Compósitos híbridos de fibras e nanotubos de carbono em resina epóxido

Abstract

Nos últimos anos, os compósitos termoendurecíveis têm suscitado um interesse exponencial em várias áreas, principalmente os compósitos de matriz de resina epóxi reforçada com partículas de carbono, uma vez que apresentam excelentes propriedades térmicas, mecânicas e elétricas, que ultrapassam algumas limitações da matriz. Isto devido à capacidade que o carbono tem de se organizar em diferentes arquiteturas à escala nanométrica, originando uma variedade de estruturas estáveis com configurações e propriedades diferentes. Além destas partículas à nanoescala, outros materiais podem ser formados a partir do carbono, como é o caso das fibras de carbono que apresentam, além de condutividade elétrica e térmica, ótimas propriedades mecânicas. Neste trabalho, com o intuito de criar um compósito que combine as melhores propriedades das fibras de carbono e nanotubos de carbono, foram produzidos compósitos híbridos utilizando como matriz uma resina epóxi e como reforços fibras de carbono curtas (SCF) do tipo pitch e nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT). Como metodologia, foram formulados compósitos de fibra de carbono com diferentes percentagens de incorporação e através de análise mecânica dinâmica (DMA), ensaios de calorimetria diferencial de varrimento (DSC), de condutividade elétrica e densidade foi determinado que a melhor percentagem de incorporação para utilizar nos compósitos híbridos seria de 15 wt.% de SCF. Seguidamente foram preparados nanocompósitos com nanotubos de carbono com diferentes percentagens de incorporação e, simultaneamente formulados nanocompósitos híbridos com 15 wt.% de SFC e MWCNT. Estes foram analisados por ensaios de calorimetria diferencial de varrimento (DSC), condutividade elétrica, densidade, microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e ensaios de tração. A combinação dos reforços de SCF e MWCNT na matriz epóxi levou a uma melhoria das propriedades elétricas do nanocompósito híbrido, resultado da dispersão uniforme destes reforços na matriz. As diferentes dimensões de cada uma das cargas e o aumento de viscosidade devido à incorporação de MWCNT impediu a sedimentação das SCF no compósitos, o que levou a uma dispersão e distribuição das cargas mais homogénea e uniforme. Através dos ensaios de DMA foi possível verificar que, embora a incorporação de SCF tende a aumentar o Módulo de Armazenamento (E′) do compósito, a temperatura de transição vítrea (Tg) tende a diminuir para qualquer percentagem de incorporação de reforço. Contudo, foi possível aumentar o Módulo de Young do nanocompósito híbrido em quase 34% face à matriz apesar da deformação máxima diminuir com a adição de reforço.

In recent years, thermosetting composites have raised an exponential interest in several areas, especially composites with epoxy resin matrix reinforced with carbon particles, since they have excellent thermal, mechanical and electrical properties, which exceed some limitations of the matrix. This is due to the ability that carbon has to organize itself in different architectures at the nanometer scale, giving rise to a variety of stable structures with different configurations and prop erties. Besides these particles at the nanoscale, other materials can be formed from carbon, as is the case of carbon fibers that present, besides electrical and thermal conductivity, excellent me chanical properties. In this work, aiming to create a composite that combines the best properties of carbon fibers and carbon nanotubes, hybrid composites were produced using as matrix an epoxy resin and as reinforcements short carbon fibers (SCF) of pitch type and multiple wall carbon nanotubes (MWCNT). As methodology, carbon fiber composites with different incorporation percentages were formulated and through dynamic mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC), electrical conductivity and density tests it was determined that the best incorporation per centage to be used in the hybrid composites would be 15 wt.% of SCF. Next, carbon nanotube nanocomposites with different percentages of incorporation were prepared and, simultaneously, hybrid nanocomposites with 15 wt.% of SFC and MWCNT were formulated. These were analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), electrical conductivity, density, scanning electron mi croscopy (SEM) and tensile tests. The combination of SCF and MWCNT reinforcements in the epoxy matrix led to an improvement in the electrical properties of the hybrid nanocomposite, resulting from the uniform dispersion of these reinforcements in the matrix. The different dimensions of each of the fillers and the increase in viscosity due to the incorporation of MWCNT prevented the sedimentation of SCF in the composite, which led to a more homogeneous and uniform dispersion and distribution of the fillers. Through the DMA tests it was possible to verify that, although the incorporation of SCF tends to increase the storage modulus (E′) of the composite, the glass transi tion temperature (Tg) tends to decrease for any percentage of reinforcement incorporation. How ever, it was possible to increase the Young's Modulus of the hybrid nanocomposite by almost 34% compared to the matrix despite the maximum deformation decreasing with the addition of rein forcement.