Modification of carbon structures with imidazolium ionic liquids for enhanced multifunctional epoxy composites

Abstract

A interface em sistemas compósitos de matriz e fibra é um componente chave que influencia suas propriedades e desempenho geral, e a superfície da fibra de carbono (FC) é apolar e leva à incompatibilidade com matrizes epóxidicas. Os estudos foram realizados para modificar a superfície de FC com líquidos iônicos (LI) à base de imidazólio. A estratégia foi adotada considerando a superfície de FC recicladas, que são disponibilizadas na forma de fibras sem agentes de acoplamento em sua superfície. Anteriormente, a modificação em geral criava defeitos e introduzia grupos funcionais (-OH, -COOH, -NH, etc.). Nesta pesquisa, a superfície de FC e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) foram modificadas com LI. A química estrutural inerente de estruturas baseadas em carbono fornece interação π com a nuvem eletrônica deslocalizada do cátion imidazólio do LI que é utilizado para a modificação. No primeiro estudo, a FC (T300) foi modificada pela aplicação de 10% (p/v) de dois tipos diferentes de LI imidazólio, bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-butil-3-metil imidazólio (hidrofóbico) e cloreto de 1-butil-3- metilimidazólio (hidrofílico). Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e microscopia eletrônica de varredura confirmaram a presença de LI na superfície de FC. A molhabilidade de FC tratada com resina epóxi (DGEBA) aumentou significativamente, com uma diminuição do ângulo de contato maior que 15°. A resistência ao cisalhamento interfacial entre a FC modificada e a epóxi aumentou em até 56,5% em relação à FC, sendo comparável às fibras com agentes de acoplamento tradicionais. O segundo estudo focou na otimização da concentração de LI, bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-butil-3-metilimidazólio, cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio e cloreto de 1-(2-hidroxietil)-3-metilimidazólio, para tratar a FC e analisar as características multifuncionais. O ângulo de contato para 1% (m/v) de FC tratada com LI e epóxi DGEBA diminuiu em até 35%, acompanhado por um aumento de 91% na resistência ao cisalhamento interfacial e diminuição na resistividade elétrica de 77%. Essas melhorias foram alcançadas com o LI hidroxifuncionalizado, mostrando a sintonização das propriedades de FC por meio do substituinte N-imidazólio. No terceiro estudo, NCPM tratados com 1% em peso ou 5% em peso de LI (cloreto de 1-(2-hidroxietil)-3-metilimidazólio) foram aplicados como dispersão em proporções de 0,2 a 2% em massa e de 1 a 3% em massa na matriz epóxi, respectivamente, para obter laminados compósitos híbridos baseados em FC. O laminado híbrido contendo 1% em massa de NCPM modificado com 1% em peso de LI apresentou excelentes propriedades mecânicas e termomecânicas com aumento de 210% e 151% na resistência à flexão e módulo, e apresentou um aumento de 101, 116 e 29% do módulo de armazenamento, módulo de perda e amortecimento, respectivamente. As micrografias eletrônicas de transmissão e varredura mostraram a dispersão e a estrutura de NCPM aprimoradas no compósito com baixa porcentagem de LI, justificando suas propriedades mecânicas aprimoradas. Este estudo demonstrou que a aplicação de uma baixa quantidade de LI disperso é uma abordagem promissora para preparar compósitos híbridos NCPM/CF/epóxi com propriedades aprimoradas. Esta abordagem não-covalente de modificação de estruturas à base de carbono com LI é uma maneira promissora de produzir compósitos de alto desempenho com características multifuncionais.

Interface in fiber-matrix composite systems is a key component influencing the bulk properties and overall performance of composites. Carbon fiber (CF) surface is non-polar in nature and it indicates an incompatible behavior with epoxy matrices. The present research studies were designed to modify the CF surface with imidazolium ionic liquids (IL). The strategy was adopted considering the surface of recycled CF, which are available as fibers without sizing on their surface. Previously, the modification was in general carried out by creating defects, and introducing functional groups (-OH, -COOH, -NH, etc.) at the expense of the inherent surface properties, but in this case has been applied without deteriorating its surface or chemical properties. In this research, CF and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) surfaces were modified with IL. An inherent structural chemistry of carbon-based structures allows π-interaction with the delocalized electronic cloud of imidazolium IL cations, which is utilized for the modification. In the first study, CF (T300) was modified by applying 10% w/v of two different imidazolium IL, 1- butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (hydrophobic) and 1-butyl-3- methylimidazolium chloride (hydrophilic). Fourier-transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy confirmed the presence of IL at CF surface. Wettability of the treated CF with epoxy resin significantly increased, with a decrease in contact angle greater than 15o. Interfacial shear strength between the modified CF and epoxy increased up to 56.5% with respect to the unsized CF, being comparable with epoxy sized fibers. The second study was dedicated to optimizing the weight percentage of IL, 1-butyl- 3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, and 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium chloride, to treat the CF and analyze multifunctional characteristics. The contact angle of optimized 1% w/v IL-treated CF and DGEBA epoxy decreased by up to 35%, accompanied by an increase of 91% in interfacial shear strength and decrease in electrical resistivity of 77%. These enhancements were achieved with the hydroxyfunctionalized IL, showing the tunability of CF properties through the N-imidazolium substituent. In the third study, MWCNT treated with either 1 wt% or 5 wt% of IL were incorporated as filler in content ranges of 0.2 to 2 wt% and 1 to 3 wt% in epoxy matrix, respectively, to form hybrid composites based on CF. Hybrid composites containing 1 wt% of MWCNT modified with 1 wt% of IL showed excellent mechanical and thermomechanical properties with an increase of 210% and 151% in flexural strength and modulus, and an increase of 101, 116 and 29% in storage modulus, loss modulus and damping, respectively. Transmission and scanning electron micrographs showed the composite enhanced MWCNT dispersion and network at low content of IL, justifying its improved mechanical properties. This study demonstrated that the application of low amount of IL dispersant is a promising approach to prepare MWCNT/CF/epoxy hybrid composites with enhanced properties. This non-covalent approach of modifying carbon-based structures with IL is a promising way to produce high performance composites with multifunctional characteristics.