Silanización de grafeno: mejora de la dispersión y su eficacia como agente de refuerzo

Abstract

El uso de grafeno (G) como material de refuerzo ha sido una de aplicaciones más prometedoras que han surgido del estudio de este extraordinario material en los últimos años. Se ha demostrado que su utilización en la fabricación de materiales compuestos de todo tipo puede aumentar considerablemente tanto la tenacidad a la fractura cómo la vida a fatiga de numerosos tipos de matrices, especialmente poliméricas [1,2]. En el caso de los adhesivos, la adición de pequeñas cantidades de grafeno (<3%) también ha demostrado mejorar considerablemente no solo las propiedades mecánicas del adhesivo (tenacidad a la fractura, resistencia, etc.), sino también la resistencia de la unión adhesiva [3]. Sin embargo, aún existen importantes limitaciones en la fabricación de este tipo de materiales compuestos, siendo la principal conseguir una buena dispersión del G dentro de la matriz del material a reforzar [4]. Esta mala dispersión reside en la tendencia que tiene el grafeno a formar aglomeraciones debido a las fuerzas electroestáticas que existen entre sus láminas, y también, en la mayoría de los casos a una pobre interacción física y química grafeno-matriz que ayude a mantener estable la dispersión. En la actualidad, la funcionalización química del grafeno, es la práctica más aceptada para mantener las láminas de grafeno separadas tras su dispersión y para crear enlaces compatibles matriz-refuerzo [5]. En este trabajo, se ha desarrollado y evaluado un proceso de silanización del grafeno, mediante un agente silano: 3-metacriloxipropil trimetixisilano (MPS) con el objetivo de mejorar la dispersión del grafeno en adhesivos de matriz acrílica. Los resultados muestran una silanización existosa del grafeno que da lugar a una mejora sustancial de la dispersión del mismo dentro de la matriz acrílica.

The use of graphene (G) as reinforcement material has been one of the most promising applications of this extraordinary material in recent years. It has been shown that its use in the manufacture of composite materials can considerably increase both the fracture toughness and the fatigue life of many types of polymer matrices [1,2]. In the case of adhesives, the addition of small amounts of graphene (<3%) has also been shown to significantly improve not only the mechanical properties of the adhesive (fracture toughness, strength, etc.), but also the strength of the adhesive joints [3]. However, there are still important limitations in the manufacture of this type of composite materials. One of the greatest challenges being faced today is to achieve a good dispersion of the G inside the matrix of the material to be reinforced [4]. This poor dispersion lies in the tendency of graphene to form agglomerations due to the electrostatic forces that exist between its plates, and also, in most cases, to a poor physical and chemical interaction graphene-polymer matrix. Nowadays, the chemical functionalization of graphene is the best practice for keeping graphene sheets separated after dispersion and for creating compatible matrix-reinforcement bonds [5]. In this work, a silanization process of graphene has been developed and evaluated wtih a silane agent: 3-methacryloxypropyl trimethylisilane (MPS) with the aim of improving the dispersion of graphene in acrylic matrix adhesives. The results show an successful silanization of the graphene that results in a substantial improvement of the dispersion thereof within the acrylic matrix.