Nanocellular materials from polystyrene nanocomposites by in-situ polymerization

Abstract

El uso de nanopartículas en matrices poliméricas ofrece un gran potencial en la mejora de las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, entre otras de polímeros puros y compuestos convencionales. Sin embargo, para aprovechar al máximo las ventajas de los nanocompuestos, es fundamental lograr una dispersión homogénea de las nanopartículas en la matriz polimérica. En este trabajo, se explora la preparación de nanocompuestos de poliestireno (PS)/sepiolita mediante el proceso de polimerización in situ, con el objetivo de mejorar la dispersión de la sepiolita y su interacción con el polímero. Se utilizó sepiolita sin modificar y sepiolita modificada superficialmente con viniltrietoxisilano (VTES). Durante el proceso de modificación superficial se optimizaron las condiciones de reacción para maximizar la cantidad de grupos silano injertados en la superficie de la sepiolita a traves de la metodología de diseño de experimentos (DoE). Mediante reología dinámica de cizalla se encontró la formación de una red de per- colación en los compuestos al agregar 1% en peso de sepiolita sin modificar a la reacción polimerización in situ. A pesar del bajo contenido de sepiolita, la densidad de partículas fue lo suficientemente alta como para formar una red de percolación debido a la excelente dispersión lograda mediante la polimerización in situ. Finalmente, se exploró, inicialmente, la preparación de espumas a partir de estos compuestos. La estructura celular de las espumas se estudió a través de microscopía electrónica de barrido. Se determinó que la modificación superficial de la sepiolita es importante en la generación de estructuras celulares debido a la unión covalente entre el polímero y la carga.

The use of nanoparticles in polymer matrices offers great potential for improving the mechanical, thermal, electrical, and other properties of neat polymers and conventional composites. However, to fully exploit the benefits of nanocomposites, it is essential to achieve a homogeneous dispersion of the nanoparticles in the polymer matrix. This study explores the preparation of polystyrene (PS)/sepiolite nanocomposites through the in situ polymerization process to improve the dispersion of sepiolite and its interaction with the polymer. Both unmodified sepiolite and sepiolite surface-modified with vinyltri- ethoxysilane (VTES) were employed. The reaction conditions for the surface modification process were optimized to maximize the amount of silane groups grafted onto the sepiolite surface using the design of experiments (DoE) methodology. Dynamic shear rheology revealed the formation of a percolation network in the composites with the addition of 1 wt% unmodified sepiolite during in situ polymerization. Despite the low sepiolite content, the particle density was high enough to form a percolation network due to the excellent dispersion achieved through in situ polymerization. Furthermore, initial exploration was carried out on the preparation of foams from these nanocomposites. The cellular structure of the foams was examined using scanning electron microscopy (SEM). Itwas determined that the surface modification of sepiolite plays a crucial role in generating cellular structures through the covalent bonding between the polymer and the filler.