Li et al. [2] prepararam nanocompósitos de PA6 com nanopartículas de SiO2 modificadas superficialmente por agente silano3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) por mistura no estado fundido em extrusora de rosca dupla. Constataram, através das técnicas de FT-IR e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), que as nanopartículas tiveram sua superfície recoberta pelo APTES e que ocorreram ligações primárias entre a matriz polimérica e o agente silano acoplado na superfície da carga, o que pode contribuir para melhorar as propriedades mecânicas do compósito. Isso pode ser constatado na Figura 3.1 (d), através do pico de absorbância referente à vibração de flexão da ligação N-H (1569 cm-1). Os grupos amina recobertos na superfície da nanosílica podem não só reagir com os grupos carboxilas terminais da PA6, como também formar ligações de hidrogênio com os grupos hidroxila na superfície da nanopartícula e grupos alquila na matriz polimérica. O recobrimento ajudou a eliminar os agregados de nanopartículas e a alcançar uma boa dispersão na matriz polimérica.
Figura 3.1 – Espectro de FT-IR de (a) PA6, (b) PA6 com 3% de nano-SiO2 modificado com APTES, (c) partículas de nano-SiO2 extraídas do compósito de PA6 com 3% de nano-SiO2 e (d) partículas de nano-SiO2 recobertas com APTES [2].
Os autores realizaram ensaios mecânicos de flexão e resistência ao impacto com relação à concentração de grupos amina na superfície da nanosílica recoberta com APTES e concluíram que existe uma concentração intermediária crítica em que as propriedades mecânicas do compósito aumentam significativamente. Acima dessa concentração o comportamento dessas mesmas propriedades diminuiu, provavelmente devido à queda na interação interfacial entre a nanocarga e a matriz de PA6, e ocorrendo aumento da aglomeração das nanopartículas e consequente concentração de tensões [2].
Cho e Paul [22] prepararam nanocompósitos de PA6 com nanoargila Montmorilonita tratada (3,16% m.) e não tratada (5% m.) com cátion amônio quaternário, por mistura direta no estado fundido, usando uma extrusora de rosca dupla co-rotacional interpenetrante e uma extrusora de rosca simples, sendo esta última menos efetiva na esfoliação da argila, comparada à primeira.
Para efeitos de comparação, prepararam também compósitos da mesma poliamida com igual quantidade em massa de fibra de vidro.
As propriedades térmicas foram avaliadas por calorimetria exploratória diferencial (DSC) (Tabela 3.1), que mostrou que a presença da argila organofílica nos nanocompósitos não afetou significativamente a Tg da matriz polimérica. Já o pico da temperatura de fusão (Tm) da matriz nos compósitos ocorreu a uma temperatura um pouco menor que a da PA6 pura. Segundo os autores, isto pode estar relacionado a uma pequena redução no tamanho dos cristalitos quando a argila organofílica foi adicionada ao polímero, formando o nanocompósito. Por outro lado, a temperatura de cristalização (Tc) aumentou para todos os compósitos em relação à PA6 pura. A presença de carga mineral no compósito pode ter, portanto, função de agente nucleante. Além disso, constatou-se que houve maior taxa de cristalização que o polímero puro.
A temperatura de decomposição dos nanocompósitos foi avaliada por análise termogravimétrica (TGA), apresentadas também na Tabela 3.1. Pode- se observar que os nanocompósitos apresentaram menor estabilidade térmica que o polímero puro. Eles atribuíram esse fato à degradação do tratamento da montmorilonita com alquilamônio quaternário.
Tabela 3.1 – Propriedades térmicas dos compósitos de PA6 com diferentes reforços [22].
Compósitos de poliamida Reforço (%m.) T g a (°C) Tm b (°C) Tc c (°C) Td d (°C) Nylon 6 0 53.1 221 165 420.3 N6/fibra de vidro 5 53.8 218 180 406.5 N6/montmorilonita 5 53.7 215 182 426.5 N6/argila organofílica 5e 50.8 217 178 411.7 a
A partir do segundo aquecimento numa taxa de varredura de 20° C/min usando método do ponto médio.
b
Temperatura de fusão a partir do segundo aquecimento no DSC a 20° C/min.
c
Temperatura de cristalização medida no resfriamento a 20° C/min.
d
Temperatura de decomposição determinada por TGA (5% de perda de massa no final da varredura: 20° C/min e atmosfera de N2).
e
Conteúdo real de mineral foi de 3,16% em peso.
