Estabilización de nanotubos de carbono de pared simple en agua y en solventes orgánicos a partir de la funcionalización con sales de aril diazonio

Leija Gutiérrez, Héctor Manuel (2013) Estabilización de nanotubos de carbono de pared simple en agua y en solventes orgánicos a partir de la funcionalización con sales de aril diazonio. Doctorado thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

Los nanotubos de carbono son una nueva forma alotrópica del carbono la cual están hechos de una lámina de grafeno enrollada y forma una estructura cilíndrica. Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) están constituidos por una sola capa, mientras que los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) están formados por dos o más capa concéntricas. Los nanotubos de carbono de pared única presentan una serie de propiedades físicas y químicas que los convierten en materiales muy prometedores para aplicaciones en nanotecnologia. Por ejemplo la resistencia mecánica, la estabilidad térmica y sus excelentes propiedades de conducción de la electricidad son superiores a la de cualquier material conocido. Los investigadores y las industrias están enfocas a la investigación de esta nanoestructura porque ven las perspectivas de grandes aplicaciones: por ejemplo reforzamiento en diferentes materiales, tales como, polímeros (para defensas de coches), esmaltes (para recubrimientos de los cables eléctricos), en el cemento (para tener mejoría en el producto), en masa biológicas tal como papel (para reforzar las bolsas por ejemplo sacos de cemento o hacer hojas de papel más delgadas). Pero los nanotubos de carbono monocapa tienden a agruparse en paquetes “honeycomb” debido a las fuerzas electrostáticas que existen entre ellos. Por esta razón, los nanotubos muestran una baja estabilidad de dispersión en agua y en solventes orgánicos comunes, lo que significa, un obstáculo para trabajar o manipular los SWCNTs en las aplicaciones antes mencionadas. Para cambiar esto y poder aplicarlos con mayor eficiencia se requieren desarrollar métodos o procesos que ayuden a incrementar la estabilización de los nanotubos en agua y disolventes orgánicos. Los métodos de funcionalización estudiados actualmente tienen la ventaja de aumentar la dispersión de los nanotubos de carbono en soluciones acuosas y en solventes orgánicos sin afectar las propiedades de los SWCNT pero la mayoría de ellos están basados en las reacciones químicas usando soluciones ácidas. Estos métodos de funcionalización son agresivos para el medio ambiente y al final de la funcionalización no cuentan con el pH neutro por lo que no pueden ser usados en aplicaciones biológicas, médicas o en reforzamiento de los materiales basados a biomasa. En el presente trabajo se realizó el proceso de funcionalizar los nanotubos de de carbono monocapa con sales de aril diazonio a partir de dos métodos uno bajo un medio ácido y el otro bajo un medio no agresivo y ecológico. Se desarrolla un estudio de la dispersión de nanotubos de carbono ya funcionalizados en agua y en cinco disolventes orgánicos: acetona, DFM, etanol, tolueno y etilenglicol. Mejorando la dispersión y la estabilidad de los nanotubos en cada solución en comparación con el material sin funcionalizar. Además de las aportaciones antes descritas se alcanzaron los objetivos específicos: • Funcionalización de SWCNTs con sales de aril diazonio a partir de anilinas (diferentes 6 grupos funcionales: 4-Anisidina; ácido 4- aminobenzoico; ácido 4-aminobenzoico; 1,3 dimetil, 5 aminobenceno - 1,3 –dicarboxilato; 4‐Aminopiridina; 2- Aminotiazol; 4- Sulfanilamida), llevando a cabo la reacción in situ en ácido nítrico fumante. • Funcionalización de SWCNTs con sales de aril diazonio a partir de anilinas (diferentes 6 grupos funcionales: 4-Anisidina; ácido 4- aminobenzoico; ácido 4- aminobenzoico; 1,3 dimetil, 5 aminobenceno - 1,3 –dicarboxilato; 4‐ Aminopiridina; 2- Aminotiazol; 4- Sulfanilamida, llevando a cabo la reacción in situ en urea fundida. • Caracterización de los SWCNTs funcionalizados obtenidos por ambos métodos por las técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y transmisión (HRTEM), por las técnicas de espectroscopía Raman, espectroscopía de IR y análisis termo gravimétrico (TGA). • Estudio de la estabilidad de los SWCNTs funcionalizados obtenidos por ambos métodos dispersados en agua y solventes orgánicos (acetona, DFM, etanol, tolueno y