29-14.30-nanocompósitos-poliméricos-para

Nanocompósitos poliméricos para aplicação na indústria automobilística

Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ

Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano - IMA

Rafael AraujoDoutorando

Vinícius de Oliveira AguiarMestrando

Priscila OliveiraDoutoranda

O que são Nanocompósitos Poliméricos?

Materiais constituídos por:Fase dispersante (contínua) → Polímero

Fase dispersa (descontínua) → Nanocarga

Nanocarga → Pode ter a finalidade de reforço!

Nanotecnologia em Plásticos

Compósitos convencionais• materiais heterogêneos• carga de 20- 40 % g (fibra de vidro)• partículas dispersas na matriz (10-6m)

melhorar as propriedadesmecânicas

Nanocompósitos• carga de 2 - 5 % g (Exemplo: montmorilonita -

NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS

• carga de 2 - 5 % g (Exemplo: montmorilonita -aluminosilicatos)• partículas com uma das dimensões na ordem de 10-9m

Fonte: Adaptado - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003

Vantagens Nanocompósitos

Indústria automobilística

Redução do peso: Menor consumo de combustível


Reciclagem

Redução do peso: Menor consumo de combustível

Nanotecnologia em Plásticos

PlásticosPlásticos

PropriedadesMecânicas

Absorçãoa UV

Superfícies Auto limpantes


PlásticosPlásticos

Ação Antimicrobiana

PropriedadesTérmicas

Barreira a gases

Tipos de nanocargas

Partículas esféricasExemplos: sílica, óxido de titânio, alumina

Fibras e nanotubosExemplo: Nanotubos de carbono


Exemplo: Nanotubos de carbono

Estrutura em camadasExemplo: Argila montmorilonita (MMT

Fontes: - Fornes, T.D.; Paul, D.R. Polymer, v.13, n°4, p. 212-217, 2003.- Bousmina, M. ; Congresso PPS 2004 Americas Regional Meeting - Novembro 2004.

Estrutura da montimorilonita

0.98 nm

1 nm

Tetraédrica SiO2

Octaédrica Al2O3


0.98 nm

Fonte: Adaptado - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.

Técnicas de obtenção de nanocompósitospoliméricos

• Método de polimerização in situ

• Método de intercalação em solução


• Método de intercalação em solução

• Método de intercalação no estado fundido

d = 8 -10 nm-Perda de propriedades.

Fontes: - Fornes, T.D.; Paul, Polymer, v.13, n°4, p. 212-217, 2003.- Bousmina, M. ;Congresso PPS 2004 Americas RegionalMeeting - Novembro 2004

Morfologia dos nanocompósitos


-Perda de propriedades.mecânicas e melhoria naspropriedades de barreira-Embalagens (alimentos,médicas, cosméticos)

d = 2 - 3 nm- Melhora nas prop.mecânicas- Peças automotivas- Retardante de chama

Polimerização in situ


Fonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.

Intercalação em solução


Fonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.

• Nanocompósitos PP/Argila

– Obtenção via processamento

• Método principal

• Uso de extrusoras de rosca dupla (L/D > 36)

• Compatível com processos industriaisargila dispersa em nível

micrométrico

Obtenção de nanocompósito por fusão

Polímero + compatibilizante argila

argila dispersa em nível

nanométrico


Fontes: - Dennis, H.R. e colaboradores. Polymer, v.42, p. 9513, 2001.

- Peltola, P. e colaboradores. Polymer Engineering and Science, v.46, p. 995, 2006.

Caracterização dos nanocompósitos

Análise Morfológica

• Difração de raio-X (DRX)


• Microscopia eletrônica de transmissão (MET)

• Microscopia de força atômica (AFM)

Nanocompósitos comerciais


GM (General Motors) fabrica partes dos carros com redução de 7% do peso,estabilidade dimensional com alterações de temperatura.Fonte:GM- Nanocomposites 2004 e GM- website 2005.

Nanocompósitos comerciais


GM fabrica estribo (nanocompósito de poliolefinas) de um modelo van.

