نانوکامپوزیت گرافنی

ورقه‌های گرافن خالص با وجود ویژگی‌های عالی که دارد، کاربرد بسیار محدودی از آن‌ها دیده می‌شود؛ بنابراین جذابیت نانوکامپوزیت‌های گرافنی برای محققان بسیار افزایش می‌یابد. گرافن و نانوکامپوزیت‌های پایه گرافنی عامل دار شده با فلز، اکسیدهای فلزی، کالکوژن‌ها، کوانتوم دات و … خواص شیمیایی، نوری، الکترونی و مکانیکی منحصر به فرد دارد که می‌توانند بنیان و اساسی برای گسترش محدوده از مواد نانوساختار باشند. در دهه گذشته پیشرفت روبه رو رشدی در کاربردهای مختلف مانند ذخیره انرژی، محیط زیست، حسگرهای زیست پزشکی/ شیمیایی، تحویل دارو و مهندسی بافت داشته‌است.

روش ترکیب محلول‌ها

در این روش پلیمر مورد نظر با حلال موافقش به شکل محلول آماده می‌شود و با سوسپانسیون گرافنی به روش ساده، برشی یا با استفاده از فراصوت مخلوط می‌شود. سپس مخلوط مورد نظر در یک قالب ریخته می‌شود تا حلال آن حذف شود. برای حذف حلال مخلوط از افزودن حلال دیگری استفاده می‌شود که با جایگزینی سبب رسوب گذاری ناگهانی در پلیمر شود. در این حالت مولکول‌های پلیمر به صورت کپسول در می‌آیند و هر ذره گرافنی در این کپسول‌ها قرار می‌گیرند؛ بنابراین پولک‌های گرافنی به‌طور یکنواخت در زمینه پراکنده می‌شوند.
ممکن است هنگام حذف حلال از مخلوط، ذرات تقویت‌کننده ری اگریگیت شوند که این امر مانع از پراکندگی یکنواخت ذرات در زمینه می‌شود. معمولاً حذف کامل حلال‌ها از محصول نهایی بسیار دشوار است. از طرفی حلال‌های به کار رفته برای رسوب گذاری پلیمر، اغلب سمی هستند. در مجموع این روش آسان است و به سرعت به نتیجه می‌رسد.

روش پلیمرسازی درجا

در این روش پولک‌های گرافن با منومرها یا پیش پلیمرها مخلوط می‌شوند. سپس در اثر یک واکنش شیمیایی میان این دو پلیمرسازی صورت می‌گیرد و همزمان پولک‌های گرافن در زمینه به‌طور یکنواخت پراکنده می‌شوند. این واکنش شیمیایی سبب می‌شود که بین گرافن و پلیمر مورد نظر پیوند شیمیایی برقرار شود. ممکن است در این حالت گرافن عامل دار شود، اما این اتفاق همیشه رخ نمی‌دهد. برقراری پیوند میان گرافن و پلیمر سبب می‌شود تا دو جز تقویت‌کننده و زمینه برای تشکیل کامپوزیت سازگاری بیشتری با هم داشته باشند.
حین فرایند پلیمرسازی ممکن است ویسکوزیته مخلوط افزایش یابد. در این صورت چنانچه کامپوزیت ساخته شده تحت بارگذاری قرار بگیرد، به راحتی شکسته می‌شود و فرآوری این کامپوزیت محدودتر خواهد شد. عامل دار شدن گرافن حین پلیمرسازی سبب تقویت فصل مشترک تقویت‌کننده با زمینه خواهد شد؛ بنابراین با بارگذاری کامپوزیت، نیرو به راحتی به تقویت‌کننده منتقل می‌شود و مدول یانگ و استحکام کششی نمونه نسبت به حالتی که فاقد تقویت‌کننده است افزایش چشمگیری می‌یابد. به‌طور کلی با این روش تولید کامپوزیت از پلیمر با وزن مولکولی بالا در یک مرحله جهت بهبود خواص تنها با استفاده از دو واکنش دهنده (منومر و گرافن) از مزایای قابل ملاحظه این روش خواهد بود.

