Σύνθεση, κινητική μελέτη και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με παράγωγες ενώσεις γραφενίου

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης στο εργαστήριο Χημείας και Τεχνολογίας Πολυμερών και Χρωμάτων για την απόκτηση Διδακτορικού Διπλώματος Ειδίκευσης στη Χημεία. Σκοπός της παρούσας εργασίας υπήρξε η μελέτη της κινητικής του πολυμερισμού και των ιδιοτήτων των νανοσύνθετων υλικών που προκύπτουν κατά την προσθήκη οξειδίου του γραφίτη (Graphite Oxide - GO), όταν αυτό παρασκευάζεται με δύο τρόπους (Hummers και Staudenmaier), καθώς επίσης και οξειδίου του γραφίτη που έχει υποστεί επιφανειακή τροποποίηση-λειτουργικοποίηση (Functionalized Graphite Oxide - FGO), στην πολυμερική μήτρα PBMA. Επιπλέον πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη των αντίστοιχων νανοσύνθετων που προκύπτουν κατά την προσθήκη των GO και FGO παρασκευασμένων με τη μέθοδο Hummers στην πολυμερική μήτρα του PSt και σε δύο συμπολυμερή Πολύ(στυρενίου-co-μεθακρυλικού βουτυλεστέρα) με αναλογίες 20/80 και 60/40 αντίστοιχα. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η τεχνική του in situ πολυμερισμού μάζας. Η κινητική του πολυμερισμού μελετήθηκε σταθμικά. Τα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά των νανοσύνθετων υλικών μελετήθηκαν με Φασματοσκοπία Υπέρυθρου με κεφαλή αποσβένουσας ακτινοβολίας (HATR-IR). Ο τύπος των νανοσύνθετων που σχηματίστηκαν ελέγχτηκε με περίθλαση ακτινών Χ (XRD). Οι κατανομές των μοριακών βαρών υπολογίστηκαν με χρωματογραφία διέλευσης μέσω πηκτής (GPC). Η αναλογία των συμπολυμερών μελετήθηκε με τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR). Η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Τg) προσδιορίστηκε με την χρήση της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC) και της Δυναμικής Θερμομηχανικής Ανάλυσης (DMTA). Η θερμική σταθερότητα και τα χαρακτηριστικά της αποικοδόμησης των νανοσύνθετων ερευνήθηκαν μέσω της Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TGA). Συμπερασματικά, τόσο το οξείδιο του γραφίτη όσο και το επιφανειακά τροποποιημένο που χρησιμοποιήθηκαν ως εγκλείσματα κατά την σύνθεση των νανοσύνθετων, ως προς τα τελικά τους προϊόντα έχουν μετατραπεί σε οξείδιο του γραφενίου και τροποποιημένο οξείδιο του γραφενίου αντίστοιχα, καθώς λαμβάνει χώρα η αποφύλλωσή τους κατά τον πολυμερισμό (πολυμερισμός ενδοπαρεμβολής). Στο πλαίσιο της κινητικής μελέτης παρατηρήθηκε, πως η προσθήκη του οξειδίου του γραφίτη ελάττωσε την ταχύτητα πολυμερισμού και τον βαθμό μετατροπής των νανοσύνθετων υλικών σε σχέση με το καθαρό πολυμερές, ενώ η προσθήκη τροποποιημένου οξειδίου του γραφίτη δεν επηρέασε την ταχύτητα του πολυμερισμού σε σύγκριση με τα καθαρά πολυμερή. Επιπλέον, οι βαθμοί μετατροπής που αντιστοιχούν στα νανοσύνθετα υλικά που έχουν στην δομή τους FGO παρουσιάζουν αντίστοιχους με αυτούς του καθαρού πολυμερούς. Η θερμική σταθερότητα των δύο ειδών νανοσύνθετων υλικών αυξάνεται συγκριτικά με το καθαρό πολυμερές. Η αύξηση αυτή είναι ανάλογη και της επιφόρτισης, καθώς όσο αυξανόταν η περιεκτικότητα του δείγματος σε οξείδιο του γραφενίου με ή χωρίς επιφανειακή τροποποίηση διαπιστώθηκε μετατόπιση των καμπυλών της θερμοσταθμικής ανάλυσης σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Τα μέσα μοριακά βάρη κατά αριθμό αυξήθηκαν κατά την προσθήκη των εγκλεισμάτων GO, ενώ παρατηρήθηκε ότι όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα του προσθέτου αυξάνεται και το μέσο μοριακό βάρος κατ’ αριθμό. Αντιστρόφως ανάλογα ήταν τα μέσα μοριακά βάρη κατ’ αριθμό όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα των FGO, ενώ παράλληλα μειώνεται ο συντελεστής πολυδιασποράς, που αποδίδεται στη δικτύωση. Η τελευταία δημιουργείται εξαιτίας του τροποποιητικού παράγοντα. Τέλος, η προσθήκη των εγκλεισμάτων είχε ως αποτέλεσμα και αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) και από το DSC αλλά και από το DMA συγκριτικά με το καθαρό πολυμερές και στα δυο είδη νανοσυνθέτων