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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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Reciclagem
Redução do peso: Menor consumo de combustível
Nanotecnologia em Plásticos
PlásticosPlásticos
PropriedadesMecânicas
Absorçãoa UV
Superfícies Auto limpantes
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
PlásticosPlásticos
Ação Antimicrobiana
PropriedadesTérmicas
Barreira a gases
Tipos de nanocargas
Partículas esféricasExemplos: sílica, óxido de titânio, alumina
Fibras e nanotubosExemplo: Nanotubos de carbono
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
• 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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
-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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Fonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
Intercalação em solução
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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)
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
• Microscopia eletrônica de transmissão (MET)
• Microscopia de força atômica (AFM)
Nanocompósitos comerciais
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
GRAFENO – Conceitos e Propriedades
Um das Formas cristalina do carbono
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
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GRAFENO – Rotas de Obtenção
Natural Graphite
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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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Exemplo
GRAFENO – Propriedades dos Nanocompositos
Propriedades mecanicas
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
GRAFENO – Propriedades dos Nanocompósitos
Propriedades térmicas
120 PP-550P–––––––
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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 :
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
�Baixo custo;
�Abundância/ disponibilidade
�Baixa densidade;
�São atóxicas;
� Possibilidade de atuar como reforço em compósitos poliméricos.
Fibras naturais – Conceitos e propriedades
FIBRAS NATURAIS
VEGETAIS
CAULE: LinhoJuta
ANIMAIS
PÊLOS: ovelha; angorá
MINERAIS
mica.; asbestos
MICROBIANAS
CELULOSE BACTERIANA
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
FOLHA:BambuCurauá
SEMENTE:: Algodão
FRUTO: Coco
SECREÇÕES: Bicho-da- seda;
aranha
BACTERIANA
CELULOSE: Componentes, estrutura e designações
Fibras naturais – Conceitos e propriedades
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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.
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Fibras naturais
Fibras de reforço usadas em compósitos plásticos em 2002 (JOHN; THOMAS, 2008; NZIOKI, 2010)
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Fibras naturais
CurauáIndústria automobilística
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEISNANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA
INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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/
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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.
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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)
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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 naturais – Conceitos e propriedades
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Propriedades térmicas das fibras celulósicas
Fibras naturais – Conceitos e propriedades
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
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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.
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Propriedades mecanicas das fibras celulósicas: Efeito no nanocompósito
Fibras naturais – Efeitos nos materiais poliméricos
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
BISWAL et al
Fibras naturais
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Imagens de microscopia eletrônica de varredura: nanocompósito de PP/celulose microfibrilada
Fibras naturais – Animais
TUNICADO
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Fibras naturais – Reino monera
CELULOSE BACTERIANA
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
Fibras naturais – Reino Monera
CELULOSE BACTERIANA
NANOCOMPÓSITOS POLIMÉRICOS PARA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA AUTOMÓVEIS
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