Nanocompósitos

Há muitas inovações no campo da nanotecnologia nos últimos anos. Mais de mil produtos foram disponíveis para os consumidores em 2009 e mais de dois mil produtos foram disponíveis no mercado em 2015. Isso pode ser explicado pelas propriedades promissoras das

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nanopartículas (que têm pelo menos uma dimensão 0,1 e 100 nm) e nanoprodutos que incorporam tais partículas (FIGUEIREDO et al., 2012).

O desenvolvimento de novos materiais plásticos com menor impacto ambiental tem despertado interesse nos últimos anos. Os polímeros termoplásticos reforçados com fibras reduzem o custo de produção (KOWALCZYK et al., 2011). O desenvolvimento de polímeros se deve principalmente à capacidade da engenharia modificar os plásticos e combiná-los com outros componentes (enchimentos, fibras ou nanofibras, estabilizadores, plastificantes, etc.) que são incorporadas na sua estrutura para um melhor desempenho. As principais nanopartículas utilizadas atualmente são as nanoargilas, os nanocristais de celulose e nanotubos de carbono (ROES et al., 2007; CHERIAN et al., 2011).

Assim, o interesse em nanocompósitos tem aumentado nos últimos anos devido o potencial associado com os novos grupos de materiais. Os nanocompósitos são definidos como compósitos com reforço em escala nanométrica (< 100 nm), ou seja, pelo menos uma das fases consiste em escala nanométrica (CAMARGO et al., 2009; SIRÓ; PLACKETT, 2010; DUFRESNE, 2010; LAVOINE et al., 2012; YU et al., 2012). A definição de material contendo nanopartículas tem aumentado significativamente para incluir uma variedade de sistemas que têm pelo menos uma dimensão em escala nanométrica (1-100 nm) (CHENG et al., 2011; FORTUNATI et al., 2015). Já MARIANO et al. (2014), definem os nanocompósitos como um material sólido multifásico onde uma das fases tem um, dois, ou três dimensões em escala nanômétrica, que é inferior a 100 nm.

Muitos trabalhos estão apresentando resultados com polímeros hidrofílicos (naturais ou sintéticos) para melhorar a dispersão e explorar o seu potencial, como também polímeros hidrofóbicos (sintéticos) conforme a Figura 2.15 (PANTHAPULAKKAL; SAIN, 2012; DUFRESNE, 2013; EL MIRI et al., 2015; MA et al., 2015; HASSAN et al., 2014; CHERIAN et al., 2011; DUFRESNE et al., 2010; FORTUNATI et al. 2015; CORRÊA et al., 2014; SPINELLA et al., 2015; MOON et al., 2011; POUR et al. 2014).

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Figura 2.15: Nanocompósitos com diferentes matrizes, segundo a literatura recente.

Nanocompósitos possuem propriedades únicas, por causa do tamanho nanométrico, quando se compara os nanocompósitos com os compósitos convencionais, os nanocompósitos possuem a vantagem pelo baixo teor de carga. Os plásticos reforçados com nanocristais de celulose têm vantagens mecânicas, são melhores que os plásticos convencionais usados na automotiva, sendo 30% mais leve e 3-4 vezes mais forte do que os plásticos atualmente utilizados na automotiva. São mais resistentes a danos causados pelo calor e produtos químicos (COCCIA et al., 2014).

As propriedades dos nanocompósitos tem relação com a pobre ou boa dispersão dos nanocristais de celulose na matriz. Uma má distribuição da nanocarga na matriz pode atuar como concentrador de tensões, podendo até agir negativamente nas propriedades do material. A distribuição está associada com a homogeneidade da amostra enquanto que a dispersão descreve a aglomeração conforme a Figura 2.16 (SCHADLER, 2003).

OH OH OH

Nanocristais de celulose

Acetilado

Poliestireno

Acrilonitrila butadieno estireno

Polipropileno

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Figura 2.16: Diferença entre a distribuição e a dispersão (SCHADLER, 2003).

A modificação física por surfactante comercial pode ser uma estratégia para melhorar a dispersão dos nanocristais com solventes orgânicos e, consequentemente no polímero usado (FORTUNATI et al., 2015). A produção dos nanocompósitos com nanocristais de celulose para diversas aplicações é relativamente nova. Uma ampla gama de nanocompósitos tem sido investigada na utilização das nanofibras/nanocristais, mas existem vários problemas, tais como a dispersão dos nanocristais na matriz polimérica, especialmente quando são hidrofóbicos. Frequentemente, os métodos de obtenção usados são “casting”/evaporação, “master batch” e fusão (CHENG et al., 2011; SIRÓ; PLACKETT, 2010). A maioria das técnicas de processamento usado para preparar nanocompósitos poliméricos reforçados com nanocristais de celulose são principalmente restrito para método de processamento úmido, tais como “casting”/ evaporação, o que tem sido extensivamente reportado na literatura. A principal vantagem desta estratégia baseia-se no fato que preserva o estado de dispersão das nanopartículas em meio líquido. No entanto, isso limita o número de matrizes poliméricas que podem ser utilizadas em associação com os nanocristais de celulose. Além disso, este procedimento não é ecológico (uso de solvente), não é industrial e nem economicamente viável (MARIANO et al., 2014; EL MIRI et al., 2015). Boa distribuição Boa dispersão Pobre distribuição Boa dispersão Boa distribuição Pobre dispersão Pobre distribuição Pobre dispersão

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MA et al. (2015), utilizaram o método “master batch” que proporcionou uma maneira simples de aplicar nanocristais de celulose como reforço em uma matriz hidrofóbica (ABS). Primeiro foi preparado o “master batch” com alto teor nanocristais. O método “master batch” tem como objetivo melhorar dispersão, a estabilidade térmica e a compatibilidade entre NCC/ABS (nanocompósitos de nanocristais de celulose/ABS). Depois, os nanocompósitos foram obtidos pela mistura do master batch, o ABS e poli (estireno-co-anidrido maleico) utilizando uma extrusora de dupla rosca.

Peltola et al. (2006) utilizaram o método de fusão, aplicando uma extrusora-dupla rosca co-rotativos (ZSK 25 Werner Pfleiderer) para obter os nanocompósitos/ nanoargila. As definições da temperatura foram 170, 170, 170, 180, 180, 180 e 185°C, respectivamente. Foram utilizadas as velocidades de parafuso de 200, 500, 1000 rpm, obtendo aumento de 10-20% no módulo de tração em relação PP puro. Este método é o mais utilizado por não usar solvente e pela facilidade de preparo. Na obtenção de nanocompósitos, a chave para a obtenção de propriedades ótimas é a dispersão/distribuição das nanocargas na matriz polimérica. Este método é industrial, é ecológico e economicamente viável. No entanto, estas técnicas de processamento convencionais são raramente empregadas para a preparação de nanocompósitos poliméricos reforçados com nanocristais de celulose. Isto é atribuído pela incompatibilidade inerente e problemas de estabilidade térmica. Portanto, a natureza hidrofílica de celulose faz com que a aglomeração seja irreversível durante a secagem e a agregação em matrizes apolares podendo causar formações de ligações de hidrogênio adicionais entre nanopartículas (MARIANO; KISSI; DUFRESNE, 2014).

2.5. CARACTERIZAÇÃO DOS NANOCRISTAIS E NANOCOMPÓSITOS DE