UNIVERSIDADE DO ETADO 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 MARCOS JULIANO COELHO NANOCOMPÓSITOS DE EPÓXI REFORÇADOS COM NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO (ALFA ALUMINA) OU ÓXIDO DE TITÂNIO (TITÂNIA) JOINVILLE / SC 2011
MARCOS JULIANO COELHO NANOCOMPÓSITOS DE EPÓXI REFORÇADOS COM NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE ALUMÍNIO (ALFA ALUMINA) OU ÓXIDO DE TITÂNIO (TITÂNIA) 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: Luiz Antônio Ferreira Coelho, Doutor. JOINVILLE / SC 2011
FICHA CATALOGRÁFICA C672n Coelho, Marcos Juliano. Nanocompósitos de Epóxi Reforçados com Nanopartículas de Óxido de Alumínio (Alfa Alumina) ou Óxido de Titânio (Titânia) / Marcos Juliano Coelho; orientador: Luiz Antônio Ferreira Coelho. Joinville, 2011. 98 f. : il ; 30 cm. Incluem referências. Dissertação (mestrado) Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011. 1. Polímeros. 2. Nanocompósitos. I. Coelho, Luiz Antônio Ferreira. CDD 620.192
À minha esposa Roberta, ao meu filho Arthur e à minha mãe Nancy
AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Luiz Antônio Ferreira Coelho, que como orientador e amigo soube cobrar, mas também não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias à realização do presente trabalho. Ao prof. Dr. Fernando Humel Lafratta, pela ajuda nas revisões deste presente trabalho. Aos bolsistas dos laboratórios da UDESC que ajudaram nas caracterizações dos materiais deste trabalho. Aos funcionários da WEG Química que ajudaram na preparação das amostras, em especial o Engenheiro Químico Marcelo Gonçalves da Luz. À Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC e ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do presente trabalho. Ao Centro de Ciências Tecnológicas e ao Departamento de Engenharia Mecânica pela infraestrutura oferecida. À empresa Nanum Tecnologia pelo fornecimento da nanoalumina utilizada nesse trabalho. À empresa WEG que me apoiou para a realização deste trabalho. A todos os professores do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais, que de uma forma direta ou indireta contribuíram para a realização desse trabalho. Aos amigos, pelo apoio técnico e moral recebido durante o desenvolvimento desse trabalho.
RESUMO COELHO, Marcos Juliano. Nanocompósitos De Epóxi Reforçados Com Nanopartículas De Óxido De Alumínio (Alfa Alumina) Ou Óxido De Titânio (Titânia). 2011. 98f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais Área: Polímeros) Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011. Recentes pesquisas têm demonstrado que a adição de pequenas quantidades de nanopartículas a uma matriz pode afetar significativamente suas propriedades. Neste trabalho foram estudadas as propriedades de nanocompósitos de matriz epóxi aditivadas com duas concentrações nanopartículas de alumina alfa ou óxido de titânio (2,5% m/m e 5,0%m/m). O objetivo da investigação é determinar o quanto estes óxidos metálicos podem influenciar nas propriedades do nanocompósito quando comparadas com a matriz pura. Para a caracterização foram utilizadas as seguintes técnicas: Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difratometria de Raio-X, Nanoindentação, Microdureza, Microscopia eletrônica de varredura (MEV), Termogravimetria (TGA), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e Rigidez Dielétrica. Os resultados indicam que a rigidez dielétrica, a dureza e o módulo de elasticidade sofrem alterações significativas com a adição de nanopartículas. Palavras-chave: Nanocompósitos. Epóxi. Alumina. Titânia. Propriedades.
ABSTRACT COELHO, Marcos Juliano. Epoxy nanocomposites reinforced by aluminium oxide (alfa alumina) or titaniun oxide (titane) nanoparticles. 2011. 98f. Dissertation (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais Área: Polímeros) Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2011. Recent studies demonstrated that small quantities of nanoparticles, added to a material, are able to modify significantly its properties. In this work was studied the properties of a nanocomposite of epoxy and nanoparticles of alfa alumina or titanium oxide (2,5% wt/wt and 5 wt/wt).the aim here is to determine how much these metallic oxides are able to modify the nanocomposite s properties when compared with the neat resin. For the characterization were applied the following techniques: Fourier Transform Infrared (FTIR), X-ray diffraction, Nanoindentation, Microhardness, Scanning Electron Microscopy (SEM), Thermogravimetry (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dielectric Strength. The results showed that the dielectric strength, the hardness and the Young s modulus are significantly modified by the nanoparticles adding. Keywords: Nanocomposite. Epoxy. Alumina. Titanium oxide. Properties.
