Efeitos da funcionalização e modificação do silano do nitreto de boro hexagonal nas propriedades térmicas/mecânicas/morfológicas do nanocompósito de borracha de silício

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11915 (2023) Citar este artigo

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Nanopartículas hexagonais de nitreto de boro (h-BN) poderiam induzir propriedades interessantes à borracha de silicone (SR), mas a fraca interação interfacial matriz-carga causa aglomeração das nanopartículas e diminui o desempenho do nanocompósito. Neste trabalho, nanopartículas de h-BN foram modificadas superficialmente utilizando viniltrimetoxissilano (VTMS) em diferentes concentrações. Antes da modificação do silano, as nanopartículas de h-BN foram hidroxiladas usando hidróxido de sódio 5 molar. As nanopartículas foram caracterizadas para avaliar o sucesso do enxerto de silano. As nanopartículas de h-BN puras e modificadas foram aplicadas em 1, 3 e 5% em peso à borracha de silício HTV (SR). Foram avaliadas a cura, propriedades térmicas, mecânicas e morfológicas e hidrofobicidade dos nanocompósitos. A morfologia dos nanocompósitos SR foi caracterizada utilizando análises AFM e FE-SEM. Verificou-se que o enxerto de silano nas nanopartículas de h-BN melhora a densidade de reticulação, mas diminui o índice de taxa de cura (CRI) do nanocompósito SR (com conteúdo de carga de 5% em peso) em 0,7 (dN m) e 3,5%, respectivamente. Também aumentou o ângulo de contato com a água dos nanocompósitos de 97,5° para 107°. As interações interfaciais nanopartículas-borracha melhoradas causaram melhor dispersão das nanopartículas de h-BN na matriz SR (a 5% em peso), o que melhorou o alongamento na ruptura, o módulo a 300% e a Tg dos nanocompósitos SR.

Hoje os isoladores poliméricos são amplamente utilizados como substitutos de materiais vítreos e de porcelana devido ao baixo peso, fundição simples, fácil transporte/melhor manuseio, resistência à corrosão e abrasão. Nesta base, a borracha de silicone (SR) é amplamente utilizada como isolante em aplicações elétricas1,2. No entanto, a dissipação de calor é o principal problema da borracha de silicone devido à baixa condutividade térmica e estabilidade térmica, que é crucial em um material interfacial térmico (TIM) para aplicações isolantes3,4. Cargas cerâmicas como alumina (Al2O3), nitrato de alumínio (AlN) e nitreto de boro (BN) têm sido usadas para melhorar a condutividade térmica e o isolamento elétrico da borracha de silicone, até agora5,6. Entre todas as micro e nano cargas utilizadas na borracha de silicone, o nitreto de boro possui propriedades únicas, como alta condutividade térmica (600 W/m·K), bem como resistência à ruptura, baixa perda dielétrica e permissividade, alta estabilidade térmica, baixa expansão térmica e propriedades anisotrópicas interessantes. devido à sua estrutura camada por camada7,8,9,10.

Embora as nanopartículas hidrofílicas de nitreto de boro hexagonal (h-BN) tenham grande potencial para melhorar as propriedades da borracha de silicone, elas se aglomeram em polímeros devido às baixas interações interfaciais filer-polímero . Este problema afeta principalmente a dispersão de h-BNs nos polímeros, o que leva a propriedades mecânicas e térmicas/elétricas indesejáveis ​​. A modificação da superfície poderia melhorar as interações interfaciais dos h-BNs com os polímeros . A parte mais desafiadora na modificação da superfície das nanopartículas de nitreto de boro é a sua alta estabilidade química (sem grupos funcionais na superfície) e a falta de locais de ligação (ou seja, grupos hidroxila ou amina), mesmo nas bordas . Nesta base, uma etapa adicional (isto é, funcionalização) é necessária antes da modificação da superfície dos h-BNs, que é a hidroxilação com soluções ácidas ou básicas altamente concentradas. Verificou-se que após a funcionalização os agentes de acoplamento poderiam enxertar na superfície, mas principalmente nas bordas do h-BN16,17,18.

Agentes de acoplamento de silano como materiais anfifílicos com grupos funcionais orgânicos e alcóxi em uma molécula poderiam reagir com h-BN inorgânico após a funcionalização e melhorar as interações interfaciais carga-polímero .

H-BNs modificados com superfície de silano têm sido usados ​​em diferentes polímeros, até agora. Cheng et al.20 mostraram que o tamanho da cadeia do lado alcóxi no agente de acoplamento de silano tem forte efeito na condutividade térmica do h-BN. Silanos com cadeias orgânicas menores, como trietoxissilano de vinil (VTES) e ortossilicato de tetraetila (TEOS), aumentaram o CT do álcool polivinílico (PVA), enquanto cadeias mais longas o diminuíram. Wang et al.21 confirmaram que h-BNs silanizados poderiam permanecer dispersos em parafina por longos períodos em comparação com h-BNs não tratados. Seyhan et al.22 descobriram que a silanização de h-BN com vinil trimetoxi silano poderia auxiliar a esfoliação química de h-BNs, o que tem impacto positivo na condutividade térmica da matriz de polipropileno. Zhong et al.23 modificaram a superfície de h-BNs esfoliados com aminopropiltrietoxissilano (KH550) e vinil trimetoxissilano (KH171). Eles adicionaram os h-BNs modificados à borracha de silicone (SR). Seus resultados mostraram que o vinilsilano melhorou a ligação interfacial à matriz de borracha e melhorou a estabilidade térmica do nanocompósito SR.