Efectos de la funcionalización y modificación con silano del nitruro de boro hexagonal sobre las propiedades térmicas/mecánicas/morfológicas del nanocompuesto de caucho de silicona

Aug 10, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11915 (2023) Citar este artículo

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Las nanopartículas hexagonales de nitruro de boro (h-BN) podrían inducir propiedades interesantes al caucho de silicona (SR), pero la débil interacción interfacial relleno-matriz provoca la aglomeración de las nanopartículas y disminuye el rendimiento del nanocompuesto. En este trabajo, se modificó la superficie de nanopartículas de h-BN utilizando viniltrimetoxisilano (VTMS) en diferentes concentraciones. Antes de la modificación del silano, las nanopartículas de h-BN se hidroxilaron utilizando hidróxido de sodio 5 molar. Las nanopartículas se caracterizaron para evaluar el éxito del injerto de silano. Las nanopartículas de h-BN puras y modificadas se aplicaron al 1, 3 y 5% en peso al caucho de silicona HTV (SR). Se evaluaron las propiedades de curado, térmicas, mecánicas y morfológicas y la hidrofobicidad de los nanocompuestos. La morfología de los nanocompuestos SR se caracterizó mediante análisis AFM y FE-SEM. Se descubrió que el injerto de silano en las nanopartículas de h-BN mejora la densidad de reticulación pero disminuye el índice de tasa de curado (CRI) del nanocompuesto SR (con un contenido de carga del 5% en peso) en 0,7 (dN·m) y 3,5%, respectivamente. También aumentó el ángulo de contacto con el agua de los nanocompuestos de 97,5° a 107°. Las interacciones interfaciales mejoradas entre nanopartículas y caucho causaron una mejor dispersión de las nanopartículas h-BN en la matriz SR (al 5% en peso), lo que mejoró el alargamiento de rotura, el módulo al 300% y la Tg de los nanocompuestos SR.

Hoy en día, los aisladores poliméricos se utilizan ampliamente como sustitutos de los materiales vítreos y de porcelana debido a su bajo peso, su sencilla fundición, su fácil transporte y mejor manipulación, y su resistencia a la corrosión y la abrasión. Sobre esta base, el caucho de silicona (SR) se utiliza ampliamente como aislante en aplicaciones eléctricas1,2. Sin embargo, la disipación de calor es el principal problema del caucho de silicona debido a la baja conductividad térmica y la estabilidad térmica, que son cruciales en un material de interfaz térmica (TIM) para aplicaciones aislantes3,4. Hasta ahora se han utilizado cargas cerámicas como alúmina (Al2O3), nitrato de aluminio (AlN) y nitruro de boro (BN) para mejorar la conductividad térmica y el aislamiento eléctrico del caucho de silicona5,6. Entre todos los micro y nanorellenos utilizados en el caucho de silicona, el nitruro de boro tiene propiedades únicas como alta conductividad térmica (600 W/m·K), así como resistencia a la rotura, baja pérdida dieléctrica y permitividad, alta estabilidad térmica, baja expansión térmica e interesantes propiedades anisotrópicas. por su estructura capa por capa7,8,9,10.

Aunque las nanopartículas hidrófilas de nitruro de boro hexagonal (h-BN) tienen un gran potencial para mejorar las propiedades del caucho de silicona, se aglomeran en polímeros debido a las bajas interacciones interfaciales entre el filtro y el polímero11,12,13. Este problema afecta principalmente a la dispersión de h-BN en los polímeros, lo que conduce a propiedades mecánicas y térmicas/eléctricas indeseables14. La modificación de la superficie podría mejorar las interacciones interfaciales de h-BN con polímeros15. La parte más desafiante en la modificación de la superficie de las nanopartículas de nitruro de boro es su alta estabilidad química (sin grupos funcionales en la superficie) y la falta de sitios de unión (es decir, grupos hidroxilo o amina) incluso en los bordes16. Sobre esta base, es necesario un paso adicional (es decir, la funcionalización) antes de la modificación de la superficie de los h-BN, que es la hidroxilación con soluciones ácidas o básicas altamente concentradas. Se ha descubierto que después de la funcionalización los agentes de acoplamiento podrían injertarse en la superficie pero principalmente en los bordes de h-BN16,17,18.

Los agentes de acoplamiento de silano como materiales anfifílicos con grupos funcionales orgánicos y alcoxi en una molécula podrían reaccionar con h-BN inorgánico después de la funcionalización y mejorar las interacciones interfaciales relleno-polímero19.

