Effetti della funzionalizzazione e modificazione del silano del nitruro di boro esagonale sulle proprietà termiche/meccaniche/morfologiche del nanocomposito di gomma siliconica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11915 (2023) Citare questo articolo

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Le nanoparticelle di nitruro di boro esagonale (h-BN) potrebbero conferire proprietà interessanti alla gomma siliconica (SR), ma la debole interazione interfacciale riempitivo-matrice provoca l'agglomerazione delle nanoparticelle e diminuisce le prestazioni del nanocomposito. In questo lavoro, le nanoparticelle h-BN sono state modificate in superficie utilizzando viniltrimetossisilano (VTMS) a diverse concentrazioni. Prima della modifica del silano, le nanoparticelle h-BN venivano idrossilate utilizzando idrossido di sodio 5 molare. Le nanoparticelle sono state caratterizzate per valutare il successo dell'innesto di silano. Le nanoparticelle h-BN pure e modificate sono state applicate all'1, 3 e 5% in peso sulla gomma siliconica HTV (SR). Sono state valutate le proprietà di polimerizzazione, termiche, meccaniche e morfologiche e l'idrofobicità dei nanocompositi. La morfologia dei nanocompositi SR è stata caratterizzata mediante analisi AFM e FE-SEM. Si è scoperto che l'innesto di silano sulle nanoparticelle h-BN migliora la densità di reticolazione ma diminuisce l'indice di velocità di polimerizzazione (CRI) del nanocomposito SR (con un contenuto di carico del 5% in peso) rispettivamente di 0,7 (dN m) e 3,5%. Ha inoltre aumentato l’angolo di contatto dei nanocompositi con l’acqua da 97,5° a 107°. Le migliorate interazioni interfacciali nanoparticelle-gomma hanno causato una migliore dispersione delle nanoparticelle h-BN nella matrice SR (al 5% in peso) che ha migliorato l'allungamento a rottura, il modulo al 300% e la Tg dei nanocompositi SR.

Oggi gli isolanti polimerici sono ampiamente utilizzati in sostituzione di materiali vetrosi e porcellanati per il loro peso ridotto, la semplicità di fusione, la facilità di trasporto/migliore movimentazione, la resistenza alla corrosione e all'abrasione. Su questa base, la gomma siliconica (SR) è ampiamente utilizzata come isolante nelle applicazioni elettriche1,2. Tuttavia, la dissipazione del calore è il problema principale della gomma siliconica a causa della bassa conduttività termica e della stabilità termica, che sono cruciali in un materiale di interfaccia termica (TIM) per applicazioni isolanti3,4. Finora i riempitivi ceramici come l'allumina (Al2O3), il nitrato di alluminio (AlN) e il nitruro di boro (BN) sono stati utilizzati per migliorare la conduttività termica e l'isolamento elettrico della gomma siliconica5,6. Tra tutti i micro e nano riempitivi utilizzati nella gomma siliconica, il nitruro di boro ha proprietà uniche come elevata conduttività termica (600 W/m·K) nonché resistenza alla rottura, bassa perdita dielettrica e permettività, elevata stabilità termica, bassa dilatazione termica e interessanti proprietà anisotrope a causa della sua struttura strato per strato7,8,9,10.

Sebbene le nanoparticelle idrofile di nitruro di boro esagonale (h-BN) abbiano un grande potenziale per migliorare le proprietà della gomma siliconica, si agglomerano nei polimeri a causa delle basse interazioni interfacciali filer-polimero11,12,13. Questo problema riguarda principalmente la dispersione degli h-BN nei polimeri che porta a proprietà meccaniche e termico/elettriche indesiderabili14. La modifica della superficie potrebbe migliorare le interazioni interfacciali degli h-BN con i polimeri15. L'aspetto più impegnativo nella modifica superficiale delle nanoparticelle di nitruro di boro è la loro elevata stabilità chimica (senza gruppi funzionali sulla superficie) e la mancanza di siti di legame (cioè gruppi idrossilici o amminici) anche ai bordi16. Su questa base, è necessario un ulteriore passaggio (cioè la funzionalizzazione) prima della modifica superficiale degli h-BN che è l'idrossilazione con soluzioni acide o basiche ad alta concentrazione. È stato scoperto che dopo la funzionalizzazione gli agenti di accoppiamento potrebbero innestarsi sulla superficie ma principalmente sui bordi di h-BN16,17,18.

Gli agenti di accoppiamento silanico come materiali anfifilici con gruppi funzionali sia organici che alcossilici in una molecola potrebbero reagire con h-BN inorganico dopo la funzionalizzazione e migliorare le interazioni interfacciali riempitivo-polimero19.

Finora gli h-BN modificati in superficie con silano sono stati utilizzati in diversi polimeri. Cheng et al.20 hanno dimostrato che la dimensione della catena del lato alcossilico nell'agente di accoppiamento silanico ha un forte effetto sulla conduttività termica dell'h-BN. I silani con catene organiche più piccole come il vinil trietossisilano (VTES) e il tetraetil ortosilicato (TEOS) hanno aumentato il TC dell'alcol polivinilico (PVA) mentre le catene più lunghe lo hanno diminuito. Wang et al.21 hanno confermato che gli h-BN silanizzati potrebbero rimanere dispersi in paraffina per tempi lunghi rispetto agli h-BN non trattati. Seyhan et al.22 hanno scoperto che la silanizzazione dell'h-BN con vinil trimetossi silano potrebbe favorire l'esfoliazione chimica degli h-BN che ha un impatto positivo sulla conduttività termica della matrice di polipropilene. Zhong et al.23 hanno modificato la superficie degli h-BN esfoliati con amminopropiltrietossisilano (KH550) e vinil trimetossisilano (KH171). Hanno aggiunto gli h-BN modificati alla gomma siliconica (SR). I loro risultati hanno mostrato che il vinil silano ha migliorato il legame interfacciale con la matrice di gomma e ha migliorato la stabilità termica del nanocomposito SR.