Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Прививка многостенными углеродными нанотрубками с полистирола для самостоятельной сборки и анизотропной пятнистость

Published: April 1, 2018 doi: 10.3791/56267
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Analytical Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico, 2Department of Organic Chemistry, School of Chemistry, National Autonomous University of Mexico

Summary

Процедура для синтеза полистирола привитые многостенными углеродными нанотрубками с использованием последовательных химическая модификация шаги, чтобы выборочно представить полимерных цепей боковинами и их самостоятельной сборки через анизотропные пятнистость является представлены.

Abstract

Мы демонстрируем простой протокол к графт нетронутой многостенными углеродными нанотрубками (MWCNTs) с цепями полистирол (PS) на боковинах через свободно радикальной полимеризации стратегии для включения модуляции свойств поверхности нанотрубок и производят супрамолекулярной самосборки из наноструктур. Во-первых селективный гидроксилирования нетронутой нанотрубок через реакции окисления двухфазный каталитически опосредованной создает поверхностно распределенных реактивной сайты на боковых стенах. Последний реактивной сайты впоследствии изменен с метакриловой постановление с помощью силицированные метакриловой прекурсор для создания полимеризуемых сайтов. Эти полимеризуемых группы могут адресовать дальнейшей полимеризации стирола производить гибридный Наноматериал, содержащие PS цепи, привитые на боковых стенках нанотрубок. Полимер трансплантата содержание, количество силицированные метакриловой постановление введено и модификации гидроксилирования нанотрубок указаны и количественно термогравиметрический анализ (ТГ). Присутствие реактивной функциональных групп гидроксила и силицированные метакрилат подтверждаются Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FT-IR). Полистирол привитые углеродных нанотрубок решения в тетрагидрофуран (THF) обеспечивают wall-to-wall collinearly собственн-собранные нанотрубок при литье образцов анализируются просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА). Эти self сборки не получаются при подходящих заготовок аналогичным образом отливаются из аналогичных растворы, содержащие не привитые коллегами. Таким образом этот метод позволяет модификации нанотрубок анизотропной пятнистость на боковых стенах, приводящее в спонтанной auto организацию на наноуровне.

Introduction

С момента открытия одностенных углеродных нанотрубок (SWCNTs),1,2 научных сообществ подали свои выдающиеся электрические, механические и термические свойства3 в широкий спектр передовых приложения, модулируя их свойств поверхности через ковалентных4 и non ковалентные5 стратегии. Примеры этих приложений включают в себя их использования как преобразователи, датчики,6,7 электродов в солнечных,8 гетерогенных поддерживает в катализе,9 nanoreactors в синтезе,10 противообрастающих агенты в защитной пленки,11 наполнителей в композиционных материалах,12и т.д. Однако возможность модулировать свойств поверхности их более надежной, но промышленно доступные многостенными коллегами а именно MWCNTs, контролировать направление в их non ковалентные взаимодействий на наноуровне, остается сложной до настоящего времени задачи. 13

Супрамолекулярной самосборки из молекулярных строительных блоков является одним из самых универсальных стратегии для управления Организации материи на наноуровне. 14 , 15 в этом смысле супрамолекулярных взаимодействий включать направленный, ближней и средней ценовой категории non ковалентные взаимодействиями, такими как H-Бонд, Ван-дер-Ваальса, диполя диполя иона диполя диполя диполя индуцированной, π-π укладки, катион π, анион π, кулоновских, среди других. 16 к сожалению, направленность в самостоятельной сборки для больших структур таких как MWCNTs не является спонтанным и обычно требует внешних движущих сил (например , шаблоны или систем диссипация энергии). 17 недавно докладе используется non ковалентные обертыванием нанотрубок с учетом совместного полимеров для достижения последней цели,18 , но использование ковалентных стратегий предложить новые альтернативы для решения этой проблемы остались практически не изучены.

Химическая модификация углеродных нанотрубок могут выборочно осуществляться для внедрения различных функциональных групп Термини или боковые стенки же. 19 , 20 один из самых полезных подходов к портной свойства поверхности углеродных наноструктур, прививки полимера через стандартный полимеризации маршрутов. Как правило, эти подходы включают предварительное введение полимеризуемых или инициатора группы (акриловые, виниловые, и т.д.) на поверхности наноструктур и их последовательных полимеризации с подходящей мономера. 21 в случае MWCNTs, ковалентных введение полимерных цепей на боковинах, контролировать их пятнистость в анизотропных мода остается проблемой.

