Nanocompósitos de polianilina e nanotubos de carbono obtidos por polimerização interfacial

Abstract

Resumo: Este trabalho consiste na sintese e caracterizacao de nanocompositos entre nanotubos de carbono (NTC) de multiplas camadas e a polianilina na sua forma dopada. Os NTC foram sintetizados (metodo CVD) com base em rota desenvolvida no Grupo de Quimica de Materiais da UFPR. O diferencial deste trabalho foi a forma da sintese dos nanocompositos: a polimerizacao in situ da anilina em um sistema bifasico (agua/tolueno), contendo NTC dispersos na fase organica, sob agitacao. A partir desta rota, foram obtidos filmes auto-montaveis de nanocompositos localizados exatamente na interface do sistema bifasico. Estes filmes apresentaram-se extremamente estaveis e podem ser facilmente removidos da interface e depositados em substratos, onde apresentam elevada transparencia. A partir do controle da quantidade de onomero e condicoes de sintese, elevadas concentracoes de NTC (aproximadamente 60% em massa) puderam ser obtidas nos nanocompositos. Materiais envolvendo NTC e PANI apresentam dificuldade no seu rocessamento em filmes. Portanto, esta rota representa um metodo que reune sintese e processamento em uma unica etapa. Os filmes dos nanocompositos foram caracterizados por espectroscopias Raman, FTIR e UVVis, voltametria ciclica, difracao de raios X, microscopias eletronicas de varredura e transmissao e medidas de condutividade. Os nanocompositos mostraram propriedades unicas decorrentes da interacao dos componentes. A partir do estudo de microscopias, verificou-se que a morfologia destes filmes e composta de uma mistura de NTC encapados por polimero e nanofibras de polianilina, cuja proporcao e controlada pelas condicoes de sintese. As demais tecnicas demonstraram que os NTC e a polianilina possuem forte interacao ƒÎ-ƒÎ, pela qual ocorre transferencia de carga da polianilina para o NTC. Alem disso, a formacao de filmes de NTC/polianilina dopada permitiu estudar e explicar uma discrepancia dos dados de Raman e FTIR, normalmente apresentada e nao discutida na literatura para estes sistemas. A partir destas tecnicas, foi possivel verificar que o crescimento do polimero sobre os NTC induz a formacao de cadeias mais planares, estabilizando a forma dopada da polianilina com estrutura polaronica. Esta estabilizacao foi rrelacionada com o afastamento dos pares redox caracteristicos da polianilina, como visto pela voltametria ciclica, e com as propriedades oticas e organizacao do material. A formacao de um filme auto-montavel foi explicada com base no modelo das emulsoes de Pickering, no qual a sintese in situ dos nanocompositos estabiliza a elevada tensao interfacial aguatolueno, permitindo a formacao dos filmes.

Abstract: This work describes the synthesis and characterization of nanocomposites between multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) and doped polyaniline. The MWCNT were synthesized (CVD method) through a route developed in the Materials Chemistry Group at UFPR. The diferential of this work was the synthetic method to nanocomposites: the in situ polymerization of aniline in a twophase system (water/toluene), with dispersed MWCNT in the organic phase, under stirring. Selfassembled films of nanocomposites were obtained, located exactly at the two-phase interface. These films have high stability and can be easily removed from interface and deposited on substrates, showing high transparency. Controlling the amount of monomer and synthesis condition, high MWCNT concentrations (approximately 60%) were obtained in the nanocomposites. These materials containing both MWCNT and polyaniline are difficult to process in transparent films. Therefore this new route presents a method that gather synthesis and rocessing in one single step. The nanocomposites films were characterized by Raman, FTIR and UV-Vis spectroscopy, cyclic voltammetry, X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy and conductivities measurements. The nanocomposites show unique properties that arise from interactions from the components. The SEM and TEM images indicate that the films are formed by a mixture of polyaniline capped MWCNT and polyaniline fibers, and the proportion is governed by the synthesis conditions. Further techniques showed that MWCNT and polyaniline possess strong ð-ð interactions, in which charge transfer occur from the polymer to MWCNT. Besides, the formation of a film of polyaniline/MWCNT nanocomposite allowed to study and explains a discrepancy between Raman and FTIR data, normally presented in literature but not discussed. These techniques showed that polyaniline grown on the nanotubes walls has more planar chains, stabilizing the doped form of polyaniline with polaronic structure. This stabilization was correlated with larger separation between the typical redox pairs of the polyaniline, as seen by the cyclic voltammetry, with optical properties and material organization. The formation of self-assembled films was explained based on Pickering emulsions, where in situ synthesis of nanocomposites stabilizes the high interfacial tension water-toluene, allowing the formation of films.