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Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ
Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano - IMA
Nanocompósitos poliméricos para aplicação na indústria
automobilística
Priscila Oliveira
Doutoranda
Rafael Araujo
Doutorando
Vinícius de Oliveira Aguiar
Mestrando
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 propriedades
mecânicas
Nanocompósitos
• 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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA
INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Vantagens Nanocompósitos
Indústria automobilística
Redução do peso: Menor consumo de combustível
Reciclagem
Nanotecnologia em Plásticos
Propriedades
Mecânicas
Absorção
a UV
Superfícies
Auto limpantes
Plásticos
Ação
Antimicrobiana
Barreira a
gases
Propriedades
Térmicas
Tipos de nanocargas
Partículas esféricas
Exemplos: sílica, óxido de titânio, alumina
Fibras e nanotubos
Exemplo: Nanotubos de carbono
Estrutura em camadas
Exemplo: 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
Tetraédrica SiO2
Octaédrica Al2O3
0.98 nm
Fonte: Adaptado - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
1 nm
Técnicas de obtenção de nanocompósitos
poliméricos
• Método de polimerização in situ
• Método de intercalação em solução
• Método de intercalação no estado fundido
Morfologia dos nanocompósitos
Fontes: - Fornes, T.D.; Paul, Polymer, v.13,
n°4, p. 212-217, 2003.- Bousmina, M. ;
Congresso PPS 2004 Americas Regional
Meeting - Novembro 2004
d = 2 - 3 nm
- Melhora nas prop.
mecânicas
- Peças automotivas
- Retardante de chama
d = 8 -10 nm
-Perda de propriedades.
mecânicas e melhoria nas
propriedades de barreira
-Embalagens (alimentos,
médicas, cosméticos)
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.
Obtenção de nanocompósito por fusão
• Nanocompósitos PP/Argila
– Obtenção via processamento
• Método principal
• Uso de extrusoras de rosca dupla (L/D > 36)
• Compatível com processos industriais
Polímero + compatibilizante
argila dispersa em nível
micrométrico
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 átomos
de
carbono
como
o diamante, a grafite,
os
nanotubos
de
carbono 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
–––––––
–––––––
–––––––
–––––––
–––––––
100
PP-550P
PPNT1-01
PPNT1-03
DPPNT1-01
DPPNT1-03
Weight (%)
80
60
40
20
0
30
130
230
330
430
Temperature (°C)
530
630
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
ANIMAIS
CAULE: Linho
Juta
PÊLOS: ovelha;
angorá
FOLHA:Bambu
Curauá
SECREÇÕES:
Bicho-da- seda;
aranha
MINERAIS
MICROBIANAS
mica.; asbestos
SEMENTE::
Algodão
FRUTO: Coco
CELULOSE
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.
Estrutura celulósica de fibra natural
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
Fibras naturais – Vegetais
Composição das fibras vegetais
TGA Baixa resistência à
degradação térmica da
fibra natural
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.
Fibras naturais
Métodos de isolamento de celulose a partir de
HIDRÓLISE
ÁCIDA
fibras
vegetais
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
Curauá
Fibras naturais
Côco
Fibras
naturais
COMPÓSITOS
http://targethd.net/2012/10/12/ford-avanca-no-uso-de-fibra-de-celulose-certificada-na-producao-de-pecas-de-automoveis/
Fibras naturais
Celulose
microfibrilada
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.
Fibras naturais
Métodos de isolamento de celulose a
Obtenção
de celulose
partir de fibras
vegetais
microfibrilada
Desintegração em câmara
em forma Z
Microfluidizador de alta pressão usado na produção de MFC na STFI- PAckforsk (ANKERFORS, 2006)
Propriedades térmicas das fibras
Chen e colaboradores (2011), assim como Panthapulakkal e Sain (2012) observaram aumento da
celulósicas
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
Temperaturas características dos eventos observados nos gráficos de TGA e DTG para as fibras
Gráficos obtidos da degradação oxidativa da fibra bruta, tratada e da nanocelulose
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.
OBTENÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS DE POLI(HIDRÓXIBUTIRATO) E POLIAMIDA-6
NANOCOMPÓSITOS
POLIMÉRICOS
PARA
APLICAÇÃO
NA
REFORÇADOS COM CELULOSE MICROFIBRILADA
OBTIDAS DE FIBRAS
DE EUCALIPTO
E MALVA
INDÚSTRIA
AUTOMÓVEIS
PRISCILA
FERREIRA DE OLIVEIRA
Fibras naturais – Efeitos nos materiais poliméricos
Massa (%)
Propriedades térmicas das fibras celulósicas:
Efeito no nanocompósito
Temperatura (⁰C)
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.
Fibras naturais – Efeitos nos materiais poliméricos
Propriedades mecanicas das fibras celulósicas:
Efeito no nanocompósito
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 Janeiro
Av. 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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