Hexamethylene diisocyanate functionalized graphene oxide as a filler in polyurethane and polyaniline composites

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-08-19
Department
Major/Subject
Prosessit ja tuotteet
Mcode
KE3003
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
52
Series
Abstract
Graphene is a carbon nanomaterial with high electrical and thermal conductivities, high mechanical strength, good barrier properties, and interesting optical properties. The purpose of this thesis is to study the possible functionalizations of graphene and the use of such functionalized materials in composites. In its pure form, graphene is insoluble in most solvents and it has no functional groups that could be easily covalently functionalized, complicating its use in composite materials. To introduce such functional groups, graphene can be oxidized to form waterdispersible graphene oxide. In addition to introducing oxygen functionalities to the material, the oxidation process also disrupts graphene's structure and conductivity. Most of the conductivity can be restored by reduction, and after reduction the material still has a small amount of oxygen functionalities left that can be used for covalent functionalization. The main purpose for functionalizing graphene is to increase its solubility. Other purposes include grafting polymers to graphene's surface, doping, and bandgap creation. In the experimental part of this work we study the functionalization of graphene oxide with a chemical that has two functional groups. For this purpose, hexamethylene diisocyanate was chosen, as isocyanate can form urethanes with the hydroxyl groups of graphene oxide. The functionalized material was then studied as the filler in polyaniline and polyurethane composites. The composition of the fabricated materials was studied with infrared spectroscopy, thermal properties were studied with differential scanning calorimetry and transient plane source method, and the electrical conductivites were studied with 4-point probe method. The IR spectra show succesful functionalization of graphene oxide, and the succesful integration of functionalized graphene oxide to the matrix polymer. The electrical conductivity of polyaniline composites increased somewhat, but the polyurethane composites were not electrically conducting. No significant changes were observed in the thermal conductivites.

Grafeeni on hiilinanomateriaali, jolla on korkea sähkön- ja lämmönjohtavuus, hyvä mekaaninen kestävyys sekä hyvät kaasunläpäisevyys ja optiset ominaisuudet. Tässä työssä tutkitaan grafeenin funktionalisointimahdollisuuksia sekä funktionalisoidun grafeenin käyttöä komposiiteissa. Puhtaassa muodossaan grafeeni ei liukene yleisiin liuottimiin, eikä sillä ole funktionaalisia ryhmiä, joita voitaisiin käyttää hyväksi kovalenttisessa funktionalisoinnissa. Tämä hankaloittaa sen käyttöä komposiittimateriaaleissa. Funktionaalisten ryhmien luomiseksi, grafeeni voidaan hapettaa grafeenioksidiksi. Happi-funktionaalisuuksien tuomisen lisäksi, hapettaminen myös vahingoittaa grafeenin rakennetta ja johtavuusominaisuuksia. Johtavuus voidaan kuitenkin suurimmaksi osaksi palauttaa pelkistämällä. Pelkistyksen jälkeen grafeenioksidissa on yhä jäljellä joitakin funktionaalisia ryhmiä, joita voidaan käyttää kovalenttiseen funktionalisointiin. Grafeenin funktionalisoinnin yleisin tavoite on saada grafeeni liukenemaan, tai ainakin dispergoitumaan, tiettyyn liuottimeen. Muita tavoitteita funktionalisoinnille ovat mm. polymeerien kiinnitys grafeenin pintaan, douppaus, sekä bandgapin luominen. Työn kokeellisessa osuudessa tutkitaan grafeenin funktionalisointia kemikaalilla, jossa on kaksi funktionaalista ryhmää. Tätä tarkoitusta varten valittiin Heksametyleeni-di-isosyanaatti, sillä isosyanaatti voi muodostaa uretaaneja grafeenioksidin hydroksyyliryhmien kanssa. Tällä tavoin funktionalisoitua materiaalia tuktittiin täyteaineena polyaniliini ja polyuretaani komposiiteissa. Valmistettujen materiaalien rakennetta tutkittiin infrapunaspektroskopialla. Lisäksi komposiiteista mitattiin lämmön- ja sähkönjohtavuudet. Mitatuista infrapunaspektreistä on nähtävissä, että sekä grafeenioksidin funktionalisointi, että funktionalisoidun materiaalin integrointi polymeeriin onnistuivat. Polyaniliinikomposiitin sähkönjohtavuus kasvoi, mutta polyuretaanikomposiitit eivät johtaneet sähköä. Komposiittien lämmönjohtavuuksissa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia.
Description
Supervisor
Seppälä, Jukka
Thesis advisor
Luong, Nguyen Dang
Keywords
graphene, graphene oxide, functionalization, isocyanate, polyaniline, polyurethane, grafeeni, grafeenioksidi, funktionalisointi, isosyanaatti, polyaniliini, polyuretaani
Other note
Citation