Hasta ahora, los h-BN modificados con la superficie de silano se han utilizado en diferentes polímeros. Cheng et al.20 demostraron que el tamaño de la cadena del lado alcoxi en el agente de acoplamiento de silano tiene un fuerte efecto sobre la conductividad térmica del h-BN. Los silanos con cadenas orgánicas más pequeñas como el viniltrietoxisilano (VTES) y el ortosilicato de tetraetilo (TEOS) aumentaron el CT del alcohol polivinílico (PVA), mientras que las cadenas más largas lo disminuyeron. Wang et al.21 confirmaron que los h-BN silanizados podían permanecer dispersos en parafina durante mucho tiempo en comparación con los h-BN no tratados. Seyhan et al.22 descubrieron que la silanización de h-BN con vinil trimetoxi silano podría ayudar a la exfoliación química de h-BN y esto tiene un impacto positivo en la conductividad térmica de la matriz de polipropileno. Zhong et al.23 modificaron la superficie de h-BN exfoliados con aminopropiltrietoxisilano (KH550) y vinil trimetoxisilano (KH171). Agregaron los h-BN modificados al caucho de silicona (SR). Sus resultados mostraron que el vinil silano mejoró la unión interfacial a la matriz de caucho y mejoró la estabilidad térmica del nanocompuesto SR.

En este trabajo, h-BN se funcionalizó con grupos hidroxilo y luego se modificó con viniltrimetoxisilano (VTMS). La razón principal para elegir VTMS fue su compatibilidad con las cadenas laterales orgánicas de las cadenas principales de caucho. Después de eso, los h-BN puros y modificados se incorporaron en un caucho de silicona HTV con tres contenidos de carga (es decir, 1, 3, 5% en peso). Se evaluaron las influencias de los h-BN puros y modificados sobre las propiedades termomecánicas, reológicas, morfológicas e hidrofóbicas de SR. Hicimos todo lo posible para realizar una investigación clara y completa sobre los nanocompuestos h-BN/SR modificados.

Los materiales utilizados en este estudio se muestran en la Tabla 1.

Se vertieron dos gramos de nanopartículas de h-BN en una solución de hidróxido de sodio 5 M y se agitaron a 80 °C y 1000 rpm durante 12 h. Posteriormente, la parte precipitada se enjuagó con agua destilada tres veces para neutralizar el pH. El polvo funcionalizado se secó en una estufa de vacío a 80 °C durante 12 h.

Los h-BN funcionalizados se añadieron a etanol absoluto, hidróxido de amonio y agua en una proporción en peso de 1:150:1:1 para preparar una suspensión. La mezcla se colocó en un baño de ultrasonidos a 0 °C y 40 Hz durante 30 min. Después de eso, la suspensión se vertió en un matraz de dos bocas y se agitó a una velocidad de 1000 rpm y la temperatura de la mezcla aumentó a 90ºC. Finalmente, se añadió gota a gota VTMS a la suspensión y la mezcla se agitó durante 4 h para preparar h-BN injertados con silano. La solución se centrifugó para una mejor separación durante 10 min a 1500 rpm. La parte precipitada se lavó tres veces con etanol al 70% para eliminar las moléculas de silano que no reaccionaron. Para completar el paso de condensación de silano, los h-BN silanizados se secaron en un horno a 80 °C durante 12 h24.

Para encontrar el contenido estequiométrico (es decir, X) de VTMS para la modificación de la superficie, primero se determinó el contenido de hidroxilo de los h-BN funcionalizados mediante análisis TGA. La modificación de la superficie se realizó a diferentes concentraciones de silano (es decir, 1 X, 5 X y 10 X) para maximizar el injerto de superficie. La diferencia entre la pérdida de peso de h-BN y h-BN funcionalizado (es decir, BN-OH) en el rango de temperatura de 110 a 600 °C se atribuyó a la degradación de los grupos hidroxilo24. La molécula de silano hidrolizado tiene tres grupos hidroxilo para reaccionar con los grupos OH de la nanopartícula, pero debido al impedimento estérico, solo un grupo hidroxilo de un silano podría unirse covalentemente a la superficie h-BN. Se utilizó la siguiente ecuación para calcular la cantidad de agente de acoplamiento de silano (SCA) para 1 g de h-BN:

donde mSCA, MSCA, mOH, MOH son, en orden, la masa de SCA (g), la masa molecular de SCA (g/mol), el peso de los grupos hidroxilo por unidad de gramo de nanopartícula y MOH es la masa molecular del grupo OH. En la Fig. 1 se ilustra el esquema del método de preparación de h-BN injertados con silano.