etilenglicol). Para cumplir dichos objetivos fue investigado dos métodos de funcionalización el primero fue a través de un tratamiento oxidativo empleando una mezcla ácida de ácido sulfúrico y ácido nítrico. Este proceso se utiliza para añadir covalentemente grupos carboxilos (-COOH) a las paredes de los nanotubos de carbono monocapa y a través de estos grupos se funcionalizan con las sales de aril diazonio. El segundo método investigado consiste en un proceso ambiental (nanotecnología verde) empleando urea fundida como un medio para funcionalidad los nanotubos de carbono de pared sencilla. En ambos métodos se empleó la formación in situ de sales de aril diasonio a partir de anilinas, las cuales presentan una combinación de interesantes propiedades intrínsecas. La unión covalente agrupada a las paredes de los nanotubos, abre la puerta a una gran cantidad reacciones de acoplamiento y de modificación. Con la ayuda de las técnicas de caracterización utilizadas en esta tesis tales como el microscopio electrónico de barrido (SEM), el microscopio electrónico de transmisión (TEM), termogravimetría, espectroscopía Infrarroja (IR) y Raman fue confirmado que es posible reducir las aglomeraciones de los SWCNT y añadir los grupos funcionales. La contribución científica del presente trabajo fue el estudiar el uso de urea fundida como medio para dispersar, desagregar y funcionalizar los nanotubos de carbono de pared simple con sales areno diazonio en un periodo de 15 min. Esta técnica proporciona una rápida y económica ruta viable para producir nanotubos funcionalizados covalentemente en grandes cantidades a nivel industrial ya que se considera un método a bajo cotos, rápido, amigable. Además, al utilizar urea fundida como disolvente es considerado un método ecológico (nanotecnología verde) comparado con el método ácido. El proceso de funcionalización de los nanotubos de carbono con sales de aril diazonio también ha contribuido a generar una estabilidad en dispersiones coloidales como soluciones acuosas y en disolventes orgánicos, sin afectar las propiedades de los SWCNTs. Con el objetivo de incrementar aplicaciones en la ciencia de los materiales ejemplo: el reforzamiento mecánico de polímeros y el incremento en las propiedades eléctricas de celdas solares.También se logró hacer la comparación de la eficiencia de los métodos tradicionales (uso de ácidos) y los métodos con el uso de urea (método “verde”). Los resultados de esta investigación fueron publicados en 3 revistas internacionales (ver Anexo I). El contenido desglosado por capítulos de la presente tesis es el siguiente: En el capítulo I se describe el marco teórico de esta tesis mostrando una breve descripción de nanociencia y nanotecnología. El capítulo II ofrece una visión general de los alótropos de carbono nanoestructurados. Describiendo una introducción a las propiedades de los nanotubos de carbono, incluyendo sus características estructurales, eléctricas y mecánicas. En el capítulo III se analiza las técnicas de síntesis de nanotubos de carbono desarrollados a lo largo de las dos últimas décadas (Descarga de arco eléctrico, Ablación por láser y Deposición química de vapor). También se describen la purificación de los SWCNTs empleadas comúnmente y las principales técnicas de separación. En el capítulo IV se exponen las estrategias para la modificación y dispersión de los nanotubos de carbono en agua y en solventes orgánicos. Y se describe las distintas formas de funcionalizar los nanotubos de carbono monocapa. El capítulo V se describe la Hipótesis y Objetivos de esta tesis. El capítulo VI describe la metodología de la preparación y las técnicas de caracterización empleadas en los 2 métodos de la funcionalización de nanotubos de carbono monocapa con sales de aril diazonio.Todos los detalles experimentales de los dos métodos de funcionalización se dan en el capítulo VII. En el capítulo VIII se presentan los resultados sobre la funcionalización covalente de los nanotubos de carbono de pared única (SWNT) con sales de aril diazonio mediante las 2 estrategias de funcionalización. También se muestra los resultados de caracterización. Y el estudio de la estabilidad de los nanotubos de carbono de pared simple dispersados en agua y solvente orgánicos. En el capítulo IX se presenta las conclusiones y recomendaciones generales extraídas del presente trabajo de tesis.

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