酸化グラフェンの作製と特性評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8946 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、さまざまな濃度 (0.5 ～ 3 wt.%) の酸化グラフェン (GO) ナノ粒子を添加したアクリルエポキシベースのナノ複合コーティングを、溶液インターカレーションアプローチによって調製することに成功しました。熱重量分析 (TGA) により、GO ナノ粒子をポリマーマトリックスに含めることでコーティングの熱安定性が向上することが明らかになりました。紫外可視（UV-Vis）分光法によって評価された透明度は、GO の最低充填率（0.5 wt.%）が入射光を完全にブロックし、透過率が 0 パーセントになることを示しました。さらに、水接触角 (WCA) 測定により、GO ナノ粒子と PDMS をポリマーマトリックスに組み込むと表面の疎水性が著しく向上し、87.55 度の最高 WCA を示したことが明らかになりました。さらに、クロスハッチテスト (CHT) では、すべてのハイブリッドコーティングが優れた表面接着挙動を示し、それぞれ 4B および 5B の評価を獲得したことが示されました。さらに、電界放射型走査電子顕微鏡 (FESEM) 顕微鏡写真により、GO 表面に官能基が存在することで化学官能化プロセスが促進され、優れた分散性が得られることが確認されました。最大 2 wt.% の GO 組成物は、ポリマーマトリックス内での GO ナノ粒子の優れた分散と均一な分布を示しました。したがって、グラフェンとその誘導体のユニークな特徴が、腐食保護用途向けの新しいクラスのナノフィラー/阻害剤として登場しました。

腐食とは、周囲環境での電荷移動反応によって金属が劣化し、金属表面の破壊を引き起こすことです1、2、3。世界的に、腐食は社会にとって大きな脅威であり、人体に有害であり、産業上の重大な問題となっています4、5、6。さらに、腐食を完全に防ぐことは不可能であるが、最小限に抑えて遅らせることしかできないことが報告されています7。したがって、ほとんどの産業が腐食に関する課題に直面しているため、材料を腐食から保護するためのいくつかの重要な手順を開発するために多大な努力が払われました。さらに、数多くの腐食防止戦略が実施されているにもかかわらず、コンポーネントの寿命をさらに延ばす必要性が依然として非常に高い8。例えば、表面処理、保護コーティング、電気化学的陰極防食、緑色腐食防止剤などの方法は、金属の劣化を引き起こす主な電気化学的現象を遅らせるか完全に抑制するために採用されてきました9,10。興味深いことに、現代の産業では、金属構造の腐食を防ぐために有機コーティングが広く採用されています。さらに、有機コーティングは、低コスト、さまざまな基材への優れた接着性、高い化学的および熱的安定性、高い電気抵抗、優れた寸法安定性、高い引張強度、高い架橋密度などの優れた特徴を備えています。それにもかかわらず、柔軟性や耐衝撃性が低いこと、コーティング/金属界面への腐食剤（酸素、水、塩化物イオンなど）の浸透性、コーティング調製中の微細孔の生成など、腐食保護の点でいくつかの欠点があります。きちんとしたエポキシ樹脂コーティングによって展示されています。したがって、これはコーティングの接着力の損失をもたらし、コーティングされた基材の劣化をさらに引き起こしました10、11、12、13、14。

