Nanocompositos com carga tridmensional

Nanocompositos com carga tridmensional

ENGENHARIA MECÂNICA

Nanocompósitos com Carga Tridimensional (Sílica e Negro de Fumo)

Disciplina: Ciência dos Materiais II

Alunos: Daniela Oliveira Raupp e Pedro Godinho

Sapucaia do Sul, 05 de Outubro de 2011

1. INTRODUÇÃO

A busca por novos materiais com propriedades diferenciadas é amplamente estudada no ramo da ciência dos materiais. Neste contexto, a nanotecnologia tem sido aplicada a fim de desenvolver materiais com características nunca antes encontradas. Devido a grande necessidade de geração de materiais com propriedades superiores (propriedades mecânicas, térmicas e de barreira, por exemplo) e ao fato dos polímeros puros não apresentarem o comportamento ou as propriedades necessárias para determinadas funções, novos materiais começaram a ser estudados.

A obtenção de nanocompósitos tem ajudado a suprir estas necessidades e visando à mudança nas propriedades, da origem a novos materiais e consequentemente novas aplicações. Os nanocompósitos são obtidos pela incorporação de nanocargas, tais como argila, sílica, nanotubos de carbono, entre outras, de dimensões nanométricas, na matriz polimérica. Uma das vantagens dos nanocompósitos poliméricos em relação aos compósitos convencionais é que os nanocompósitos podem apresentar propriedades mecânicas e térmicas similares ou superiores aos compósitos convencionais, utilizando-se uma quantidade muito pequena de carga (nanocarga ou nanopartícula).

A nanotecnologia engloba todo o tipo de desenvolvimento tecnológico dentro da escala nanométrica, geralmente entre 0,1 e 100 nanômetros. Um nanômetro equivale a um milionésimo de um milímetro ou a um bilionésimo de um metro. O prefixo “nano” tem origem grega e significa anão. A nanotecnologia é compreendida como o controle da matéria em dimensões nanométricas, onde fenômenos únicos permitem novas aplicações, abrangendo a ciência, a engenharia e a tecnologia na escala nano, e o desenvolvimento de novos materiais com propriedades e funcionalidades antes impossíveis de serem atingidas. Além de envolver o projeto, a produção, a caracterização e a aplicação de estruturas, dispositivos e sistemas controlando a forma e o tamanho nesta escala de comprimento.

2. NANOCARGAS / NANOPARTÍCULAS

As nanocargas ou nanopartículas podem ser compostos orgânicos ou inorgânicos, tais como: argilas, nanotubos de carbono, sílica, carbonato de cálcio, alumina, óxido de zinco etc. Todos esses aditivos são caracterizados por possuir ao menos uma das suas dimensões na escala nanométrica.

A incorporação de cargas (partículas) inorgânicas em polímeros origina materiais com maior resistência mecânica, maior estabilidade térmica ou com propriedades ópticas, magnéticas ou elétricas superiores. Com a evolução da tecnologia nos processos de fabricação de novos materiais houve o surgimento de diferentes tipos de nanocargas empregadas na área de polímeros. Estas proporcionam características únicas à matriz em função de seu grau de dispersão, orientação na matriz, adesão interfacial matriz-reforço, sua morfologia controlada e pequeno volume, por conseqüência grande área superficial.

A capacidade de reforço da carga depende da morfologia e do tamanho das partículas bem como do potencial de interação da superfície da carga. No caso de haver um alto potencial de interação, a carga estará mais dispersa e com isso há a formação de uma maior interfase polímero-carga. A interfase por unidade de volume produzida é determinada pelo grau de dispersão e pelo tamanho de partícula da carga.

As nanocargas são classificadas de acordo com o número de dimensões que ela possui na escala nanométrica, nos seguintes grupos:

_Lamelares (Unidimensional): uma das três dimensões da partícula de reforço está na escala nanométrica. Exemplos: grafeno e argila montmorilonita.

_Fibrosas (Bidimensional): duas dimensões nanométricas. Exemplos: nanowiskers de celulose e nanotubos de carbono.

_Isodimensionais ou esféricas (Tridimensional): quando apresentam três dimensões na escala nanométrica. Exemplos: nanopartículas metálicas, negro de fumo e a nanopartícula esférica de sílica, obtidas pelo método sol-gel in situ, ou pela polimerização promovida diretamente da superfície delas, entre outros. A sílica está sendo usada em diversos setores devido a sua resistência à abrasão, por ser isolante elétrico e por possuir alta estabilidade térmica.