Здесь мы покажем, как серия простой химической модификации шаги22,23 могут быть применены для вставки PS цепи на боковинах MWCNTs с целью изменения их поверхности пятнистость и содействовать их анизотропной самосборки23 на наноуровне. Во время изменения маршрута первый шаг позволяет для селективного гидроксилирования нетронутой MWCNTs на боковых стенах, следуя двухфазных каталитически опосредованной реакции окисления приносить Гидроксилированные коллегами, а именно, Мунт-OH. Второй шаг использует 3-(trimethoxysilyl) метакрилата пропил (TMSPMA) ввести силицированные метакриловой постановление к ранее созданной гидроксильных групп (Мунт-O-TMSPMA). Эти вставки будет предоставлять поверхности реактивной сайты во время третьего шага, когда мономера стирола полимеризуется от метакриловой постановление, таким образом давая полимерных цепей, привитые на боковых стенках нанотрубок в конце (т.е. Мунт-O-PS).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Предупреждение: Обратитесь все соответствующие листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Некоторые из химических веществ, используемых в настоящем Протоколе, остро токсичными и канцерогенными. Углеродные нанотрубки производные могут иметь дополнительные дыхательных опасности по сравнению Аллотропия углерода других традиционных массовых. Он подозревается в том, что углеродных нанотрубок в аэрозоля может повлиять на легкие аналогичным образом чем асбест, хотя их канцерогенные свойства имеют не выяснены полностью пока. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при проведении химических реакций и продуктов, обработки шагов, включая использование вытяжного шкафа и личного защитного снаряжения (лаборатории пальто, перчатки, защитные очки, закрытые туфли, брюки полная длина) время подходит фильтрации маской респираторы особенно при следует использовать потенциал нанотрубок пыль может быть создан (NIOSH N95 модель одобрил, или Европейская EN 149 сертифицированный FFP3 версии). Части следующей процедуры включают стандартные инертной атмосфере, методы обработки. 24

