NANOCOMPÓSITOS POLIM ÉRICOS

Nanocompósitos são materiais em que pelo menos um de seus componentes apresentam dimensões nanométricas (1-100 nm) (MORAES; BOTAN; LONA, 2014).

Devido à elevada área superficial por unidade de volume que essas nanopartículas apresentam uma ampla área interfacial polímero/carga é criada. Estas grandes interfaces resultam em um excepcional ganho de propriedades quando comparadas com compósitos tradicionais mesmo com proporções menores de carga (ASTROM; 1997).

Um exemplo das vantagens oferecidas pelos nanocompósitos é o grande aumento da resistência mecânica da matriz polimérica, mesmo com um conteúdo muito pequeno de nanopartículas adiconado. A melhoria de propriedades funcionais, como a diminuição da inflamabilidade ou o aumento da condutividade elétrica também é mencionada por diversos pesquisadores (KELEDI; HARI; PUKANSZKY, 2012). Porém os ganhos de propriedade dependem diretamente do nível de dispersão, homogeneidade e distribuição da nanopartícula (ESTEVES et.al. 2004).

Infelizmente, os nanocompósitos muitas vezes não atendem às expectativas, e resultam em propriedades inferiores do que o esperado, não excedendo aquelas apresentadas nos compósitos tradicionais. O principal motivo para as propriedades inferiores é que a ideia básica dos nanocompósitos muitas vezes não é cumprida, ou seja, a grande região da interface não pode ser criada (KELEDI; HARI; PUKANSZKY, 2012).

Os principais problemas surgem quando a distribuição homogênea das partículas na matriz polimérica é extremamente difícil de alcançar, a estrutura não é controlada, e as interações interfaciais não são fortes o suficiente (KELEDI; HARI; PUKANSZKY, 2012).

A agregação é muito difícil de evitar em compósitos contendo fibras, tubos ou partículas esféricas. Ainda mais surpreendente é que, as interações interfaciais são eventualmente tratadas de forma bastante simplificada, e a informação disponível sobre essas é limitada e muitas vezes contraditória (KELEDI; HARI; PUKANSZKY, 2012).

Os materiais de reforço utilizados na produção de nanocompósitos de polímeros podem ser classificados de acordo com suas dimensões. Por exemplo, quando as três dimensões estão na escala nanométrica, elas são chamadas de nanopartículas isodimensionais ou “zero D”. Os exemplos incluem partículas metálicas e nanoclusters semicondutores (ZARE; SHABANI, 2016; CAMARGO; SATYANARAYANA; WYPYCH, 2009).

O segundo tipo de reforço é formado por nanotubos ou “whiskers”, estes possuem duas dimensões na escala nanométrica, formando uma estrutura alongada. Os nanotubos de carbono e “whiskers” de celulose, amplamente estudados como nanocargas de reforço, podem ser incluídos nesta segunda categoria (DAI, SUN, 2016; LAVALL et al. 2010; FAVIER; CHANZY, CAVAILLE, 1996).

O terceiro tipo de reforço é caracterizado por uma única dimensão em escala nanométrica. Neste grupo, o material contém folhas de alguns nanômetros de espessura e de centenas a milhares de nanômetros de comprimento. Estes materiais são obtidos por diferentes técnicas de esfoliação, como mencionado anteriormente no caso do grafeno (CAMARGO; SATYANARAYANA; WYPYCH, 2009). Exemplos também incluem MoS2 e nitreto de boro hexagonal - hBN (SABZI et al. 2013; WYPYCH; SEEFELD, 1997).

2.8.1 Métodos de obtenção de nanocompósitos

Diferentes métodos de obtenção de nanocompósitos são usados, sendo os mais comuns, a mistura em solvente, a polimerização in situ e a mistura no estado fundido.

2.8.1.1 Polimerização in situ

Baseia-se na introdução da carga sendo inserida diretamente no monômero, após isso a polimerização é iniciada e o produto final é o polímero com a presença da carga (COELHO, 2008). Tal processo é muito utilizado para preparação de nanocompósitos polímero/argila. Uma boa afinidade entre argila e monômero é um parâmetro fundamental para que a mesma esteja homogeneamente dispersa no sistema. Primeiramente a nanocarga e o monômero são dispersos em um solvente em seguida dar-se início a fase de polimerização, através da ativação do iniciador ou catalisador por calor ou radiação. Através deste método os nanocompósitos com estrutura de carga esfoliada são obtidos com maior frequência. O sucesso na obtenção de nanocompósitos esfoliados deve-se principalmente ao fato de que é possível escolher os reagentes e rotas de polimerização mais suscetíveis a obter boa afinidade entre argila e polímero (FU; QUTUBUDDIN, 2005).

2.8.1.2 Mistura em solução

A intercalação via mistura em solução envolve a presença de solvente. O polímero é solubilizado e as nanopartículas são misturadas no meio, neste caso o grau de dispersão e esfoliação das nanopartículas na matriz polimérica é determinado pela interação entre carga/solvente (CARVALHO, 2011). Devido a sua praticidade, este método é largamente usado para desenvolvimento de compósitos poliméricos constituídos por derivados de grafite. Porém de acordo com a literatura a utilização de solventes orgânicos comuns tem alterado a estrutura química do nanocompósito e consequentemente suas propriedades. Pesquisadores indicam que isso ocorre pelo fato de que esses solventes estão sendo adsorvidos na superfície das nanopartículas de forma definitiva (FIM, 2012).

2.8.1.3 Intercalação por fusão

Consiste na mistura física da nanopartícula com polímero durante o processamento no estado fundido. Sem a necessidade de adição de um solvente, a matriz e a carga são misturadas mecanicamente a temperaturas acima do ponto de fusão e/ou amolecimento do polímero sob altas taxas de cisalhamento com intuito de se alcançar elevado nível de dispersão da carga (FIM, 2012).

Durante o processamento os fluxos de cisalhamento e extensão são observados em extrusoras ou misturadores internos auxiliando a dispersão das nanocargas. O processamento por intercalação no estado fundido apresenta vantagens, como a relativa simplicidade, produção contínua e em grande escala e a não necessidade do uso de reagentes orgânicos ou solventes que podem ser danosos ao ambiente (COELHO, 2008).

Porém quando comparados com outros métodos, este se mostra menos eficaz no que se refere à dispersão devido aos altos valores de viscosidade dos polímeros no estado fundido, podendo tornar esse método mais complexo para maioria dos sistemas poliméricos (FIM, 2012). Contudo, ajustes de parâmetros de processamento (temperatura, taxa de cisalhamento e perfis de rosca) e diferentes estratégias de adição da carga podem ajudar a se obter elevados níveis de dispersão das nanopartículas.

Dependendo da afinidade entre os componentes (carga e matriz) e do processo de produção a morfologia final dos nanocompósitos é alterada. As moléculas do polímero poderão penetrar entre as camadas do particulado e formar nanocompósitos de estrutura intercalada ou, eventualmente, esfoliada. A situação pode ser alterada quando existe pouca interação entre as fases, conduzindo a formação de agregados (VAIA; JANDT; KRAMER, 1995). A Figura 14 apresnta de forma esquemática esses três tipos de situações.

Figura 14– Estruturas dos compósitos e nanocompósitos poliméricos: (a) microcompósito agregado, (b) nanocompósito intercalado, (c) nanocompósito exfoliado.