CC BY
16Евдокимов Ю. М., Сулименко В. А. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МЯТОГО ГРАФЕНА
В статье рассмотрены вопросы получения трёхмерного графена. Предложен адгезионный способ получения мятого графена, приведены оптимальные параметры его получения.
Ключевые слова: графен, гофр-складка, адгезия.
Со времени получения графена с использованием механического способа, предложенного А. Геймом и К. Новоселовым (отслаивание липкой ленты от графита слой за слоем), прошло не так много времени, а количество работ, посвященных как получению графена, так и исследованию его свойств и использованию для самых разных целей, уже исчисляется тысячами. Выявились и особенности свойств графеновых двумерных плёнок: атомарная толщина, некоторая волнистость поверхности, сильная электризуемость, высокая механическая прочность, электропроводность, гибкость и другие.
В последнее время двумерный графен стал обретать третье измерение за счёт формирования трёхмерных структур (мятый, скомканный графен с большим количеством складок) при сохранении целостности структуры графена (рис. 1). Это позволяет использовать его для изготовления облегчённой одежды для пожарных, экзоскелетов, идентифицирования следов взрывчатых веществ в воздухе. Его применение позволит избежать слипания плёнок графена за счёт уменьшения площади контактирующих участков, менять прозрачность при деформации, получать графеновые губки с высокими адсорбционными характеристиками, композиты с новыми свойствами за счёт высокой удельной поверхности мятого графена.
Одним из самых удивительных свойств графена является его невероятная прочность при очень малой толщине. Например, использование материалов с применением трёхмерных структур графена для производства напорных пожарных рукавов повысит их прочность в десятки раз, что позволит увеличить давление подачи воды, сроки эксплуатации рукавов и улучшить ряд других эксплуатационных характеристик. Соответственно, экономический эффект вполне очевиден.
Так как чешуйки мятого графена по размерам превышают размеры углеродных нано-трубок, их проще равномерно распределять по образцу, смешивать с различными реагентами. Сотрудниками Массачусетского института технологии и Иллинойского университета была изготовлена гибкая графеновая бумага, способная в несколько раз увеличивать свою площадь (рис. 1). Для этого графен наносился на полимерную пленку, предварительно растянутую в двух направлениях. После сжатия по одному из измерений, графен укладывался волнами с образованием складок. Впоследствии его возможно было сжимать в комок, поочередно возвращая в исходное (до деформации) положение. Основная проблема заключалась в сложности получения мятого графена, данный процесс требовал дополнительного времени и затрат.
Однако получить мятый графен из двумерного, сформированного на липкой ленте, можно более простым путём. Для этого необходимо отслоить графеновую пленку от липкого слоя скотча под углом 180 или 90 градусов (в последнем случае обратную сторону - основу липкой ленты следует приклеить или иным
Рисунок 1. Структура мятого графена
Получение новых материалов
Рисунок 2. Поверхность стальной фольги после отслаивания её от липкой ленты марки КЛТ под углом 180° {справа) с возрастающей скоростью (справа-налево) и алюминиевой фольги, отслоенной при угле 90° (слева)
способом закрепить на жёсткой подложке (например, на стекле).
Проблемы получения гофр-складок с чётко выраженными минимумами и максимумами подробно изучены при исследовании адгезионных свойств липких лент - отслаивании от них тонких подложек (к примеру, фольги металлов) при различных скоростях отслаивания (рис. 2-3) [1-2]. Приведённые рисунки наглядно демонстрируют образование гофр-складок на поверхности алюминиевой фольги при отслаивании её от поверхности липких лент. Процесс сопровождался снижением чистоты поверхности алюминия (увеличение шероховатости) под контролем профиломе-тра-профилографа «Калибр» [1]. Схожую картину при отслаивании наблюдали и другие авторы [3-4]. Некоторые особенности отслаивания приведены в [5-6].
При увеличении скорости отслаивания частота укладки гофр-складок резко возрастает, что открывает возможность получения мятого графена с контролируемой частотой складок даже на одном образце графена, будь он в виде плёнки, ленты или волокна.
Было показано [2], что с увеличением скорости отслаивания алюминиевой фольги от липкой ленты от 0,001 м/с до 1,0 м/с количество складок возрастает в 7-8 раз, а при скоростях отслаивания около 5 м/с - на порядок (характер складок зависит от толщины отрываемой фольги). Минимальный размер элементарного участка отслаивания (грубая характеристика поперечного размера и ам-
1 см
Рисунок 3. Гофры (складки) на алюминиевой фольге толщиной 15 мкм после отслаивания от липкой ленты под углом 90° при постоянной скорости
плитуды) гофры-складки составлял в среднем от нескольких десятков мкм до нескольких сотен мкм, но этот диапазон можно изменять в «обе стороны», получая текстурированный графен с заданными характеристиками (за счёт предлагаемого нового адгезионного способа контролируемого смятия), в том числе по гидрофобности (омнифобности) - гидрофиль-ности, прозрачности, жесткости - гибкости. При отслаивании с постоянной скоростью характеристики гофр регулярны по периоду-амплитуде (рис. 3) [2]. Гофры-складки на плёнках образуются за счёт колебательного характера механического напряжения при отслаивании и остаточной деформации. Процесс образования гофры соответствует одному элементарному акту отслаивания и хорошо описывается на основе положений электрической и электромагнитной природы адгезии. Что касается некоторой волнистости графеновых плёнок, полученных механическим отслаиванием чешуек графита слой за слоем, для её устранения необходимо проводить отслаивание при минимальных скоростях.
