Técnicas de obtenção de nanocompósitos poliméricos
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Técnicas de obtenção de nanocompósitos poliméricos

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Palestra realizada no dia 23 de março de 2011 na UCS, com um público de 45 pessoas (estudantes e profissionais), com apoio do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies.

Palestra realizada no dia 23 de março de 2011 na UCS, com um público de 45 pessoas (estudantes e profissionais), com apoio do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies.

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  • 1. 1 Técnicas de obtenção denanocompósitos poliméricos Profa. Dra. Laura Berasain Gonella (UCS) Equipe Executora: Profa.Dra. Janaina da Silva Crespo (UCS) Profa.Dra. Raquel S. Mauler (UFRGS) Msc. Larissa N. Carli (UFRGS) Profa. Dra. Giovanna Machado (CETENE-PE) Prof. Msc. Glaúcio A. Carvalho (UCS)
  • 2. 2 Compósitos Versus Nanocompósitos  Compósitos convencionais materiais heterogêneos carga de 20- 40 % g (fibra de vidro) melhorar as propriedades partículas dispersas na matriz (10-6m) mecânicas  Nanocompósitos carga de 2 - 5 % g (Exemplo: montmorilonita - aluminosilicatos) partículas com uma das dimensões na ordem de 10-9m c =100 - 500 nm r = c/e e~1 nmRazão de aspecto (r)grande: permite a adição  área superficial: interage maisde menos carga com o polímeroFonte: Adaptado - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 3. 3 Vantagens Nanocompósitos Materiais mais leves com melhores propriedades mecânicas, alta resistência térmica e estabilidade dimensional Indústria automobilística Redução do peso: Menor consumo de combustível Reciclagem
  • 4. 4 Vantagens Nanocompósitos Materiais anti-chama e com alta estabilidade térmica Indústria de fios elétricos Melhora das propriedades de barreira a gases e transparência Indústria de embalagens
  • 5. 5 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.
  • 6. 6 Morfologia dos nanocompósitos - d = 8 -10 nm -Perda de prop. mecânicas e melhoria nas prop. de barreira- d = 2 - 3 nm -Embalagens (alimentos,- Melhora nas prop. médicas, cosméticos)mecânicas- Peças automotivas- Retardante de chama Fontes: - Fornes, T.D.; Paul, Polymer, v.13, n° 4, p. 212-217, 2003. - Bousmina, M. ; Congresso PPS 2004 Americas Regional Meeting - Novembro 2004.
  • 7. 7 Caracterização dos nanocompósitosAnálise Morfológica Difração de raio-X (DRX) Microscopia eletrônica de transmissão (MET) Microscopia de força atômica (AFM)
  • 8. 8 Estrutura da montimorilonita Tetraédrica SiO2Octaédrica Al2O3 1 nmTetraédrica SiO2 0.98 nm  MMT: íons de sódio e cálcio: não tem interação com o polímero orgânico Modificação orgânica com sal de amônio: promove a interação com o polímero Fonte: Adaptado - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 9. 9 Estrutura das argilas MMT MMTNa+ d=1,32 nm - CH2CH2OH Cl (EtOH)2M1T1N+ + EtOH = hidróxi etilCLOISITE® 30B T N CH3 M = metil 90 meq/100g argila T = graxo CH2CH2OH d=1,85nm HT = graxo hidrogenado Cl- CH3CLOISITE ®15A M2(HT)2N+ HT N CH3 125 meq/100g argila d=3,23 nm HT Fonte: Adaptado www.nanoclay.com
  • 10. 10 Análise Morfológica por DRX das MMT 2 = 2,75° MMTNa+: d = 1,32 nm + MMT-M2(HT)2N MMT-(EtOH)2M1T1N+: d = 1,89 nm 2 = 4,75° Intensidade(cps) 2 = 6,9° MMT-(EtOH) M T N + MMTNa+ não modificada 2 1 1 MMT-M2(HT)2N+: d = 3,54 nm 2 = 6,8° d = 1,31 nm MMTNa+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2(graus)Fonte: Dados experimentais do Doutorado de Laura Gonella, 2007.
  • 11. 11 Análise Morfológica por MEV das MMT Aumento da distância entre as galerias 2 m 2 m Área elevada MMTNa+ MMT-(EtOH)2M1T1N+ espessura baixaFonte: Dados experimentais do Doutorado de Laura Gonella, 2007.
  • 12. 12 Análise da composição química da MMTNa+ (EDS) AluminosilicatosFonte: Dados experimentais do Doutorado de Laura Gonella, 2007.
