Nanocompósitos de matriz polimérica do tipo SIO2/ polímero e Cds/ Polímero

Abstract

O principal objectivo desta dissertação foi estudar novas perspectivas na preparação de nanocompósitos de matriz polimérica, através da síntese e caracterização de nanomateriais do tipo SiO2/ polímero e CdS/ polímero. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, com destaque para os principais tópicos discutidos ao longo da tese. São efectuadas algumas considerações sobre a utilização de nanopartículas inorgânicas como cargas, e sobre os aspectos mais relevantes da aplicação de polímeros como matrizes. São ainda descritas, algumas estratégias utilizadas para compatibilizar estes componentes. A revisão é concluída com uma breve descrição das metodologias aplicadas na preparação de nanocompósitos de matriz polimérica. No segundo capítulo apresenta-se a síntese e caracterização das cargas inorgânicas. Seguindo métodos descritos na literatura, foram preparadas nanopartículas de SiO2, esféricas e sob a forma de fibras ocas, nanocristais de CdS e compósitos inorgânicos do tipo SiO2@CdS. Estes últimos, foram sujeitos a um tratamento superficial orgânico com TOPO e ainda com SiO2. Para os materiais tratados com TOPO verificou-se uma melhoria das suas propriedades ópticas, nomeadamente ao nível da fotoluminescência à temperatura ambiente. No terceiro e quarto capítulos, são apresentados os nanocompósitos do tipo SiO2/ polímero, que foram sintetizados por polimerização in situ de matrizes semicristalinas (poliamidas e poliuretanos), e amorfas (poli(estireno)). A sua caracterização foi efectuada por espectroscopia de IV, SEM, TEM, TGA e DSC. Os nanocompósitos de matriz semicristalina foram preparados por polimerização por etapas. No caso das poliamidas, foi investigada a influência das cargas de SiO2 com diferentes morfologias e tratamentos de superfície, no processos de fusão e cristalização da matriz. Os materiais de matriz amorfa foram preparados por polimerização radicalar em emulsão e dispersão. Neste caso o estudo incidiu sobre a morfologia das partículas dos nanocompósitos, nas possíveis condições experimentais que a determinam e na influência destas sobre as propriedades térmicas do nanocompósito. Por fim descreve-se no quinto capítulo a síntese e caracterização dos nanocompósitos do tipo CdS/ polímero. Estes materiais foram preparados por polimerização radicalar em solução, na presença de nanocristais de CdS, e compósitos inorgânicos do tipo SiO2@CdS. A inserção das cargas na matriz promoveu as suas propriedades de fotoluminescência à temperatura ambiente. Foram ainda avaliadas as propriedades térmicas de algumas amostras representativas. Neste trabalho foram preparados uma série de novos nanocompósitos de matriz polimérica, que fazem antever futuras aplicações tecnológicas. Foram ainda estabelecidos novos caminhos para a compreensão dos mecanismos de formação de materiais híbridos, e das interacções que ocorrem ao nível das interfaces de natureza orgânica/ inorgânica.

The aim of this thesis was to study new methods for the preparation of polymer based nanocomposites, through the synthesis and characterisation of SiO2/polymer and CdS/ polymer nanomaterials. The first chapter consists in an introduction to the aim topics that are discussed in the thesis as well as a literature review. Some considerations are made regarding the use of inorganic nanoparticles as fillers, and to the methods used to modify the inorganic materials surface in order to make them more compatible with the organic nature of polymeric matrices. In this introduction some relevant aspects of the use of polymers as matrices are reported, and a brief review of the polymerisation methods to be used in the nanocomposites preparation is given. The second chapter is devoted to the preparation and characterisation of the fillers. Following methods previously described on the literature, SiO2 nanoparticles with spherical and hollow fibres morphologies, CdS nanocristalites and SiO2@CdS inorganic composites were prepared. The last were organically treated with TOPO and also with SiO2. It was concluded that the TOPO capping results in improved room temperature photoluminescence properties. In the third and fourth chapters, the synthesis and characterisation of SiO2/ polymer nanocomposites is discussed. Using several in situ polymerisation techniques semi-crystalline (polyurethanes and polyamides) and amorphous (poly(styrene)) matrices were prepared. The materials were characterised by FTIR spectroscopy, TEM and SEM, TGA and DSC analysis. The semicrystalline polymeric matrix nanocomposites were prepared by steppolymerisation. In the case of the polyamide based nanocomposites the influence of the SIO2 nanoparticles on the melting and crystallization behaviour of the matrices is discussed. As regards the amorphous matrix nanocomposites these were prepared by radical emulsion and dispersion polymerisation. The morphology of the nanocomposite particles is discussed in light of changes in experimental conditions, and its possible influence on thermal properties. Finally, the chapter five is concerned with CdS/ polymer nanocomposites prepared by in situ polymerisation in the presence of CdS nanocrystals, and SiO2@CdS inorganic composites. TOPO capping results in higher affinity of the fillers to the matrix, and its insertion on the matrices promotes their optical properties, namely room temperature photoluminescence. The thermal properties of some representative samples were also studied. In this work a wide range of novel polymer based nanocomposites were prepared. This study showed that nanomaterials have unique properties that can anticipate potential technologic applications. Furthermore, new routes have been opened to the understanding of the mechanisms of nanocomposites formation, as well as the nature of interactions between organic/ inorganic interfaces.