Desenvolvimento de compósitos híbridos de poliuretano (PU) e aditivos à base de carbono modificados com líquidos iônicos para blindagem eletromagnética

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidos compósitos poliméricos condutores de eletricidade de poliuretano derivado do óleo de mamona (PU) com nanotubos de carbono (CNTs) e grafite exfoliado (xGnP) para serem utilizados na blindagem contra a interferência eletromagnética. Inicialmente, investigou-se o efeito da concentração mássica dos aditivos à base de carbono na microestrutura e propriedades térmicas e elétricas dos compósitos de PU/CNT e PU/xGnP. Os resultados obtidos demonstraram que a utilização de CNTs é mais vantajosa, uma vez que com apenas 6 %m deste aditivo, o compósito apresentou uma condutividade elétrica (1,90x10-1 S.cm-1) muito próxima a do CNT puro (1,3x101 S.cm-1). Além disso, a eficiência de blindagem (EMI SE) desse compósito foi de -24,14 dB, o que corresponde a 99,61 % de atenuação das ondas eletromagnéticas. Em seguida realizou-se a modificação dos aditivos condutores com líquidos iônicos (LIs) e avaliou-se a influência dessa modificação na microestrutura, propriedades mecânicas e elétricas dos compósitos. Verificou-se que a presença dos LIs aumentou a condutividade elétrica e a EMI SE dos compósitos, uma vez que esses modificam a superfície dos aditivos, melhorando a dispersão e a distribuição dos mesmos na matriz de PU. Foi demonstrado que os LIs alteram o grau de cura do PU. Por fim, foram desenvolvidos compósitos híbridos ternários de PU/CNT/xGnP com o intuito de investigar a ocorrência de um efeito sinérgico com a utilização de mais de um aditivo condutor. A análise comparativa entre os resultados apresentados pelos compósitos binários e ternários indicou que os valores de eficiência de blindagem eletromagnética e condutividade elétrica são fortemente influenciados pela concentração de CNTs. Esse comportamento está associado à maior razão de aspecto desse aditivo e menor limiar de percolação dos compósitos de PU/CNT quando comparado aos compósitos de PU/xGnP. Assim como nos compósitos binários, verificou-se que a presença dos LIs ocasiona um aumento da condutividade elétrica e EMI SE, sendo que a magnitude deste aumento foi maior para os sistemas contendo o LI 105. Com base nos resultados obtidos, conclui-se que compósitos de PU contendo aditivos à base de carbono modificados com LIs possuem grande potencial para serem utilizados na blindagem contra a interferência eletromagnética.

Abstract: In this work, electrically conductive polymer composites of polyurethane derived from castor oil (PU) with carbon nanotubes (CNTs) and exfoliated graphite (xGnP) were developed to be used against electromagnetic interference shielding. Initially, the weight fraction effect of carbon-based additives on the microstructure and thermal and electrical properties of PU/CNT and PU/xGnP composites was investigated. The results demonstrated that the use of CNTs is more advantageous, since with only 6 wt% of this additive, the composite presented an electrical conductivity (1.90x10-1 S.cm-1) similar to CNT (1.3x101 S.cm-1). In addition, the electromagnetic shielding efficiency (EMI SE) of this composite was -24.14 dB, which corresponds to 99.61% of electromagnetic waves attenuation. Then, the conductive additives were modified with ionic liquids (ILs) and the influence of this modification on the microstructure, mechanical and electrical properties of the composites was evaluated. It was found that the presence of ILs increase the electrical conductivity and the EMI SE of the composites, since they modify the additives surface, improving the dispersion and distribution in the PU matrix. Moreover, the ILs modify the curing behavior of PU. Finally, hybrid composites of PU/CNT/xGnP were developed in order to investigate the presence of synergistic effect with the use of more than one conductive additive. The comparative study between the results presented by the binary and ternary composites indicated that the values of EMI SE and electrical conductivity are influenced by the presence of CNTs. This behavior is associated with the higher aspect ratio of this additive and lower percolation threshold for PU/CNT composites when compared to PU/xGnP composites. As in binary composites, it was found that the presence of ILs induces an increase in electrical conductivity and EMI SE, and the magnitude of the increase was higher for systems containing IL 105. These results demonstrated that PU composites containing carbon-based additives modified with ILs have great potential to be used in electromagnetic shielding.