  • 13. 13 Análise da composição química da MMT-(EtOH)2M1T1N+ (EDS) Presença de carbono: grupo graxoFonte: Dados experimentais do Doutorado de Laura Gonella, 2007.
  • 14. 14 Condições para obtenção dos nanocompósitos Interação argila/polímero - estrutura orgânica do modificador - concentração do modificador % g de argila boa dispersão da argila na matriz poliméricaFonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 15. 15 Nanocompósitos comerciais Bayer AG fabrica embalagens a base de nanocompósitos de nylon 6 com argila modificada organicamente.• espessura de cada folha <  da luz  área superficial das camadas: dificulta a• orientação preferencial das folhas: não difusão dos gasesrefletem e nem desviam a luz: transparência Fonte: www.bayer.com
  • 16. 16 Nanocompósitos comerciais Honeywell fabrica garrafas com multicamadas de PET/Nanocompósito de PA/PET. • Barreira à gases • Boa adesão entre PET e PAFonte: www.honeywell.com
  • 17. 17 Nanocompósitos comerciais GM fabrica estribo (nanocompósito de poliolefinas) de um modelo van.Fonte:GM- Nanocomposites 2004 e Plastic Technology – October 2001
  • 18. 18 Nanocompósitos comerciais GM fabrica partes dos carros com redução de 7% do peso, estabilidade dimensional com alterações de temperatura.Fonte:GM- Nanocomposites 2004 e GM- website 2005.
  • 19. 19Técnicas de obtenção de nanocompósitos poliméricosMétodo de polimerização in situMétodo de intercalação em soluçãoMétodo de intercalação no estado fundido
  • 20. 20 Polimerização in situ  Há a formação do polímero entre as camadas + INICIADOR da argila  Favorece a esfoliação das camadas da MMT na matriz polimérica ReatorFonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 21. 21 Polimerização in situNanocompósito intercaladoNanocompósito esfoliado Alto grau de esfoliação
  • 22. 22 Nanocompósitos obtidos por Polimerização in situ  Toyota Motor Company – patente da obtenção do nanocompósito de nylon 6 com 4 % g de montimorilonita (nanocompósito esfoliado); Nanocompósito em relação ao PA 6 puro apresentou melhores: Propriedades térmicas Propriedades mecânicas Propriedades de barreiraFontes: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003. - Cho, J. W; Paul, D. R. Polymer, v. 42, p. 1083-1094, 2001.
  • 23. 23 Nanocompósitos obtidos por Polimerização in situ  Nanocompósitos de polietileno (PE) com montimorilonitas modificadas organicamente apresentaram:  Morfologia esfoliada  Aumento de 30 % do módulo Young comparado com o PE puroFontes:- Zapata, P. e colaboradores. J. Chil. Chem. Soc, v. 53, 2008. - Du, K. e colaboradores. Macromol Rapid Commun., v. 28, p. 2294, 2007.
  • 24. 24 Nanocompósitos obtidos por Polimerização in situ  Patente WO 047598: preparação de Nanocompósitos de poliolefinas ou poliestireno (PS) com argila natural: Modificação da argila natural com íons alquil amônio; Argila organofílica: resultam em nanocompósitos com valores de resistência na ruptura superiores em relação as poliolefinas convencionais.Fonte:- Alexandre, M. e colaboradores. Patent, WO 047598, 1999.
  • 25. 25 Intercalação em solução EVAPORAÇÃO DO SOLVENTE Alto grau de intercalação + POLÍMERO + SOLVENTE Solvente PRECIPITAÇÃO DO POLÍMEROSolúvel com o polímeroInteração com ananocarga: dispersãoFonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 26. 26 Nanocompósitos obtidos por Intercalação em solução  Nanocompósito de SBS com MMT modificada organicamente:  Solvente Tolueno: dispersão da argila no SBS  Solvente Etanol: Precipitação do SBS  Morfologia intercalada  Ganho no módulo  Estabilidade do alongamentoFonte:- Liao, M. e colaboradores. Journal of Apllied Polym. Science, v.92, p. 3430, 2004.
  • 27. 27 Nanocompósitos obtidos por Intercalação em solução  Nanocompósito de SBR com MMT modificada organicamente:  Solvente Tolueno  Morfologia intercaladaFonte:- Ganter, M. e colaboradores. Gumni Kunstst, v.54, p. 166, 2001.
