Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS (33144010006P9)
INFLUENCE OF PROCESSING ON ELECTRICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF EPOXY NANOCOMPOSITES FILLED WITH CARBON NANOPARTICLES
MATHEUS MENDES DE OLIVEIRA
DISSERTAÇÃO
10/12/2020

Avanços nas propriedades mecânicas de compósitos ao longo das últimas décadas permitiram que a indústria aeroespacial substituísse o alumínio das fuselagens por polímeros reforçados com fibras. Porém, o caráter isolante desses materiais faz com que a estrutura do avião fique vulnerável a graves danos caso seja atingida por raios, incluindo delaminação e fragilização. A solução atual tem sido o uso de malhas metálicas instaladas ao redor da fuselagem, mas elas tornam a estrutura mais pesada, minando a principal vantagem dos compósitos. Portanto, fica claro que a indústria se beneficiaria com um material leve, condutor e sem emendas para a fabricação de fuselagens. Nanoplaquetas de grafeno (GNPs) e nanotubos de carbono (CNTs) têm sido usados para melhorar propriedades mecânicas e elétricas em nanocompósitos de matriz epóxi. GNPs são pequenas partículas de grafeno multicamada que herdam parte das excelentes propriedades mecânicas e elétricas do grafeno monocamada, mas a um custo de produção muito menor. CNTs são muito conhecidos pela alta condutividade e baixo limite de percolação, assim como elevado módulo elástico. Apesar de evidências na literatura apontarem para uma potencial sinergia no sistema híbrido GNP-CNT-epóxi, não há consenso sobre quais parâmetros de processamento e frações mássicas otimizam tal efeito. Este trabalho pôde mostrar que a sonicação direta em altas potências leva à diminuição das propriedades de interesse devido a danos causados nas nanopartículas. Amostras reforçadas com CNT se beneficiaram de sonicação direta em baixa potência, enquanto amostras reforçadas com GNP atingiram condutividade elétrica muito superior quando processadas por sonicação indireta. A introdução de GNPs melhorou a dispersão de CNTs em amostras híbridas, que puderam se beneficiar tanto da sonicação direta quando indireta. Uso de GNP ou nanoreforço híbrido é preferível ao uso exclusivo de CNT, então sonicação indireta foi escolhida como forma de processamento padrão. Uso de CNT levou a um limite de percolação ~100 vezes mais baixo do que uso de GNP, mas este último atingiu condutividades elétricas mais elevadas e chegou a 1,5 × 10-1 S.m-1 na concentração de 7,5 % (m/m). Ambas as nanopartículas conseguiram beneficiar E’ e Tg em concentrações baixas, enquanto que concentrações maiores não trouxeram benefício à estas propriedades. Por fim, estudo do potencial efeito sinérgico revelou que não houve sinergia para este sistema. Literatura sugere que a falta de sinergia pode ser causada por uma razão de aspecto inadequada dos GNPs, mas também aponta que a melhoria de diferentes propriedades em materiais multifuncionais pode ser uma rota válida de estudo em sistemas não-sinérgicos.

nanocompósitos híbridos;processamento;epóxi;nanotubos de carbono;nanoplaquetas de grafeno;propriedades elétricas;propriedades termomecânicas;sinergia
Advances in mechanical properties of composites over the past decades have enabled the aerospace industry to shift their fuselage design from aluminum to fiber-reinforced polymers. However, their insulating character renders the airplane structure vulnerable to serious damage when hit by lightning strikes, including embrittlement and delamination. The current solution has been the use of a metallic wire mesh bonded to the fuselage, but it adds extra weight, undermining the very advantage of using composites. Therefore, the industry would benefit from a lighter and seamless solution. Graphene nanoplatelets (GNP) and carbon nanotubes (CNT) have been used to enhance mechanical and electrical properties of epoxy-based nanocomposites. GNPs are small stacks of multilayer graphene that inherit some of the excellent mechanical and electrical properties of its single layered counterpart, but at a significantly lower manufacturing cost. CNTs are well known for their high conductivity and low percolation threshold, as well as high Young’s modulus. Despite the evidence of synergetic effects in the hybrid GNP-CNT-epoxy system, there is still no consensus on optimized processing and ideal weight fraction. The present work was able to show that high-power direct sonication tends to degrade properties of interest in GNP-CNT-epoxy nanocomposites due to damage to nanoparticles. CNT-filled samples were benefitted by low-power direct sonication, while GNP-filled samples displayed much higher electrical conductivity when processed by indirect sonication. Introduction of GNP flakes improved dispersion state in hybrid specimens, which were benefited by both indirect sonication and low-power direct sonication. Since the use of GNP and hybrids are preferred to the use of CNT, indirect sonication was chosen as the standard dispersion process. CNT-filled nanocomposites showed an electrical percolation threshold ~100 times lower than GNP-filled samples, but the latter achieved higher conductivities of up to 1.5 × 10-1 S.m-1 at 7.5 wt.%. Both nanoparticles proved to be excellent options to enhance E’ and Tg of epoxy at low weight contents, while higher concentrations brought no benefit. Finally, investigation of potential synergetic effects revealed that no synergism was present in the hybrid system. Simulation works in literature suggest that the lack of synergy might have been caused by GNP’s potentially low aspect ratio. Nevertheless, literature also shows that improvement of different properties in multifunctional materials could be an interesting route to pursue in systems that could not achieve strict synergy.
hybrid nanocomposites;processing;epoxy;carbon nanotubes;graphene nanoplatelets;electrical properties;thermomechanical properties;synergy
1
111
INGLES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS
NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA
-

Banca Examinadora

DANILO JUSTINO CARASTAN
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
DANILO JUSTINO CARASTAN Docente - PERMANENTE
GUILHERMINO JOSE MACEDO FECHINE Participante Externo
GLAURA GOULART SILVA Participante Externo

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Sim