Synthesis and characterization of electrically conductive bacterial cellulose-polypyrrole composites using alternative synthesis methods

Abstract

As the era of the nanomaterials draws near, the electrically conductive polymeric materials have been receiving increasing attention towards the development of diverse applications in electronics, sensors and actuators. Among these materials, the intrinsic conductive polymers (ICPs) stand out, namely polypyrrole (PPy), an inexpensive and highly conductive ICP (up to 500 S.m-1) of facile synthesis, environmentally stability and biocompatibility. By its turn, bacterial cellulose (BC), a biopolymer with highly versatile characteristics, namely chemical purity (0% pectins and hemicelluloses), high crystallinity (95%), low density (1.25 g cm-3), high surface area (37 m2g-1) as well as excellent mechanical properties (Young’s modulus of approx. 15-35 GPa) and low-cost production, have also been drawing a lot of attention. With a combination of these material’s promising characteristics in sight, the aim of this work was to obtain electrically conductive BC-PPy composites via in situ polymerization. This was achieved by using wet chemical polymerization method. Never-dried and freeze-dried BC thin films were used as the templates for monomer deposition and polymerization. Additionally, an adaptation of the chemical vapour deposition synthesis method was also implemented and tested. The effect of freezedrying towards the conductivity of the composites was also assessed as it showed promise attending to some published results where the composites are freeze-dried. Electrically conductive BC-PPy composites exhibiting tailor-made conductivity, which varied depending on the synthesis method selected, were obtained. These conductivities vary between the ranges of 3x10-5 and 5x10-5 S.m-1 (CVD) and 3-140 S.m-1 (WCP), depending on processing method. Additionally, the composites were characterized, alongside the BC and PPy, using a different set of analytical techniques such as conductivity assays, tensile testing, thermogravimetric analyses (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy by attenuated reflectance (FTIR-ATR), X-ray diffraction crystallography (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). This characterization lead to the conclusion that the BC fibres not only were completely coated by a PPy layer but that a chemical interaction between them also exist.

Dada a crescente popularidade dos nanomateriais, os materiais poliméricos electricamente condutores sido alvo de atenção crescente no contexto do desenvolvimento de diversas aplicações no ramo da electrónica, dos sensores e actuadores. Destes materiais, destacam-se os polímeros intrinsecamente condutores (PIC), nomeadamente o polipirrol (PPy), um PIC low cost, altamente condutor (≤500 Sm- 1), de síntese fácil, e altamente estável no ambiente bem como biocompatível. A celulose bacteriana (CB), um biopolímero com características altamente versáteis, nomeadamente a sua pureza química (0% pectinas e hemiceluloses), elevada cristalinidade (95%), baixa densidade (1,25 g.cm-3), grande área superficial (37 m2.g -1), bem como excelentes propriedades mecânicas (módulo de Young de ~15-35 GPa) e produção de baixo custo, também tem demonstrado uma crescente popularidade. Com a combinação das características promissoras destes materiais em vista, este trabalho visou obter compósitos electricamente conductores de CB-PPy via polimerização in situ. Para este fim, para além do método tradicional de polimerização química em solução (PQS), uma adaptação desta técnica foi testada, tendo-se usado BC liofilizada alternativamente à hidratada. Paralelamente, também foi testada adaptação do método de síntese por deposição química de vapor (DQV). O efeito da liofilização na condutividade dos compósitos também foi avaliado, visto que se revelou promissor dado alguns resultados encontrados na literatura em que há liofilização dos compósitos. Foram obtidos compósitos porosos e não-porosos de BC-PPy com conductividade tailor-made, i.e., variável (3x10-5 a 5x10-5 S.m-1 (DQV) e 3-140 S.m-1 (PQS)) consoante o método de síntese utilizado. Finalmente, os compósitos foram caracterizados, conjuntamente com a CB e o PPy, usando um conjunto de diferentes de técnicas analíticas tais como ensaios de condutividade elétrica, ensaios mecânicos, análise termogravimétrica, espectroscopia de infravermelho por reflectância atenuada, cristalografia por diffracção de raios-X e microscopia eletrônica de varrimento. Esta caracterização permitiu concluir que ocorre o revestimento total das fibras de CB pelo PPy, bem como existe uma interacção química entre a CB e o PPy.