Esquema del método de preparación de h-BN injertado con silano.

Para preparar nanocompuestos SR (es decir, con contenidos de nanopartículas de 1, 3 y 5% en peso), el caucho de silicona y los h-BN (puros y modificados) se mezclaron en un mezclador interno (mezclador HAAKE) a una velocidad de laminación de 80 rpm y temperatura ambiente. durante 10 min. Luego, se añadieron al compuesto 0,5 g de agente de curado (es decir, DCP) y se continuó mezclando durante 2 minutos. Después de eso, los compuestos se mezclaron en un molino de dos rodillos (durante 10 minutos) para preparar una lámina de caucho con un espesor de 2 mm. Finalmente, los compuestos de caucho se moldearon y curaron mediante prensado en caliente a 160 °C. Los parámetros de vulcanización de los compuestos de caucho se obtuvieron moviendo el reómetro (MDR) a 160 °C. Según los resultados del MDR, el curado de los nanocompuestos se realizó a 160 °C durante 6 min. Las muestras se postcuraron en una estufa a 200 °C durante 4 h.

Para conocer la eficacia del injerto de silano se realizaron diferentes análisis. En primer lugar, se examinó la modificación de silano de h-BN mediante análisis TGA (METTLER TOLEDO, Stare SW14) que se mantuvo en una atmósfera de nitrógeno a una velocidad de 10 °C/min en un rango de temperatura de 40 a 600 °C. Se realizaron análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, Perkin Elmer) y difracción de rayos X (XRD, Dron-8) y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) (Thermo Electron Co, Waltham, EE. UU.) para caracterizar la estructura química, cristalinidad. y los enlaces químicos de h-BN puros y silanizados. También se realizaron microscopía de fuerza atómica (AFM) (instrumento AFM multimodo Ara) y microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) (dispositivo TESCAN MIRA 3 LMU) para estudiar la morfología de las nanopartículas.

Las propiedades de tracción de los nanocompuestos SR se evaluaron mediante una máquina de prueba universal Instron según ASTM D 41225. Las características de curado de las muestras de caucho se determinaron utilizando un reómetro de matriz móvil (MDR, A0225-rheo Techpro) a 160 °C según ASTM. D528926. Se realizó un análisis TGA para evaluar el comportamiento térmico de las muestras gomosas. El análisis se realizó entre 30 y 800 °C con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min en atmósfera de argón. Se llevó a cabo una prueba de ángulo de contacto con el agua para investigar la influencia de VTMS en la hidrofobicidad de los nanocompuestos utilizando un instrumento de física de datos (microscopio digital portátil Dino-lite) con un volumen de gotitas individuales de 2 μl. El ángulo de contacto promedio (CA) se determinó mediante tres mediciones separadas en diferentes ubicaciones para cada muestra. El análisis térmico mecánico dinámico (DMTA) se realizó en todas las muestras de caucho a una frecuencia de 1 Hz, velocidad de 10 °C/min de -100 a 100 °C mediante el instrumento METTLER TOLEDO DMA1. Además, se utilizaron microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) para estudiar la morfología de los nanocompuestos SR.

Los códigos de la muestra preparada se presentan en la Tabla 2.

La Figura 2 y la Tabla 3 muestran los resultados del análisis TGA para h-BN puros y modificados. Como se mencionó anteriormente, el TGA es muy útil para encontrar la cantidad necesaria de silano para reaccionar con los grupos hidroxilo de la superficie h-BN24. Para los h-BN puros, se observó una ligera pérdida de peso (alrededor del 2,5%) en un rango de temperatura de 40 a 600 °C. La hidroxilación cambió la estabilidad térmica de los h-BN e hizo dos pérdidas de peso visibles que estaban relacionadas con la degradación de la humedad absorbida y los grupos hidroxilo. Después del tratamiento con silano, la pendiente y la cantidad de pérdida de peso antes de 400 °C fueron muy similares a las de los h-BN puros, lo que mostró que la mayoría de los grupos OH de la superficie se consumieron durante la reacción con las moléculas de silano. La pérdida de peso aumentó en los h-BN modificados entre 400 y 600 °C, lo que se atribuyó a la degradación de los silanos injertados27. En la muestra de sBN-1 X, se produjo un bajo injerto de silano, pero se eliminaron las contaminaciones indeseables que se produjeron durante la producción de h-BN. Sobre esta base, la pérdida de peso general fue incluso menor que la de los h-BN puros. Debido a este resultado inesperado, se repitió el análisis TGA, pero se obtuvieron nuevamente los mismos resultados. Además, la mayor pérdida de peso se observó en la muestra de sBN-10 X que correspondió a su mayor contenido de injerto de silano. La relación de injerto (Rg) de VTMS en h-BN también se calculó en función de la pérdida de peso en un rango de temperatura de 400 a 600 °C. El Rg (%) más alto se observó para la muestra sBN-10 X. Sobre esta base, esta muestra se utilizó para investigaciones posteriores. Información detallada enumerada en la Tabla 3.

