ANGELITA DE ARAUJO DEMARCHI

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM 0 ANGELITA DE ARAUJO DEMARCHI SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS HÍBRIDOS DE POLIAMIDA-IMIDA (PAI) E COPOLISILSESQUIOXANOS DE 3-AMINOPROPILTRIETOXISSILANO (APES) E FENILTRIETOXISSILANO (PTES) JOINVILLE 2011

2 1 ANGELITA DE ARAUJO DEMARCHI SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS HÍBRIDOS DE POLIAMIDA-IMIDA (PAI) E COPOLISSILSESQUIOXANOS DE 3-AMINOPROPILTRIETOXISSILANO (APES) E FENILTRIETOXISSILANO (PTES) Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas CCT. Orientador: Sérgio Henrique Pezzin JOINVILLE, SC 2011

3 2 SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS HÍBRIDOS DE POLIAMIDA-IMIDA (PAI) E COPOLISSILSESQUIOXANOS DE 3-AMINOPROPILTRIETOXISSILANO (APES) E FENILTRIETOXISSILANO (PTES) por ANGELITA DE ARAUJO DEMARCHI Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS área de concentração em Polímeros, e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA. Dr. Sérgio Henrique Pezzin CCT/UDESC (presidente/orientador) Banca Examinadora: Joinville, 25 de fevereiro de 2011 Dr. Andre Galembeck UFPE Dra. Daniela Becker UDESC Dr. Luiz Antonio Ferreira Coelho CCT/UDESC

4 3 FICHA CATALOGRÁFICA D372s Demarchi, Angelita de Araujo. Síntese caracterização de materiais híbridos de poliamida-imida (PAI) e copolissilsesquioxanos de 3-aminopropiltrietoxissilano (APES) e feniltrietoxissilano (PTES)/Angelita de Araujo Demarchi; Orientador: Pezzin, Sérgio Henrique 103 f. ; 30cm Incluem referências. Dissertação (mestrado) Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, Polímeros 2. Híbridos 3. Verniz I. Pezzin, Sérgio Henrique. CDD

5 4 Para Clara e Davi...

6 5 AGRADECIMENTOS A DEUS, simplesmente por tornar tudo possível. Ao meu marido, Jackson, pela infinita paciência, compreensão e companheirismo. Ao professor Sérgio Pezzin, pela orientação, apoio e amizade neste período. A UDESC, pelo fornecimento da estrutura necessária para preparo das amostras e caracterizações. A empresa WEG pela colaboração e fornecimento de recursos para a realização deste trabalho. Aos meus pais, Osório e Isabel, por seu amor, exemplo de dedicação e por serem meus grandes incentivadores. Aos colegas do Laboratório de P & D pelo auxílio e apoio. Aos colegas do LabPol, em especial Mariana, Kelen, Delne e Jonas, pela amizade e constante disponibilidade em ajudar. A professora Inez Valéria pela análise de NMR, e ao professor Carlos Lepienski pelas análises de nanoindentação. A professora Célia Malfatti, pela contribuição com as imagens de AFM. Aos colegas Edina e Joel, pelas caronas e agradáveis conversas. A todos meus amigos e familiares pelo constante apoio, incentivo e por compreenderem minha ausência em muitos momentos durante estes anos de mestrado. A todos, muito obrigada! Que DEUS os abençoe sempre!