1. избирательные гидроксилирования многостенными углерода нанотрубок 22

  1. Двухфазный каталитически опосредованное окисление MWCNTs
    1. Подготовка этапа органических
      1. Добавьте 2.5 g нетронутой MWCNTs смотреть стекла, Петри или стакан.
      2. Переместите контейнер в вакуумной печи 80 ° C и крышка с подходящей стекла смотреть. Включите вакуумный насос печи и установить системы ОК. 200 мм рт..
      3. Сухие нанотрубок в вакуумной печи для 12 h. После этого шага содержание воды в MWCNTs будут ликвидированы.
      4. Залить сушеные MWCNTs в 100 мл вокруг нижней колбу с стеклянной воронки и шпателем и удалить после завершения последовательности.
      5. Ввести магнитные перемешивания бар круглой нижней колбе и добавить ~ 50 мл 99% дихлорметан в колбу, используя стакан. Тщательно размешайте в 60 об/мин, с использованием перемешивания пластины до тех пор, пока агломератов исчезают.
      6. Если агломератов остаются в растворе после перемешивания в течение 10 мин, переместить колбу в ультразвуковой ванне и включите систему для sonication 5 минут повторите при необходимости. Это решение будет органические фазы в стадии реакции окисления.
    2. Подготовка водной фазе
      1. В 25 мл стакан растворяют в 5 мл дистиллированной воды, с использованием магнитной перемешивания бар и перемешивания пластины 0,6 г tetrapropylammonium бромид (TPABr).
      2. В объемной флакон 10 мл растворяют 0.253 g4 KMnO в дистиллированной воде (0,16 М раствор) и сохранить решение в стакан под рукой. Это решение будет использоваться на шаге 1.1.2.4.
      3. Возьмите 5 мл уксусной кислоты кристаллизированной (HOAc) и передачи объем каплям раствор TPABr. С помощью окончил пипетки и постоянном помешивании в ледяной ванне может быть полезным.
        Примечание: Процесс смеси экзотермические, таким образом, добавление должно осуществляться медленно во избежание возможных травм прогнозируемых капель или чрезмерного потепления.
      4. Передача 5 мл Алиготе 0,16 М KMnO4 водного раствора в подкисленных TPABr решение. С помощью чистой окончил пипетки и перемешивания может быть полезным.
      5. Сохраните предыдущие решения, покрытые смотреть стекла до тех пор, пока требуется. Это решение будет водной фазе в стадии реакции окисления.
    3. Реакции окисления
      1. Залейте водной фазе в колбу круглым дном, содержащий органические фазы. Эта смесь будет двухфазный реакционной смеси.
      2. С помощью перемешивания пластины, агитировать системе двухфазного 80 об/мин или более и оставить смесь под перемешивания при комнатной температуре в течение 24 ч. После этого времени фиолетовый водяной участок повороты бледно розовый и нанотрубки стали гидроксилированы (Мунт-OH).
  2. Очистка Мунт OH
    1. Экстракции жидкости жидкостью
      1. Передать двухфазный реакционную смесь 150 мл или 200 мл separatory воронка с краном в закрытом положении. При необходимости используйте воронку стекла и шпателем.
      2. С помощью пипетки Берал, пипетка Пастера с резиновую грушу придает или стакан, добавить ~ 0,25 мл концентрированной соляной кислоты в separatory воронку.
      3. Используйте separatory воронка.
        1. Закройте separatory воронка с тефлоновым пробкой (не использовать стеклянные пробки для углеродных нанотрубок) и активно агитировать за 5 s в Зонта с створки окна вниз. Во время агитации всегда держать пробку, сильно придает воронку с одной стороны и захватить запорный с другой стороны.
        2. Сразу же после шага агитации переверните лоток и освободить давления, открыв запорный с соответствующей стороны.
          Примечание: Убедитесь, что для решения направления давления сзади вытяжной пищи.
        3. Повторите два последних шага агитации/давления релиз в циклах 3-5.
        4. После завершения последнего цикла, немедленно удалите пробку и оставить воронка зажимается и спокойно до этапа разъединения очевидна. После сепарации жидкость жидкость водяной участок остается выше органические фазы. Мунт-OH останется в органические фазы.
      4. Если не фазовое разделение происходит, добавить 1-5 мл рассола (10-20% NaCl в воде, m/v) к separatory воронка с помощью пипетки Берал или пипетки Пастера, осторожно перемешать и оставить смесь в покое до этапа разъединения. Повторяйте, пока не требуется.
      5. Восстановите органические фазы на 150 мл стакан, сохраняя кран открытым, пока фаз достигает позиции краном. 150 мл колбу Эрленмейера может использоваться в качестве альтернативы для восстановления органические фазы; Однако получения нанотрубок от данного типа контейнера обычно сложнее.
      6. Сохраните восстановленные решения защищены с бокалом часы до фильтрации.
      7. Надлежащим образом утилизируйте водной фазе.
    2. Установка системы вакуумной фильтрации
      1. Установите системы вакуумной фильтрации, Гостиный пробку и твердо базы в горловину из зажимается Китасато колбу.
      2. Держите 47 мм Диаметр мембраны фильтра рукой и, в зависимости от материала мембраны и указаний от производителя, при необходимости следовать этот шаг и следующий два из них (шагах 1.2.2.2 - 1.2.2.4). Подготовьте диаметром 100 мм Петри с этанолом (EtOH) заполнения 50% его емкости.
      3. С гладкой наконечник щипцами место 47 мм Диаметр мембраны фильтра на Петри блюдо с EtOH. Оставьте мембраны в EtOH на 2-5 мин убедитесь, что использовать мембраны с порами размером 0,45 - 20 мкм. меньшие поры размеры будут забивать фильтрации, в то время как более крупные снизит эффективность фильтрации.
      4. Удалите мембрану с EtOH, используя пинцет гладкой наконечник.
      5. Центр мембраны на спеченных стеклянных площадь опорной поверхности фильтра, начиная от края мембраны. Необязательный смачивания с EtOH может облегчить этот шаг.
      6. Центр фланец воронки на вершине Ассамблея. Не беспокоить мембраны. Заблокировать воронку и базу вместе с зажим весны.
      7. Подключите систему к источнику вакуума. Не включайте пылесос до тех пор, пока требуется.
    3. Фильтрация Мунт OH
      1. Залейте проверено органические фазы в вакуумной фильтрации воронка, опираясь на стеклянной палочкой. Применение вакуума для фильтрации образца до сухости.
      2. Вымойте тело с 40-50 мл 95% метанола (метанола) с использованием вымойте бутылку. С помощью стеклянный стержень может быть полезным в решении этой задачи. Повторите этот процесс, по крайней мере 5 раз. Держите вакуум на данном этапе.
      3. После мытья, оставьте систему под вакуумом для 20 мин, покрытые Стекло Часы для сухого твердого тела.
      4. Чтобы вернуть тела от мембраны, выполните следующие шаги 1.2.3.5 - 1.2.3.8.
      5. Тщательно удалите зажим весны, а затем вертикально удалить воронку не нарушая мембраны и твердой.
      6. Очень осторожно удалите мембраны вместе с твердой из фильтра опорной поверхности шпателем и гладкой наконечник щипцами.
      7. Передать мембраны с твердой Петри диаметром 100 мм или смотреть стекла.
      8. Помогали два гладких наконечник щипцы и шпателем, восстановить твердого тела от поверхности мембраны, до тех пор, пока все продукт наносится на стекло Петри/смотреть.
    4. Сушка и хранение Мунт OH
      1. Обложка Петри/часы стекло с подходящей стекла смотреть (требуется больший диаметр).
        Примечание: Не используйте герметизации фильм во избежание электростатического заряда.
      2. Ввести Петри/часы стекло в вакуумной печи, нагревается на 80 ° C. Включите вакуумный насос печи и установить систему для ОК. 200 мм.рт.ст.
      3. Сухой твердый за 24 ч. После этого шага будут ликвидированы содержание растворителей в продукте. Если продукт будет использоваться не сразу, храните твердые в эксикатор, пока он не понадобится.

