L'innesto Multiwalled Carbon Nanotubes con polistirolo per abilitare l'auto-assemblaggio e discromie anisotropo

L'obiettivo generale di questo procedimento è offrire una strategia semplice per l'innesto di catene di polistirene su nanotubi di carbonio a pareti multiple, che favorisce un'autoassemblaggio di tipo pro-molecolare e una distribuzione anisotropa di zone attive. Questo metodo può contribuire a modulare le proprietà superficiali dei nanotubi di carbonio a pareti multiple, al fine di stabilire condizioni di lavorazione migliorate per questi materiali nel campo dei polimeri termoplastici. La strategia di innesto rappresenta un'alternativa diretta nei protocolli di lavorazione dei nanotubi di carbonio, per renderli compatibili con polimeri industrialmente rilevanti, ma difficili da trattare, come il polistirene.

In generale, il metodo inizia con i gruppi ossidrilici tradizionali presenti sulle pareti laterali dei nanotubi di carbonio puri, seguiti dal legame di gruppi metacrilici sililati ai gruppi OH e dalla loro polimerizzazione successiva a radicale libero con stirene nell'atmosfera interna. Per determinare la resa, si utilizzano nanotubi innestati con catene di polistirene. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può essere facilmente applicata per modificare le proprietà superficiali dei nanotubi di carbonio a livello molare.

E di conseguenza, promuovere il loro assemblaggio autonomo anisotropo, il quale a sua volta può facilitare l'inclusione in una matrice polimerica. Questa tecnica apre interessanti alternative per migliorare la catena di approvvigionamento dei nanotubi di carbonio nanostrutturati nei processi industriali, permettendo così la creazione di reti di percolazione elettrica nei compositi polimerici, con possibili applicazioni dirette in sistemi di schermatura elettromagnetica, componenti meccanicamente rinforzati e materiali elettricamente conduttivi in condizioni di costo-beneficio vantaggiose. Essiccare 5 grammi di nanotubi di carbonio multi-laminati allo stato puro, introducendoli in un forno sotto vuoto a 80 gradi Celsius e 200 millimetri di mercurio per 12 ore.

Versare i nanotubi di carbonio essiccati in un pallone da 100 millilitri a fondo rotondo. Successivamente, trasferire 50 millilitri di diclorometano al 99 percento nel pallone e impostare l'agitazione meccanica a 60 giri al minuto. Questo costituirà la fase organica di una reazione mediata da un catalizzatore bifasico.

Per preparare la fase acquosa, sciogliere 0,6 grammi di bromuro di tetraalilammonio in cinque millilitri di acqua distillata. Aggiungere cinque millilitri di acido acetico e cinque millilitri di una soluzione acquosa contenente permanganato di potassio 0,16 molare. Versare quest'ultima soluzione nel pallone a fondo rotondo, che contiene già la fase organica, e agitare vigorosamente, ad esempio a circa 80 giri al minuto a temperatura ambiente per 24 ore.

Dopo questo tempo, trasferire la miscela di reazione in un imbuto separatore. Quindi, aggiungere circa 0,25 millilitri di acido cloridrico concentrato al 36% e agitare con cura il sistema ed eseguire la spurgo. Successivamente, scartare la fase acquosa soprannatante.

Dopo aver rimosso la fase acquosa, la fase organica può essere filtrata utilizzando un sistema di filtrazione a vuoto, come descritto più avanti. Inserire saldamente questo coperchio sulla base nel collo della fiala filtrante. Con le pinzette a punta fine, posizionare al centro un filtro membrana di diametro 47 millimetri sulla superficie di supporto.

Assicurarsi di utilizzare una membrana con una dimensione dei pori compresa tra 0,45 micrometri e 20 micrometri. Dimensioni dei pori più piccole si ostruiranno facilmente, mentre dimensioni dei pori più grandi tratterranno minori quantità di nanotubi filtrati. Senza disturbare il filtro, posizionare al centro la flangia del supporto sopra l'insieme e bloccare insieme imbuto e base con una pinza a molla.

Collegare il matraccio a imbuto a vuoto alla sorgente di vuoto, versare il campione nel filtro e applicare il vuoto per filtrare il campione. Una volta che il solido sul filtro appare asciutto, lavarlo con metanolo al 95 percento per almeno cinque volte il volume della soluzione filtrata. Successivamente, trasferire il soluto in una capsula di Petri e lasciarlo asciugare sotto vuoto per 24 ore a 80 gradi Celsius, a 200 millimetri di mercurio.

Per inserire gruppi metacrilici polimerizzabili nelle pareti dei nanotubi di carbonio idrossilati, disperdere circa 2,5 grammi di nanotubi e cinque grammi di idrochinone al 99 percento, utilizzando un pallone di Schlenk da 100 millilitri. Successivamente, con l'aiuto di una cannula, aggiungere con attenzione 50 millilitri di toluene sotto atmosfera di azoto, utilizzando un manifold per gas inerte sotto vuoto. In seguito, sottoporre a vigorosa agitazione meccanica.