7 6 RESUMO Demarchi, Angelita de Araujo. Síntese caracterização de materiais híbridos de poliamidaimida (PAI) e copolissilsesquioxanos de 3-aminopropiltrietoxissilano (APES) e feniltrietoxissilano (PTES) f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais Área: Polímeros) Universidade do Estado de Santa Catarina, Programa de Pós- Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, O polímero poliamida-imida (PAI) é amplamente utilizado em fios esmaltados para aplicações elétricas devido ao balanço de suas propriedades mecânicas, elétricas e térmicas. Este polímero pode ser melhorado pela adição de cargas inorgânicas em sua matriz, dentre elas os silsesquioxanos, formando híbridos orgânicos/inorgânicos. O presente trabalho apresenta o preparo de polímeros híbridos PAI/copolissilsesquioxano (PAI/coPSQ), onde a matriz de poliamida-imida (PAI) é preparada a partir da reação de condensação entre o anidrido trimelitico (TMA) e o difenilmetano-4,4-diisocianato (MDI), e o copolissilsesquioxano é preparado pelo método sol-gel a partir de precursores alcóxidos, neste caso o 3- aminopropiltrietoxissilano (APES) e o feniltrietoxissilano (PTES). Foram avaliadas as metodologias de obtenção do híbrido PAI/coPSQ por mistura simples e por reação in situ. Os polímeros híbridos foram caracterizados quanto às suas características espectroscópicas e morfológicas, propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Os vernizes de PAI preparados com copsqs ricos em APES apresentaram gelatinização devido ao alto grau de reticulação gerado pelas ligações cruzadas entre as cadeias poliméricas do PAI e os grupos amínicos. O método de mistura por reação in situ mostrou-se mais eficiente na geração do híbrido PAI/coPSQ, minimizando a ocorrência de gelatinização. As análises morfológicas confirmaram a ausência de separação entre as fases orgânica e inorgânica e as análises de FTIR e NMR 13 C e 29 Si confirmaram formação da rede Si-O-Si. As amostras híbridas PAI/coPSQ não apresentaram alterações significativas de Tg, enquanto que o híbrido PAI/PTES obtido pela policondensação somente do PTES apresentou grande diminuição de Tg. Os híbridos PAI/PSQs apresentaram uma pequena melhoria na estabilidade térmica analisada por termogravimetria. Os resultados do ensaio de nanoindentação confirmaram a influência da adição do copsq para o aumento da dureza e do módulo de elasticidade dos filmes de PAI, enquanto que os resultados médios da propriedade de rigidez dielétrica apresentaram tendência de aumento. Palavras-chave: Poliamida-imida. Copolissilsesquioxanos. Sol-gel. Híbrido orgânicoinorgânico. Verniz.

8 7 ABSTRACT Demarchi, Angelita de Araujo. Synthesis and characterization of hybrid organic-inorganic materials of polyamide-imide (PAI) and copolisilsesquioxanes of 3- aminopropyltriethoxisilane (APES) and phenyltriethoxysilane (PTES) p. Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering Area: Polymers) Santa Catarina State University, Post-Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, Polyamide-imide (PAI) is a polymer widely used in magnet wires for electrical applications due to combination of their mechanical, electrical and thermal properties. This polymer can be improved by the addition of inorganic moieties, among them silsesquioxanes, forming organic/inorganic hybrids. This dissertation presents the preparation of hybrid polymers PAI/copolysilsesquioxane (PAI/coPSQ), where the matrix of polyamide-imide (PAI) is prepared from the condensation of trimellitic anhydride (TMA) and diphenylmethane-4,4- diisocyanate (MDI), and the copolysilsesquioxane is prepared by the sol-gel method from alkoxide precursors, in this case, 3-aminopropyltriethoxysilane (APES) and phenyltrietoxisilane (PTES). The methods for obtaining the hybrid PAI/coPSQ by simple mixing and in situ reaction were evaluated. The hybrid polymers were characterized by their spectroscopic characteristics, morphology, electrical, mechanical and thermal properties. The PAI/coPSQs coatings prepared with APES-rich copsq presented gelatinization due to high crosslinking generated by the polymer chains of PAI and the amine groups of PSQ. The method of in situ reaction mixture was more efficient in the generation of hybrid PAI/coPSQ, minimizing the occurrence of gelatinization. The SEM and AFM confirmed the absence of separation between the organic and inorganic phases and the FTIR and NMR 13 C and 29 Si analysis confirmed the formation of a Si-O-Si network. PAI/coPSQ hybrid samples showed no significant changes of Tg, while PAI/PTES hybrid obtained by polycondensation of PTES presented a decrease of Tg. PAI/PSQs hybrids were analyzed by thermogravimetry and showed a small improvement in thermal resistance. The results of nanoindentation tests confirmed the influence of adding copsq to increase hardness and elastic modulus of PAI films, while the average performance of dielectric strength showed trends of increasement. Key words: Polyamide-imide. Copolysilsesquioxane. Sol-gel. Hybrid organic-inorganic. Varnish.