Предлагаемая модель получения мятого графена может изготавливаться на малых технологических линиях. Этот простой и дешёвый способ достаточно перспективен в разработке и производстве композиционных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Евдокимов Ю. М. Исследование электроадгезионных явлений и возможности создания и нарушения адгезионного контакта действием внешнего электрического поля: дис. ... канд. хим. наук. - М.: МТИЛП, 1968. - 137 с.
2. Евдокимов Ю. М. Адгезия. От макро- и микроуровня к наносистемам. - М.: МГУЛ, 2011. - 208 с.
3. Strus M. C, Zalamea L, Raman A., Pipes R. B, Nguyen C, Stach E. A. Peeling Force Spectroscopy: Exposing the Adhesive Nanomechanics of One-Dimensional Nanostructures // Nano Letters. 2008, no. 8(2), pp. 544-550.
4. Yamagishi T, Node S., Chishima Y, Fukuzawa K. Proc. of the Int. Adhesion Symp. / Yokohama, November 6-10, 1994, pp. 703-711.
5. Evdokimov Yu.M, Fedorov M.S. Methods of adhesiometry of adhesive bonds. Polymer Science Series D. 2012, vol. 5, issue 1, pp. 1-6
6. Сулименко В. А., Евдокимов Ю. М, Ишмухаметов Р. Р. Адгезия. Проблемы отслаивания // Клеи. Герметики. Технологии. - 2014. - № 1. - С. 39-41.
Evdokimov Yu., Sulimenko V. FEATURES OF PRODUCING CRUMPLED GRAPHENE
ABSTRACT
Purpose. The article considers the possibility of creating textured graphene with predetermined properties in a mechanical way.
Methods. The experimental study of the properties of crumpled graphene obtained by the adhesion method has been conducted. The adhesive method allows to obtain folds with well-defined minima and maxima.
Findings. The authors propose the adhesion method of obtaining folded graphene. It is determined that with the increasing speed of exfoliation of aluminum foil from the scotch tape from 0.001 m/s to 1 m/s the number of folds increase by 5-7 times, and with the increasing speed up to 5 m/s - the number of folds increases by times. By exfoliating to both sides it is possible to obtain textured graphene with the desired characteristics. The minimum size of the elementary section of exfoliation is influenced by
exfoliation angle, the best exfoliation angles being 180 or 90 degrees.
Research application field. The use of materials with three-dimensional structures of graphene to produce delivery fire hoses will increase their strength tenfold, thus allowing to increase water supply pressure, service life of hoses and to improve some other performance characteristics.
Conclusions. Crumpled graphene can be obtained by the adhesion method not only in the laboratory, but in small production lines as well. The application of crumpled graphene to manufacture composite materials used for producing means of fire extinguishment and personnel protection can radically change their operating characteristics.
Key words: graphene, fold, adhesion.
REFERENCES
1. Evdokimov Yu.M. Issledovanie elektroadgezionnykh iavlenii i vozmozhnosti sozdaniia i narusheniia adgezionnogo kontakta deistviem vneshnego elektricheskogo polia [Study electroadhesion phenomena and the possibility of creating and violations of adhesive contact by the action of an external electric field. Cand. chem. sci. diss.]. Moscow, 1968.
2. Evdokimov Yu.M. Adgeziia. Ot makro- i mikrourovnia k nanosistemam [Adhesion. From macro and micro to nanoscale]. Moscow, MGUL Publ., 2011. 208 p.
3. Strus M.C., Zalamea L., Raman A., Pipes R.B., Nguyen C., Stach E.A. Peeling Force Spectroscopy: Exposing the Adhesive
Nanomechanics of One-Dimensional Nanostructures. Nano Letters. 2008, 8(2), pp. 544-550.
4. Yamagishi T., Node S., Chishima Y.K. Proc. of the Int. Adhesion Symp. Yokohama, November 6-10, 1994. Ed. by Hiroshi Mizumachi, pp. 703-711.
5. Evdokimov Yu.M., Fedorov M.S. Methods of adhesiometry of adhesive bonds. Polymer Science Series D. 2012, vol. 5, issue 1, pp. 1-6.
6. Sulimenko V.A., Evdokimov Yu.M., Ishmukhametov R.R. Adhesion. Problems of exfoliation. Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2014, no. 1, pp. 39-41.
YuRi EvDOKiMOV VLADiMiR SuLiMENKO
Candidate of Chemical Sciences, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