Análisis TGA de h-BN puros y modificados.

Para caracterizar la estructura química de h-BN puros y modificados, se realizaron análisis FTIR y XPS cuyos resultados se muestran en la Fig. 3. La Figura 3a muestra espectros FTIR. Los resultados mostraron un injerto eficiente de VTMS en h-BN. En todos los espectros, se observaron dos picos principales a 1385 y 805,5 cm-1 relacionados con la vibración de estiramiento plano del enlace BN y el modo óptico fuera del plano de la vibración de flexión B – N – B, respectivamente28.

(a) FTIR, (b) Análisis XRD de h-BN puros y modificados.

El pico de alrededor de 2300 cm-1 se atribuyó al pico de transmisión identificado de CO229. Sin embargo, algunos investigadores correspondieron este pico a la reacción inversa que ocurre durante la producción de h-BN, que produce ácido bórico como subproducto30,31. El pico ubicado a 1450 cm-1 correspondió a la vibración de estiramiento del grupo B – N – B que se superpuso por el pico de vibración de flexión de B – OH (apareció un pequeño hombro en el diagrama X del sBN-10). Después de la silanización, aparecieron muchos picos en el espectro sBN-10 X. El primer pico revelador a 2954 cm-1 se atribuyó a la vibración de estiramiento simétrica y asimétrica del CH2. Además, a 962 cm-1, apareció la banda B – O – Si, lo que era directamente una evidencia de la reacción entre las moléculas de silano hidrolizadas y los grupos hidroxilo de la superficie h-BN. Los picos relacionados con la vibración de estiramiento de Si-O-C y Si-O-Si se observaron a 1006 y 1120 cm-1, respectivamente32. Además, el pico observado a 540 cm-1 correspondió a la vibración oscilante de Si-O33. Los resultados confirmaron el injerto exitoso de moléculas VTMS en la superficie de h-BN.

Los resultados de XRD también se presentaron en la Fig. 3b. El pico amplio y de baja intensidad generado alrededor de 10° se atribuyó a los productos del autoensamblaje (es decir, homopolimerización) de las moléculas de VTMS12. Además, después de la modificación de la superficie, la tendencia a formar una estructura cristalina se redujo y, como resultado, la intensidad y la posición del pico plano (002) que apareció a 26,56° para h-BN puros cambiaron significativamente para la muestra sBN-10 X (27,18°)34 . Con base en la ecuación de Debye-Scherrer35 se calculó el tamaño cristalino de las muestras. Se encontró que el tamaño cristalino se alteró de 21,6 nm para h-BN a 20,7 nm para sBN-10 X.

Se realizó espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) en las muestras para evaluar el éxito del injerto de silano en h-BN. La Figura 4 mostró que los principales picos de h-BN relacionados con B 1, N 1, O 1 y C 1 eran exactamente los mismos para las muestras puras y modificadas. Sin embargo, se detectó elemento Si en h-BN modificados que correspondían al grupo Si – O – Si a 101,5 eV y al enlace Si – O – C a 99,57 eV. Los espectros del elemento oxígeno mostraron la presencia de enlaces relacionados con VTMS e hidroxilación de la superficie h-BN antes del tratamiento con silano. Además, la concentración del elemento carbono aumentó después de la silanización, lo que es otra evidencia del éxito del injerto de VTMS en h-BN24,34. Además, según las investigaciones de dinámica molecular (MD) sobre h-BN modificados en la superficie, si los agentes de injerto quieren absorber o unirse covalentemente a la superficie de la capa de h-BN, deben romper el enlace B-N o cambiar los orbitales electrónicos del boro. elemento que ambos inducen distorsión estructural35. Como resultado, la reacción de las moléculas de VTMS a los h-BN ocurre principalmente en los bordes, lo que disminuye el contenido del injerto de silano. En la Tabla 4 se incluye más información sobre los resultados de XPS.

(a) Espectros XPS para h-BN y sBN-10 X, espectros XPS de alta resolución para sBN-10 X: (b) B 1s, (c) N 1s, (d) C 1s, (e) O 1s, ( f) Si2s, Si2p.

VTMS tiene dos efectos sobre la morfología de la superficie de h-BN. Podría reducir el tamaño de las partículas de h-BN debido a los lados de vinilo y su repulsión estérica. También podría aumentar la rugosidad de la superficie de los h-BN. La Figura 5 muestra los resultados del análisis FE-SEM y AFM de h-BN puros y modificados. Las imágenes FE-SEM de la superficie a escalas de 1 μm y 200 nm mostraron que la nitidez de los bordes en h-BN se redujo después de la modificación de la superficie (ver Fig. 5a). Además, los h-BN modificados se hincharon debido a la penetración de moléculas de silano entre las capas y los bordes más brillantes podrían ser un signo de la presencia de moléculas de silano18,36. La diferencia de los aglomerados de h-BN se ve claramente en las imágenes a escala de μm. Esto se atribuyó a la acción del lado de vinilo del VTMS en la muestra de sBN-10 X que obstaculizó adecuadamente las uniones capa por capa. Las imágenes a escala de 200 nm también revelaron aglomerados de menor tamaño en los h-BN modificados que confirmaron la acción de los agentes de acoplamiento de silano como agente exfoliante para el nitruro de boro 2D23. Como resultado, se injertaron moléculas de VTMS en h-BN y al mismo tiempo se redujo el espesor de las capas.

Análisis morfológico de h-BN puros y modificados; (a) Imágenes FE-SEM a 1 μm y 200 nm y (b) análisis AFM a 1 μm.

La rugosidad de las muestras se examinó mediante análisis AFM, cuyos resultados se muestran en la Fig. 5b. Las imágenes obviamente verificaron un tamaño más bajo de aglomerados en los h-BN modificados en comparación con los h-BN puros. Una acumulación de aglomeraciones de pequeño tamaño en el centro de la imagen h-BN reveló una alta tendencia a unirse entre sí. La función del VTMS es reducir el tamaño, aumentar la salida de nanocapas y disminuir la rugosidad de los aglomerados. Los diagramas verificaron que la rugosidad de las capas adjuntas se redujo drásticamente de aproximadamente 5 nm en h-BN puro a 0,35 nm para h-BN modificado y aún más, la nitidez de los picos disminuyó debido al recubrimiento VTMS en la superficie de h-BN.

Anteriormente se concluyó que entre todas las muestras modificadas, sBN-10 X mostró una mayor proporción de injertos. Como resultado, se utilizó en la preparación de nanocompuestos SR. Los resultados del curado de los nanocompuestos SR se representan en la Fig. 6 y la Tabla 5 a una temperatura de vulcanización de 160 °C. Durante un proceso de vulcanización isotérmica se suceden tres etapas una tras otra. La primera etapa es el tiempo de quemado, que es causado por la colaboración de diferentes componentes de un sistema para disminuir la resistencia a la deformación. Cambiar la pendiente del diagrama de curado muestra el inicio de la segunda etapa en la que la reticulación ocurre rápidamente. En la tercera etapa se desarrolla la red vulcanizada36. El patrón de meseta en la tercera región muestra la estabilidad del proceso de curado y significa que es posible que la red ya no cambie (ver Fig. 6)37,38.

El comportamiento de curado de los compuestos SR.

Los h-BN puros con alta conductividad térmica actúan como zonas térmicas en la matriz SR y transfieren mejor el calor. Entonces, durante el curado, los nanocompuestos que contienen h-BN puro y modificado mostraron una ligera disminución en el tiempo de curado óptimo (t90) y el tiempo de quemado (ts2) en comparación con la muestra SR prístina. El tiempo de quemado disminuyó más en los nanocompuestos que contienen h-BN modificado en comparación con las muestras que contienen h-BN puro. Sin embargo, el tiempo de curado óptimo disminuyó ligeramente en los nanocompuestos modificados debido a la modificación de la superficie de los h-BN. Esta silanización mejoró la dispersión de h-BN en la matriz SR y mejoró su capacidad de conducción de calor, lo que disminuyó el tiempo de curado del caucho. También se calculó el índice de tasa de curación (es decir, CRI) de todos los nanocompuestos. Todos los nanocompuestos mostraron una tasa de curado más alta que la SR prístina, pero el injerto de silano obstaculizó el rendimiento de las nanocapas conductoras de calor y redujo el CRI de las muestras modificadas. El aumento de MH-ML confirma una mayor reticulación en los nanocompuestos modificados debido a la mejor dispersión de sBN-10 X en la matriz SR.

Se realizó un análisis TGA para conocer el rendimiento térmico de los nanocompuestos. Los resultados se muestran en la Fig. 7. Según las curvas, los h-BN puros aumentaron la estabilidad térmica del SR y al final del proceso de calentamiento la masa residual fue mayor que la del SR prístino (ver Fig. 7a). Por el contrario, los h-BN injertados con silano redujeron la estabilidad térmica del caucho de silicona. Como se analizó anteriormente, una mejor dispersión de los h-BN modificados en la matriz de caucho fue la razón para una mejor conducción del calor. Cuando estas zonas térmicas bien dispersas y con una menor resistencia interfacial comenzaron a calentarse, el proceso de degradación de la matriz en sus límites también se aceleró. Además, los defectos y huecos también pueden ser una razón para la reducción de la estabilidad térmica causada por la incorporación de más h-BN injertados con silano en la matriz SR39. Además, el contenido de pérdida de peso fue insignificante en R-sBN por debajo de 200 °C, lo que significa que el enlace covalente se produjo entre VTMS y h-BN y no hay radicales libres de VTMS en el sistema40. En las curvas DTG, se observó un pequeño hombro, especialmente con contenidos más altos de sBN a una temperatura de alrededor de 400 °C, que proviene de la degradación del silano injertado. Sobre esta base, se podría suponer que el proceso de degradación temprana con una tasa de descomposición más pronunciada se produjo debido a la descomposición del silano y la respectiva reducción de la estabilidad térmica con el aumento del contenido de sBN podría ser una señal de ello. Los resultados del análisis DTG se tabulan en la Tabla 6. Como puede verse, la adición de h-BN puros aumentó significativamente el contenido de cenizas de los nanocompuestos SR, pero los h-BN modificados no tuvieron efecto sobre la masa residual de la matriz SR. Esto sucedió debido a más aglomeraciones en la matriz SR en nanocompuestos que contienen h-BN puro que dificultaron la conducción del calor y la degradación térmica como resultado de su alta capacidad calorífica28. Sin embargo, los h-BN modificados se dispersaron mejor en la matriz SR y crearon mejores rutas de conducción de calor, por lo que el proceso de degradación del caucho continuó más rápido. Las moléculas de silano injertadas se descompusieron hasta 700 °C y, como resultado, resultó razonable que la masa restante de R-sBN se redujera.

Análisis termogravimétrico de nanocompuestos SR prístinos y modificados; (a) Curvas TGA y (b) DTG.

La rugosidad de la superficie puede aumentar efectivamente la hidrofobicidad de los nanocompuestos24. Las imágenes AFM 3D de los nanocompuestos se presentan en la Fig. 8. La adición de h-BN puros a la matriz SR hizo que la superficie lisa fuera más rugosa con algunos picos que eran más grandes en contenidos más altos de h-BN. Además, en estas muestras se observa obviamente una dispersión débil de h-BN puros. Los h-BN modificados mostraron una mejor dispersión en la matriz SR mientras que la rugosidad general de la superficie aumentó. Debido a que la fórmula de rugosidad es integral de todos los picos en una longitud específica, una mejor dispersión distribuye mejor los picos en la superficie y aumenta la rugosidad general. La nitidez de los picos también se vio alterada después de la silanización. La rugosidad de la superficie de todas las muestras se incluyó en la Tabla 7.

Imágenes AFM 3D de nanocompuestos SR.

Se capturaron imágenes FE-SEM de la superficie y la superficie fracturada de los nanocompuestos. Los resultados se muestran en las Figs. 9 y 10. La Figura 9 representa las imágenes de las superficies de nanocompuestos a escala de 1 μm. La superficie SR era completamente blanda, pero la rugosidad de la superficie aumentó con la adición de h-BN puros debido a la creación de grandes aglomerados que se separaron visiblemente de la matriz SR. El injerto de VTMS provocó una dispersión eficiente de h-BN en la matriz de caucho. En los nanocompuestos modificados con todos los contenidos de h-BN, se observaron claramente superficies intactas y grandes de nanocapas humedecidas por la matriz de caucho. Se descubrió que los h-BN modificados con silano tenían menos aglomeraciones que los puros, incluso con la misma rugosidad41.

