21
Synthesis and characterization of epoxy- based nanocomposites obtained by frontal polymerization Alberto Mariani 1 , Valeria Alzari 2 , Orietta Monticelli 3 , Giuseppe Caria 1 , José M. Kenny 2 , Saverio Russo 3 1. INSTM e Dipartimento di Chimica – Università di Sassari 1. INSTM e Dipartimento di Chimica – Università di Sassari 2. INSTM e Centro di Scienza e Tecnologia dei Materiali – Università di 2. INSTM e Centro di Scienza e Tecnologia dei Materiali – Università di Perugia, Terni Perugia, Terni 3. INSTM e Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale – Università 3. INSTM e Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale – Università di Genova di Genova VI Convegno Nazionale sulla Scienza e la Tecnologia dei Materiali VI Convegno Nazionale sulla Scienza e la Tecnologia dei Materiali Università di Perugia, 12-15 giugno 2007 Università di Perugia, 12-15 giugno 2007

Synthesis and characterization of epoxy-based nanocomposites obtained by frontal polymerization Alberto Mariani 1, Valeria Alzari 2, Orietta Monticelli

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Synthesis and characterization of epoxy-based nanocomposites obtained by frontal polymerization

Alberto Mariani1, Valeria Alzari2, Orietta Monticelli3, Giuseppe Caria1, José M. Kenny2, Saverio Russo3

1. INSTM e Dipartimento di Chimica – Università di Sassari1. INSTM e Dipartimento di Chimica – Università di Sassari

2. INSTM e Centro di Scienza e Tecnologia dei Materiali – Università di Perugia, Terni2. INSTM e Centro di Scienza e Tecnologia dei Materiali – Università di Perugia, Terni

3. INSTM e Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale – Università di Genova3. INSTM e Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale – Università di Genova

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The domino effect

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Frontal PolymerizationFrontal Polymerization

thermalthermal

isothermalisothermal

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Frontal PolymerizationFrontal Polymerization

thermalthermal

isothermalisothermal It’s a mode of converting monomer into polymer via a localized reaction zone that propagates through the coupling of thermal diffusion and temperature-dependent reaction rates

It’s a mode of converting monomer into polymer via a localized reaction zone that propagates through the coupling of thermal diffusion and temperature-dependent reaction rates

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Frontal PolymerizatonFrontal Polymerizaton

thermalthermal

isothermalisothermal

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polyurethane – fumed silica nanocomposites polyurethane – fumed silica nanocomposites

consolidation of porous materials (stone, wood, paper)consolidation of porous materials (stone, wood, paper)

polyacrylates – POSS nanocompositespolyacrylates – POSS nanocomposites

Polymeric composite materials previously obtained by us via FP

polyacrylate – organic liquid crystal compositespolyacrylate – organic liquid crystal composites

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Polymeric nanocomposites obtained in this work via FP

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204 Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

Epoxy resin – montmorillonite nanocompositesEpoxy resin – montmorillonite nanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

Epoxy resin – POSS nanocompositesEpoxy resin – POSS nanocomposites

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Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA)

diethylene triamine (DETA)

H2N

HN

NH2

Polymeric nanocomposites obtained in this work via FP

OO

OO

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204 Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

Samples obtained by CP

Method A: 4h at 100 °C; 16 h at 150 °C; 12 h at 200 °C Method B: 24 h at room temperature, 4h at 100 °C

Samples obtained by CP

Method A: 4h at 100 °C; 16 h at 150 °C; 12 h at 200 °C Method B: 24 h at room temperature, 4h at 100 °C

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

Temperature profileTemperature profile

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

Front positionFront position

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

nanocomposite syntheses starting from non thermally pre- treated (□) and pre-treated (●)

mixtures

nanocomposite syntheses starting from non thermally pre- treated (□) and pre-treated (●)

mixtures

150

175

200

225

250

0 2 4 6 8 10amount of C30B (wt.-%)

Tm

ax (

°C)

Tmax vs. C30B amountTmax vs. C30B amount

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10amount of C30B (wt.-%)

Vf (

cm

/min

)

Vf vs. C30B amountVf vs. C30B amount

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

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Epoxy resin – montmorillonitenanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 45, 2204

individual dispersion of delaminated sheetsindividual dispersion of delaminated sheets

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POSS (POSS (Polyhedral Oligomeric SilSesquioxanesPolyhedral Oligomeric SilSesquioxanes))

Epoxy resin – POSSnanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

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Epoxy resin – POSSnanocomposites

Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA)

OO

OO

diethylene triamine (DETA)

H2N

HN

NH2

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

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Epoxy resin – POSSnanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

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Epoxy resin – POSSnanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

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Epoxy resin – POSSnanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

Polymerresidua

l H(J/g)

total H

(J/g)

degree ofconversion

(%)

B0 0 -553.8 100

F0 0 -553.8 100

B1 0 -507.6 100

F1 0 -507.6 100

B3 0 -503.0 100

F3 0 -503.0 100

B5 -2.44 -522.9 99.5

F5 0 -522.9 100

B7 -2.87 -476.9 99.4

F7 -2.59 -476.9 99.5

B10 0 -475.8 100

F10 0 -475.8 100

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Epoxy resin – POSSnanocomposites

Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000Mariani et al. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2007, 00, 0000

SE: secondary electron emission

BS: back scattering emission

SE: secondary electron emission

BS: back scattering emission

no Si aggregates are visible in the micron scaleno Si aggregates are visible in the micron scale

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Conclusions

Frontal Polymerization is an easy and low-cost technique for the obtainment of Frontal Polymerization is an easy and low-cost technique for the obtainment of polymer materials, including nanocomposites, polymer materials, including nanocomposites, often in almost quantitative often in almost quantitative yieldsyields..

Their properties are comparable, sometimes even better, than those of samples Their properties are comparable, sometimes even better, than those of samples prepared by the classical methods.prepared by the classical methods.

Why not considering frontal polymerization as the first option?Why not considering frontal polymerization as the first option?

They are obtained in very short times!They are obtained in very short times!They are obtained in very short times!They are obtained in very short times!

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