9 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Síntese da poliamida-imida Figura 2: unidades estruturais possíveis de serem encontradas em polissiloxanos Figura 3: estruturas dos silssesquioxanos Figura 4: Principais reações do MDI envolvidas durante a síntese do PAI e preparo do híbrido orgânico/inorgânico PAI/copolissilsesquioxano Figura 5: (a) detalhe de um estator bobinado; (b) processo de impregnação de estatores Figura 6: Representação do corte transversal de fios esmaltados Figura 7: (a) 3-aminopropiltrietoxissilano (APES); (b) feniltrietoxissilano (PTES) Figura 8: Sistema para preparo da PAI e da PAI híbrida Figura 9: Fluxograma do preparo dos híbridos PAI/coPSQ e PAI/PSQ Figura 10: Exemplo de nomenclatura das amostras dos híbridos PAI/coPSQ Figura 11: Espectros FTIR da evolução da reação de formação do PAI Figura 12: Evolução da viscosidade durante a reação de formação do PAI taxa de cisalhamento 2475 sec Figura 13: Espectros de FTIR do PAI-A líquido e curado Figura 14: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-1-5-S Figura 15: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-1-5-S e regiões de análise Figura 16: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-4-5-MA Figura 17: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-4-5-MA e regiões de análise Figura 18: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-PTES Figura 19: Imagem de SEM da fratura criogênica do híbrido H-PTES e regiões de análise Figura 20: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 1 do H-1-5-S Figura 21: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 2 do H-1-5-S Figura 22: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 1 do H-4-5-MA Figura 23: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 2 do H-4-5-MA Figura 24: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 1 do H-PTES Figura 25: Espectro de EDS da análise semi-quantitativa da região 2 do H-PTES

10 9 Figura 26: Espectros de FTIR dos vernizes líquidos Figura 27: Espectros de FTIR do precursor PTES e dos PSQs preparados com 18 e 24 horas de reação em sol-gel. Detalhe para a região de absorção das ligações Si-O-C e Si-O-Si Figura 28: Espectros de FTIR dos copolisilsesquioxanos (a) PTES/APES 1:1; (b) PTES/APES 4:1; (c) PTES/APES 10:1; (d) PTES/APES 50:1; detalhe da região de absorção do Si-O-Si Figura 29: Espectros do híbrido PAI/coPSQ H-10-5-S e do PAI padrão. Detalhe da região da região de absorção das bandas Si-O Figura 30: Espectro de CP-MAS NMR 29 Si da amostra H-PTES Figura 31: Espectro de CP-MAS NMR 29 Si da amostra H S Figura 32: Espectro de CP-MAS NMR 13 C da amostra H S Figura 33: Imagem ao AFM do híbrido H-10-5-S (5 x 5 µm) modo dinâmico Figura 34: Imagem ao AFM do híbrido H-10-5-S (10 x 10 µm) modo dinâmico Figura 35: Imagem ao AFM do híbrido H S (5 x 5 µm) modo dinâmico Figura 36: Imagem ao AFM do híbrido H S (10 x 10 µm) modo dinâmico Figura 37: Imagem 3D de região com ondulações de amplitude nanométrica no híbrido H-10-5-S modo dinâmico Figura 38: Imagem 3D de região com ondulações de amplitude nanométrica no híbrido H S modo dinâmico Figura 39: Imagem ao AFM do substrato do híbrido H-10-5-S (5 x 5 µm) modo dinâmico. 58 Figura 40: Imagem ao AFM do substrato do híbrido H S (5 x 5 µm) modo dinâmico Figura 41: Imagem 3D do substrato do híbrido H-10-5-S (10 x 10 µm) modo dinâmico Figura 42: Imagem 3D do substrato do híbrido H S (5 x 5 µm) modo dinâmico Figura 43: Imagem ao AFM do PAI-A no modo contato (5 x 5 µm) modo contato Figura 44: Difractograma de raios-x dos híbridos H-10-5-S e H S Figura 45: Curvas de DSC e DDSC indicando a temperatura de transição vítrea (Tg) do padrão PAI-A Figura 46: Curvas de DSC e DDSC indicando a temperatura de transição vítrea (Tg) do padrão PAI-B

11 10 Figura 47: Curvas de DSC e DDSC indicando a temperatura de transição vítrea (Tg) do híbrido H-10-5-S Figura 48: Curvas de DSC e DDSC indicando a temperatura de transição vítrea (Tg) do híbrido H S Figura 49: Curvas das análises termogravimétricas (TGA) em N 2 da PAI e híbridos Figura 50: Resultados médios dos ensaios de rigidez dielétrica e seus intervalos de confiança para os filmes de PAI e híbridos Figura 51: Dureza em função da profundidade de penetração no ensaio de nanoindentação.. 70 Figura 52: Dureza em função da profundidade de penetração dos híbridos com 5% de copsq Figura 53: Dureza em função da profundidade de penetração dos híbridos com 10% de copsq Figura 54: Dureza em função da profundidade de penetração dos híbridos obtidos por mistura simples com PAI-A Figura 55: Dureza em função da profundidade de penetração dos híbridos obtidos por mistura simples com PAI-B Figura 56: Dureza em função da profundidade de penetração dos híbridos obtidos por reação in situ Figura 57: Dureza em função da profundidade de penetração do PAI-silanos Figura 58: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração no ensaio de nanoindentação Figura 59: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração dos híbridos com 5% de copsq Figura 60: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração dos híbridos com 10% de copsq Figura 61: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração obtidos por mistura simples com PAI-A Figura 62: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração obtidos por mistura simples com PAI-B Figura 63: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração obtidos por reação in situ

