Effets de la fonctionnalisation et de la modification par silane du nitrure de bore hexagonal sur les propriétés thermiques/mécaniques/morphologiques du nanocomposite de caoutchouc de silicium

Aug 10, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11915 (2023) Citer cet article

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Les nanoparticules hexagonales de nitrure de bore (h-BN) pourraient induire des propriétés intéressantes par rapport au caoutchouc de silicone (SR), mais la faible interaction interfaciale charge-matrice provoque une agglomération des nanoparticules et diminue les performances du nanocomposite. Dans ce travail, les nanoparticules de h-BN ont été modifiées en surface à l'aide de vinyltriméthoxysilane (VTMS) à différentes concentrations. Avant la modification du silane, les nanoparticules de h-BN étaient hydroxylées à l'aide d'hydroxyde de sodium 5 molaires. Les nanoparticules ont été caractérisées pour évaluer le succès du greffage de silane. Les nanoparticules de h-BN pures et modifiées ont été appliquées à 1, 3 et 5 % en poids sur du caoutchouc de silicone HTV (SR). Les propriétés de durcissement, thermiques, mécaniques et morphologiques ainsi que l'hydrophobicité des nanocomposites ont été évaluées. La morphologie des nanocomposites SR a été caractérisée par analyse AFM et FE-SEM. Il a été constaté que le greffage de silane sur les nanoparticules de h-BN améliore la densité de réticulation mais diminue l'indice de taux de durcissement (CRI) du nanocomposite SR (à une teneur en charge de 5 % en poids) de 0,7 (dN m) et 3,5 %, respectivement. Il a également augmenté l'angle de contact avec l'eau des nanocomposites de 97,5° à 107°. Les interactions interfaciales nanoparticules-caoutchouc améliorées ont entraîné une meilleure dispersion des nanoparticules de h-BN dans la matrice SR (à 5 % en poids), ce qui a amélioré l'allongement à la rupture, le module à 300 % et la Tg des nanocomposites SR.

Aujourd'hui, les isolants polymères sont largement utilisés pour remplacer les matériaux vitreux et en porcelaine en raison de leur faible poids, de leur simplicité de moulage, de leur transport facile/meilleure manipulation, de leur résistance à la corrosion et à l'abrasion. Sur cette base, le caoutchouc de silicone (SR) est largement utilisé comme isolant dans les applications électriques1,2. Cependant, la dissipation thermique est le principal problème du caoutchouc de silicone en raison de sa faible conductivité thermique et de sa stabilité thermique, qui sont cruciales dans un matériau d'interface thermique (TIM) pour les applications isolantes3,4. Des charges céramiques comme l’alumine (Al2O3), le nitrate d’aluminium (AlN) et le nitrure de bore (BN) ont été utilisées jusqu’à présent pour améliorer la conductivité thermique et l’isolation électrique du caoutchouc de silicone5,6. Parmi toutes les micro et nano charges utilisées dans le caoutchouc de silicone, le nitrure de bore possède des propriétés uniques telles qu'une conductivité thermique élevée (600 W/m K) ainsi qu'une résistance au claquage, une faible perte diélectrique et permittivité, une stabilité thermique élevée, une faible dilatation thermique et des propriétés anisotropes intéressantes. en raison de sa structure couche par couche7,8,9,10.

Bien que les nanoparticules hydrophiles de nitrure de bore hexagonal (h-BN) aient un grand potentiel pour améliorer les propriétés du caoutchouc de silicone, elles s'agglomèrent en polymères en raison des faibles interactions interfaciales filer-polymère11,12,13. Ce problème affecte principalement la dispersion des h-BN dans les polymères, ce qui conduit à des propriétés mécaniques et thermiques/électriques indésirables14. La modification de la surface pourrait améliorer les interactions interfaciales des h-BN avec les polymères . La partie la plus difficile de la modification de surface des nanoparticules de nitrure de bore est leur grande stabilité chimique (sans groupes fonctionnels à la surface) et l'absence de sites de liaison (c'est-à-dire des groupes hydroxyle ou amine), même sur les bords16. Sur cette base, une étape supplémentaire (c'est-à-dire fonctionnalisation) est nécessaire avant la modification de la surface des h-BN, à savoir l'hydroxylation avec des solutions acides ou basiques hautement concentrées. Il a été constaté qu'après fonctionnalisation, les agents de couplage pouvaient se greffer à la surface mais principalement sur les bords de h-BN16,17,18.

Les agents de couplage silane en tant que matériaux amphiphiles comportant des groupes fonctionnels organiques et alcoxy dans une molécule pourraient réagir avec le h-BN inorganique après fonctionnalisation et améliorer les interactions interfaciales charge-polymère .

Jusqu'à présent, des h-BN modifiés en surface par du silane ont été utilisés dans différents polymères. Cheng et al.20 ont montré que la taille de la chaîne du côté alcoxy dans l'agent de couplage silane a un effet important sur la conductivité thermique du h-BN. Les silanes avec des chaînes organiques plus petites comme le vinyltriéthoxysilane (VTES) et l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) ont augmenté le TC de l'alcool polyvinylique (PVA), tandis que les chaînes plus longues l'ont diminué. Wang et al.21 ont confirmé que les h-BN silanisés pouvaient rester dispersés dans la paraffine pendant de longues périodes par rapport aux h-BN non traités. Seyhan et al.22 ont découvert que la silanisation du h-BN avec du vinyl triméthoxy silane pourrait faciliter l'exfoliation chimique des h-BN, ce qui aurait un impact positif sur la conductivité thermique de la matrice de polypropylène. Zhong et al.23 ont modifié la surface des h-BN exfoliés avec de l'aminopropyltriéthoxysilane (KH550) et du vinyle triméthoxysilane (KH171). Ils ont ajouté les h-BN modifiés au caoutchouc de silicone (SR). Leurs résultats ont montré que le vinyle silane améliorait la liaison interfaciale à la matrice de caoutchouc et améliorait la stabilité thermique du nanocomposite SR.