Solvent-free amine functionalization of boron nitride nanotubes through exposure to a capacitively coupled radio-frequency plasma

Boron nitride nanotubes (BNNTs) have similar structure to carbon nanotubes (CNTs) and possess equally impressive properties.Wide bandgap semiconducting capabilities, high mechanical strength, and thermal and chemical stability are among the many commercially exploitable properties of BNNTs 1 .However, in order to apply BNNTs efficiently and effectively to commercial products, surface functionalization is required 2 .Unfortunately, surface functionalization is typically done using wet chemistry techniques that have many drawbacks and limitations associated with them, such as the harmful effects on the environment due to the large amounts of chemical waste produced.This master's thesis focuses on the solvent-free functionalization of BNNTs.Covalent functionalization of inert materials, such as BNNTs, has shown to be difficult.However, the highly reactive environment created by non-thermal plasmas can overcome these difficulties and promote covalent functionalization in a controlled and solvent-free environment 3 .During this project, a custom-built capacitively coupled radio-frequency (RF, 13.56 MHz) plasma system was successfully designed and constructed for the solvent-free covalent functionalization of BNNTs.This reactor is unique because it is capable of functionalizing BNNTs in flight, it is scalable and versatile; making it applicable for many chemical functionalities and applications.Amine functionalization has been the focus of this master's thesis because successfully adding amine functional groups to BNNTs can have a significant impact on the chemical industry, particularly with epoxide resins 4,5 .In this work, ammonia functional groups are successfully added to the surface of BNNTs using an Ar/NH3 plasma discharge at low pressure.As mentioned, this approach is completely solvent-free, allowing the functionalization of BNNTs to be achieved using II a novel environmentally friendly, scalable and inexpensive process.The surface functionalization was confirmed using extensive characterization techniques including tandem thermogravimetricinfrared spectroscopy (TGA-IR) analysis, Fourier transform infrared (FTIR), dynamic vapor sorption (DVS), a regiorandom poly(3-hexyl-thiophene) (rra-P3HT) surface quality characterization technique, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).As a result of functionalization, the amine functionalized BNNTs formed stable and uniform dispersions in water, which is not observed with the non-functionalized BNNTs.This environmentally friendly approach allows for the simple and efficient covalent functionalization of BNNTs; without the development of solvent-free functionalization methods, commercial use of BNNTs remains difficult to achieve.III ABRÉGÉ Ayant une structure similaire au nanotube de carbone (CNT), les nanotubes de nitrure de bore (BNNTs) possèdent des propriétés impressionnantes.La capacité semi-conductrice à large bande, la résistance mécanique élevée ainsi que la stabilité thermique et chimique ne sont que certaines des nombreuses propriétés commercialement exploitables des BNNTs.Toutefois, afin de rendre les BNNTs adéquats pour l'exploitation commerciale, ceux-ci requièrent une fonctionnalisation en surface.Malheureusement, les procédés de fonctionnalisation de surface actuels requièrent des techniques chimiques présentant plusieurs désavantages tels que l'impact environnemental associé à l'utilisation de grandes quantités de solvants.Cette étude vise donc le développement d'une méthode de fonctionnalisation de surface des BNNTs sans solvant, soit la fonctionnalisation de surface à l'aide d'un plasma hors équilibre.La fonctionnalisation covalente de matériaux inertes tels que les BNNTs comporte plusieurs défis.Par contre, l'environnement hautement réactif engendré par le plasma hors équilibre permet de surmonter ces défis et donc d'obtenir une fonctionnalisation en surface covalente sans solvant.Dans le cadre de ce projet, un réacteur plasma utilisant une décharge a couplage capacitif en radiofréquence (RF, 13,56 MHz) a été conçu et fabriqué pour effectuer la fonctionnalisation en surface des BNNTs sans solvant.Le réacteur conçu est unique puisqu'il permet la fonctionnalisation des BNNTs en vol, qu'il est adapté à la production de grands volumes et qu'il est polyvalent.Ces caractéristiques suggèrent que ce réacteur pourrait servir à différents procédés.Dans ce mémoire, l'accent a été mis sur la fonctionnalisation du groupement amine puisque son ajout à des BNNT peut avoir un impact significatif sur l'industrie chimique, plus IV particulièrement pour la production de résines époxydes.Dans cette étude, le groupement fonctionnel amine a été ajouté avec succès à la surface des BNNTs en utilisant une décharge Ar/NH3 a pression réduite.La fonctionnalisation de surface a été confirmée par l'utilisation de multiples techniques de caractérisation incluant l'analyse thermogravimétrique (TGA), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR), la gravimétrie d'absorption de vapeur d'eau (DVS), une technique de caractérisation de la qualité de surface utilisant le poly(3-hexylthiophene) regiorandom (rra-P3HT) et la spectroscopie de photoélectron X (XPS).Les résultats de ces analyses montrent, entre autres, que contrairement aux BNNTs non fonctionnalisés, ceux fonctionnalisés d'amine forment une dispersion uniforme et stable dans l'eau.Comme précédemment mentionné, cette approche est complètement sans solvant, ce qui permet la fonctionnalisation des BNNT de manière écoresponsable, à faible coût et potentiellement applicable à de grands volumes.Sans le développement d'une telle technique de fonctionnalisation sans solvant, l'utilisation commerciale des BNNTs demeure difficilement envisageable.

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