Desenvolvimento e caracterização de filmes nanoestruturados de metilcelulose reforçados com montmorilonita e nanotubos de carbono

Abstract

Nanocompósitos preparados a partir de matrizes de polímeros naturais, como a metilcelulose (MC), e incorporados de nanopreenchedores inorgânicos são materiais promissores, visto que estes são biodegradáveis e, sendo assim, tornam-se uma alternativa aos plásticos de origem petroquímica - que se degradam muito lentamente no ambiente. A incorporação da montmorilonita (MMT) e dos nanotubos de carbono na matriz polimérica altera as propriedades físicas do material. Para que esta incorporação seja possível, os nanotubos de carbono por serem altamente hidrofóbicos requerem a presença de surfactantes - os quais também alteram as propriedades físicas do material - na dispersão antes da incorporação na solução formadora do filme. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar filmes nanoestruturados de metilcelulose incorporados com montmorilonita e nanotubos de carbono. Para tanto, este trabalho foi conduzido em duas etapas. Na primeira etapa, comparou-se dois surfactantes, dodecil sulfato de sódio (SDS) e mono-oleato de sorbitan (Tween 80), para a dispersão de nanotubos carbono multicamadas (MWNTs) através das técnicas de tensão superficial, condutividade, fluorescência e espectroscopia de UV-Vis. A espectroscopia de UV-Vis - empregada para analisar a capacidade de dispersão desses surfactantes - e o uso de diferentes técnicas permitiu estabelecer que para uma dispersão eficaz a proporção em massa mínima de MWNT para surfactante é 1:41 e 1:3 para o SDS e o Tween 80, respectivamente. Na segunda etapa, foram desenvolvidos os filmes de metilcelulose reforçados com diferentes proporções de montmorilonita e das dispersões MWNTs-surfactante através da técnica de evaporação do solvente, com o propósito de avaliar as propriedades mecânicas do material. A caracterização destes nanocompósitos englobou ensaios de tração, análise dinâmico-mecânica (DMA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difratometria de raios-X (DRX), solubilidade, análise colorimétrica e transparência. Os ensaios de tração e as análises dinâmico-mecânicas permitiram observar que os filmes de MC + MMT 3% apresentaram os maiores valores de tensão máxima, módulo de Young e módulo elástico, enquanto os filmes com adição de SDS tiveram a maior elongação máxima e maior valor de tan ?. A DRX confirmou os picos característicos da MC, MMT e MWNTs, bem como confirmou que os MWNTs estavam homogeneamente dispersos na matriz de MC. A MEV permitiu observar que houve diferenças morfológicas nos filmes adicionados de nanopreenchedores e surfactantes, principalmente nas superfícies. Todos os filmes foram 100% solúveis em solução aquosa. Em relação à análise colorimétrica e a transparência, a mudança mais significativa foi que a variação de cor em relação ao policloreto de vinila (PVC) e a transmitância apresentaram um decréscimo em seus valores, devido à incorporação dos MWNTs.

Nanocomposites prepared from natural polymers matrix such as methylcellulose (MC), and incorporated with inorganic nanofillers are promising materials because they are biodegradable and, therefore, become an alternative to petroleum based plastics - which degrade very slowly in the environment. The incorporation of montmorillonite (MMT) and carbon nanotubes in the polymeric matrix modifies the physical properties of the material. To make this incorporation possible, the highly hydrophobic carbon nanotubes require the presence of surfactants - which also changes the physical properties of the material - in the dispersion prior to incorporation into the file forming solution. The objective of this study was to develop and characterize methylcellulose nanostructure films incorporated with montmorillonite and carbon nanotubes. To do so, this study was conducted in two steps. In the first step, two surfactants were compared, sodium dodecyl sulfate (SDS) and sorbitan monooleate (Tween 80), to the ispersion of multiwall carbon nanotubes (MWNTs) through the techniques of surface tension, conductivity, fluorescence and UV-Vis spectroscopy. The use of UV-Vis spectroscopy - to analyze the dispersion capacity of these surfactants - and different techniques allowed to establish that for an effective dispersion the weight ratio of at least MWNT to surfactant is 1:41 and 1:3 and for SDS and Tween 80 respectively. In step two, methylcellulose films were developed with different ratios of montmorillonite and MWNTs-surfactant dispersions by casting technique in order to evaluate the mechanical properties of the material. The characterization of these nanocomposites encompassed tensile tests, dynamic mechanical analysis (DMA), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), solubility, transparency and colorimetric analysis. The tensile tests and dynamic mechanical analyzes allowed to observe that the films of MC + 3% MMT showed the highest values of tensile strength, Young's modulus and storage modulus, while the films with the addition of SDS had a highest elongation and highest maximum value of tan ä. The XRD confirmed the characteristic peaks of MC, MMT and MWNTs and that the MWNTs were homogeneously dispersed in the matrix MC. The SEM indicated that there were morphological differences in the films added with nanofillers and surfactants, especially on surfaces. All films were 100% soluble in aqueous solution. In relation to colorimetric analysis and transparency, the most significant change was that the color variation and transmittance showed a decrease in their values due to the incorporation of MWNTs.