتر با مدول یانگ 1 TPa برخوردار است. علاوه براین، گرافن می تواند واکنش های خاصی مانند سیکلو ادیشن، واکنش کلیک و واگنش وارد کردن کاربن از خود نشان دهد. البته واکنش های روی سطوح گرافن ساختار مسطح آن را مختل می کند. تخریب ساختار sp² منجر به ایجاد نقص و از دست رفتن هدایت الکتریکی می شود. گرافن را می توان با روش های مختلفی از جمله برش میکرومکانیکی، رشد اپیتاکسیال (همپایه)، رسوب بخار شیمیایی (CVD)، لایه برداری از ترکیبات بین گرافیت (GIC) و کاهش اکسیداسیون شیمیایی تهیه کرد. از بین این روشها، برش میکرومکانیکی روشی مطمئن تر و مؤثرتر برای تولید گرافن با کیفیت بالا است. با این حال، تنها عیب این رویکرد بازدهی پایین آن است. هر دو روش رشد همپایه و CVD می توانند گرافن با کیفیت بالا و حاوی خواص فیزیکی عالی تولید کنند.
در اینجا، ما پیشرفت های اخیر در رابطه با ساخت و تعیین خواص نانوکامپوزیت گرافن-پلیمر مورد بررسی قرار داده ایم. همچنین، در مورد مطالعات اخیر و بهبود خواص هم افزایی در نانوکامپوزیت های پلیمری هیبریدی گرافن/CNT بحث کردیم. با این حال، کاملآ واضح است که تقویت گرافن و مشتقات آن در ماتریس های پلیمری نتایج بسیار امیدوارکننده ای در بهبود استحکام مکانیکی و مدول الاستیک، افزایش هدایت الکتریکی در آستانه نفوذ پایین، افزایش رسانایی حرارتی، پایداری، اشتعال پذیری، کاهش نفوذ گازها و بخار آب به همراه داشته است. تمام این پیشرفت ها پتانسیل زیادی برای استفاده از گرافن در بسیاری از زمینه ها بعنوان مواد ساختاری یا عملکردی دارند. برای مثال کامپوزیت های پلیمری ساختاری با استحکام بالا و وزن سبک می توانند در صنایع هوافضا و خودروسازی استفاده شوند. کامپوزیت های لایه نازک با خواص مکانیکی تقویت شده در صنایع پتروشیمی و زیست پزشکی کاربرد دارند. کامپوزیت های دارای رسانایی حرارتی و تثبیت شده را می توان در سازه هایی به کار برد که به مدیریت حرارتی نیاز دارند. علاوه براین، کامپوزیت های دارای رسانایی الکتریکی کاربرد گسترده ای در ساخت حسگرها، الکترود رسانا برای پیل های خورشیدی، عایق های آنتی استاتیک، محافظ تداخل الکترومغناطیسی و غیره دارند. مهم تر از همه، مسیرهای سنتز برای تولید انبوه گرافن بسیار ضروری است. تهیه و انتقال گرافن با کیفیت بالا همچنان از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و عملی نیست. در حال حاضر، مقدار زیادی گرافن با روش لایه برداری و سپس، کاهش اکسید گرافیت تهیه می شود. معمولآ از تکنیک های سونیکاسیون و شوک حرارتی برای لایه برداری GO استفاده می شود اما می توانند نسبت ابعاد GO لایه برداری شده را کاهش داده و اثرات منفی بر بازدهی تقویت کننده به جای بگذارند. علاوه براین، عیوب و ناخالصی های مختلفی در حین پردازش گرافن ایجاد می شود که ممکن است خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی آن را به شدت تحت تأثیر قرار دهند.
ساختار، نسبت ابعاد، شیمی سطح و تعداد لایه های GO/RGO همگی به روش های لایه برداری و کاهش بستگی دارند. بنابراین، تقویت پلیمر با GO یا GO کاهش یافته ممکن است خواص نامطلوبی را در مقایسه با کامپوزیت های گرافن-پلیمر بکر نشان دهد. به این ترتیب، یافتن روش هایی برای سنتز گرافن با هزینه تولید کم ضرورت دارد. به طور کلی، خواص کامپوزیت های پلیمری عمدتآ به وضعیت پراکندگی فیلر در فاز ماتریس پلیمری پیوسته بستگی دارد. قرار دادن مجدد ورق های گرافن مسطح در حین ساخت، پراکندگی یکنواخت را دشوار کرده و سطح موجود را برای تعامل مؤثر با ماتریس پلیمری محدود می کند. همچنین اثربخشی فیلر را نیز تضعیف می کند. برهمکنش های سطحی قوی بین گرافن و پلیمرهای میزبان و برهمکنش درونی ورق های گرافن دو عامل مهم دیگری هستند که در ساخت کامپوزیت ها با کارایی بالا بایستی در نظر گرفته شوند. با این حال، بهبود خواص کامپوزیت های گرافن-پلیمر را می توان با کنترل مورفولوژیکی گرافن به دست آورد. زبری سطح آن ممکن است باعث تقویت خواص مکانیکی شده و برعکس، خواص الکتریکی و حرارتی را به حداقل برساند. در نهایت، باید گفت که مسائلی همچون پراکندگی همگن ورق های گرافن، پیوند و جهت گیری آنها، تعامل سطحی با ماتریس پلیمر میزبان به تحقیقات بیشتری نیاز دارند و علاوه براین، ریسک های احتمالی در استفاده از گرافن و مشتقات آن را نیز بایستی ارزیابی کنیم.