Imágenes FE-SEM de la superficie de los nanocompuestos SR.

Imágenes FE-SEM de la superficie fracturada de los nanocompuestos.

El rendimiento del VTMS se hizo más visible en las imágenes capturadas de la superficie fracturada de los nanocompuestos. En los nanocompuestos que contienen h-BN puro, el aumento del contenido de carga de h-BN provocó la creación de aglomerados más grandes (ver Fig. 10). Se observaron puentes obvios entre los h-BN modificados y la matriz SR, especialmente en los bordes de las nanocapas, lo que confirmó el injerto de VTMS en estas áreas (es decir, debido a enlaces B-N más débiles en esas áreas y la formación de más grupos OH durante la funcionalización). 35. Además, la morfología de los aglomerados cambió de nanoláminas discretas a pegajosas, lo que es más significativo en las esquinas de las imágenes de R-sBN.

Se utilizó la prueba del ángulo de contacto con agua para descubrir el efecto de los h-BN puros y modificados sobre la hidrofobicidad de SR, cuyos resultados se muestran en la Fig. 11. Según los resultados, la incorporación de h-BN puros aumentó la hidrofobicidad de SR debido a la falta de grupos hidrófilos en la superficie de h-BN y estabilidad química de la estructura hexagonal de B – N que dificultó la absorción de agua. La aplicación de contenidos más altos de h-BN aumentó la rugosidad de la superficie, lo que mejoró el ángulo de contacto con el agua.

El ángulo de contacto con el agua de los nanocompuestos SR.

Además, VTMS potenció la naturaleza hidrofóbica de SR debido a los grupos vinilo. La repulsión estérica de los sBN mejoró la rugosidad de la superficie y esa es la razón del mayor ángulo de contacto con el agua de los nanocompuestos que contienen h-BN modificados. El mayor ángulo de contacto con el agua estuvo relacionado con R-sBN5% (106,93°), que fue 1,18 veces mayor que el de SR (90°).

Las propiedades de tracción de los nanocompuestos se presentan en la Fig. 12. En general, la carga de h-BN puros y modificados sobre caucho de silicio aumentó el módulo de tracción (tanto en deformaciones del 100% como del 300%) y la resistencia, lo que ocurrió principalmente debido a las tensiones deseadas. dispersión de h-BN en matriz SR28.

Propiedades mecánicas de nanocompuestos SR; (a) resistencia a la tracción, (b) módulo.

La resistencia a la tracción aumentó para los R-sBN, que llegó a ser más alta para los R-sBN al 5% debido a las interacciones interfaciales mejoradas entre el relleno y la matriz3,42. Además, se observó una tendencia a la disminución de la resistencia a la tracción de los R-BN con el aumento del contenido de carga de relleno, lo que se atribuyó a la aglomeración de h-BN puros en la matriz de caucho. Después de la silanización, se logró una tendencia ascendente en la resistencia a la tracción como resultado de una mejor dispersión de los h-BN modificados y mejores interacciones interfaciales con la matriz SR. El módulo al 100 y 300% cambió hasta cierto punto en los nanocompuestos modificados. En la muestra R-BN5%, el alto contenido de carga de h-BN puros en la matriz SR causó una fractura temprana de la muestra incluso antes de la deformación de 300.

Al incorporar h-BN puro a SR, el módulo del caucho mejoró, lo cual es una tendencia normal. Sin embargo, al aumentar el contenido de h-BN hasta un 3% en peso, el módulo disminuyó debido a la aglomeración de las partículas de nanorelleno. Mediante un mayor uso de nanorelleno (es decir, 5% en peso), la aglomeración aumentó pero al mismo tiempo la distribución de aglomerados en la matriz de caucho mejoró, lo que mejoró el módulo de la muestra SR que contenía 5% en peso de h-BN. La misma tendencia también se observó en las muestras que contenían h-BN modificados.

El análisis DMTA de las muestras se muestra en la Fig. 13. El módulo de almacenamiento está relacionado con la respuesta elástica de la muestra. La relación entre la pérdida y el módulo de almacenamiento da tan δ, que se denomina capacidad de amortiguación y define qué tan bien absorberá un material las tensiones a través de la deformación. El módulo de pérdida también es una medida del comportamiento viscoso43. Según los resultados, el uso de h-BN puros y modificados mejoró considerablemente el módulo de almacenamiento del caucho de silicona (ver Fig. 13a). El módulo de almacenamiento más alto se obtuvo con un contenido de carga de relleno del 5% en peso y la modificación de la superficie no tuvo efecto sobre el módulo de almacenamiento.

