Ученые нашли эффективный способ диспергирования графенов

Существует ряд исследований, в которых говорится, что углеродные наночастицы, в том числе графены, введенные в полимерную матрицу позволяют улучшить те или иные характеристики полимерных нанокомпозитов. Однако данные о влиянии количества содержащихся графенов на свойства готовых нанокомпозитов весьма противоречивы. Вероятно, это связано с различными способами подготовки и введения графенов в полимерную матрицу.

Обзор научных публикаций показал, что на сегодняшний день применяется несколько способов диспергирования графенов перед введение в полимерное связующее. Все они, как правило, основаны на физическом диспергировании агломератов графена в легколетучих жидкостях в качестве дисперсионной среды, с использованием мешалок различных типов, а также ультразвукового воздействия, высокочастотных волн и других источников, которые позволяют разрыхлять агломераты (стопки) графена на более мелкие т.д. Чаще всего диспергирование графенов проводят непосредственно перед их введением в полимерное связующее, что делает данные способы менее привлекательными, поскольку требуют введения дополнительной стадии в производственный цикл изготовления наноструктурированных композиционных материалов.

Ученые кафедры НВКМ СПбГУПТД предложен эффективный метод диспергирования графенов, состоящий из нескольких стадий и позволяющий сохранять графены в диспергированном состоянии длительное время. На первом этапе графены прокаливались при высоких температурах для удаления лишней влаги, которая удерживает слои (листы) графена вместе. Вторая стадия диспергирования состояла в обработке графенов в среде легколетучего растворителя с помощью ультразвукового диспергатора. Было показано, что использование ацетона вместо гексана не ухудшает качество диспергированного графена, при этом стоимость ацетона в несколько раз ниже.

Внешний вид и поверхность исходных графенов представляет из себя агломераты (стопки), в которых графеновые листы плотно прилегают друг к другу. В то время как внешний вид диспергированных графенов представляет из себя более рыхлую структуру, в которых графеновые листы свободно разделены.

а) Внешний вид и поверхность исходных графеновых листов, б) Внешний вид и поверхность графеновых листов после диспергирования.

Кроме этого, было выявлено, что диспергированные в среде легколетучего растворителя графены, в дальнейшем после сушки, могут храниться без обратимого образования агломератов в течение длительного времени. Данный факт был подтвержден с помощью седиментационного анализа, основанного на зависимости размеров частиц от скорости их оседания. Также диспергированные частицы, хранившиеся длительное время, были исследованы с помощью электронного микроскопа. Показано, что внешний вид графенов и степень диспергирования после хранения длительное время в закрытой ёмкости без доступа воздуха не изменились.

Выявленный факт имеет большое промышленное значение, поскольку исключает необходимость диспергирования графена непосредственно перед использованием и данная технологическая стадия может быть вынесена в отдельное производство.