Compósitos são materiais de engenharia formados por dois ou mais constituintes distintos separados por uma interface também distinta. Estes constituintes ou fases estão presentes em dimensões consideráveis, de forma que sendo misturados e combinados, forme um novo material com propriedades superiores às dos constituintes isolados (CALLISTER, 2006).
Os nanocompósitos poliméricos são constituídos de uma matriz polimérica e reforço de dimensões nanométricas (1-100 nm), sendo chamados assim de nanoreforços (NGUYEN et al, 2009).
O principal objetivo de se adicionar reforços a matrizes poliméricas é transferir as propriedades físicas do reforço para a matriz (FIEDLER et al, 2006).Os nanoreforços apresentam uma área superficial elevada, promovendo geralmente uma melhor dispersão na matriz, com isso melhorando as propriedades físicas do material que estão relacionadas à homogeneidade do material (ESTEVES et al, 2004).
Nos últimos anos, vem crescendo o interesse dos pesquisadores em inserir reforços na escala nanométrica em matrizes poliméricas, com o intuito de se obter propriedades potencialmente únicas como resultado das dimensões nanométricas (FIEDLER et al, 2006).
Os nanoreforços apresentam algumas vantagens comparando-os com outros tipos de reforços, pois possuem uma área superficial maior e alta razão de aspecto, com isso favorecendo a adesão interfacial matriz/reforço (STANKOVICH et al, 2006a). Mas os nanoreforços também apresentam algumas desvantagens, pois devido a sua grande área superficial, aumenta também a tendência de aglomeração, prejudicando a sua dispersão e a transferência de suas propriedades para a matriz (FIEDLER et al, 2006).
3.2.1 Resina epoxídica como matriz em nanocompósitos
As resinas epóxis apresentam uma gama de aplicações no setor eletrônico, no automotivo e também no aeroespacial (OOI et al, 2000), o que se deve às suas excelentes propriedades físicas e químicas, como por exemplo, alta resistência à tração e compressão e ótima resistência química a solventes. Apresenta custo acessível e facilidade de processamento (CHEN et al,2007). A Figura 10 apresenta a estrutura química da resina epóxi.
Figura 10 - Estrutura química da resina éter diglicidílico do bisfenol A (DGEBA).
Fonte: AUGUSTSSOM 2004.
As resinas epoxídicas possuem propriedades especificas devido ao processo de polimerização. Com isso, o epóxi de massa molecular
baixa transformam-se em polímeros termofixos, estes de alta massa molecular. Durante o processo de cura, os grupos amina, presentes no endurecedor, reagem com os anéis epóxi, rompendo as ligações covalente entre os átomos de oxigênio e carbono do anel, com isso, formando ligações cruzadas (CATALANI & BONICELLI, 2005; DALEY & DALEY, 2001).
3.2.2 Dispersão interfacial matriz/nanoreforço
As propriedades dos nanocompósitos esta diretamente ligada de como o reforço está disperso e aderido a matriz polimérica (KIM et al, 2010). Ao se dispersar um nanoreforço em uma matriz polimérica ou não, o objetivo é obter esfoliação completa da nanopartícula inserida ou a sua intercalação. Consequentemente, a nanopartícula terá uma maior área superficial, melhorando a interação matriz/reforço. Não é interessante o nanocompósito apresentar aglomerados, pois além de ter uma área superficial reduzida, os aglomerados geram pontos de concentração de tensão, com isso fragilizando o material desenvolvido (ALEXANDRE & DUBOIS, 2000).
A adesão interfacial matriz/nanoreforço promove a transferência de propriedade do nanoreforço para a matriz polimérica. Alguns fatores podem interferir nesse mecanismo, de modo a não se obter os resultados desejáveis (KUILLA et al, 2010). A funcionalização dos nanoreforços pode promover melhorias a adesão do nanoreforço a matriz, e por consequência, melhorar as propriedades finais (FIEDLER et al, 2006). Na literatura são descritos três tipos de dispersão de reforços estruturados em camadas: o aglomerado, o esfoliado e o intercalado, como ilustra a Figura 11.
Figura 11 - Tipos de dispersão de nanoreforços em camadas em uma matriz polimérica.
Existem duas técnicas bem difundidas que visam melhorar a dispersão do nanoreforço na matriz polimérica, a sonificação e a adição de solvente (NGYEN et al, 2009; KIM at al, 2010). A sonificação baseia-se em gerar pulsos de ultrassom de alta potência, com isso separando e mantendo em suspensão na matriz polimérica. Ao se adicionar solvente na etapa de sonificação, este pode promover a diminuição da viscosidade da resina, e com isso, facilitar a dispersão das nanopartículas (KIM et al, 2010).
