Decoration of sp2 carbon allotropes with oxygenated functional groups for 3D architectures in polymer nanocomposites

Carbon allotropes, particularly nanosized, are precious building blocks for the preparation of advanced composite materials, with outstanding thermal, electrical, mechanical properties. Condicio sine qua non is the compatibilization of the carbon allotropes with the matrix. A challenging objective is the use of carbon allotropes to create 3D architectures. In this thesis, sp2 carbon allotropes, such as carbon nanotubes, graphene layers and carbon black, were decorated without appreciably altering their chemical and bulk structure, with a variety of oxygenated functional groups. A versatile, facile and sustainable functionalization method inspired to the basic principles of green chemistry was used, with easily available chemicals and experimental techniques. Decoration led to a modification of the solubility parameters of the carbon allotropes, evaluated by combining experimental data and theoretical elaborations. Carbon allotropes were then used as building blocks for polymeric 3D architectures, exploiting the chemical reactivity of functional groups and preparing the following nanocomposite materials; biobased aerogels and carbon papers, obtained by crosslinking graphene layers with chitosan; polyurethanes, prepared with carbon allotropes as comonomers; natural rubber based compounds with much improved carbon allotropes dispersion, thanks to their segregation around rubber particles in NR latex. Sustainable functionalization of sp2 carbon allotropes appears to pave the way for the preparation of innovative materials.

Gli allotropi del carbonio, in particolare di dimensioni nanometriche, sono preziosi componenti per la preparazione di materiali compositi avanzati, con eccezionali proprietà termiche, elettriche e meccaniche. Condicio sine qua non è la compatibilizzazione degli allotropi con la matrice. Un obiettivo stimolante è l’uso degli allotropi del carbonio per creare strutture 3D. In questa tesi, gli allotropi del carbonio sp2, in particolare nanotubi di carbonio, fogli di grafene e carbon black, sono stati decorati, senza alterare in modo apprezzabile la loro chimica e la loro struttura, con una varietà di gruppi funzionali ossigenati. È stato utilizzato un metodo di funzionalizzazione versatile, semplice e sostenibile, ispirato ai principi della chimica verde, con sostanze chimiche facilmente accessibili e tecniche sperimentali semplici. Tale decorazione ha portato ad una modifica dei parametri di solubilità, che sono stati valutati combinando dati sperimentali con elaborazioni teoriche. Gli allotropi del carbonio sono poi stati usati come building blocks in strutture polimeriche 3D, sfruttando la reattività dei gruppi funzionali, preparando i seguenti materiali compositi nanometrici: aerogel e carbon paper di origine biologica, ottenuti dal crosslink di fogli di grafene e chitosano; Poliuretani, in cui si sono introdotti gli allotropi del carbonio come comonomeri; compositi di gomma naturale con una migliorata dispersione dell’allotropo, ottenuti grazie alla segregazione intorno alle particelle di gomma nel lattice. La funzionalizzazione sostenibile degli allotropi del carbonio sp2 sembra aprire la strada per la preparazione di materiali innovativi.