Biodegradable conductive nanocomposites composed of poly(ε-caprolactone) and silver nanowires for advanced applications

Abstract

Technological progress strongly relies on the development of high-performance materials. However, numerous environmental problems associated with the over-exploitation of fossil resources made the process of material design much more demanding and, in particular, sustainable. In this context, the idea behind the present dissertation is to create a biobased conductive nanocomposite material for potential applications in various advanced areas. Specifically, the nanocomposite consists of a poly(ε-caprolactone) (PCL) matrix functionalized with silver nanowires (AgNWs). The main asset of this material is its biobased nature, as well as its improved mechanical and electroconductive performance. Firstly, silver nanowires were synthesized via the polyol method, and characterized by ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Secondly, the PCL-based nanocomposite films with different percentages of AgNWs, namely 1, 2, 3 and 7.5% (w/w), were fabricated via the simple and fast solvent casting film-processing methodology. The ensuing nanocomposite films were characterized by Fourier transform infrared-attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy, XRD, SEM, SEM/EDS mapping, thermogravimetric analysis (TGA), tensile tests, dynamic mechanical analysis (DMA), and dielectric measurements. Overall, the synthetized AgNWs were highly crystalline and presented a needle-like morphology. The incorporation of these nanowires into the PCL matrix generated nanocomposite films with thermal stability up to almost 325°C and good mechanical performance with Young’s modulus values higher than 350 MPa. Moreover, the electrical conductivity (σAC) of the PCL-based films was evaluated by impedance spectroscopy and reached a maximum value of 5.7×10-6 S m–1 (at 235 K and 1.0×106 Hz) for the nanocomposite with the highest content of AgNWs (7.5%, PCL/AgNWs_7.5). All the obtained results revealed the potentiality of these thermoplastic nanocomposite films as biobased electroconductive materials for advanced applications.

O progresso tecnológico depende fortemente do desenvolvimento de materiais de elevado desempenho. No entanto, inúmeros problemas ambientais associados à exploração excessiva de recursos fósseis, tornaram o processo de desenvolvimento de materiais mais exigente e, em particular, sustentável. Neste contexto, o objetivo da presente dissertação é o de criar um material nanocompósito condutor de origem renovável com potencial para aplicações avançadas. Especificamente, o nanocompósito consiste numa matriz de poli(ε- caprolactona) (PCL) funcionalizada com nanofios de prata (AgNWs). A principal vantagem deste material é a sua natureza renovável, bem como os desempenhos mecânico e condutor melhorados. Primeiramente, nanofios de prata foram sintetizados pelo método do poliol e caracterizados por espectroscopia de ultravioleta-visível (UV-vis), difração de raios X (XRD), microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Em segundo lugar, os filmes nanocompósitos baseados em PCL e com diferentes percentagens de AgNWs, nomeadamente 1, 2, 3 e 7,5% (m/m), foram preparados através do método simples e rápido de evaporação de solvente. Os filmes nanocompósitos resultantes foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier-reflexão total atenuada (FTIR-ATR), XRD, SEM, mapeamento por SEM/EDS, análise termogravimétrica (TGA), testes de tração, análise mecânica dinâmica (DMA), e medições dielétricas. Em geral, os AgNWs sintetizados possuem elevada cristalinidade e apresentam uma morfologia semelhante a uma agulha. A incorporação destes nanofios na matriz de PCL originou filmes nanocompósitos com estabilidade térmica até aos 325 °C e bom desempenho mecânico com valores de módulo de Young superiores a 350 MPa. Adicionalmente, a condutividade elétrica (σAC) dos filmes baseados em PCL foi avaliada por espectroscopia de impedância e atingiu um valor máximo de 5,7×10-6 S m–1 (235 K e 1,0×106 Hz) para o nanocompósito com a maior quantidade de AgNWs (7,5%, PCL/AgNWs_7.5). Todos os resultados obtidos demonstram a potencialidade destes filmes nanocompósitos termoplásticos como materiais condutores de base renovável para aplicações avançadas.