Funzionalizzazione e dispersione dei nanomateriali del carbonio utilizzando un processo di ozonolisi ecologico ecologico

L'utilizzo di nanomateriali di carbonio per la modifica dei sistemi polimerici e compositi ha visto un interesse intensivo di ricerca negli ultimi 20 anni. Le recenti recensioni sia sull'utilizzo dei nanotubi di carbonio ¹ (CNT) e dei nanoplatelle ^{2 di} grafene (GNP) forniscono un'indicazione della portata della ricerca. L'elevata rigidità e resistenza specifica delle CNT e dei GNP, nonché la loro elevata conducibilità elettrica intrinseca, rendono i materiali ideali per l'inserimento in sistemi polimerici per migliorare sia le prestazioni meccaniche che elettriche dei materiali nanocompositi. Le CNT e GNP sono state utilizzate anche per lo sviluppo di strutture composite gerarchiche usando i nanomateriali del carbonio per modificare sia l'adesione ad interfacciamento a fibre che la rigidità della matrice ^{3 , 4} .

La dispersione omogenea dei nanomateriali del carbonio nei sistemi polimerici richiede spessoI processi che modificano chimicamente i nanomateriali per migliorare la compatibilità chimica con la matrice polimerica, eliminano le impurità e riducono o rimuovono agglomerati dai materiali as-received. Sono disponibili vari metodi per modificare chimicamente i nanomateriali del carbonio e possono includere l'ossidazione chimica umida utilizzando acidi forti ^{5 , 6} , modifica con tensioattivi ⁷ , intercalazione elettromeccanica e esfoliazione ⁸ , o trattamento chimico secco utilizzando processi basati su plasma ⁹ .

L'uso di acidi forti nella fase di ossidazione delle CNT introduce gruppi funzionali di ossigeno e rimuove le impurità. Tuttavia, ha lo svantaggio di ridurre significativamente la lunghezza CNT, introducendo danni alle pareti esterne CNT e utilizzando sostanze chimiche pericolose che devono essere isolate dal materiale trattato per ulteriori trattamenti ^{10 <}/ Sup>. L'impiego di tensioattivi combinati con ultrasonografia offre un metodo meno aggressivo per preparare dispersioni stabili, ma il tensioattivo è spesso difficile da rimuovere dal materiale trattato e non può essere compatibile con il polimero utilizzato per la preparazione dei materiali nanocompositi ^{1 , 11} . La forza dell'interazione chimica tra la molecola del tensioattivo e la CNT o il GNP può anche essere insufficiente per applicazioni meccaniche. I processi di trattamento a plasma secco condotti in condizioni atmosferiche possono essere adatti per la funzionalizzazione di matrici di CNT, presenti su superfici di fibre o piane, utilizzate per la preparazione di compositi gerarchici ⁹ . Tuttavia, il plasma atmosferico è più difficile da applicare alle polveri secche e non affronta i problemi con gli agglomerati presenti nei nanomateriali del carbonio grezzo.

Nel presente lavoro, introduciamo una descrizione dettagliata dell'ultrasondaZione-ozonolisi (USO) che abbiamo applicato in precedenza ai nanomateriali del carbonio ^{12 , 13 , 14} . Il processo USO viene utilizzato per preparare dispersioni stabili e acquose adatte per depositare elettroforeticamente (EPD) sia CNT che GNP su fibre di carbonio e di vetro. Saranno forniti esempi di EPD usando le CNT USO-funzionalizzate per depositare film sottili e uniformi su substrati in acciaio inox e in carbonio. Saranno fornite anche metodi e risultati tipici utilizzati per caratterizzare chimicamente le CNT e GNP funzionalizzate, utilizzando sia la spettroscopia di fotoelettronica a raggi X (XPS) che la spettroscopia Raman. Verrà fornita una breve discussione dei risultati di caratterizzazione rispetto ad altre tecniche di funzionalizzazione.

Avviso di salute e sicurezza sul lavoro

Gli effetti dell'esposizione a nanoparticelle come le CNT, sulla salute umana non sono ben compresi. essoSi raccomanda di adottare misure speciali per ridurre al minimo l'esposizione e la contaminazione ambientale con le polveri CNT. Le misure suggerite per l'isolamento del rischio includono la lavorazione all'interno di un armadio fumi e / o di un guanto di protezione del filtro HEPA. Le misure di igiene del lavoro includono indossare indumenti protettivi e due strati di guanti e eseguire regolarmente la pulizia delle superfici con asciugamani di carta umida o un aspirapolvere con un filtro HEPA per rimuovere le polveri CNT straordinarie. Gli articoli contaminati devono essere imballati per lo smaltimento dei rifiuti pericolosi.

L'esposizione all'ozono può irritare gli occhi, i polmoni e il sistema respiratorio e a concentrazioni più elevate può causare danni ai polmoni. Si raccomanda di adottare misure per ridurre al minimo l'esposizione personale e ambientale al gas ozono generato. Le misure di isolamento includono il lavoro all'interno di un armadio di fumo. Poiché il flusso dell'aria di ritorno contengono l'ozono non utilizzato, dovrebbe essere passato attraverso un'unità di distruzione dell'ozono prima di essere rilasciata nell'atmosfera. Le dispersioni che hanno fatto bollire l'ozono attraverso di essi contengono un certo ozono disciolto. Dopo le operazioni di ozonolisi, consentire alle dispersioni di rimanere per 1 ora prima di procedere ad un'ulteriore lavorazione in modo che l'ozono possa subire una decomposizione naturale.