  • 28. 28 Intercalação no estado fundido + POLÍMERO FATORES QUE INFLUENCIAM NO PROCESSAMENTO Compatibilidade química nanocarga/polímero  Alto/baixo cissalhamento: pode promover a dispersão da nanocarga no polímero: degradação do polímeroCâmara de mistura Fonte: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003.
  • 29. 29 Intercalação no estado fundido Dispersão da nanocarga:Compatibilidade química nanocarga/polímero  Granulometrias similares promove + POLÍMERO melhora na homogeneização na mistura ExtrusoraFontes: - Ray, S. S.; Okamoto. Prog. Polym. Sci., v. 28, p. 1539-1641, 2003. - Cho, J. W; Paul, D. R. Polymer, v. 42, p. 1083-1094, 2001.
  • 30. 30Variáveis do Processamento por Intercalação no estado fundido rosca funil matriz canhão Motor Motor TIPOS DE ROSCA Monorosca: diminui a homogeneização e a dispersão da nanocarga na matriz polimérica Dupla rosca: promove a melhora na homogeneização dos materiais/dispersão Dupla rosca Monorosca
  • 31. 31 Variáveis do Processamento por Intercalação no estado fundido rosca funil matriz canhão Motor Motor VELOCIDADE DE ROTAÇÃO Pode BAIXA: maior tempo de residência→ melhora na homogeneização/dispersão da nanocarga promover a degradação  ALTA: alto cissalhamento → promove a melhora na homogeneização/dispersão da nanocarga do polímeroFontes: - Dennis, H.R. e colaboradores. Polymer, v.42, p. 9513, 2001. - Peltola, P. e colaboradores. Polymer Engineering and Science, v.46, p. 995, 2006.
  • 32. 32 Nanocompósitos obtidos por Intercalação no estado fundido  Nanocompósito de poliamida 6 com MMT modificadas organicamente:  Alta Afinidade nanocarga/polímero: facilidade de ocorrer a esfoliação  Baixa Afinidade nanocarga/polímero: forte interação entre as camadas da argila, no qual o cissalhamento somente separa as partículas em tactóides Separação das camadasFonte:- Dennis, H.R. e colaboradores. Polymer, v.42, p. 9513, 2001.
  • 33. 33 Mecanismo de dispersão da nanocarga durante o Processamento por Intercalação no estado fundido Afinidade nanocarga/polímero baixa INTERAÇÃO FORTE ENTRE AS CAMADAS DA ARGILA DISTÂNCIA PEQUENA CISSALHAMENTO Separação das camadasFontes:- Dennis, H.R. e colaboradores. Polymer, v.42, p. 9513, 2001. - Bousmina, M. Macromolecules, v. 39, p. 4259, 2006. - Yoshida, O e colaboradores. Journal of Polymer Enginnering, v.26, p. 916, 2006.
  • 34. 34 Nanocompósitos obtidos por Intercalação no estado fundido  Nanocompósitos de polipropileno (PP) com MMT modificadas organicamente com agente de compatibilização (PP-g-MA):  Morfologia intercalada: melhor dispersão da MMT  Propriedades mecânicas melhores comparadas com os nanocompósitos não compatibilizados IntercalaçãoFontes: - Lopez- Quintanilla, M.L. e colaboradores. Journal of Applied Polymer Science, p. 4748, 2006. - Peltola, P. e colaboradores. Polymer Engineering and Science, v.46, p. 995, 2006. - vermogen, A. e colaboradores. Macromolecules, v. 38, p. 9661, 2005.
  • 35. 35 Nanocompósitos obtidos por Intercalação no estado fundido Projeto UCS/UFRGS: Nanocompósitos de PHBV com MMTmodificada organicamente (Cloisite 30B):  3% MMT (Morfologia intercalada/aglomerados/esfoliada): maior Estabilidade térmica comparada com 5 % MMT (intercalada/esfoliada/aglomerados) PROPRIEDADES MECÂNICAS SUPERIORES PARA NANOCOMPÓSITO COM 5 % MMTMaior grau de esfoliação Maior grau de Fonte: Dados experimentais do intercalação/aglomerados Doutorado de Larissa Carli, 2011.
  • 36. 36 Nanocompósitos obtidos por Intercalação no estado fundido Projeto Tintas/UCS: Nanocompósitos de resina epóxi com4% g de MMT modificada organicamente (Cloisite 30B):  Morfologia esfoliada: aumento de 10% da propriedade de barreira comparado com a resina epóxi pura (após 504 h de exposição névoa salina). Esfoliação Fonte: Dados experimentais do Mestrado de Diego Piazza, 2011.
  • 37. 37Muito obrigada pela atenção!