روش اختلاط مذاب

در این روش یک پلیمر در دمای بالا ذوب می‌شود و پولک‌های گرافن که به شکل پودر آماده شده‌اند با استفاده از اکسترودر در زمینه قرار می‌گیرند. حلزون اکسترودر مورد استفاده در این روش می‌تواند از نوع یگانه، دوگانه، سه‌گانه یا حتی چهارگانه باشد. این روش در صنعت برای تولید نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک و خصوصاً نانوکامپوزیت‌های پایه گرافنی استفاده می‌شود.
از جمله متغیرهایی که در این فرایند مؤثر هستند درجه پراکندگی گرافن در زمینه است. همچنین دمای فرایند حین اختلاط باید کنترل شود زیرا دمای بالا می‌تواند پلیمر را تخریب کند. نیروی برشی که اکسترودر به نمونه وارد می‌کند در اختلاط پلیمر با پولک‌های گرافن مؤثر است. در صورتی که این نیروی برشی از مقدار مجازش بیشتر باشد ورقه‌های گرافنی خم می‌شوند یا ممکن است بشکنند. چنانچه هر یک از این متغیرها کنترل نشوند خواص کامپوزیت مورد نظر به شدت افت می‌کند. به‌طور کلی پراکندگی گرافن در زمینه با این روش نسبت به روش ترکیب محلول‌ها و روش پلیمرسازی درجا غیریکنواخت تر است، بنابراین خواص کامپوزیت ساخته شده با این روش ضعیف تر از دو روش مذکور است.

روش اختلاط با فراورش مذاب

اختلاط نانوذره و فاز زمینه پلیمری به روش اختلاط مذاب از نظر تجاری بیشتر از دو روش دیگر مورد توجه پژوهشگران و صنعتگران قرار دارد. زیرا دو روش دیگر در عین سادگی، تنوع
کمتری در انتخاب نوع پلیمر دارند. همچنین، مشکلات زیست‌محیطی فراوانی را به دنبال دارند. در این روش، گرافن اصلاح شده با عوامل شیمیایی به پلیمر سازنده فاز زمینه در حالت مذاب با کی اکسترودر دوپیچی و پارامترهایی همچون سرعت چرخش پیچ، دما و زمان وارد می‌شود. پلیی‌ورتان، پلی پروپیلن هم آرایش، پلی (استیرن- آکریلونیتریل)، پلی آمید ۶ و پلی کربنات از جمله پلیمرهای گرمانرمی بوده‌اند که به وفور برای تهیه نانوکامپوزیت‌های پلیمری-گرافن به روش اختلاط مذاب مورد استفاده شده‌اند.
مشکل اساسی در این روش، چگالی کم گرافن است که خوراک دهی آن را به اکسترودر با مشکل مواجه می‌سازد.

اجتماع لایه به لایه

در این روش نانو مواد گوناگون با مواد دیگر ترکیب می‌شوند و فیلم‌های کامپوزیتی تولید می‌کنند. این فیلم‌ها چند لایه و با ضخامت مشخصی هستند. با استفاده از جایگزینی فازهای آنیونی و کاتیونی در زیر لایه ایجاد می‌شوند. با تنظیم ترتیب رسوب کردن مواد به کار رفته می‌شود مواد عاملی جدید ایجاد کنیم. عواملی که در این روش ساخت کامپوزیت مؤثر هستند شامل دما، pH، قدرت یونی، پلی الکترولیت واقعی و عوامل مؤثر بر واکنش و نوع گرافن یا اکسید گرافن سازنده فیلم‌ها است. عواملی که بر واکنش میان تقویت‌کننده و زمینه صورت می‌گیرد تا کامپوزیت ایجاد شود عبارتند از: نوع پیوندهای شیمیایی که می‌تواند هیدروژنی، کووالانسی یا الکترواستاتیک باشد و انتقال بار الکتریکی است. فیلم‌های چند لایه گرافنی ممکن است دوبعدی یا حتی سه بعدی باشد. روی صفحات اصلی اکسید گرافن به کارگرفته شده گروه‌های اپوک سی یا هیدروکسیل وجود دارد. همچنین می‌توان از اکسید گرافنی استفاده کرد که در لبه‌هایش کربوکسیل‌ها یا کربونیل‌ها وجود دارد. وجود این گروه‌های عاملی روی صفات و لبه‌های اکسید گرافن به افزایش واکنش‌های الکترواستاتیک و پیوندهای هیدروژنی حین ساخت کامپوزیت به روش اجتماع لایه به لایه کمک می‌کند.

خواص نانوکامپوزیت‌های پایه گرافنی با پلیمر

ساخت کامپوزیت گرافنی با پلیمر سبب بهبود خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی می‌شود. نانوورقه‌های گرافنی به عنوان یک مدل دو بعدی برای آرایش پلیمرها استفاده می‌شوند که سبب می‌شود قابلیت حلالیت پلیمر افزایش یابد. با ساخت کامپوزیت‌های پایه گرافنی با پلیمر به روش اجتماع لایه به لایه مدول یانگ کامپوزیت نسبت به مدول یانگ پلیمر خالص افزایش دو برابری دارد و سختی کامپوزیت در ابعاد نانومتری افزایش می‌یابد. این دو تغییر در خواص مکانیکی ماده به دلیل کاهش عمق نفوذ فیلم‌های گرافنی در پلیمر است و روش ساخت اجتماع لایه به لایه به جهت‌گیری اکسیدهای گرافن کمک می‌کند.