12 11 Figura 64: Módulo de elasticidade em função da profundidade de penetração do PAIsilanos Figura 65: Micrografia da impressão após os ensaios de nanoindentação no filme de PAI sobre porta amostra de alumínio

13 12 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Identificação das amostras Tabela 2: Principais absorções apresentadas nos espectros do verniz de PAI líquido Tabela 4: Resultados da determinação da temperatura de transição vítrea (Tg) via DSC Tabela 5: Resultados do ensaio de análise termogravimétrica (TGA) Tabela 6: Resumo dos resultados do ensaio de rigidez dielétrica Tabela 7: Resultados do ensaio de flexibilidade e aderência... 69

14 13 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS APES 3-aminopropiltrietoxissilano AFM microscopia de força atômica copsq copolissilsesquioxano DMAc dimetil acetamida DMF N,N-dimetilformamida DRX difratometria de raios-x DSC calorimetria exploratória diferencial EDS Espectroscopia de energia dispersiva EtOH etanol FTIR espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier HCl ácido clorídrico HF ácido fluorídrico KF fluoreto de potássio MDI difenilmetano-4,4-diisocianato NEP N-etil-2-pirrolidona NH 3 amônia NMP N-metil-2-pirrolidona NMR ressonância magnética nuclear PAI poliamida-imida PE polietileno PEI poliesterimida PI poliimida PP polipropileno PPSQ poli(fenilsilsesquioxano) PSQ polissilsesquioxano PTES feniltrietoxissilano r razão entre H 2 O e Si SEM microscopia eletrônica de varredura

15 14 Tg temperatura de transição vítrea TGA análise termogravimétrica THF tetrahidrofurano TMA anidrido trimelitico XLPE crosslinked polietileno υ estiramento δ deformação λ comprimento de onda

16 15 SUMÁRIO INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA SÍNTESE DA POLIAMIDA-IMIDA (PAI) Rota dos isocianatos Poliamida-imida com isocianato bloqueado MATERIAIS HÍBRIDOS ORGÂNICO-INORGÂNICOS PRODUÇÃO DE PRECURSORES SILSESQUIOXANOS POLISSILSESQUIOXANOS (PSQ) APLICAÇÃO DE VERNIZES ISOLANTES EM FIOS ELÉTRICOS DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL MATERIAIS SÍNTESE DO COPOLISSILSESQUIOXANO SÍNTESE DA POLIAMIDA-IMIDA PADRÃO SÍNTESE DA POLIAMIDA-IMIDA HÍBRIDA COM COPOLISSILSESQUIOXANOS CARACTERIZAÇÃO Espectroscopia no infravermelho (FTIR) Ressonância Nuclear Magnética (NMR) Viscosimetria Microscopia Difratometria de raio-x (DRX) Propriedades térmicas Propriedades elétricas Propriedades mecânicas REULTADOS E DISCUSSÃO...41

17 ACOMPANHAMENTO DA SÍNTESE DE OBTENÇÃO DO PAI CARACTERIZAÇÃO DO HÍBRIDO ORGÂNICO/INORGÂNICO PAI/COPOLISSILSESQUIOXANO Espectroscopia Ressonância Magnética Nuclear (NMR) Caracterização morfológica - Microscopia de força atômica (AFM) Difração de raio-x (DRX) Propriedades térmicas Calorimetria diferencial exploratória (DSC) Análise termogravimétrica (TGA) Propriedades elétricas Propriedades mecânicas Flexibilidade e aderência Nanoindentação CONCLUSÕES TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS APÊNDICE A Gráfico da evolução da viscosidade durante síntese da PAI Diferentes taxas de cisalhamento APÊNDICE C Gráficos de DSC APÊNDICE D - Gráficos da análise termogravimétrica (TGA)...92 APÊNDICE E Resultados do teste de Dixon para o ensaio de rigidez dielétrica APÊNDICE F Resultados dos ensaios de rigidez dielétrica APÊNDICE G Gráfico de dureza e módulo de elasticidade por nanoindentação com marcador de desvios ANEXO A Teste de hipóteses

