Synthesis and characterization of polymer composites reinforced with MXenes

[I. Pešić]

96 str.

Nauka o materijalima - Kompozitni materijali / Material engineering - Composite materials

Dva različita silanа (γ-Metakriloksipropiltrimetoksi (MEMO) i 2-[metoksi(polietilenoksi) 6−9propil]trimetoksi PEG) su korišćena za funkcionalizaciju maksena, dok su tri različita materijala na bazi maksena (samostojeće elektrode, Poli(metilmetakrilat) (PMMA) i poliuretan (PU) matrični nanokompoziti) uspešno sintetisana i okarakterisana. Funkcionalizacija maksena je potvrđena metodama kao što su FTIR, SEM/EDS, XPS, TEM i BET analiza. Ispitan je uticaj funkcionalizacije Ti₃C₂Tz maksena silanima MEMO i PEG na njegova elektrohemijska i strukturna svojstva. Samostojeće elektrode su okarakterisane SEM, FTIR i XPS analizaom. Elektrohemijska ispitivanja (CV i GCD) u vodenom elektrolitu pokazala su da PEG-funkcionalizovani maksen ima veću kapacitivnost u odnosu na čisti i MEMO-maksen, uz blago smanjenu cikličnu stabilnost, ali i značajan porast kapacitivnosti tokom prvih 100 ciklusa. Potom su sintetisani PMMA/maksen kompoziti sa maksenom modifikovanim MEMO silanom metodom izlivanja rastvora. FTIR i XPS su potvrdili prisustvo silicijuma odnosno silana u maksenu. Mehanička ispitivanja su pokazala porast Jangovog modula i zatezne čvrstoće u odnosu na čisti PMMA. Optička spektroskopija je otkrila veću apsorpciju i kratkotrajnu fluorescenciju kod kompozita sa funkcionalizovanim maksenom, osetljivu na gužvanje nanoljuspi. U završnoj fazi istraživanja sintetisani su i okarakterisani PEG-silan funkcionalizovani makseni i PU nanokompoziti na bazi poli(dimetilsiloksana) sa 30–60 mas.% mekih segmenata. PU nanokompoziti sa 1 mas.% PEG maksena dobijeni su dvostepenom in-situ polimerizacijom. Pokazali su poboljšana termička i mehanička svojstva, kao i zadovoljavajuće površinske karakteristike. Dodatak PEG maksena je unapredio mikrofazno razdvajanje i vodonično vezivanje. Serija sa 50 mas.% mekih segmenata imala je optimalna svojstva, pogodna za fleksibilnu elektroniku.

Two different silanes—γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MEMO) and 2-[methoxy(polyethyleneoxy)6–9propyl]trimethoxysilane (PEG)—were used for the functionalization of MXene. Three types of MXene-based materials were successfully synthesized and characterized: freestanding electrodes, poly(methyl methacrylate) (PMMA), and polyurethane (PU) matrix nanocomposites. Functionalization of MXene was confirmed using techniques such as FTIR, SEM/EDS, XPS, TEM, and BET analyses. The influence of MEMO and PEG silanes on the electrochemical and structural properties of Ti₃C₂Tz MXene was investigated. Freestanding electrodes were characterized by SEM, FTIR, and XPS. Electrochemical tests (CV and GCD) in aqueous electrolyte revealed that PEG-functionalized MXene exhibited higher capacitance than pristine and MEMO-functionalized MXene, with slightly reduced cycling stability but a significant increase in capacitance during the first 100 cycles. Subsequently, PMMA/MXene composites were prepared via solution casting using MEMO-modified MXene. FTIR and XPS confirmed the presence of silicon and silane in the MXene. Mechanical tests showed increased Young’s modulus and tensile strength compared to neat PMMA. Optical spectroscopy revealed enhanced absorption and short-lived fluorescence in the composite with functionalized MXene, sensitive to nanosheet wrinkling. In the final phase, PEG-silane functionalized MXenes and PU nanocomposites based on poly(dimethylsiloxane) with 30–60 wt% soft segment content were synthesized and characterized. PU nanocomposites with 1 wt% PEG-MXene were prepared via two-step in-situ polymerization. These composites demonstrated improved thermal and mechanical properties, along with satisfactory surface characteristics. The addition of PEG-MXene also enhanced microphase separation and hydrogen bonding. The series with 50 wt% soft segments exhibited optimal properties, making it suitable for flexible electronics.

Kompoziti, nanomaterijali, makseni, silani, poli(metilmetakrilat), poliuretan, strukturna svojstva, električna svojstva, mehanička svojstva

Composites, Nanomaterials, MXenes, Silanes, Poly (methylmetacrylate), Poly (urethane), structural properties, Electrochemical properties, Mechanical properties

66.017.087(043.3)

Tekst