SUMÁRIO 1. Introdução...12 2. Objetivos...14 2.1. Objetivo Geral...14 2.2. Objetivos Específicos...14 3. Revisão Bibliográfica...15 3.1. Compósitos...15 3.2. Nanocompósitos...16 3.2.1. Tipos de Nanocompósitos classificados quanto ao tipo de carga...16 3.2.2. Tipos de Nanocompósitos (poliméricos) classificados quanto ao método de síntese 18 3.2.2.1. Mistura Simples...19 Intercalação por fusão...19 Exfoliação/adsorção...20 Utilização de materiais micro e mesoporosos...20 3.3. Nanocompósitos de Matriz Polimérica...20 3.3.1. A resina epóxi como matriz de nanocompósitos...21 3.3.2. Nanopartículas...22 3.3.2.1. Produção de Nanopartículas...23 3.3.2.2. Alumina (Al 2 O 3 )...24 3.3.2.3. Titânia (TiO 2 )...25 3.3.3. Dispersão...26 3.3.3.1. Extrusão...27 3.3.4. Interface de Nanocompósitos poliméricos...28 3.4. Propriedades dos Nanocompósitos...31 3.4.1. Propriedades Mecânicas...32 Módulo de elasticidade e capacidade de transferência de nanopartículas...34 Dureza e resistência mecânica...35 3.4.2. Propriedades Elétricas...37 Rigidez dielétrica...38 3.4.3. Propriedades Térmicas...42
Temperatura de transição vítrea...42 3.5. Caracterização dos Nanocompósitos...43 3.5.1. Nanoindentação...43 3.5.2. Rigidez Dielétrica...47 4. Materiais e Métodos...49 4.1. Materiais...49 4.2. Preparação dos Nanocompósitos...49 4.2.1. Endurecedor...51 4.2.2. Alastrante...52 4.2.3. Agente degaseificante...52 4.3. Caracterização dos Nanocompósitos...52 4.3.1. Espectroscopia do Infra-vermelho (FTIR)...53 4.3.2. Ensaios Mecânicos...53 4.3.2.1. Microdureza...53 4.3.2.2. Nanoindentação...53 4.3.3. Microscopia eletrônica de varredura...53 4.3.4. Analise térmica...54 4.3.4.1. Calorimetria diferencial de varredura...54 4.3.4.2. Termogravimetria...54 4.3.5. Difratometria de Raio-X...54 4.3.6. Rigidez Dielétrica...54 5. Resultados e Discussões...56 5.1. Espectroscopia do Infra-vermelho...56 5.2. Analise térmica...59 5.2.1. Calorimetria diferencial de varredura...59 5.2.2. Termogravimetria...62 5.3. Difratometria de Raio-X...65 5.4. Ensaios Mecânicos...68 5.4.1. Microdureza...68 5.4.2. Nanoindentação...69 5.5. Microscopia eletrônica de varredura das amostras nanoindentadas....73 5.6. Rigidez Dielétrica...75 6. Conclusões...78 Sugestões para trabalhos futuros...80
REFERÊNCIAS...81 Apêndice A Data Sheet dos materiais...87 Apêndice B Extrusora de dupla rosca (fotos)...94 Apêndice C Maquina de ensaio de Rigidez Dielétrica (fotos)...95 Apêndice D Amostra sob ensaio de Rigidez Dielétrica...96 Apêndice E Dispersão/Distância teórica entre nanopartículas...97
12 1. Introdução A resina epóxi Bisfenol-A misturada em proporções estequiométricas com endurecedor de dicianodiamida e curada apropriadamente, torna-se um material termorrígido dielétrico que é amplamente utilizado na indústria como material isolante, acessórios para cabos e como base de tintas pó. É comum a utilização de tintas em pó a base de epóxi como material de isolação elétrica entre condutores na indústria de painéis de distribuição para aumentar a segurança do projeto. Os diferentes processos de aplicação destas tintas podem gerar falhas no material (bolhas de ar ou inclusões de materiais condutores) que pode prejudicar a propriedade de isolação do material aplicado. Devido a estas possíveis falhas, a utilização do epóxi nos condutores é tratada apenas como um elemento de segurança, ou seja, as distâncias de isolação no ar são mantidas para os diferentes níveis de tensão. Com a constante evolução do mercado, os produtos tendem a ficar cada vez mais compactos, exigindo distâncias entre condutores menores que a isolação no ar e consequentemente surge a necessidade de se usar materiais de isolação efetivos e confiáveis entre os condutores. A rigidez dielétrica é uma propriedade que caracteriza o quanto o material é isolante e é comumente utilizada para medir isolação, possui unidade de tensão sobre espessura de material (Volts/metro). Para atingir determinado nível de isolação, desconsiderando os problemas de processo (bolhas ou inclusões condutoras), existem basicamente duas alternativas: aumentar e espessura da camada de tinta ou aumentar a propriedade de isolação (rigidez dielétrica) através da modificação do material. É comum a inclusão de partículas de óxidos metálicos para incrementar propriedades, tais materiais com características isolantes podem ser uma alternativa para o aumento da propriedade de isolação, compósitos tradicionais utilizando óxidos metálicos já mostraram ineficiência nesta propriedade. A redução do tamanho da fase dispersa pode ser eficiente par a alteração de propriedades. Apesar de atualmente existir pouca literatura publicada sobre óxidos metálicos em nanocompósitos que seja taxativa sobre este efetivo incremento, existem muitos indícios de potenciais ganhos, especialmente em termos de propriedades dielétricas. A área de nanodielétricos ainda é
13 muito recente, até 2010 cerca de 30 artigos foram publicados, ver figura 1.1. (Preetha et al., 2011; Singha & Thomas, 2008; Wetzel et al., 2006; Zhang & Stevens, 2008). Figura 1.1 Número de publicações em nanodielétricos x tempo (Nelson, 2009). Sendo assim, neste trabalho, abre-se um oportunidade de pesquisa onde escolheu-se para fase dispersa o óxido de alumínio (alfa alumina) e o óxido de titânio (titânia) em escala nanométrica, compostos inorgânicos de ampla utilização na indústria de isolantes. (Maity et al., 2009; Kurimoto et al., 2010). Outras propriedades mecânicas e térmicas também importantes são investigadas (dureza e módulo de elasticidade, Tg e estabilidade térmica). No capítulo 2 apresentam-se os objetivos gerais e específicos deste trabalho. No capítulo 3 encontra-se a revisão bibliográfica com focos nos assuntos mais pertinentes aos estudos aqui realizados. No capítulo 4 apresentam-se os materiais e métodos utilizados para a preparação dos nanocompósitos e suas respectivas caracterizações. No capítulo 5 os resultados e discussões e finalmente no capítulo 6 as conclusões.