2. наращивание Мунт OH с полистирола цепи 22,23

  1. Модификация Мунт OH с метакриловой силицированные постановление
    1. Налить 2.5 g Мунт-OH и 5 g гидрохинона в колбе Шленк чистой 100 мл с помощью стеклянной воронки и шпателем, удалите воронку и ввести магнитные перемешивания бар.
    2. Установите Шленк колбу в режиме отлива по следующим показаниям:
      1. Подключите Шленк колбу вакуума/инертного газа коллектора системы с использованием подходящего резиновой трубки придают колбу стекла совместных. Храните настой коллектора закрыт.
      2. Подключите подходящий конденсатора к системе водопроводной воды, используя подходящие резиновую трубку, убедившись в том задать доход воды через стекло совместное ближе к мужской совместных.
      3. Смажьте мужской совместное конденсатора с прикладной равномерно тонким слоем вакуумной смазки.
        Примечание: Сустав не должно быть чрезмерно смазанную маслом, чтобы избежать загрязнения продукта.
      4. Придаем конденсатора мужской совместное Шленк колбу шеи. Закройте конденсатора женщин совместно с резиновой пробкой.
      5. Осторожно откройте колбу в вакууме. Убедитесь, что нанотрубки являются не всасывается в вакуумной линии во время этого процесса.
      6. Заполните колбу Шленк N2 газ.
      7. Повторите два последних шага еще два раза.
      8. Держите системы под позитивные N2 газового потока.
    3. Опираясь на чистой канюли и подходящий шприц, медленно вводить 50 мл сухого толуол через резиновую пробку.
    4. С помощью пластину перемешивания и термальная ванна, агитировать смесь энергично на 80 об/мин или более и оставить смесь при перемешивании 5-10 мин при комнатной температуре.
    5. Использование чистой канюли и шприц, придать 5 мл TMSPMA через резиновую пробку.
    6. Установите температуру до 100 ° C и оставьте реакция под рефлюкс и перемешивания в течение 12 ч. После этого времени силицированные метакриловой постановление являются химически пара гидроксильных групп на MWCNTs (а именно Мунт-O-TMSPMA).
    7. После реакции, тщательно Удалите резиновую пробку, закройте поток N2 и подождите, пока настой при комнатной температуре.
    8. Установка вакуумной фильтрации системы (шаг 1.2.2).
    9. Фильтр твердых (шаг 1.2.3). Промойте метанола в избытке.
    10. Высушить и хранить Мунт-O-TMSPMA (шаг 1.2.4).
  2. Полимеризация стирола на модифицированных MWCNTs
    1. Налейте настой Шленк чистой 100 мл, используя воронку стекла и шпателем 2.5 g Мунт-O-TMSPMA и 75 мг азобисизобутиронитрил (АО) и удалите воронку.
      Предупреждение: Динитрила порошок следует не подвергаться воздействию тепла или сильно окисляющих агентов, как она может спонтанно взорваться.
    2. Ввести магнитные перемешивания бар Шленк колбу.
    3. Установите Шленк колбу в режим рефлюкс (шаг 2.1.2).
    4. Использование чистой канюли и шприц, придать 50 мл сухого толуол через резиновую пробку.
    5. С помощью пластину перемешивания и термальные ванны, агитировать смеси на 80 об/мин или более и оставить смесь при перемешивании 5-10 мин при комнатной температуре.
    6. Опираясь на чистой канюли и шприц, придать 7,5 мл стирола через пробку.
    7. Установите температуру до 70 ° C и оставьте реакция под рефлюкс, перемешивание и N2 для 12 h. После этого времени PS цепи привитые на боковых стенках нанотрубок (Мунт-O-PS).
    8. Открыть эту систему в воздух, закройте поток N2 и прохладный колбу до комнатной температуры.
    9. Установка вакуумной фильтрации системы (шаг 1.2.2).
    10. Фильтр и промойте твердых (шаг 1.2.3). Используйте ацетон вместо метанола на этапе стирки. Мыть твердые пять раз больше с 20 мл ТГФ удалить несвязанные полистирола.
    11. Высушить и хранить Мунт-O-PS (шаг 1.2.4).
      Примечание: Длина цепочки полимера, привитые нанотрубки могут быть настроены путем изменения концентрацию стирола в толуоле во время полимеризации шага; более низкие концентрации производят короткие цепи. Время реакции полимеризации может использоваться для регулировки размера полимерной цепи; короче время реакции уменьшите длину цепочек. Смотрите ссылки 22 и 23 для деталей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

