Compósitos reforçados com nanopartículas cerâmicas

Nanocompósitos poliméricos reforçados com nanopartículas cerâmicas são os nanocompósitos mais estudados na atualidade. Esses nanocompósitos têm atraído a atenção da comunidade científica e da indústria desde que o grupo Toyota, em 1992, observou que a dispersão de um silicato lamelar, a montmorilonita, em uma matriz polimérica, o Nylon-6, conduziu a um melhor desempenho mecânico (resistência mecânica, módulo de elasticidade e tenacidade), térmico (perda de massa e

decomposição) e físico (propriedades de barreira e ópticas) do polímero (USUKI et al., 1993). Desde então, inúmeros trabalhos foram desenvolvidos avaliando o impacto da montmorilonita nas propriedades de diferentes polímeros, principalmente o epóxi (ÁVILA et al., 2008; LAKSHIMI et al., 2008; VELMURUGAN e MOHAN, 2009; YASMIN et al., 2006a; MOHAN et al., 2006; OGASAWARA et al., 2006; ZUNJARRAO et al., 2006; GANGULI et al., 2005;AGAG et al., 2001)

Em geral, a adição da montmorilonita organicamente modificada à matriz polimérica conduz a melhoria do módulo de elasticidade e resistência mecânica do material. Uma melhor rigidez está associada à intercalação e esfoliação das nanopartículas na matriz polimérica. A dispersão das nanopartículas resulta na redução da mobilidade das cadeias poliméricas quando o material é submetido a um carregamento, conferindo assim maior resistência à deformação plástica (YASMIN et al., 2006a). Uma boa adesão entre a matriz e o reforço, por sua vez, possibilita uma transferência adequada da carga, aumentando a resistência mecânica do material (VELMURUGAN e MOHAN, 2009)

Velmurugan e Mohan (2009) avaliaram o efeito da adição de montmorilonita no módulo de elasticidade e resistência mecânica da resina epóxi. Os autores, dispersando diferentes concentrações de nanopartículas, que variaram entre 1 e 10% em peso, verificaram aumento do módulo de elasticidade em função do aumento da concentração. A rigidez do nanocompósito contendo 10% de nanopartículas cerâmicas (3,6 GPa) foi cerca de três vezes superior ao da resina pura (1,1 GPa). Em relação à resistência à tração, o valor máximo alcançado foi 48,7 MPa, a uma concentração de nanopartículas igual a 3%. Este valor é cerca de 20 % superior aquele apresentado pela resina pura (40,5 MPa). Para concentrações de nanocerâmica superiores a 3%, os autores verificaram um decréscimo da resistência mecânica do material. Este fenômeno foi atribuído à presença de aglomerados de nanopartículas na matriz polimérica, os quais funcionaram como concentradores de tensão, provocando a falha precoce do material.

Yasmin et al. (2006a), por outro lado, apesar de terem verificado um aumento de 25% no valor do módulo de elasticidade do epóxi com a adição de apenas 1% em peso de montmorilonita, observaram uma redução significativa da resistência à tração com a adição das nanopartículas em quaisquer concentrações. Os autores atribuíram esta redução à presença de bolhas decorrentes do próprio processo de preparação do material. De acordo com Ávila et al. (2008), outra possível explicação para a redução na resistência à tração é a formação de uma terceira fase precipitada no sistema. Zunjarrao et al. (2006) observaram um aumento de 35% no fator de intensidade de tensão da resina epoxídica com a adição de 2% de montmorilonita organicamente modificada. Para concentrações superiores a 4% em peso, os autores observaram significativa redução deste fator. O decréscimo dessa variável em nanocompósitos com concentrações de montmorilonita superiores a 4% foi explicado pela presença de aglomerados de nanopartículas, os quais funcionaram como concentradores de tensão e geradores de trincas. Ganguli et al. (2005) verificaram um aumento mais discreto do fator de intensidade de tensão, o qual passou de 2,3 MPa m0,5 _{para 2,7 MPa m}0,5 _{com a adição de 4% de nanopartículas cerâmicas. As}

diferenças nos resultados dos estudos de Zunjarrao et al. (2006) e Ganguli et al. (2005) podem ser atribuídas aos diferentes métodos de preparação empregados. Enquanto Zunjarrao et al. (2006) utilizaram o misturador de alto cisalhamento, a 15000 rpm para promover a dispersão das nanopartículas, Ganguli et al. (2005) optaram pela utilização de um agitador magnético com menor capacidade de homogeneização.

Além das propriedades mecânicas, a estabilidade térmica e propriedades viscoelásticas de um polímero podem ser melhoradas com a adição de nanopartículas cerâmicas. A estabilidade térmica dos materiais poliméricos é normalmente avaliada por análise termogravimétrica. A perda de massa do sistema, devido à formação de produtos voláteis durante a degradação a altas temperaturas, é monitorada em função da temperatura. As nanopartículas atuam como barreira à degradação volátil da resina, elevando assim sua estabilidade térmica. Mohan et al. (2006) observaram uma redução da perda de massa da resina epóxi com o aumento da concentração das nanopartículas. Além disso, os

autores observaram que, com a adição de 10% em peso de nanopartículas cerâmicas à matriz epoxídica, a temperatura inicial de degradação da resina aumentou em 44o_{C, passando de 280 para}

324o_{C. Lakshmi et al. (2008) observaram um aumento ainda maior da temperatura inicial de}

degradação da resina, que passou de 235 para 360o_C.

Ainda em relação à estabilidade térmica dos nanocompósitos, o coeficiente de expansão térmica dos polímeros também é alterado com a introdução de nanopartículas cerâmicas. Yasmin et al. (2006a) verificaram que este coeficiente passou de 73x10-6_{, considerando-se o epóxi puro, para 64x10}-6_{, o que}

corresponde a uma redução de 12%. A diminuição da expansão térmica observada com a adição das nanopartículas cerâmicas pode ser atribuída à rigidez das nanopartículas e à sua fina dispersão na matriz, o que acaba por se contrapor à expansão das cadeias poliméricas quando em temperaturas elevadas.

Os efeitos da adição de nanopartículas na temperatura de transição vítrea de nanocompósitos reforçados com nanopartículas cerâmicas ainda não estão bem estabelecidos. Agag et al. (2001) reportaram aumento da temperatura de transição vítrea em função do aumento da concentração de nanopartículas em uma matriz de poliamida. Este aumento foi atribuído a uma boa adesão entre a matriz e as nanopartículas e à restrição de movimento das ligações cruzadas próximas à região de interface. Yasmin et al. (2006a), porém, avaliando o efeito de diferentes concentrações de nanopartículas cerâmicas nas propriedades do epóxi, verificaram redução da temperatura de transição vítrea com o aumento da concentração da nanocerâmica. De acordo com os autores, a redução da temperatura de transição vítrea está relacionada à formação de uma interfase de menor estabilidade térmica entre as lâminas do silicato.

De modo geral, os nanocompósitos poliméricos reforçados com silicatos lamelares são reconhecidos por sua elevada propriedade de barreira. A presença de nanopartículas com baixa permeabilidade a

gases, na matriz polimérica, faz com que estes tenham que percorrer caminhos tortuosos entre as lamelas, retardando a sua difusão. Ogasawara et al. (2006) investigando a permeabilidade ao gás hélio dos nanocompósitos epoxídicos reforçados com silicatos lamelares, verificaram que a adição das nanopartículas reduziu o coeficiente de difusão do sistema. Para uma concentração de 6% de montmorilonita, o coeficiente de difusão foi cerca de um décimo daquele observado para o polímero puro.