18 17 INTRODUÇÃO A poliamida-imida (PAI) apresenta um conjunto de propriedades que aliam resistência mecânica, estabilidade térmica e excelente isolamento elétrico. Estas características são ideais para aplicações em áreas como isolamento de fios condutores elétricos e placas de circuito impresso, dentre outros, nas áreas elétrica e eletrônica. Para isolamento de fios elétricos, estes polímeros são aplicados sob a forma de vernizes sobre fios de cobre ou alumínio e curados à temperatura suficiente para eliminação do solvente e formação de uma fina película uniforme de recobrimento, em um processo conhecido como esmaltação. Os fios esmaltados são utilizados principalmente em enrolamentos de motores e geradores elétricos. A poliamida-imida (PAI) é obtida pela reação de um anidrido ácido tricarboxílico com um isocianato, usualmente o anidrido trimelítico (TMA) e o difenilmetano-4,4-diisocianato (MDI), com ou sem solvente. Sua obtenção está descrita em patentes como US de 1965 [P.D. GEORGE COMPANY et al., 1965], com posteriores melhorias como a modificação com a adição de poliisocianatos com anéis isocianurato, uso da ε-caprolactama e cresol como solvente [GENERAL ELECTRIC COMPANY et al., 1981; HITACHI CHEMICAL COMPANY LTDA et al., 1979 ; HITACHI CHEMICAL COMPANY LTDA, et al., 1981]. Estas alterações conferiram melhorias nas propriedades térmicas da poliamidaimida e custos mais acessíveis. Nas últimas décadas, novas exigências de melhorias das propriedades destes fios vêm sendo solicitadas para satisfazer aplicações severas para motores elétricos, como o uso e equipamentos acionados por inversores de frequência, fator que diminui durabilidade dos equipamentos devido ao fenômeno de descargas parciais, e aplicações a altas temperaturas em situações de emergência. Em equipamentos acionados por inversores de frequência, as descargas parciais geradas pelos inversores causam erosão da superfície do esmalte, sendo seu principal mecanismo de ruptura elétrica. Geralmente a resistência a descargas parciais pode ser melhorada pela adição de cargas inorgânicas como óxidos metálicos à matriz polimérica [HAYAKAWA e OKUBO, 2008], mas isto pode comprometer suas propriedades mecânicas. É

19 18 conhecida na literatura a influência da sílica na melhoria das propriedades de resistência térmica de fios esmaltados [SON, et al., 2008], porém, da mesma maneira que os demais óxidos metálicos incorporados às matrizes, a sílica pode ocasionar diminuição de propriedades mecânicas e dificuldades de processamento, além de apresentar limitações quanto à sua dispersão [SUZUKI, et al., 2001]. A metodologia de obtenção de híbridos via sol-gel, pode proporcionar excelentes propriedades mecânicas e de resistência às descargas parciais. Alguns estudos também citam melhoria significativa nas propriedades de resistência térmica em híbridos orgânico/inorgânicos com sílica e precursores alcóxidos [MESAKI e GODA, 2001 ; SON, et al., 2008]. No caso particular de poliimidas (PI), a classe térmica dos fios obtidos foi indicada como 280 C, quando sua classe convencional é 240 C [SUZUKI, et al., 2001]. A presença de amidas e imidas heterocíclicas em sua cadeia principal da PAI confere estabilidade térmica, boas propriedades mecânicas e interações do tipo ligações de hidrogênio com as demais cadeias, sendo esta matriz candidata para materiais híbridos [GHOSH e MITTAL, 1996 ; TSAI, et al., 2008]. A metodologia via sol-gel proporciona uma distribuição homogênea da fase inorgânica na matriz polimérica, não comprometendo suas propriedades mecânicas, efeito que não é garantido em dispersões de partículas de óxidos em matriz polimérica. Considerando estes fatores, o 3-aminopropiltrietoxissilano (APES) e o feniltrietoxissilano (PTES) foram os precursores alcóxidos sugeridos neste trabalho para a obtenção do copolissilsesquioxano que formará o composto híbrido orgânico/inorgânico com a PAI. Os PSQ e copsq foram obtidos pelo processo sol-gel e utilizados nas reações de preparo da PAI híbrida.