TGA данные были собраны из первозданных нанотрубок, Гидроксилированные нанотрубок, нанотрубки, модифицированные с силицированные метакриловой постановление и полистирола привитые нанотрубок (рис. 1). FT-IR результаты были собраны от Гидроксилированные нанотрубок и нанотрубок изменен с силицированные метакриловой постановление (рис. 2). ТЕА изображения были собраны из первозданных нанотрубок и полистирола привитые нанотрубок (рис. 3). TGA капель в массе используются для вычисления поэтапный выход химической модификации нанотрубок. 22 , 23 , 25 , 26 FT-IR используется для подтверждения присутствие реактивной функциональных групп, представил нанотрубок. ТЕА используется для подтверждения анизотропной самостоятельной сборки из нанотрубок полимер привитых против нетронутой коллегами. 23

Figure 1
Рисунок 1 : Количественная характеристика химических модификаций об углеродных нанотрубках. TGA кривые для нетронутой MWCNTs (черный), Мунт-OH (красный), Мунт-O-TMSPMA (синий) и Мунт-O-PS (зеленый). Серый текст и пунктирные линии указывают температурных зон, где каждый компонент обычно разлагаются.

Figure 2
Рисунок 2 : Подтверждение реактивной функциональных групп представил углеродных нанотрубок. FT-IR спектры для:) Мунт-OH (красный) и b) Мунт-O-TMSPMA (синий). Серый текст и сплошной линии указывают положение соответствующих полос для подтверждения присутствия введено реактивной групп. Вставленные фигуры являются схематических представлений для модифицированных нанотрубок.

Figure 3
Рисунок 3 : Анизотропной самостоятельной сборки из полимер привитые углеродных нанотрубок. ТЕА изображения (см. выше) решения в ТГФ после испарения растворителя для: MWCNTs) нетронутой, b) Мунт-O-PS. схемы ниже каждой микрографии являются представление для типичных наноразмерных поведение наноструктур. Воспроизведены и адаптированы из Ref. 23 с разрешения Королевского общества химии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этом методе некоторые шаги, которые приводят, решающее значение для обеспечения успешного процесса прививочных. Во-первых двухфазный каталитически опосредованной реакции окисления (шаг 1.1) должно осуществляться с недавно дисперсных углеродных нанотрубок (шаг 1.1.1.5). Если дисперсия результатов нежизнеспособный согласно рекомендации, содержащиеся в протоколе, использование ультразвуковой наконечник sonicator было бы полезно, если же показания (шаг 1.1.1.6). С помощью коротких MWCNTs может также помочь в решении вопросов дисперсии. Во-вторых установление системы вакуумной фильтрации имеет решающее значение в эффективность очистки (шаг 1.2.2). В этом смысле, центрирование мембраны на спеченных стеклянных площадь опорной поверхности фильтра (шаг 1.2.2.5) может привести к мембране морщины если процедура не выполняется надлежащим образом (в частности, шаги 1.2.2.5 - 1.2.2.6). Если последняя возникает, повторите шаги 1.2.2.3 в 1.2.2.5 до получения однородной фильтр адгезии. Кроме того, также попробовать с не смачивается мембраны версии (то есть не следовать шагах 1.2.2.2 - 1.2.2.4) и наблюдать результаты фильтрации. Использование сухих мембраны предотвращает возникновение мембраны морщин во время их фиксации в шагах 1.2.2.5 - 1.2.2.6, хотя, в зависимости от мембраны материала используется и выбранного производителя, отсечки размер может варьироваться между сухой и мокрой версии и фильтрации эффективности могут быть затронуты в зависимости от случая. В-третьих реакция полимеризации является последний важный шаг (шаг 2.2). Наиболее распространенным источником неэффективных полимеризации является использование неочищенных мономера. Убедитесь в том использовать свежий очищенный стирола, используя столбец препаративные гель глинозема, покрыть контейнер с алюминиевой фольги для защиты мономер от света и сохранить хранимую на 4 ° C до тех пор, пока используется. Использование MWCNTs с большего диаметра или короче длины не должны отражать любого представителя изменения в окончательные результаты. Однако ограничения могут возникнуть, если используются SWCNTs, двустенные углеродных нанотрубок или MWCNTs с диаметром короче. Использование трех предыдущих примерах может привести в разложение структуры нанотрубок, если реакции окисления (шаг 1.1.3) осуществляется за то же время реакции. Устранение неполадок последнего может быть сделано путем тестирования короче раз и TGA и FT-IR анализ для подтверждения оптимальные результаты.

TGA-это самый простой способ для наблюдения за успех в каждом шаге химической модификации. Прямого анализа массовые потери и значения температуры, где эти события происходят в TGA кривые, полученные от комнатной температуры до 1000 ° C позволяют для количественной оценки доходности изменения в продукции (рис. 1). TGA кривой для нетронутой MWCNTs экспонатов одной капли в массы между 550 ° C и 820 ° C до 96% веса (черная кривая на рисунке 1). Эта потеря в массе соответствует разложение нанотрубок, когда анализ осуществляется под воздушный поток. Помимо 820 ° C наблюдается постоянный вес за счет остальных неорганических примесей в сырой продукт. На тех же условиях анализ Мунт-OH (красная кривая на рис. 1) показывает дополнительные слабые падение между 200 ° C до 300 ° C по сравнению с кривой Мунт. 22 разница в % веса Мунт кривой и Мунт-OH в конце предыдущего диапазона указывает содержание гидроксильных групп вставляется в боковых стенках нанотрубок в двухфазных каталитически опосредованной реакции окисления. Типичный гидроксила контента для Мунт-OH находится между 2% и 5% веса. Кроме того отсутствие этого дополнительного веса падения указывает, что реакция гидроксилирования не произошло. За пределами этого диапазона температур полного разложения нанотрубок ранее происходит при температуре 800 ° C, в то время как более высокие температуры позволить постоянное значение. С другой стороны типичная кривая TGA Мунт-O-TMSPMA показывает, что два последовательных падает в весе на тех же условиях воздушного потока (синяя кривая на рисунке 1). Первая потеря массы находится между 380 ° C и 470 ° C, который соответствует разложение метакриловой постановление от TMSPMA, вставлены гидроксилсодержащих группам; Температурный интервал согласуется литературы22,25 для TMSPMA, аналогичным образом включить различные типы наноструктур через ковалентных химии. Второе падение начинается в 550 ° C и заканчивается на 790 ° C. Эта потеря веса происходит путем разложения углеродных нанотрубок. Значение константы в массе, наблюдается после того, как этот интервал температуры соответствует обоим остальных неорганических веществ из оригинального нанотрубок и энергонезависимой силикатных производных, образующихся разложение TMSPMA постановление. Отношения между первое падение веса, по сравнению с вторым соответствует содержимому в TMSPMA в нанотрубок. В этом смысле первая потеря — обычно от 8% до 12% в весе по сравнению с вторым падение. Отсутствие первое падение веса является свидетельством неудачи в муфте TMSPMA гидроксильных групп. Наконец представитель TGA кривой Мунт-O-PS (зелёная кривая на рис. 1) показывает три четкие вариации веса под воздушный поток, если по сравнению с нетронутой. Первое падение происходит между 270 ° C и 380 ° C и получается когда разлагаются полистирола цепи, привитые на нанотрубок; Этот интервал температуры в соответствии с22,литературы26 для PS, привитыми к различным типам углеродных материалов через ковалентных процедур. Вторая потеря веса начинается в около 400 ° C и заканчивается на 480 ° C, который производится путем потери метакриловой компонента от TMSPMA. Третье падение появляется примерно 600 ° c и заканчивается на 780 ° C и в результате разложения нанотрубок. Соотношение между первое падение веса и третий предоставляет PS содержимое в полимер привитые нанотрубок. Типичный содержание в PS для Мунт-O-PS находится между 30% и 40% веса по сравнению с содержанием нанотрубок. 23 отсутствие первое падение веса является свидетельством неудачи на шаге полимеризации.

FT-ИК спектры может быть полезным подтвердить наличие реактивной функциональных групп, введена в нетронутых MWCNTs (рис. 2). Эти группы включают в себя hydroxyls и силицированные метакриловой постановление. Как правило спектры от Мунт-OH (красная кривая, Рисунок 2a) показывают сильные широкополосный на 3427 см-1, что соответствует растяжения O-H групп. Кроме того слабый, но ясно группа можно также найти в 1193 см-1 производится путем растяжения связей между ароматических углеродов в стенках нанотрубок и группами OH. Напротив спектров от Мунт-O-TMSPMA (синяя кривая, Рисунок 2b) показывают сильную группу на 3442 см-1 производится путем растяжения связей Si-OH. Же облигации также производят два дополнительных умеренной полосы на 1030 см-1 и 812 см-1, соответственно. Кроме того C = O Бонд карбонильных в группе эфира метакриловой постановление позволить слабый растяжения полоса в 1718 см-1. Кроме того Si-OC облигации сформирован между группой TMSPMA и нанотрубок дают два типичных умеренной полосы появляться в 1102 см-1 и 801 см-1, тогда как последняя полоса частично перекрывающихся соседней группы на 812 см-1 от Si-OH . Метакриловая C = C Облигации в вставленной постановление TMSPMA дать один умеренный растяжения полоса в 1646 см-1. Наконец Si-C-Облигации, содержащихся в части силицированные обеспечивают слабый, но ясно растяжения полоса на 707 см-1. Указывает на отсутствие полос на 1102 см-1 и 801 см-1 две возможности: 1) отказ в ковалентной увязки между TMSPMA и гидроксильных групп на нанотрубок и 2) неэффективных ликвидацию реактивы. Отсутствие полос в 1718 см-1 и 1646 см-1 показывает, что нежелательные, что гидролиз Эстер группы произошла во время очистки продукта (например , ошибочно омыв с кислот или оснований).

