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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24834| Título: | Desenvolvimento de compósitos PU / PAni / grafite eletricamente condutores para aplicações tribológicas |
| Título(s) alternativo(s): | Development of PU / PAni / Graphite electrically conductive composites for tribology applications |
| Autor(es): | Valente, Caio Augusto Garcia Sampaio |
| Orientador(es): | Silva, Carlos Henrique da |
| Palavras-chave: | Poliuretanos Polímeros Compósitos de grafite Condutividade elétrica Tribologia Materiais nanoestruturados Desgaste mecânico Polyurethanes Polymers Graphite composites Electric conductivity Tribology Nanostructured materials Mechanical wear |
| Data do documento: | 16-Fev-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | VALENTE, Caio Augusto Garcia Sampaio. Desenvolvimento de compósitos PU / PAni / grafite eletricamente condutores para aplicações tribológicas. 2021. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
| Resumo: | O mercado global polímeros condutores registrou expectativas de crescimento anual de 8,4% de 2016 a 2021. Embalagens e rolamentos antiestática, dispositivos biomédicos e tintas eletrostáticas são aplicações típicas destes materiais. Polímeros condutores intrínsecos (ICPs), que são capazes de conduzir elétrons ao longo de suas macromoléculas, ganham mercado frente aos polímeros condutores extrínsecos (ECPs), que utilizam enchimentos condutores. No entanto, ICPs não possuem propriedades mecânicas satisfatórias para aplicações tribológicas. Eles podem ser, todavia, usados como material de adição condutor para ECPs, gerando blendas capazes de atuar em aplicações tribológicas. Concomitantemente, avanços nas tecnologias de produção de grafenos, como nanotubos de carbono e nanoplaquetas de grafite, permitiram o desenvolvimento de novos materiais utilizando pequenas quantidades destes aditivos condutores. Assim, é possível obter condutividade sem perdas significativas nas propriedades mecânicas. Esse trabalho apresenta o desenvolvimento e caracterização de novos materiais condutores, utilizando matriz de poliuretano (PU) comercial e adição de nanoplaquetas de grafite (GNPs) e polianilina (Pani). A polianilina é um ICP de elevado interesse científico e tecnológico. As GNPs possuem elevada razão de aspecto devido a sua espessura nanométrica e diâmetro micrométrico, o que é necessário para um limiar de percolação elétrica reduzido. As nanopartículas foram obtidas a partir de grafite expansível comercial, utilizando método de esfoliação por ultrassom, enquanto o ICP foi sintetizado como tradicionalmente é descrito na literatura, sendo parcialmente modificado pela adição de ácido sulfônico seguida de moagem refinada. As partículas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura e granulometria de difração de laser, bem como por difração de raios-X e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier. O desempenho tribológico foi avaliado para o PU e suas blendas e compósitos em ensaio tipo esfera-sobre-placa com movimento recíproco, realizado em tribômetro, variando condições de carregamento e velocidade. A largura de desgaste foi medida por análise de imagens obtidas por microscopia óptica. A condutividade elétrica volumétrica foi avaliada utilizando um potenciostato/galvanostato. Os compósitos foram obtidos em proporções de 0-10%, em massa, de GNPs e 0-30% Pani. A partir de 8% de GNPs e 10% de Pani foi possível observar condutividade elétrica na ordem de 10−7 S m−1 e 10−6 S m−1, respectivamente. Isso corresponde a valores dentro da faixa de condução de semicondutores. O coeficiente de atrito cinético médio foi reduzido em 30,2% com a adição de 1,3% de GNPs. A polianilina não demonstrou afetar o atrito ou o desgaste numa concentração até 1,3%. A largura de desgaste é função da força aplicada e da composição. Há indícios de que o compósito com 4% GNPs pode ser utilizado em aplicações tribológicas com necessidade de dissipação de cargas elétricas. Outros compósitos, com maior concentração de material de adição, podem encontrar aplicação em outras áreas, mas não são adequados para aplicações tribológicas. |
| Abstract: | Conducting polymer market is expected to grow 8.4% annually from 2016 to 2021. Typical applications of those materials include electrostatic dissipative (ESD) packages, ESD bearings, biomedical devices and electrostatic paints. Intrinsic conductive polymers (ICPs) display the ability to conduct electricity through its macromolecules. ICPs are gaining market share steadily against extrinsic conductive polymers (ECPs). ECPs are polymeric composites with conductive fillers. However, ICPs do not present suitable mechanical properties for tribological applications. They could, nonetheless, be used as fillers in an insulating matrix, making a blend that could be able to withstand tribological uses. Recent advances in graphene production technologies, such as carbon nanotubes and graphite nanoplatelets, allowed the development of novel materials using small fractions of conductive fillers. Therefore, it is possible to obtain conductive materials without significant losses of mechanical properties. This work aims to develop and evaluate novel conductive composites, using a commercial polyurethane (PU) matrix filled with graphite nanoplatelets (GNPs) and polyaniline (Pani), which is an ICP of high scientific and technological interest. GNPs present high aspect ratio due to its micrometric diameter and nanometric thickness, which is necessary for low electrical percolation thresholds. GNPs were obtained through ultrasound exfoliation of a commercial expanded graphite (EG). Polyaniline synthesis was carried as traditionally reported in the literature, with partial modification by addition of sulfonic acid followed by fine grinding. All particles were analyzed with scanning electron microscopy, laser diffraction granulometry, X-ray diffraction and infrared spectroscopy with Fourier transform. Tribological characterization of PU and its blends and composites was carried with ball-on-plate reciprocating tests on a tribometer, under different loads and speeds. Wear width was measured through optical micrographs of the worn surface. Volume electrical conductivity was evaluated with a potentiostat/galvanostat. GNP and Pani composites were obtained with 0 to 10wt% GNP filling and 0 to 30% Pani filling. Materials with a minimum of 8wt% GNP and 10wt% Pani exhibited conductivity of 10−7 S m−1 and 10−6 S m−1, respectively. Those values are in the semiconductor range. Mean kinetic coefficient of friction dropped 30.2% with 1.3wt% GNP filling. Polyaniline did not affect wear or friction behavior up to 1.3wt% filling. Wear width was shown to be a function of normal load and composition. Results show the novel 4wt% GNP filled composite can be used in tribological applications with ESD needs. Other composites, such as those with 10wt% GNP or 10wt% Pani, can be used in other applications. However, those are not suited for tribological applications. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24834 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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