Marginalien zu Graphitverbindungen

Titelangaben

Feicht, Patrick:
Marginalien zu Graphitverbindungen.
Bayreuth , 2017 . - VI, 115 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Die vorliegende Arbeit wurde teilweise in Kooperation mit der Firma SGL Carbon SE, Meitingen durchgeführt.
Der Focus dieser Arbeit war auf die Herstellung und Charakterisierung von Graphitver-bindungen gerichtet. Mit dem Blick auf potentielle Anwendungen sollten dabei auch Optimierungsmöglichkeiten der bereits etablierten Synthesewege untersucht werden.
Zuerst sollte eine schonende Methode zur skalierbaren Herstellung von Graphen entwickelt werden. Bei der Synthese über Graphit müssen van-der-Waals Kräfte zwischen den Schichten überwunden werden, um es zu delaminieren. Die bis dato einzige, skalierbare Synthesemethode ist die Reduktion von Graphenoxid. Jedoch werden bereits bei der Synthese von Graphenoxid viele, irreparable Defekte durch Überoxidation generiert. Deshalb wurde versucht, Graphen über einen nicht-oxidativen Weg herzustellen. Die Hypothesen dabei waren, den Zwischenschichtabstand zu maximieren, dadurch die Scherlabilität zu erhöhen, und die Graphen-Schichten mit einem Tensid in einem inerten Lösemittel zu stabilisieren. Über die Einlagerung von SO3 in Graphit konnte der Zwischenschichtabstand um das Doppelte erweitert werden. Daraufhin wurde SO3 mit dem Tensid Perfluorbutansulfonsäure ausgetauscht, wodurch der Schichtabstand auf das Fünffache erhöht wurde. Über die mechanische Exfolierung wurde dann zwar Graphen erhalten, jedoch nur mit Ausbeuten von weit unter 1 Gew.-%. Offensichtlich reichte allein die Erhöhung des Schichtabstands nicht aus um eine quantitative Delaminierung zu erreichen.
Des Weiteren wurden über unterschiedliche Methoden hergestellte Graphitoxid-Proben aus verschiedenen Laboratorien miteinander verglichen. Die strukturellen Unterschiede sollten sich deutlich in den mechanischen Eigenschaften bemerkbar machen. Dazu wurde eine am Lehrstuhl AC I entwickelte Methode zur mechanischen Charakterisierung einzelner Nanoplättchen über eine kontrollierte Faltenbildung verwendet. Dabei zeigten sich signifikante Unterschiede in den in-plane Moduln der Proben sowohl innerhalb einer Herstellungsmethode als auch zwischen verschiedenen Herstellungsmethoden. In Kombination mit den Funktionalisierungsgraden der Graphenoxid-Proben ließ sich darüber hinaus entscheiden, ob es sich allein um Funktionalisierung oder auch um Überoxidation handelte. Die Ergebnisse machten deutlich, dass GO nicht als Verbindung, sondern als Materialklasse anzusehen ist.
Daneben wurde eine Optimierung der sonst sehr zeit- und Waschwasser-intensiven Aufreinigung von Graphenoxid nach Hummers/Offeman entwickelt. Dazu wurde Graphenoxid direkt aus dem Reaktionsgemisch mit Hilfe von 1-Dodecylamin in eine ätherische Phase extrahiert. Das organophilierte Graphenoxid wies eine hohe Reinheit auf und konnte in einer Vielzahl von organischen Lösemitteln redispergiert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass es sogar delaminiert war. Diese Methode gestattet es, große Mengen an organophiliertem Graphenoxid in kurzer Zeit herzustellen, wodurch es für einen industriellen Einsatz in Polymernanokompositen attraktiv wird.
Daran anschließend wurde das organophilierte Graphenoxid als Füllstoff in Polystyrol eingesetzt und die Flammschutzeigenschaften getestet. Dabei wurden in Flammtests in einem Cone-Calorimeter von Polymernanokompositen mit bereits geringen Füllstoffan-teilen (0.5 Gew.-%) eine signifikante Reduktion des Spitzenwerts der Wärmefreiset-zungsrate erzielt. In Kombination mit einem gemischtvalenten Hydroxid (LDH) war die Reduktion ausgeprägter, was auf synergistische Effekte der beiden Füllstoffe hinwies.
Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Die Ergeb-nisse werden daher thematisch getrennt in den einzelnen Publikationen beschrieben.

Abstract in weiterer Sprache

This work was partially performed in cooperation with SGL Carbon SE, Meitingen.
The focus of this work was directed to the preparation and characterization of graphite compounds. With a view to potential applications optimization of already established synthesis methods should also be investigated.
Firstly, a gentle method for a scalable production of graphene should be developed. In the synthesis via graphite van-der-Waals forces between the layers have to be overcome for delamination. The hitherto only scalable synthesis method is reduction of graphene oxide. However, already during synthesis of graphene oxide a lot of irreparable defects are generated by over-oxidation. We therefore attempted to produce graphene via a non-oxidative route. Hypotheses here were a maximization of the interlayer spacing, thereby increasing the shear instability, and stabilization of the graphene layers in an inert solvent by a surfactant. Intercalation of SO3 into graphite resulted in a tripling of the interlayer distance. Then, SO3 has been exchanged with the surfactant perfluorobutanesulfonic acid, whereby the layer distance was increased to five times. Mechanical exfoliation indeed produced graphene but yields were way below 1 wt%. Obviously, solely increasing the interlayer distance is not sufficient to achieve quantitative delamination.
Furthermore, graphene oxide samples prepared in various laboratories following a diversity of synthesis protocols based on Hummers/Offeman´s (HGO) and Brodie´s (BGO) method were compared. The structural differences should significantly alter the mechanical properties. For this purpose, a mechanical characterization of individual nanoplatelets via wrinkling was used, which was developed at the department of AC I. Thereby, samples by both the same synthesis method as well as by different synthesis methods showed significant differences in the in-plane moduli. In combination with the degree of functionalization a distinction between functionalization and over-oxidation could be made. These results clearly stress that GO should be rather considered as a class of materials than a component.
Besides, optimization of the time-consuming and extremely wash water-intensive puri-fication of graphene oxide prepared by Hummers/Offeman was developed. Therefore, graphene oxide was directly extracted from the reaction mixture by the help of 1-dodecylamine into an ethereal phase. The organophilized graphene oxide was highly pure and could be redispersed in a variety of organic solvents. Moreover, it was shown that it was even delaminated. This method makes it possible to produce large quantities of organophilized graphene oxide in a short time, which makes it attractive for industrial use in polymer nanocomposites.
Subsequently, the organophilized graphene oxide was used as a filler in polystyrene and flame retardant properties were tested. Flame tests in a cone calorimeter of a polymer nanocomposite with already a low filler content (0.5 wt%) significantly reduced the peak of heat release rate. In combination with a layered double hydroxide, the reduction was even more pronounced, indicating synergistic effects of the two fillers.
The present work is written in the style of a cumulative thesis. A detailed description of the results can be found within the attached publications.