Микроскопический анализ падение литой решений с использованием THF, как растворитель можно показать типичные самостоятельной сборки поведение в Мунт-O-PS, которая происходит не в первозданном коллегами (рис. 3). 23 решения от нетронутой MWCNTs анализируемой ТЕА после испарения позволить типичных случайных сетей нанотрубки или кластеры (рис. 3a). Однако эквивалентные образцов, приготовленных из Мунт-O-PS обеспечивают соответствие наноструктур, которые содержат коллинеарных нанотрубок, самостоятельно собранные стены (рис. 3b). Это поведение авто организация производится анизотропной пятнистость, порожденных полистирола цепи, привитые на боковых стенках нанотрубок. Типичные примеры для самоорганизации нанотрубок собраны органы, которые содержат от двух до шести нанотрубок придерживаться друг другу вдоль его продольной оси. Неудача в прививки полимера обычно приводит в отсутствие этой тенденции.

Мы продемонстрировали метод получения многостенными углеродными нанотрубками с анизотропной самосборки свойства через наращивание полистирола цепи на боковинах, используя маршрут свободно радикальной полимеризации. Такой селективный модификации свойств поверхности нанотрубок получается путем последовательных химическая модификация шаги для вставки реактивной функциональных групп выборочно к боковым пластинам. Эти последующие модификации позволяют для модуляции поверхности пятнистость, который наконец результаты в collinearly авто организовал наноструктур через non ковалентные взаимодействия. Мы ожидаем, что эта стратегия может быть повторно применены к другие типы полимеров акриловых или виниловых производной и новые гибридные материалы и композиты могут возникнуть в будущем. Кроме того мы считаем, что этот метод будет открыть новые возможности в углеродных нанотрубок, обработка стратегии в привлекательных условиях для промышленности и научных кругов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы хотели бы признать FQ-PAIP и DGAPA-PAPIIT программы из национального автономного университета Мексики (номера грантов 5000-9158, 5000-9156, IA205616 и IA205316) и Национальный совет по науке и технике из Мексики - КОНАСИТ-(номер гранта 251533).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tetrapropylammonium bromide, 99 % (TPABr) Sigma-Aldrich 88104 Irritant, toxic
Potassium permanganate, 99 % (KMnO4) Sigma-Aldrich 223468
Acetic acid, 99.5 % Sigma-Aldrich 45726
Pristine multiwalled carbon nanotubes, 99 % (MWCNTs) Bayer Technology Services Donated sample Harmful dusts. >1 micrometer in length and 13–16 nm in outer diameter. Alternative supplier: Nanocyl, Catalog N. NC7000, website: http://www.nanocyl.com/
Sodium Chloride, 98 % (NaCl) Sigma-Aldrich S3014 Technical grade can also be used
Ethanol, 99.8 % (EtOH) Sigma-Aldrich 32221 Technical grade can also be used
Methanol, 99.8 % (MeOH) Sigma-Aldrich 322415 Highly toxic. Technical grade can also be used
Hydroquinone, 99 % Sigma-Aldrich H9003
Toluene, 99.8 % Sigma-Aldrich 244511 Anhydrous
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate, 98 % (TMSPMA) Sigma-Aldrich 440159 Air sensitive, toxic
Azobisisobutyronitrile, 99 % (AIBN) Sigma-Aldrich 755745 Explosive
Styrene, 99 % Sigma-Aldrich S4972 Purified using an alumina gel preparative column and stored at 4 °C
Acetone, 99.5 % Sigma-Aldrich 179124 Technical grade can also be used
Tetrahydrofuran, 99.9 % (THF) Sigma-Aldrich 494461
Dichloromethane, 99.5 % Sigma-Aldrich 443484 Highly toxic
Hydrochloric acid, 37 % Sigma-Aldrich 435570 Harmful fumes

