Tách lớp graphite bằng phương pháp cơ học trong dung dịch và khảo sát bước đầu ứng dụng vật liệu graphitic dạng tấm trong sơn phủ hệ nước

Từ khóa:

graphene
graphite
nghiền bi
siêu âm
SDBS
diện tích BET
raman
sơn phủ hệ nước
phun muối

Tóm tắt:

Graphene và các vật liệu graphitic dạng tấm có triển vọng ứng dụng trong sơn phủ bảo vệ kim loại nhờ khả năng tạo hiệu ứng che chắn và kéo dài đường khuếch tán của các tác nhân ăn mòn qua màng phủ. Tuy nhiên, việc chế tạo vật liệu dạng tấm từ graphite bằng quy trình đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với môi trường nước vẫn cần được đánh giá đồng thời ở cả trạng thái huyền phù, trạng thái bột khô và trong hệ sơn phủ. Nghiên cứu này khảo sát quá trình tách lớp graphite bằng phương pháp cơ học trong dung dịch, gồm nghiền bi ướt, xử lý siêu âm và sử dụng chất hoạt động bề mặt sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) để hỗ trợ phân tán. Sản phẩm được đánh giá thông qua hiệu suất thu hồi sau ly tâm, phổ Raman, diện tích bề mặt riêng BET và thử nghiệm ứng dụng bước đầu trong sơn phủ acrylic hệ nước. Kết quả cho thấy khi tăng thời gian ly tâm từ 20 lên 60 phút, hàm lượng rắn thu hồi giảm từ khoảng 27% xuống khoảng 6%, phản ánh sự đánh đổi giữa sản lượng thu hồi và mức độ phân loại phần vật liệu phân tán ổn định hơn. Phân tích Raman xác nhận sự xuất hiện của các dải D, G và 2D đặc trưng của vật liệu carbon graphitic. So với mẫu chỉ nghiền, bước siêu âm làm tăng tỷ số (I_2D/I_G), giảm tỷ số (I_D/I_G) và làm dải 2D rõ hơn, cho thấy trạng thái xếp lớp của graphite đã thay đổi theo hướng tách lớp tốt hơn. Mẫu có SDBS có (I_2D/I_G) gần tương đương mẫu siêu âm không SDBS nhưng (I_D/I_G) cao hơn, gợi ý ảnh hưởng của SDBS đến trạng thái bề mặt, mật độ mép tấm và khả năng phân tán. Kết quả BET cho thấy mẫu graphite sau nghiền đạt diện tích bề mặt riêng khoảng 262,94 m²/g, trong khi mẫu sau siêu âm chỉ đạt khoảng 19,77 m²/g; sự khác biệt này được diễn giải là hệ quả của tái xếp chồng và ảnh hưởng của thành phần hữu cơ/phụ gia còn tồn dư khi chuyển mẫu từ huyền phù sang trạng thái bột khô. Trong thử nghiệm phun muối 72 giờ, hệ sơn có tỷ lệ graphene/graphitic: nhựa là 1:3 cho bề mặt phủ đồng đều hơn và ít dấu hiệu ăn mòn hơn so với các tỷ lệ 1:1 và 1:2. Kết quả cho thấy tiềm năng của phương pháp cơ học trong dung dịch để tạo phụ gia graphitic dạng tấm cho sơn phủ hệ nước, đồng thời chỉ ra nhu cầu tối ưu thêm quá trình phân tán, thu hồi, xử lý sau tách lớp và đánh giá chống ăn mòn bằng các phép thử định lượng.

Nội dung:

Tài liệu tham khảo:

[1] Parviz K, Wu Z S, Li R, Liu X, Gregan R, Falin X and Min K (2014). Exfoliation of graphite into graphene in aqueous solutions of inorganic salts. Journal of the American Chemical Society 136 6075–6081.

[2] Cai M, Thorpe D, Adamson D H and Schniepp H C (2012). Methods of graphite exfoliation. Journal of Materials Chemistry 22 24992–25002.

[3] Xu Y, Cao H, Xue Y, Li B and Cai W (2018). Liquid-phase exfoliation of graphene: An overview on exfoliation media, techniques, and challenges. Nanomaterials 8 20.

[4] Hernandez Y, Nicolosi V, Lotya M, Blighe F M, Sun Z, De S, McGovern I T, Holland B, Byrne M, Gun'ko Y K, Boland J J, Niraj P, Duesberg G, Krishnamurthy S, Goodhue R, Hutchison J, Scardaci V, Ferrari A C and Coleman J N (2008). High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nature Nanotechnology 3 563–568.

[5] Agrawal A (2025). Correlation between ball milling parameters and graphene quality: A recent review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 147 104–124.

[6] Paton K R, Varrla E, Backes C, Smith R J, Khan U, O'Neill A, Boland C, Lotya M, Istrate O M, King P, Higgins T, Barwich S, May P, Puczkarski P, Ahmed I, Moebius M, Pettersson H, Long E, Coelho J, O'Brien S E, McGuire E K, Sanchez B M, Duesberg G S, McEvoy N, Pennycook T J, Downing C, Crossley A, Nicolosi V and Coleman J N (20140. Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids. Nature Materials 13 624–630.

[7] De Chirico A, Di Pasquale P, Germana S, Rosso Z and Ferraro A (2016). Optimizing the interactions of surfactants with graphitic surfaces and clathrate hydrates. Langmuir 32 11252–11262.

[8] Wang S, Yi M, Liang S, Shen Z, Zhang X and Ma S (2016). The effect of surfactants and their concentrations on the liquid-exfoliation of graphene. RSC Advances 6 56705–56710.

[9] Ferrari A C (2007). Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron–phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Communications 143 47–57.