Fonte:GM- Nanocomposites 2004 e Plastic Technology – October 2001

Aplicação de nanocompósitos na área automobilística


GRAFENO – Conceitos e Propriedades

Um das Formas cristalina do carbono


Folha plana de átomosde carbono comoo diamante, a grafite,os nanotubos decarbono e fulerenos

“ Cem mil vezes mais fino que fio de cabelo, grafeno é aposta para o futuro” “Composto deu Nobel de Física aos cientistas que o

descobriram em 2004. Aplicação do material deve

beneficiar tecnologia e até mesmo a saúde”

GRAFENO - Propriedades


Formas e disposições dos átomos de carbono

building blocks of all graphitic forms (Kim et al., 2010)

GRAFENO – Rotas de Obtenção SWCNT Nanolaminas de grafeno


GRAFENO – Rotas de Obtenção

Natural Graphite


GRAFENO – Funcionalização

Funcionalização química com intercalantes ácidos aumentam o espaço interlamelar, o que facilita a dispersão na matriz polimérica e também a aplicação como um suporte para os catalisadores para a produção de polipropileno.

Devido à boa afinidade para compostos orgânicos e polímeros, estes grupos funcionais podem interagir, auxiliando a obtenção de nanocompósitos


Exemplo

GRAFENO – Propriedades dos Nanocompositos

Propriedades mecanicas


GRAFENO – Propriedades dos Nanocompósitos

Propriedades térmicas

120 PP-550P–––––––


0

20

40

60

80

100

Wei

ght (

%)

30 130 230 330 430 530 630

Temperature (°C)

PP-550P––––––– PPNT1-01––––––– PPNT1-03––––––– DPPNT1-01––––––– DPPNT1-03–––––––

GRAFENO – Aplicações comerciais


The vehicle also benefits from ultra-lightweight construction, and would be manufactured using the ‘miracle material’ graphene – so called because of its revolutionary properties which makes it 200 times stronger than steel and lighter than carbon fibre.

Fibras naturais – Conceitos e propriedades

Diversos trabalhos tratam da aplicação de fibras naturais celulósicas em

compósitos e nanocompósitos termoplásticos.

Dentre as principais razões para o uso dessas fibras como reforço em

matrizes poliméricas , listam-se :


�Baixo custo;

�Abundância/ disponibilidade

�Baixa densidade;

�São atóxicas;

� Possibilidade de atuar como reforço em compósitos poliméricos.

Fibras naturais – Vegetais


FIBRAS NATURAIS

VEGETAIS

CAULE: LinhoJuta

ANIMAIS

PÊLOS: ovelha; angorá

MINERAIS

mica.; asbestos

MICROBIANAS

CELULOSE BACTERIANA


FOLHA:BambuCurauá

SEMENTE:: Algodão

FRUTO: Coco

SECREÇÕES: Bicho-da- seda;

aranha

BACTERIANA

CELULOSE: Componentes, estrutura e designações


SIRÓ, I.; PLACKETT, D. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose, v. 17, p. 459–494, 2010.

Kukle, S.; Grāvītis, J.; Putniņa, A.; Stikute, A. THE EFFECT OF STEAM EXPLOSION TREATMENT ON TECHNICAL HEMP FIBRES. Environment. Technology. Resources Proceedings of the 8th International Scientific and Practical Conference. v. 1, 2011

Estrutura celulósica de fibra natural


Composição das fibras vegetais

Fibras naturais – Vegetais

PARK, J. –M.; KIM, P. –G.; JANG J. –H.; WANG, Z.; HWANG, B. –S.; DEVRIES, K. L. Interfacial evaluation and durability of modified jute fibers/ Polypropylene composites using micromechanical test and acoustic emission. Composites: Part B, v.39, p. 1042 – 1061, 2008.

TGA � Baixa resistência à degradação térmica da fibra natural


Métodos de isolamento de celulose a partir de fibras vegetaisHIDRÓLISE ÁCIDA

Fibras naturais

Formação de nanocristais de celulose pela hidrólise seletiva das regiões amorfas das fibrilas de celulose e imagem de diferença de contraste de fase

de microscopia de força atômica (AFM) Isolamento de microfibras de celulose microcristalina

Silva, R., Haraguchi, S. K., Muniz, E.C.,Rubira, A. F. Química Nova, v. 32, n. 3, 661-671, 2009.Orts, W. J.; Shey, J.; Iman, S. H.; Glenn, G. M.; Guttman, M. E.; Revol, J.F. Journal of Polymers and the Environment, v. 13, n. 4, 301-306, 2005.