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Iijima, S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature. 354, 56-58 (1991).
  2. Iijima, S., Ichihashi, T. Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature. 363, 603-605 (1993).
  3. Dai, H. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration and Properties. Acc. Chem. Res. 35, 1035-1044 (2002).
  4. Karousis, N., Tagmatarchis, N. Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 110, 5366-5397 (2010).
  5. Zhao, Y. L., Stoddart, J. F. Noncovalent Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. Acc. Chem. Res. 42, 1161-1171 (2009).
  6. Zelada-Guillén, G. A., Riu, J., Düzgün, A., Rius, F. X. Immediate Detection of Living Bacteria at Ultralow Concentrations Using a Carbon Nanotube Based Potentiometric Aptasensor. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 7334-7337 (2009).
  7. Zelada-Guillén, G. A., Blondeau, P., Rius, F. X., Riu, J. Carbon Nanotube-Based Aptasensors for the Rapid and Ultrasensitive Detection of Bacteria. Methods. 63, 233-238 (2013).
  8. Jung, Y., Li, X., Rajan, N. K., Taylor, A. D., Reed, M. A. Record High Efficiency Single-Walled Carbon Nanotube/Silicon p-n Junction Solar Cells. Nano Lett. 13, 95-99 (2013).
  9. Escárcega-Bobadilla, M. V., Rodríguez-Pérez, L., Teuma, E., Serp, P., Masdeu-Bultó, A. M., Gómez, M. Rhodium Complexes Containing Chiral P-Donor Ligands as Catalysts for Asymmetric Hydrogenation in Non Conventional Media. Chem. Soc. Rev. 141, 808-816 (2011).
  10. Miners, S. A., Rance, G. A., Khlobystov, A. N. Chemical Reactions Confined within Carbon Nanotubes. Chem. Soc. Rev. 45, 4727-4746 (2016).
  11. Rege, K., Raravikar, N. R., Kim, D. Y., Schadler, L. S., Ajayan, P. M., Dordick, J. S. Enzyme-Polymer-Single Walled Carbon Nanotube Composites as Biocatalytic Films. Nano Lett. 3, 829-832 (2003).
  12. Ma, R., Menamparambath, M. M., Nikolaev, P., Baik, S. Transparent Stretchable Single-Walled Carbon Nanotube-Polymer Composite Films with Near-Infrared Fluorescence. Adv. Mater. 25, 2548-2553 (2013).
  13. De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications. Science. 339, 535-539 (2013).
  14. Lehn, J. M. Perspectives in Chemistry - Steps towards Complex Matter. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2836-2850 (2013).
  15. Mattia, E., Otto, S. Supramolecular Systems Chemistry. Nat. Nanotechnol. 10, 111-119 (2015).
  16. Leh, J. M. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. , VCH Verlagsgesellschaft GmBH. Weinheim, Germany. (1995).
  17. Escárcega-Bobadilla, M. V., et al. Nanorings and Rods Interconnected by Self-Assembly Mimicking an Artificial Network of Neurons. Nat. Commun. 4, 2648 (2013).
  18. Gegenhuber, T., et al. Noncovalent Grafting of Carbon Nanotubes with Triblock Terpolymers: Toward Patchy 1D Hybrids. Macromolecules. 48, 1767-1776 (2015).
  19. Peng, H., Alemany, L. B., Margrave, J. L., Khabashesku, V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 125, 15174-15182 (2003).
  20. Furtado, C. A., Kim, U. J., Gutierrez, H. R., Pan, L., Dickey, E. C., Ecklund, P. C. Debundling and Dissolution of Single-Walled Carbon Nanotubes in Amide Solvents. J. Am. Chem. Soc. 126, 6095-6105 (2004).
  21. Jeon, J. H., Lim, J. H., Kim, K. M. Fabrication of Hybrid Nanocomposites with Polystyrene and Multiwalled Carbon Nanotubes with Well-Defined Polystyrene via Multiple Atom Transfer Radical Polymerization. Polymer. 50, 4488-4495 (2009).
  22. Kim, M., Hong, C. K., Choe, S., Shim, S. E. Synthesis of Polystyrene Brush on Multiwalled Carbon Nanotubes Treated with KMnO4 in the Presence of a Phase-Transfer Catalyst. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 45, 4413-4420 (2007).
  23. Oliveira, E. Y. S., Bode, R., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A., Maier, G. Polymer Nanocomposites from Self-Assembled Polystyrene-Grafted Carbon Nanotubes. New J. Chem. 40, 4625-4634 (2016).
  24. Shriver, D. F., Drezdzon, M. A. The Manipulation of Air-Sensitive Compounds. , John Wiley and Sons. New York, NY, USA. (1986).
  25. Bressy, C., Ngo, V. G., Ziarelli, F., Margaillan, A. New Insights into the Adsorption of 3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylate on Hydroxylated ZnO Nanopowders. Langmuir. 28, 3290-3297 (2012).
  26. Wu, X., Qiu, J., Liu, P., Sakai, E., Lei, L. Polystyrene Grafted Carbon Black Synthesis via in situ Solution Radical Polymerization in Ionic Liquid. J. Polym. Res. 20, 167 (2013).

Tags

Химия выпуск 134 углеродные нанотрубки прививки полистирол самостоятельной сборки гибридные наноматериалов и композитов синтез
Прививка многостенными углеродными нанотрубками с полистирола для самостоятельной сборки и анизотропной пятнистость
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Arenas-García, J.,… More

Arenas-García, J., Escárcega-Bobadilla, M. V., Zelada-Guillén, G. A. Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness. J. Vis. Exp. (134), e56267, doi:10.3791/56267 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter