Preparation of VACNT/PMMA composites via ATRP and their characterization

Abstract

Vertically aligned carbon nanotubes (VACNT) were synthesized using thermal chemical vapour deposition (CVD) technique and modified with oxygen-containing functional groups (hydroxyl, carbonyl and carboxyl) using an Ar:O2 (97:3) plasma. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM) have confirmed that those functional groups have been successfully grafted from the surface of the nanotubes. The plasma treatment was also found to remove significant amounts of amorphous carbon produced and deposited on the forests during the CVD process. The aligned carbon nanotube forests were further modified with an atom transfer radical polymerization (ATRP) initiator to grow poly(methyl methacrylate) (PMMA) chains via an in situ controlled/living radical polymerization. The resulting VACNT/PMMA composite was analyzed using Raman, Fourier transform infrared (FT-IR) and proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectroscopies, and scanning transmission electron microscopy (STEM). The TEM image mode and the 1H-NMR results clearly showed the presence of a polymer matrix surrounding the vertically aligned CNT forests. In addition, compressive tests carried out for both pristine VACNT and VACNT/PMMA composite have showed a higher compressive strength of the composite material than the pristine. This resulted from the denser structural arrangement of the vertically aligned CNTs due to the zipping effect observed for CNTs in solution processing methods and due to the presence of the polymer matrix, which gives extra support for the VACNTs.

Nanotubos de carbono alinhados verticalmente (VACNT) foram preparadas por deposição química em fase vapor (CVD) em parede quente e posteriormente submetidos a um tratamento com plasma de uma mistura Ar:O2 (97:3) de modo a obter grupos hidroxilo, carbonilo, carboxílo à superfície. Esta modificação superficial dos nanotubos foi confirmada através das espectroscopias de XPS e de Raman, bem como por microscopia electrónica de varrimento. Os resultados obtidos mostraram ainda que através do tratamento de plasma se remove uma quantidade significativa de material grafítico que fora depositado durante o processo CVD. Após o tratamento com plasma dos VACNT, procedeu-se ao ancoramentp do iniciador de polimerização radicalar por transferência e átomo (ATRP) à sua superfície. Seguidamente procedeu-se à preparação de cadeias de poli(metacrilato de metido) (PMMA) a partir da superfície. O compósito obtido VACNT/PMMA foi caracterizado pelas espectroscopias de Raman, de FT-IR e 1H-RMN e ainda por microscopia de transmissão electrónica em varrimento (STEM). Os resultados obtidos a partir de imagens em modo TEM e do RMN-1H confirmaram a presença da matriz polimérica em torno dos VACNT. Além disso, os testes de compressão realizados tanto para as florestas originais, como para o compósito, revelaram que este último apresentou uma resistência à compressão superior que resulta da compactação (zipping) sofrida pelos tubos durante o processamento em solução, bem como da presença da matriz polimérica a qual confere uma maior estabilidade dimensional e mecânica à floresta de CNTs.