3. NANOCOMPÓSITOS

Exemplo esquemático de métodos de obtenção de nanocompósitos:

Os constituintes de um nanocompósito são denominados de matriz e nanoreforço (ou nanocarga). A matriz pode ser simples ou multicomponente, podendo ser metálica, cerâmica ou polimérica. A principal função da matriz é dispersar o nanoreforço e, quando submetida a uma tensão mecânica, deformar a fim de distribuir e transferir as tensões para o componente de reforço. O nanoreforço deve suportar a carga aplicada ao material limitando a deformação do mesmo, e ao mesmo tempo aumentando resistência, dureza, rigidez e diminuindo a corrosão e a fadiga quando comparado o nanocompósito com a matriz.

Além da matriz, a classificação dos nanocompósitos depende da natureza da carga, tipo de dispersão e método de preparação. Nanocarga é uma nova geração de classe de cargas, podendo apresentar-se com formas variando de isotrópica a altamente anisotrópica. Estas características geram uma grande área superficial específica, a qual associada à dispersão uniforme é uma das razões porque a natureza do reforço nos nanocompósitos é diferenciada e seu efeito é detectado a partir de teores muito baixos de carga, geralmente inferiores a 10%.

Os componentes de um nanocompósito podem ser de natureza inorgânica/inorgânica, inorgânica/orgânica ou ainda orgânica/orgânica. Tal como acontece nos compósitos tradicionais, um dos componentes serve de matriz, na qual as partículas do segundo material se encontram dispersas. As cargas ou partículas tendo dimensões nanométricas (1-100 nm) apresentam uma área de superfície elevada, promovendo melhor dispersão na matriz polimérica e por isso uma melhoria das propriedades físicas do compósito que dependem da homogeneidade do material.

Abaixo temos um exemplo de polimerização em emulsão utilizada para reações de encapsulamento de partículas inorgânicas. Esta estratégia foi utilizada na preparação de um nanocompósito de SiO2/PS (natureza inorgânico/orgânico) utilizando um surfactante comercial e partindo de nanopartículas de SiO2 previamente dispersas na fase aquosa. No nanocompósito final foram identificadas partículas de SiO2 encapsuladas com morfologia do tipo "núcleo-coroa".

A interação dessas partículas nanométricas com as moléculas do polímero ocorre em escala molecular, além disso, a área superficial onde estas interações ocorrem é extremamente maior em comparação com os materiais de dimensões convencionais, tais fatores determinam uma melhoria significativa das propriedades da resina-base, normalmente maior do que se verifica em compósitos tradicionais.

Nanocompósitos normalmente contém de 2 a 10% de carga (nanopartícula) com melhoria de propriedades igual ou superior ao efeito observado em compósitos tradicionais contendo de 20 a 35% de carga.

Devido ao fato do tamanho de partícula ser diferenciado, entre os compósitos e nanocompósitos, o comportamento previsto para as propriedades esperadas podem alterar-se drasticamente. Devido à mudança de tamanho (para a escala nanométrica) e sem mudança na substância, características fundamentais da matéria, tais como condutividade elétrica, cor, dureza, ponto de fusão, podem sofrer mudanças totais, por exemplo: O ouro normalmente e amarelo, o "nano" ouro e vermelho;

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

1. ALMEIDA, A.S. Obtenção e Caracterização de Nanocompósitos de Poli(L-lactídeo) e Nanopartículas de Argila Sódica, Argilas Organofílicas e Óxidos de Sílica. Dissertação de mestrado, Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano da Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2010

2. Mignoni, M.L. Síntese, Caracterização e Aplicações de Nanocompósitos Polímero-Argila. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2008

3. ESTEVES, A.C.C.; TIMMONS, A.B.; TRINDADE, T. Nanocompósitos de Matriz polimérica: Estratégias de Síntese de Materiais Híbridos. Departamento de Química, CICECO, Universidade de Aveiro - Portugal,Artigo publicado na Web em 2004

4. MEDEIROS, E.S.; PATERNO, L.G.; MATTOSO, L.H.C. Nanotecnologia.

5. FERREIRA, C.I. Nanocompostos PP/Grafite: Obtenção de Propriedades. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2008

6. AZEREDO, L.k. Obtenção e Propriedades de Nanocompósitos Borracha/Argila a Partir de Látices de Borrachas Comerciais e Borrachas Epoxidadas. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2009

7. WASHBURGER, M.R. Compósitos de Polipropileno com Nanocarga. Dissertação de mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2006.

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