Mechanochemical functionalization of carbon-based particles and magnetic nanoparticles with perfluoropolyethers (PFPEs)

This thesis investigates the mechanochemical functionalization of carbon-based particles and magnetic nanoparticles with perfluoropolyethers (PFPEs), proposing a sustainable and ecologically friendly method for material modification. The mechanochemical approach has been chosen as an alternative to the typical chemical synthesis method because it can decrease environmental concerns by limiting the use of solvents and by lowering energy consumption during the functionalization process. The selected starting materials are characterized by interesting properties including high electrical conductivity regarding carbon blacks, and superparamagnetism for magnetite nanoparticles. The research looks at the formation of chemical bonds between the material structures and PFPEs via a mechanochemical approach. The purpose is to add new functionalities to the input material generated by the functionalization agent. The new properties are a result of the strong chemical stability and hydrophobic nature of perfluoropolyethers (PFPEs). To examine visual and elemental differences, fluorine content on the surface, and changes in sample mass, several analytical techniques such as scanning electron microscopy, electron dispersive X-ray analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, and thermogravimetric analysis are used. The results show that functionalization significantly improves the original features of the materials by providing hydrophobicity and chemical stability, which could make them suitable for new applications. In the case of carbon black powders, the measured static contact angle increases from 80° to 136° through functionalization with Fomblin® YR. In the case of magnetite, where the main problem was the formation of agglomerates due to humidity absorption, the material’s behaviour shifts from complete absorption to the formation of a water droplet on the surface with a measured static contact angle of 131°. These findings underscore the effectiveness of functionalization in tailoring material properties and demonstrate the promise of mechanochemistry as a more ecologically friendly method of developing material science and nanotechnology applications.

L'obiettivo di questa tesi è la funzionalizzazione meccanochimica di materiali carboniosi e nanoparticelle magnetiche mediante l'utilizzo di perfluoropolieteri (PFPE). L'approccio proposto rappresenta un metodo sostenibile per la modifica dei materiali. La scelta dell'approccio meccanochimico è data dalla necessità di ridurre l'impatto ambientale, limitando l'uso di solventi e riducendo il consumo energetico durante il processo di funzionalizzazione. I materiali di partenza usati presentano interessanti proprietà, tra cui elevata conducibilità elettrica per i carbon black e superparamagnetismo per le nanoparticelle di magnetite. La ricerca si concentra sulla formazione di legami chimici tra il materiale di partenza e le catene di PFPE mediante un approccio meccanochimico, con l'obiettivo di conferire nuove funzioni al materiale grazie all'azione dell'agente funzionalizzante. I PFPE, caratterizzati da elevata stabilità chimica e idrofobicità, garantiscono nuove proprietà ai materiali funzionalizzati. Per analizzare le differenze visive ed elementali, il contenuto di fluoro sulla superficie e le variazioni di massa del campione, le tecniche analitiche usate sono: la microscopia elettronica a scansione, l'analisi di dispersione a raggi X, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e l'analisi termogravimetrica. I risultati evidenziano nuove proprietà nei materiali trattati, come l’idrofobicità e la stabilità chimica. Nel caso del carbon black, l'angolo di contatto misurato aumenta da 80° a 136° grazie alla funzionalizzazione con Fomblin® M100. La magnetite, invece, il cui principale problema è la formazione di agglomerati dovuta all’assorbimento di umidità, acquisisce alta idrofobicità. L’angolo di contatto misurato nel campione di magnetite funzionalizzata è infatti di 130°. Questi risultati sottolineano l'efficacia della funzionalizzazione nel modellare le proprietà dei materiali per soddisfare diverse esigenze specifiche. Questo studio dimostra quanto promettente sia la meccanochimica come metodo più ecologicamente sostenibile per lo sviluppo di applicazioni nella scienza dei materiali e nelle nanotecnologie.