Suave estudou a influência do processo de dispersão e do teor de NC na matriz e foi possível observar uma tendência de acréscimo do modulo de Young, diretamente ligada às condições de ultrassonificação e do teor de NC. Porém, alguns dos nanocompósitos apresentaram queda na resistência à tração indicando assim uma pobre dispersão do reforço na matriz polimérica. A presença de aglomerados pode ter atuado como pequenos defeitos, beneficiando a propagação de trincas no interior dos nanocompósitos (SUAVE, 2008).
Segundo Alexandre & Dubois, as técnicas descritas anteriormente podem ser também utilizadas para dispersar o grafeno, o OG e demais reforços com estruturas similares, apesar de terem sido desenvolvidas para as nanoargilas (ALEXANDRE & DUBOIS, 2000). 3.2.3 Nanocompósitos reforçados com grafeno
Nos últimos anos há um grande interesse na produção de nanocompósitos reforçados com grafeno, pois estudos recentes estimam que folhas únicas de grafeno tenham elevado módulo de Young (RAFIEE et al, 2009; RAFIEE et al 2010 ) e também sejam ótimos condutores de eletricidade (CHARLIER et al, 2008). Estudos recentes também revelaram que as folhas de grafeno quando usadas como reforço em matrizes poliméricas, melhoram as propriedade elétricas, térmicas e mecânicas em materiais compósitos (RAFIEE et al, 2009; RAFIEE et al 2010; Villar-Rodil et al, 2009; LIANG et al, 2009).
O grafeno vem sendo disperso em diversas matrizes poliméricas. Pode-se citar: o trabalho de Stankovich et al (2006), que utilizou com matriz o poliestireno (PS) e relata que a fabricação de tais compósitos requer não apenas a obtenção de folhas de grafeno produzidas em escala suficiente, mas que estas também sejam incorporadas e homogeneamente distribuídas nas matrizes. Outro trabalho que pode ser citado é o de Yu et al (2007), que utilizou como matriz polimérica o PMB. A poliacrilonitrila (PAN) e o poli(metacrilato de metila) (PMMA) foram utilizado nos trabalhos de Ramanathan et al,
(2008) que relata boa estabilidade térmica. Dois trabalhos muito interessantes que utilizaram como matrizes resinas epoxídicas foram os de SILVA, (2011) e CARVALHO, (2011) e obtiveram bons resultados com relação às propriedades térmicas e mecânicas.
O OG também vem sendo utilizado como nanoreforço de matriz polimérica solúveis em água, tais como: o poli(óxido de etileno) e o poli(álcool vinílico) (PVA).
Ainda há poucos relatos de trabalhos envolvendo nanocompósitos de matriz epoxídica reforçados com grafeno na literatura, sendo que estes relatam a produção de filmes por casting (STANKOVICH et al, 2006; YU et al, 2007).
Segundo Rafiee e colaboradores, os nanocompósitos reforçados com grafeno apresentam melhorias significativas em suas propriedades mecânicas. Em nanocompósitos contendo 0,1 e 0,125% m/m de grafeno foi possível verificar um aumento significativo no módulo de Young de aproximadamente 50% e também um aumento de 45% na tensão de ruptura. Neste estudo, as propriedades de fratura também obtiveram um aumento significativo, de aproximadamente 115% na energia de fratura e 65% na resistência à fratura. Os nanocompósitos reforçados com grafeno foram comparados aos nanocompósitos reforçados com nanotubos de carbono, estes contendo o mesmo percentual de nanoreforços. Foi possível observar que, os nanocompósitos reforçados com grafeno obtiveram melhorias em suas propriedades mecânicas quando comparados aos nanocompósitos reforçados com nanotubos de carbono (RAFIEE et al, 2010).
Segundo Gong et al, nanocompósitos reforçados com OG tratado quimicamente demonstraram melhorias consideráveis em suas propriedades mecânicas e térmicas (GONG et al, 2010). Estudos de Kuila et al, mostraram que a resina epoxídica pura possui baixa condutividade térmica. Adicionando-se 1,0% m/m de OG a resina apresenta melhorias significativas em relação à condutividade térmica. Já com a adição de 5% m/m de OG, obteve-se uma condutividade térmica de aproximadamente 1 W/m.K, valor 4 vezes superior ao valor de condutividade térmica da resina pura. Quando adicionado 20% m/m de OG, foi possível alcançar resultados de 6,44 W/m.K. Estes resultados mostram que o OG é um material excelente para distribuição de energia térmica e consequentemente elétrica (KUILA et al, 2010).
Pesquisas contendo óxido de grafite, óxido de grafite expandido e óxido de grafite reduzido, mostraram que nanocompósitos contendo nanoplateletes de grafeno, obtiveram melhores resultados em comparação com os demais (RAMANATHAN et atl, 2007).
4. MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS