Boron Nitride Nanotubes: Understanding Dispersibility and Functionalization to Improve Dispersion into Elastomers

Les nanotubes de nitrure de bore (BNNT) sont des nanofeuilles laminées composées d'atomes de B et de N alternés dans un réseau en nid d'abeille. Ils alimentent l’intérêt des scientifiques depuis plusieurs décennies en raison de leurs propriétés extraordinaires : ils possèdent des propriétés mécaniques compétitives ainsi qu'une grande stabilité chimique et thermique. De façon similaires que les nanotubes de carbone (CNT), les BNNT possèdent une conductivité thermique élevée, mais diffèrent par leur comportement électrique : ce sont des isolants électriques. Ils sont donc de parfaits candidats pour la fabrication de composites polymères nécessitant une conductivité thermique et une isolation électrique élevées, comme dans les dispositifs électroniques. Néanmoins, la principale limitation lors de l'incorporation des BNNT (et en général des nanoparticules) dans des polymères ou des milieux liquides est leur tendance à s'agglomérer en raison de leur énergie de surface élevée. L'incompatibilité entre les nanotubes et le milieu liquide peut également poser un problème. Des traitements de surface sont généralement effectués aux nanoparticules afin d’améliorer leur compatibilité avec les polymères. Ces traitements peuvent être divisés en approches covalentes et non covalentes. Ces dernières impliquent souvent l'utilisation d'un surfactant ou d'un polymère pour envelopper la surface des nanotubes sans endommager leur structure chimique. Bien que ces techniques préservent les propriétés intrinsèques des nanotubes, elles souffrent d'une déstabilisation à des températures aussi basses que 70 °C. En revanche, les approches covalentes sont privilégiées pour les applications à haute température. Elles impliquent la fixation de nouvelles espèces chimiques sur les BNNT, modifiant la chimie de leur surface et parfois leurs propriétés. Selon l'application finale, une fonctionnalisation ou l'autre est préférée. Les BNNT possèdent un caractère polaire léger, dû à leurs liaisons ioniques partielles B-N. Pour réussir leur incorporation dans des polymères non polaires, des traitements physiques ou chimiques sont souvent nécessaires. Le caoutchouc styrène-butadiène (SBR), un polymère non polaire, possède des propriétés intéressantes qui le rendent attrayant pour les applications nécessitant une grande déformabilité, comme dans l'industrie du pneu. Cependant, ce matériau d’intérêt présente un inconvénient majeur: sa faible conductivité thermique.

Abstract

Boron nitride nanotubes (BNNTs) are rolled nanosheets composed of alternating B and N atoms in a honeycomb network. They have attracted scientific attention in the last decades due to their extraordinary properties: they possess competitive mechanical properties, as well as high chemical and thermal stabilities. Similar to carbon nanotubes (CNTs), they possess a high thermal conductivity, but differ in their electrical behavior: BNNTs are electrical insulators. Thus, BNNTs are perfect candidates for fabrication of polymeric composites requiring high thermal conductivity and electrical insulation, such as in electronic devices. Nevertheless, the main limitation when incorporating BNNTs (and in general, nanoparticles) into polymers or liquid media is their tendency to agglomerate due to their high surface energy. The incompatibility of the nanotubes and the liquid media may be an issue as well. Surface treatments of nanoparticles are often performed to improve their compatibility with polymers. These treatments can be divided into covalent and non-covalent approaches. Non-covalent techniques often involve the use of a surfactant or polymer to wrap the surface of the nanotubes, with no damage to their chemical structure. Although these techniques preserve the intrinsic properties of the nanotubes, they suffer from destabilization at temperatures as low as 70 °C. On the other hand, covalent approaches are preferred for applications at high temperatures. They involve the attachment of new chemical species on the BNNTs, modifying its surface chemistry, and sometimes, its properties. Depending on the final application, one functionalization or the other is preferred. BNNTs posses a mild polar character, due to their partial ionic B-N bonds. For their successful incorporation into non-polar polymers, physical or chemicals treatments are often required. Styrene-butadiene rubber (SBR), a non-polar polymer, possesses interesting properties which makes it attractive for applications requiring high deformability, such as in the tire industry. However, one drawback it its low thermal conductivity.