Development and characterization of plasma-modified TiO2 polyetherimide nanocomposite fibers for organic compounds degradation

Abstract

Neste estudo foi avaliada a eficiência fotocatalítica, na degradação de compostos orgânicos, de fibras nanocompósitas de polieterimida (diâmetro médio de 691 ± 416 nm) incorporadas com nanopartículas de TiO2 e modificadas por plasma frio em atmosferas de ar e nitrogênio. Além disso, os efeitos dos tratamentos superficiais (plasma e UV) e quantidade de TiO2 incorporada foram avaliados na degradação térmica/flamabilidade das fibras de PEI. As fibras nanocompósitas de PEI e PEI-TiO2 foram caracterizadas por espectroscopia de refletância difusa UV-vis (DRS), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e ângulo de contato. A morfologia das fibras e resíduos da degradação térmica foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia no infravermelho (FTIR), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise termogravimétrica (TGA). Foi utilizado o calorímetro combustão-pirólise (PCFC) no estudo térmico. Os resultados sugerem que o tratamento com plasma modificou as ligações de nanopartículas TiO2 alterando quimicamente a superfície das fibras de PEI, tornando-as hidrofílicas. A análise XPS mostrou quebra de C-C/C-H, C-N e C-O dos grupos éter superficiais levando ao aumento das ligações carboxilas e O-C. Além disso, o tratamento com UV leva ao rompimento de ligações C-C/C-H, C-N. A modificação da superfície também acarreta uma diminuição na estabilidade térmica das fibras com uma pequena queda no valor da Tg e uma inicial redução do pico de temperaturas de degradação em ar comparando amostras sem tratamento. A incorporação de TiO2 leva à uma redução no pico da HRR, observada pela PCFC, mas nenhuma diferença significativa foi observada em termos de degradação térmica no TGA. Descoloração total de azul de metileno (MB) foi obtida após 70 min e 75% de degradação de laranja de metila (MO) e tetraciclina (TC) após 150 min. Além disso, o fotocatalisador imobilizado apresentou alta estabilidade em 5 ciclos sucessivos. Estes resultados mostram que as fibras de PEI-TiO2 modificadas pelo plasma são capazes de degradar compostos orgânicos. Além disso, os tratamentos superficiais não alteram de forma expressiva o comportamento térmico dos nanocompósitos de PEI e podem ser usados em materiais que precisem de características hidrofílicas e adesão.

Abstract : This study aims to evaluate the photocatalysis efficiency of polyetherimide fibers (average diameter of 691 ± 416 nm) with incorporated TiO2 nanoparticles (PEI-TiO2 nanocomposites fibers), modified by cold plasma in air and nitrogen atmospheres, regarding degradation of organic compounds. Moreover, the effect of plasma treatment, UV and the amount of TiO2 nanoparticles in thermal degradation/flammability of PEI nanocomposites were evaluated. PEI and PEI-TiO2 nanocomposites fibers were characterized by UV?vis diffuse reflectance spectroscopy (DRS), x-ray photoelectron spectroscope (XPS), transmission electron microscopy (TEM) and contact angle. The morphology of fibers and residues of thermal degradation was studied using scanning electronic microscopy (SEM), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). A pyrolysis combustion flow calorimeter (PCFC) was employed for a thermal study. The results suggested that the cold plasma treatment modified the TiO2 nanoparticles bonds by changing the chemical surface of the PEI nanocomposites, which became more hydrophilic. XPS analysis showed a break of C-C/C-H, C-N and C-O of the superficial ether groups leading to an increase of carboxyl and O-C bonds. In addition, UV treatment leads to the break of C-C/C-H, C-N bonds. Surface modification leads also to a decrease in thermal stability of PEI nanofibers with a small decrease in Tg and a reduction in onset and peak degradation temperatures under air compared to pristine PEI nanocomposite. Incorporation of TiO2 nanoparticles leads, as expected, to a reduction in pHRR observed by PCFC, but no significant difference was observed in terms of thermal degradation observed by TGA. A total discoloration of methylene blue (MB) was achieved after 70 min, as well as 75% of methyl orange (MO) and tetracycline (TC) after 150 min. Moreover, the immobilized photocatalyst had high stability and allowed 5 successive cycles. These results show that PEI-TiO2 nanocomposite fibers modified by plasma are able to degraded organic compounds. In addition, the surface treatments do not significantly change thermal behavior of PEI nanocomposites and could be used for materials that require hydrophilicity and adhesion characteristics.