Reforço termomecânico em compósitos de matriz epóxi por nanoestruturação causada pela incorporação de ppm de nanopartículas de Nb2O5 : evidência experimental e modelamento da interação partícula-matriz - Boaretto, Joel (2023)
As principais megatendências na indústria automotiva apontam para o desenvolvimento de pesquisas disruptivas, baseadas em técnicas, dispositivos e métodos complexos, como um dos caminhos para gerar grandes inovações que se tornem diferenciais competitivos para aqueles que tem a investigação básica como fonte de inspiração e, assim, se estruturar a tão esperada jornada tecnológica da “Ciência ao Negócio”. A busca por materiais cada vez mais leves, capazes de atender às demandas estruturais e sem perder a viabilidade econômica, tornou-se uma constante nos centros de inovação ao redor do mundo, com forte destaque para os compósitos de matriz polimérica (CMPs). Com uma relação atraente de propriedades físicas, mecânicas e químicas, e a liberdade de forma para designs ousados, os CMPs substituem componentes metálicos com agregação de novas funções, principalmente as relacionadas com a viscoelasticidade intrínseca da matriz. Uma das restrições técnicas dos compósitos, no entanto, está ligada ao enfraquecimento do desempenho mecânico dos polímeros em ambientes de operação que exijam exposição a altas temperaturas. Uma forma de suprir essa deficiência e melhorar as propriedades originais do polímero é a alteração da matriz com a incorporação de nanopartículas. Nesse contexto, dois propósitos conduziram o desenvolvimento desta tese: (i) estabelecer os parâmetros de dopagem de polímeros para potencializar suas propriedades intrínsecas de forma eficiente e com baixo custo; e (ii) como caracterizar os compósitos, virtual e experimentalmente, de forma a capturar os fenômenos que ocorrem entre a partícula e a matriz polimérica. Para tal, esta pesquisa foi desenvolvida em duas linhas, uma experimental e outra computacional. A primeira teve como objetivo estabelecer a metodologia da incorporação de nano partículas de Nb2O5 na matriz polimérica, nesse caso, um termofixo de base epóxica, e caracterizar o compósito. Na segunda linha, foi criado um elemento de volume representativo (EVR) capaz de reproduzir os fenômenos de incorporação, de modo a poder prever o comportamento mecânico dos compósitos. Para a caracterização experimental dos compósitos, foram utilizadas as técnicas de: (i) DMA para avaliação das propriedades térmicas (transição vítrea) e mecânicas (componentes viscoelásticas) do polímero; (ii) MEV para verificação de modificações na superfície; (iii) MET para captura dos fenômenos de interação entre matriz e partícula na escala manométrica; e (iv) FTIR como avaliação complementar. Para o modelamento matemático, adotou-se o software Digimat® (Hexagon®). Cumpre destacar o tratamento dado à nanopartícula no que tange à sua morfologia, tamanho e quantidade adicionada ao polímero. De forma geral, a literatura apresenta a incorporação de partículas de óxidos como enchimento em compósitos de matriz polimérica, utilizando percentuais mássicos ou volumétricos como parâmetro de mistura. Porém, nesta tese, propôs-se avaliar o efeito do acréscimo de nanopartículas pelo número de partículas, tendo sido possível observar que quantidades extremamente baixas de nanopartículas (ppm) são responsáveis por grandes alterações no módulo de armazenamento (E’), módulo de perda (E”), tangente delta (Tan δ) e na temperatura de transição vítrea (Tg). Os resultados deste estudo mostraram que a dispersão em matriz epóxi de 50 ppm de nanopartículas de Nb2O5 com tamanho médio de 50 nm foi capaz de incrementar o E’ em 13 %, reduzir a Tan δ em 58 % e aumentar a Tg em 31 %, frente à resina original, tornando a matriz polimérica mais rígida e, com isso, mais adequada à utilização em componentes estruturais. Além disso, esta pesquisa permitiu compreender por qual razão a dopagem com partículas não segue um conceito aditivo, visto que o processo de incorporação promove uma competição entre mecanismos de alteração da microestrutura do polímero, que são: (i) formação de interfase; e (ii) aglomeração, sendo o caminho livre médio, g, entre as partículas a variável que determina a predominância de uma ou outra estrutura dos compósitos.