Óxido de grafeno e síntese dos estudos existentes

O óxido de grafeno (OG) é um material em camadas que deriva da oxidação da grafite através de uma das muitas adaptações do método de Hummer original, apresentando-se como uma rede hexagonal de carbono sob a forma de uma folha extremamente fina (Chuah et al.,2014). O método de Hummer é composto por várias fases de oxidação severa da grafite cristalina, seguido de tratamento por ultra-sons ou outros métodos de dispersão para produzir um material monocamada, tipicamente em suspensão aquosa (Yang et al., 2016).

A estrutura do OG consiste em folhas de carbono com um átomo de espessura, com grupos carboxilato localizados na periferia que fornecem carga de superfície negativa dependente do pH e da estabilidade coloidal. As superfícies basais contêm grupos funcionais hidroxilo (-OH) e epóxido (-O-) que, embora não tenham carga, são polares. A presença destes grupos funcionais torna as folhas de OG fortemente hidrófilas, o que permite uma excelente dispersão deste material na água, formando suspensões estáveis (Stankovich et al., 2016; Yang et al., 2016).

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Várias estruturas de OG foram propostas (Yang et al., 2016); entre elas, o modelo Lerf-Klinowski que é actualmente a configuração mais aceite. Este modelo consiste em regiões aromáticas não oxidadas e em anéis de seis membros alifáticos contendo grupos hidroxilo (OH), epóxido (-O-) e ligações C=C isoladas, possuindo nas extremidades grupos OH, carbonilo (C=O) e carboxilo (COOH) (Figura 3.4).

Figura 3.4 – Modelo estrutural do óxido de grafeno proposto por Lerf-Klinowski (adaptado de Yang et al., 2016) A escolha de OG para a presente dissertação prende-se com o facto deste nanomaterial apresentar características únicas, como é o caso da elevada superfície específica. Esta, aliada ao tamanho reduzido das partículas, penetra em profundidade nos poros do revestimento conferindo-lhe desse modo uma maior dureza superficial, que se traduz numa menor perda de coesão superficial. Por ser um material com características hidrófilas, espera-se que não altere negativamente o comportamento dos revestimentos antigos à acção da água.

Na pesquisa bibliográfica realizada, e que se tenha conhecimento, não existem tratamentos utilizando o OG. Este nanoproduto, como mencionado anteriormente, tem sido investigado empregue em argamassas de cimento, principalmente devido à sua capacidade de incrementar a resistência mecânica. Com menor expressão tem sido estudado em argamassas de cal hidráulica natural e em acabamentos de cal aérea. Devido à ausência de estudos de tratamentos com OG, a síntese bibliográfica utilizando este nanoproduto foca-se essencialmente na sua integração em argamassas de cimento e cal hidráulica natural (Quadro A.I.2). O OG, utilizado na maioria dos casos, foi formulado através do método de Hummers modificado, tendo sido utilizado em diferentes percentagens, variando o traço das argamassas, tipo de provetes e cura. Também no OG é importante avaliar a resistência mecânica e o comportamento à acção da água resultante da sua integração em argamassas.

Resistência mecânica

A resistência mecânica tem sido a propriedade mais investigada na bibliografia analisada (Quadro A.I.9). Babak et al. (2014) formulou argamassas de cimento com adição de OG em diferentes percentagens, em massa de ligante, e ainda recorreu ao uso de superplastificantes para permitir obter uma boa trabalhabilidade da argamassa sem necessidade de aumentar a quantidade de água. A percentagem de OG aumentou a resistência à tracção até um máximo de 1.5% de OG, obtendo-se um aumento de 48% em comparação com as amostras de referência. Para a percentagem de 2% de OG a resistência à tracção diminuiu face à amostra de referência.

21 Chen et al. (2015) estudou o efeito da adição de fibras de carbono em argamassas de cimento e ainda OG depositado sobre as fibras de carbono em diferentes percentagens de massa de ligante. Observou que a deposição de OG nas fibras de carbono melhorou a hidrofilia das superfícies das fibras de carbono e influenciou a hidratação do cimento, tornando a interface mais forte. No ensaio de resistência à tracção e compressão aos 7 dias, foi possível verificar um aumento destas propriedades com 0.4% de fibras de carbono com OG, face às amostras de referência. Aos 28 dias não se notou acréscimos significativos entre as argamassas com fibras de carbono e OG em relação às argamassas de referência.

O estudo de Barbosa (2015) teve como objectivo contribuir para o conhecimento do OG adicionado em argamassas de cal hidráulica natural. Foi possível observar que o OG não apresentou influência significativa na resistência à tracção por flexão e na resistência à compressão e que para valores superiores a 0.5% de OG (relativamente à massa de ligante) a resistência à tracção tem tendência a diminuir. No ensaio de dureza superficial todas as argamassas, com ou sem adição de OG, são consideradas superfícies duras, não tendo influência a adição de OG.

No estudo realizado por Duarte (2015) foi adicionado OG em diferentes percentagens (em função da massa de cal aérea do produto) à cal aérea em pasta de forma a realizar caiações e estanhados, usando gesso cartonado como suporte. O ensaio de resistência à flexão sofreu várias adaptações aos realizados correntemente devido às características das amostras a ensaiar. Foi possível observar melhorias, especialmente no caso do estanhado, consistentes com o aumento do teor de OG. No caso das caiações não se conseguiu concluir se o OG influenciou positivamente a resistência à flexão. Na coesão superficial houve uma melhoria com o aumento da percentagem de OG adicionado. A dureza superficial revelou valores positivos com a adição de OG na caiação e valores inconclusivos no estanhado.

Propriedades face à acção da água

Como referido anteriormente, é importante conhecer o comportamento face à acção da água dos materiais. No Quadro A.I.12apresenta-se uma síntese da bibliografia analisada quanto à influência que a adição de OG nas argamassas provoca no comportamento à acção da água. É de salientar que ao analisarem-se argamassas de cimento, as quais não se adequam à reabilitação, os resultados daí provenientes podem não ser os mais adequados para a comparação de resultados obtidos na campanha experimental realizada na presente dissertação que tem como objectivo a conservação do património edificado.

Mohammed et al. (2015) estudou o efeito da adição de OG em diferentes percentagens (em massa de ligante) em argamassas de cimento. No ensaio de absorção capilar de água, observou uma redução da absorção de água principalmente nas misturas com maiores percentagens de OG. O OG aumentou a porosidade total das argamassas em relação às argamassas sem OG, mas o aumento da percentagem de OG resultou numa diminuição dos poros capilares.

Barbosa (2015), no ensaio de absorção de água por capilaridade, não identificou variações significativas na adição de OG a argamassas de cal hidráulica natural. Também na 1ª fase de secagem não houve diferenças entre as argamassas com e sem OG. Na 2ª fase de secagem a adição de OG às argamassas provoca um ligeiro aumento na perda de água quando comparada à argamassa de referência. Na absorção de água sob baixa pressão, as argamassas com dosagens mais altas de OG

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absorveram quantidades semelhantes ou superiores de água em comparação com a argamassa de referência.

No estudo de Duarte (2015) observou-se que todos os provetes absorviam quantidades de água muito reduzidas no ensaio de absorção de água sob baixa pressão. Assim, constatou-se que o OG melhorou a resistência à água dos produtos de acabamento. O ensaio do ângulo de contacto foi inconclusivo devido às propriedades hidrófilas da superfície de ensaio.