Propiedades mecánicas dinámicas de nanocompuestos SR; (a) módulo de almacenamiento y (b) tan δ.

La temperatura de transición vítrea (Tg) de todos los nanocompuestos rondaba los –40 °C, pero aumentaba aproximadamente 1 °C en el caso de utilizar h-BN modificados. Correspondió a limitaciones en los movimientos de las cadenas SR en presencia de h-BN puros y modificados32. La tan δ de SR disminuyó mediante la incorporación de h-BN puros y modificados. Correspondió al incremento en la rigidez de SR en presencia de h-BN que limitaron el movimiento de las cadenas y, por lo tanto, disminuyeron su capacidad de amortiguación.

En este trabajo, las nanopartículas de h-BN fueron modificadas por el agente de acoplamiento de silano VTMS que se utilizó para mejorar las interacciones interfaciales de relleno-polímero y la dispersión de h-BN en una matriz de caucho de silicio. Se utilizaron diferentes concentraciones de silano para optimizar la proporción de injerto de silano. Los h-BN puros y modificados se caracterizaron cuidadosamente para confirmar el injerto exitoso de moléculas de silano en la superficie de los h-BN. Las nanopartículas se aplicaron en diferentes contenidos al caucho de silicona y se evaluaron las propiedades físicas/mecánicas/termomecánicas. Con base en los resultados se llegó a las siguientes conclusiones:

La funcionalización de h-BN mejoró su contenido de hidroxilo del 0 al 2,3%.

La proporción de injerto de silano aumentó hasta 3,12 % con una concentración de silano de 10 X.

La reticulación de la matriz de caucho (MH-ML) mejoró en presencia de h-BN modificados en la superficie (en un 6,5% para el nanocompuesto que contenía un 5% en peso de nanopartículas modificadas) en comparación con el caucho prístino. Las nanopartículas puras y modificadas redujeron los tiempos de quemado y curado del caucho de silicona, sin embargo, los h-BN modificados lo redujeron aún más.

La estabilidad térmica de los nanocompuestos modificados se vio obstaculizada debido a la menor temperatura de degradación del silano que comienza a partir de 400 °C y los hombros en las curvas DTG de las muestras silanizadas verificaron la descomposición del VTMS a esta temperatura.

Las nanopartículas modificadas (es decir, con un contenido de carga del 5% en peso) mejoraron el ángulo de contacto con el agua de 90° para SR a 106,93° para R-sBN5%, lo que supone un aumento de aproximadamente un 18,1%.

La resistencia a la tracción de los nanocompuestos modificados (es decir, con un contenido de carga del 5% en peso) mejoró aproximadamente un 14,8 y un 38,8% en comparación con el SR prístino y el nanocompuesto SR que contiene h-BN puro, respectivamente.

El módulo de almacenamiento más alto de los nanocompuestos SR se obtuvo con un contenido de carga del 5% en peso de h-BN puros y modificados, que eran 53,4 y 68,2% más que los SR prístinos, respectivamente. Los h-BN modificados mejoraron la Tg (hasta 1 ° C) y disminuyeron la tan δ (hasta un 13%) debido a las interacciones interfaciales mejoradas con la matriz SR.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Laboratorio de Investigación de Compuestos y Polímeros de Construcción, Escuela de Ingeniería Química, de Petróleo y Gas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Teherán, Irán

Atefe Farahani & Masoud Jamshidi

Facultad de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Teherán, Teherán, Irán

Masumeh Foroutan

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AF: Conceptualización, Validación y Recursos, Investigaciones experimentales; Metodología, Investigación, Redacción borrador original. MJ: Conceptualización, Metodología, Validación y Recursos, Curación de datos, Redacción de borradores originales y finales. MF: Conceptualización, Validación y Recursos.

Correspondencia a Masoud Jamshidi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Farahani, A., Jamshidi, M. & Foroutan, M. Efectos de la funcionalización y modificación con silano del nitruro de boro hexagonal sobre las propiedades térmicas/mecánicas/morfológicas del nanocompuesto de caucho de silicio. Informe científico 13, 11915 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39203-5

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Recibido: 24 de abril de 2023

Aceptado: 21 de julio de 2023

Publicado: 24 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39203-5

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