خواص مکانیکی

همانند نانو کامپوزیت‌های تهیه شده با سایر نانو افزایه‌ها، خواص مکانیکی به غلظت نحوه توزیع نانو افزایه و… بستگی دارد. اگرچه گرافن خالص بالاترین استحکام تئوری را دارد ولی وجود گروه‌های عاملی بر روی سطح اسید گرافن این مزیت را دارد که میزان پراکنش اکسید گرافن را در حلال‌های قطبی و آب افزایش می‌دهد. بهبود برهمکنش اکسید گرافن با پلیمر، پراکنش در سطح مولکولی را تسهیل می‌کند و برهمکنش بین سطحی را تقویت می‌کند که منجر به خواص مکانیکی بهتر می‌شود. تحقیقات در زمینه کامپوزیت‌های بر پایه گرافن عمدتاً بر روی بهبود مدول و استحکام مکانیکی با استفاده از گرافن به عنوان تقویت‌کننده متمرکز می‌باشد. وجود گروه‌های عاملی بر روی سطح اکسید گرافن این مزیت را دارد که میزان پراکنش اکسید گرافن با پلیمر، پراکنش در سطح مولکولی را تسهیل می‌کند و برهمکنش بین سطحی را تقویت می‌کند که منجر به بهبود خواص مکانیکی می‌شود. خواص مکانیکی بالاتر کامپوزیت‌های گرافنی در مقایسه با نانو افزایه و ماتریس پلیمری به واسطه سطوح چین خورده گرافن است.

خواص الکتریکی

وقتی از گرافن به عنوان نانو افزایه در ماتریس پلیمری عایق استفاده می‌شود ممکن است رسانایی الکتریکی کامپوزیت را به میزان زیادی تقویت کند. برای این که یک نانو کامپوزیت با یک ماتریس عایق رسانای الکتریکی باشد غلظت نانو افزایه رسانا باید بیش از آستانهٔ نفوذ الکتریکی باشد. افزایش رسانایی تابع از میزان بارگذاری نانو افزایه است. رسانایی می‌تواند از طریق تونل زدن بین لایهٔ پلیمری نازک محصورکننده ذرات نانو افزایه رخ دهد یا این مقاومت تونل زدن می‌تواند فاکتور محدودکننده در رسانایی کامپوزیت باشد. عوامل مختلفی بر رسانایی الکتریکی و آستانهٔ نفوذ در این کامپوزیت‌ها تأثیرگذار است. از جمله این عوامل می‌توان به تجمع نانو افزایه‌ها، وجود گروه‌های عاملی بر روی صفحات گرافن، غلظت نانو افزایه‌ها، اتصال بین لایه‌های گرافن، توزیع در داخل ماتریس، چین و تاخوردگی صفحات گرافنی و … می‌باشد.

رسانایی حرارتی

با وجود رسانایی حرارتی بالای صفحات گرافن، تقویت و رسانایی حرارتی نانو کامپوزیت‌ها مشابه رسانایی الکتریکی نیست زیرا نسبت رسانایی حرارتی گرافن به پلیمر تقریباً هفت برابر است. در حالی که نسبت رسانایی الکتریکی گرافن به پلیمر سیزده برابر است. رسانایی حرارتی این کامپوزیت‌ها تحت تأثیر عواملی مانند جهت‌گیری، پراکنش نانو صفحات گرافن و نسبت سطح به حجم است.

خواص سد کنندگی

گرافن با برخورداری از ساختار دو بعدی و مسطح به عنوان یک گزینه مناسب جهت بهبود خواص سدکنندگی در پوشش‌های نانو کامپوزیتی به کار می‌رود که که کاربرد گسترده‌ای در صنایع غذایی و دارویی دارد.
با افزودن ورقه‌های گرافن به پلیمر، حلالیت گازها در پلیمربه علت عدم نفوذ و حلالیت گاز در ورقه هاست. در واقع ورقه‌ها با ایجاد مسیری پیچاپیچ و با پرکردن جاهای خالی در پلیمر اولیه به شکل مانعی برای نفوذ نفوذ مولکول‌های گاز عمل می‌کند.