Os autores comprovaram que as propriedades mecânicas dos nanocompósitos com argila organofílica (mostradas nos gráficos das Figura 3.2(a) e (b) e resumidas na Tabela 3.2) foram aumentadas significativamente
com pequeno decréscimo de ductilidade, apresentando maiores valores de propriedades mecânicas que compósitos preparados com 5% em massa de fibra de vidro [22].
Figura 3.2 – Curvas tensão-deformação para a PA6 e seus compósitos com os diversos reforços na proporção em peso de 95/05 com velocidades da travessa da máquina de ensaios de tração em (a) 0,51 cm/min e (b) 5,1 cm/min [22].
Tabela 3.2 – Propriedades mecânicas dos compósitos de poliamida 6 [22].
Compósitos de poliamida Conteúdo mineral (%) Resistência ao impacto Izod (J/m) Módulo de elasticidade (GPa) Resistência no escoamento (MPa) Deformação na ruptura (%) Velocidade de carga 0,51 cm/min Velocidade de carga 5,08 cm/min Nylon 6 0 38 ± 4 2,66 ± 0,2 64,2 ± 0,8 200 ± 30 40 ± 8 N6/fibra de vidro 5 53 ± 8 3,26 ± 0,1 72,6 ± 0,8 18 ± 1,3 14 ± 4 N6/montmorilonita 5 40 ± 2 3,01 ± 0,1 75,4 ± 0,3 22 ± 6,0 14 ± 3 N6/argila organofílica 3,16 38 ± 3 3,66 ± 0,1 83,4 ± 0,7 126 ± 25 38 ± 19 N6/argila organofílica/fibra de vidro 8 44 ± 3 4,82 ± 0,1 95,0 ± 0,9 8 ± 0,5 7 ± 4
Meng et al. [30] modificaram e funcionalizaram a superfície de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNT) com ácido (H2SO4/HNO3) e etilenodiamina, respectivamente, que foram utilizados para preparar nanocompósitos com matriz de poliamida 6. As propriedades mecânicas e a cristalização da poliamida 6 foram investigadas, comparativamente, através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise dinâmico-mecânica (DMA),
(b)
(a)
ensaio de tração e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Observou-se que a funcionalização dos nanotubos com diamina resultou em uma melhor dispersão e adesão interfacial mais forte que aqueles modificados com ácido e os não modificados.
A incorporação dos nanotubos funcionalizados com diamina e modificados com ácido à matriz polimérica melhorou, significativamente, o módulo de armazenamento, a temperatura de transição vítrea (Tg), o limite de escoamento e o módulo de elasticidade. Além disso, a eficiência de reforço do compósito com nanotubos funcionalizados com diamina foi maior que daquele com nanotubos modificados com ácido, também atribuído à melhor dispersão e adesão interfacial mais forte entre os nanotubos modificados com diamina e a matriz PA6. Os nanotubos modificados agiram como agentes nucleantes heterogêneos para a poliamida, resultando em um aumento da temperatura de cristalização e grau de cristalinidade. Em comparação com os nanotubos modificados com ácido, aqueles que foram funcionalizados com diamina apresentaram temperatura de cristalização superior, devido à sua melhor dispersão; e menor grau de cristalinidade, por apresentar menor mobilidade devido à interação mais forte entre diamina e a PA6 [30].
Por outro lado, Zhang et al. [31] modificaram superficialmente nanopartículas de sílica com 3-aminopropiltrimetoxisilano (APTMS) e depois funcionalizaram essas nanopartículas com anidrido succínico para lhes conferir caráter ácido (Figura 3.3). Posteriormente, prepararam nanocompósitos de PA6 com os dois tipos de nanopartículas por polimerização in situ. Neste caso, as nanopartículas funcionalizadas com ácido apresentaram melhores propriedades mecânicas que aquelas modificadas com APTMS, mas segundo os autores, isso se deve ao fato de a funcionalização com ácido ter sido feita sobre as nanopartículas já modificadas com APTMS, pois isso conferiu, às nanopartículas funcionalizadas, tamanhos de cadeia maiores que das nanopartículas modificadas. Portanto, mais cadeias de PA6 teriam sido enxertadas à superfície.
Figura 3.3 – Processo de síntese das nanopartículas de sílica modificada e funcionalizada [31].