Fibras naturais

Fibras de reforço usadas em compósitos plásticos em 2002 (JOHN; THOMAS, 2008; NZIOKI, 2010)


Fibras naturais

CurauáIndústria automobilística

NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEISNANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA

INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS

Fibras naturais

CôcoIndústria automobilística

COMPÓSITOSIndústria automobilística

Fibras naturais

http://targethd.net/2012/10/12/ford-avanca-no-uso-de-fibra-de-celulose-certificada-na-producao-de-pecas-de-automoveis/


Celulose microfibrilada

Fibras naturais

Imagens de SEM de microfibibrilas isoladas a partir de fibras Lyocell por tratamento ultrassônico (AR= razão de aspecto)

CHENG, Q.; WANG, S.; RIALS, T.G.; LEE, S.-H. Physical and mechanical properties of polyvinyl alcohol and polypropylene composite materials reinforced with fibril aggregates isolated from regenerated cellulose fibers. Cellulose, v. 14, p. 593 - 602, 2007.


Métodos de isolamento de celulose a partir de fibras vegetais

Desintegração em câmara em forma Z

Obtenção de celulose microfibrilada

Fibras naturais

Microfluidizador de alta pressão usado na produção de MFC na STFI- PAckforsk (ANKERFORS, 2006)


Propriedades térmicas das fibras celulósicasChen e colaboradores (2011), assim como Panthapulakkal e Sain (2012) observaram aumento da

resistência à degradação térmica.Diferentemente dos resultados obtidos por Tonoli e colaboradores (2012).


Fibras moídas

Fibras refinadas

Micro/nanofibras sonificadas

Whiskers (hidrólise 60 min)

Whiskers (hidrólise 30 min)

Temperatura (˚C)

Termograma de TG das fibras, micro/nanofibrilas e whiskers: a) detalhe da temperatura inicial de degradação (Tonset)

TONOLI,G.H.D.; TEIXEIRA, E.M.; CORRÊA, A.C.; MARCONCINI, J. M.; CAIXETA, L.A.; PEREIRA-DA-SILVA, M.A.; MATTOSO, L.H.C. Cellulose micro/nanofibres from Eucalyptus Kraft pulp: Preparation and properties. Carbohydrate Polymers, p. 80–88, 2012


Propriedades térmicas das fibras celulósicas


OBTENÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS DE POLI(HIDRÓXIBUTIRATO) E POLIAMIDA-6REFORÇADOS COM CELULOSE MICROFIBRILADA OBTIDAS DE FIBRAS DE EUCALIPTO E MALVA

PRISCILA FERREIRA DE OLIVEIRA

Temperaturas características dos eventos observados nos gráficos de TGA e DTG para as fibras

Cordeiro, E.M.S.; Pereira, A.L.S.; Nascimento, D.M.; Morais, J.P.S.; Filho, M.S.M.S.; Rosa, M.F. Extração e caracterização de nanocelulose de fibras do pseudocaule da bananeira.

Gráficos obtidos da degradação oxidativa da fibra bruta, tratada e da nanocelulose


Mas

sa (

%)

Propriedades térmicas das fibras celulósicas: Efeito no nanocompósito

Fibras naturais – Efeitos nos materiais poliméricos

Temperatura (⁰C)

Mas

sa (

%)

Termograma de borracha NR pura e whiskers de nanocompósitos NR/celulose mostrando o comportamento de degradação

VISAKH, P. M.; THOMAS, S..; OKSMAN, K.; MATHEW, A.P. Crosslinked natural rubber nanocomposites reinforced with cellulose whiskers isolated bamboo waste: Processing and mechanical/thermal properties. Composites: Part A, v. 43, p. 735- 741, 2012.


Propriedades mecanicas das fibras celulósicas: Efeito no nanocompósito

Fibras naturais – Efeitos nos materiais poliméricos


BISWAL et al

Fibras naturais


Imagens de microscopia eletrônica de varredura: nanocompósito de PP/celulose microfibrilada

Fibras naturais – Animais

TUNICADO


Fibras naturais – Reino monera

CELULOSE BACTERIANA


Fibras naturais – Reino Monera

CELULOSE BACTERIANA


Obrigado.

Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano – Universidade Federal do Rio de JaneiroAv. Horácio Macedo, 2030 . Centro de Tecnologia . Bloco J . Cidade Universitária . CEP 21941-598

Caixa Postal 68.525 . Rio de Janeiro, RJ . Brasil . Fax: 55 0XX21 2270-1317 . www.ima.ufrj.br

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