Quindi, incorporare cinque millilitri di 3-trimetil silano propil metacrilato al 98 percento e portare a riflusso a 100 gradi Celsius per 12 ore. Al termine della reazione, lavare il prodotto ottenuto con metanolo in eccesso, utilizzando il sistema di filtrazione a vuoto, ed essiccarlo per tutta la notte sotto vuoto a 80 gradi Celsius e 200 millimetri di mercurio, quindi conservarlo fino al momento dell'uso. Per innestare i nanotubi modificati con gruppi metacrilici con catene di polistirene acetogenerate, disperdere circa 2,5 grammi di nanotubi di carbonio modificati e 75 milligrammi di AIBN in 50 millilitri di toluene.

Utilizzando un pallone di Schlenk, portare il sistema sotto atmosfera di azoto mediante il manifold per gas interno a vuoto. Successivamente, aggiungere 7,5 millilitri di monomero di stirene appena purificato. L'AIBN agirà come iniziatore della polimerizzazione a radicali liberi.

Successivamente, impostare il sistema di riscaldamento a 70 gradi Celsius e agitare per 12 ore, sotto atmosfera di azoto e in riflusso. In seguito, filtrare la miscela di reazione utilizzando il sistema di filtrazione sotto vuoto. Lavare con acetone e, infine, lavare nuovamente con DHF al 99 percento almeno cinque volte per rimuovere la polistirene non legata.

Essiccare il prodotto sotto vuoto per 24 ore a 80 gradi Celsius e 200 millimetri di mercurio. Il solido conterrà nanotubi di carbonio funzionalizzati con catene di polistirene. I nanotubi di carbonio funzionalizzati con polimeri sono stati caratterizzati mediante TM. Di seguito sono riportate immagini representative di campioni depositati per evaporazione, in cui il polistirene avvolge i nanotubi di carbonio, che appaiono parzialmente allineati e autoassemblati lungo le pareti laterali.

Un comportamento di questo tipo è assente quando si analizzano nanotubi in forma pura in modo analogo. La curva dei valori dell'analisi termogravimetrica per i nanotubi di carbonio modificati con polimeri ha mostrato che la prima perdita di peso, dovuta alla perdita delle catene di polistirene, inizia a 270 gradi Celsius. Successivamente, si verifica un secondo passaggio più moderato, che inizia intorno ai 400 gradi Celsius, causato dalla perdita dei gruppi metacrilici sililati, mentre l'ulteriore significativa perdita di peso finale, che inizia intorno ai 600 gradi Celsius, corrisponde ai nanotubi di carbonio.

Di seguito mostriamo la nostra curva rappresentativa di perdita di peso in funzione della temperatura per nanotubi di carbonio graftizzati con un range di poliestere, confrontata con quelli non modificati, che conferma come la modifica più significativa nei campioni pesati sia compresa tra 270 gradi Celsius e 775 gradi Celsius. Dalla TGA, è possibile affermare che, dopo il passaggio di idrossilazione, le pareti laterali dei nanotubi di carbonio contengono tipicamente gruppi idrossilici in una percentuale in peso compresa tra il 2% e il 5%. È importante sottolineare che, dopo il legame di gruppi funzionali isolanti ai gruppi OH, i nanotubi di carbonio modificati contengono tipicamente una percentuale in peso compresa tra l'8% e il 10% di gruppi metacrilici rispetto al contenuto di nanotubi.

Una volta portata a termine la polimerizzazione a radicale libero con stirene, di norma ci si aspetta un grado di innesto di circa il 30-40 percento rispetto al peso del nanotubo. In questo modo, si ottiene una modifica selettiva delle proprietà superficiali dei nanotubi mediante successivi interventi chimici mirati a inserire gruppi funzionali reattivi in modo selettivo sulle pareti laterali. Ci si aspetta che questa strategia possa essere riapplicata ad altri tipi di polimeri acrilici o derivati vinilici, e che in futuro possano emergere nuovi materiali ibridi e compositi.

Dopo aver visionato questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione dei diversi passaggi necessari per modificare chimicamente i nanotubi di carbonio con catene di poliestere acetogram, i quali potrebbero svolgere un ruolo importante nelle proprietà superficiali di questo tipo di nanotubi di carbonio attraverso forze supramolecolari. Ciò può portare alla formazione di nanotubi autoassemblati mediante interazioni anisotrope a livello nanometrico, con possibili applicazioni in settori ampi come la scienza e l'ingegneria dei materiali, la nanoscienza e la nanotecnologia, oppure la chimica macromolecolare. Nel tentativo di eseguire questa procedura, è fondamentale essere consapevoli dei rischi associati a tutte le condizioni pericolose dei reagenti utilizzati in questa tecnica e assicurarsi di utilizzare un'adeguata attrezzatura di laboratorio.