Hiilinanoputkien ja polymeerien välisten vuorovaikutusten parantaminen

Abstract

Tässä kirjallisuustutkielmassa on tarkasteltu hiilinanoputkien ja polymeerien välisiä vuorovaikutuksia ja esitetty keinoja vuorovaikutusten parantamiseksi. Vuorovaikutusten tarkastelu on painottunut erilaisiin polymeerikomposiitteihin, joissa hiilinanoputkia on käytetty lujiteaineena. Lisäksi tutkielmassa on käyty läpi perusasioita hiilinanoputkien rakenteesta ja ominaisuuksista sekä yleisistä polymeerikomposiiteista. Hiilinanoputkien ja polymeerien vuorovaikutusten parantaminen on jaettu tutkielmassa ei-kovalenttisiin ja kovalenttisiin menetelmiin.

Hiilinanoputket ovat nanorakenteeltaan putkimaisia hiilen allotrooppeja. Ne ovat herättäneet paljon mielenkiintoa pienen kokonsa ja erinomaisten mekaanisten, sähköisten ja optisten omaisuuksiensa vuoksi. Yksi kiinnostavimmista hiilinanoputkien sovelluksista ovat olleet hiilinanoputki/polymeeri-komposiitit, sillä hiilinanoputkien erinomaiset lujuusominaisuudet sekä sähkönjohtavuus tekevät niistä ainutlaatuisen lujitemateriaalin. Ongelmana materiaalien kehityksessä on kuitenkin ollut hiilinanoputkien ja polymeerien vähäiset vuorovaikutukset, jotka ovat heikentäneet merkittävästi materiaalien lujuutta (sekä myös muita ominaisuuksia). Vähäiset vuorovaikutukset johtuvat hiilinanoputkien kemiallisesti hyvin inertistä pinnasta. Parempia vuorovaikutuksia hiilinanoputkien ja komposiittien välille on pyritty saamaan muokkaamalla hiilinanoputkien pintaa.

Ei-kovalenttiset funktionalisointimenetelmät perustuvat hiilinanoputken pinnan aromaattiseen rakenteeseen, joka mahdollistaa π-π-vuorovaikutukset. Ei-kovalenttisista menetelmistä tutkielmassa on esitetty polymeerien kietominen hiilinanoputkien pintaan ja pinta-aktiivisten aineiden käyttö. Näillä menetelmillä putkista on saatu paremmin dispergoituvia ja myös niiden vuorovaikutukset ovat lisääntyneet. Kovalenttisesta funktionalisoinnista tutkielmassa on esitetty ”grafting to”- ja ”grafting from”-menetelmät, jotka ovat eniten käytettyjä polymeerien liittämisessä hiilinanoputkiin. Molemmat menetelmät vaativat hiilinanoputken pinnan muokkaamista, jonka jälkeen liitettävä polymeeri voidaan liittää putken pintaan. ”Grafting to”-metelmä perustuu additioreaktioon muokatun hiilinanoputken ja polymeerin välillä. Yleisimmin muodostuva sidos on esterisidos tai amidisidos. ”Grafting to”-menetelmässä polymeeri liitetään radikaalireaktioilla hiilinanoputken pintaan. Ennen tätä pintaan liitetään kuitenkin radikaalireaktion initiaattori. Molemmilla tekniikoilla hiilinanoputkiin on liitetty yleisimpiä polymeerejä, kuten polystyreeniä, nailonia, polyvinyylialkoholia, polyuretaania, polyimidejä ja polymetyylimetakrylaattia.

Kirjallisuustutkielman perusteella voidaan todeta hiilinanoputkien pinnan muokkaamisen olevan edellytys paremmille vuorovaikutuksille polymeerien kanssa. Polymeerikomposiiteissa pinnan ei-kovalenttinen muokkaaminen ei monessa tapauksessa luo tarpeeksi voimakkaita vuorovaikutuksia nanoputkien ja polymeerimatriisin välille. Tämän takia enemmän käytetty menetelmä on kovalenttinen funktionalisointi polymeereilla. Kovalenttisen funktionalisoinnin onnistumiseen on havaittu vaikuttavan oleellisesti polymeerimatriisin ja hiilinanoputken pintaan liitettävän polymeerin rakenteiden samankaltaisuus. Toinen tärkeä asia funktionalisoitumisen onnistumisessa on funktionalisointireaktion hyvä tehokkuus. Tämä asettaa haasteen, sillä funktionalisointi täytyy saada tehtyä riittävän tehokkaasti mutta niin, ettei se liikaa riko hiilinanoputkien rakennetta.