近年、疎水性特性と有機-無機ハイブリッドを備えたナノ複合コーティングが腐食しやすい材料の寿命を大幅に延長し、結果として大幅な節約につながったことが数多く報告されています。これまで、極限の環境条件下で材料の寿命を延ばすために、業界の主な目標は、堅牢な酸化および耐腐食性のコーティングを製造することでした。したがって、従来のコーティングと比較して、ナノ構造材料工学により、はるかに長持ちする能力を示した環境に優しい防食コーティングを設計するための有望な道筋が可能になりました8。 2005 年に発見された二次元 (2D) 材料であるグラフェンは、原子 1 個の厚さ \({sp}^{2}\) でハイブリッド化したカーボンナノ構造で構成されており、世界に影響を与え、複合材料の応用分野を広げました15。、16、17、18。さらに、高い比表面積、熱的および化学的安定性、化学的不活性、イオン拡散に対する不透過性、優れた導電性、高い機械的強度などの際立った特性により、この材料は金属の腐食制御および保護の有望な候補となっています19、20、21。。それにもかかわらず、グラフェンを金属表面に直接固定することの難しさ、水性または非水性溶媒への分散性の悪さ、製造方法によって発生するコスト、およびそれぞれ高濃度で使用すると凝集する傾向があるため、グラフェンの実用化は制限されてきました22。。さらに、グラフェンシートは化学的に不活性であるため、ポリマーマトリックスとのさまざまな相互作用が妨げられ、複合材料中でのフィラー間の凝集が長期化します。

95 wt.%) and oxygen (< 2 wt.%) and bulk density of 0.04 g/ml was purchased from Sigma-Aldrich, Malaysia./p> 80%)47. Moreover, Bao et al. demonstrated that by just employing 0.7 wt.% of graphene in pristine polymer, a tenfold rise of the optical absorption of a composite was observed in an ultraviolet-near infrared (UV-NIR) range48. In other words, the tunability of optical properties plays a vital role for progress in the application development, however, there is a lack of literature in relation to the optical transmission/absorption of graphene-based composite materials since it has only been investigated in visible or NIR range. Hence, significant efforts are required to systematically investigate the influence of GO content on these properties. In this approach, the optical properties of GO-based coatings with variable concentrations (0.5–3 wt.% GO) in PDMS polymeric matrix were investigated. Furthermore, it was clearly observed that the lowest content of GO (0.5 wt.%) was sufficient to totally block the incoming irradiation. By referring to Table 1 and Fig. 1 respectively, it can be seen that the coating thickness for all samples was reported to be high, in the range between 123 to 477 µm. Therefore, it was expected that optical transmittance to be extremely low, as illustrated in Fig. 3. Alternatively, Qi Wang et al. investigated the optical transmittance of the PDMS based microcrystalline graphite powder composites samples having different concentrations of graphite powder (0.15%, 0.25% and 0.42%) within the 300–1000 nm wavelength range49. The results were compared with sample containing pure PDMS. Here, it was observed that the pure PDMS sample exhibited 90% transmittance, however, the sample containing the highest content of graphite powder (0.42%) exhibited the lowest transmittance close to zero percent49. In other words, by incorporating higher content of graphene and GO nanoparticles, the thickness of the coating/film will increase, thus, resulting the optical transmittance to be extremely low (approaching zero percent). Furthermore, in another study, Zeranska-Chudek et al. reported similar trends at 0.5 wt.% graphene loading, whereby the drop of transmittance reached a saturation point, in this case zero percent transmittance, where no light was transmitted by this coating sample, thus, making it completely opaque in the range between 200 to 800 nm50. In addition, it was further demonstrated that the samples containing the lowest graphene content (< 0.02 wt.%) were almost fully transparent, however, as the content of graphene increased to 1.5 wt.%, the composite totally blocked the visible light50. Intuitively, the addition of graphene/GO nanoparticles into the polymer matrix lowered the transparency almost evenly, without changing the shape of the spectra. Hence, all the coating samples exhibited similar feature to single or multi-layered GO composite coating sample in the UV-IR range. In short, due to the relatively high thickness of the coating samples and with the increment of GO addition into the polymer matrix, this resulted the optical transmittance to be unmeasurable./p> 2 wt.%), which resulted the CA values to slightly decrease./p>

3.0.CO;2-D" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-4628%2819990124%2971%3A4%3C585%3A%3AAID-APP10%3E3.0.CO%3B2-D" aria-label="Article reference 3" data-doi="10.1002/(SICI)1097-4628(19990124)71:43.0.CO;2-D"Article CAS Google Scholar /p>