Análise comparativa do método de dispersão e concentração de grafeno na estrutura e propriedades de compósitos de poliuretano termoplástico e nanoplacas de grafeno

Abstract

Os compósitos poliméricos condutores de eletricidade (CPCEs) têm se mostrado materiais versáteis, utilizados em diversas aplicações como, por exemplo, absorção de radiação eletromagnética em componentes eletrônicos, adesivos condutores, além de sensores químicos, mecânicos e biosensores. Em geral, uma boa dispersão das cargas contribui de forma positiva nas propriedades finais dos compósitos, por isso, esse aspecto deve ser tratado com rigor. Esse desafio é ainda maior quando se trata de nanocargas, devido à elevada energia de superfície e maior reatividade, as nanocargas tendem a se aglomerar. Buscando avaliar a influência do método de dispersão e da concentração de carga, esse trabalho focou-se na fabricação de filmes de poliuretano termoplástico (TPU) contendo nanoplacas de grafeno (xGnP) como carga condutora. Os filmes foram produzidos através do método por mistura em solução (casting), sendo que na etapa de dispersão das nanocargas utilizaram-se dois métodos distintos, um em banho de ultrassom e outro em uma ponteira ultrassônica. Foi avaliada a influência do método de dispersão e concentração de partícula condutora na condutividade elétrica. Os resultados de condutividade elétrica mostram uma maior eficiência para as amostras dispersas através da ponteira de ultrassom, atingindo um valor de 2,74.10-2 S.cm-1 com 10% em massa (%m) de xGnP, enquanto que em banho ultrassônico atingiu-se 7,60.10-7 S.cm-1 . Esse efeito também foi visualizado a partir da comparação entre os valores de limiar de percolação elétricos, onde, para ponteira atingiu-se 1,00%m, enquanto que para o banho obteve-se um limiar de 2,48%m. Após a avaliação da condutividade elétrica, avaliou-se a morfologia e as propriedades térmicas, apenas para os compósitos produzidos com o uso da ponteira. Ao avaliar a morfologia das membranas através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) verificaram-se certos aglomerados localizados, principalmente em concentrações maiores, porém, em geral, obteve-se boa dispersão e distribuição das cargas. Por meio da análise termogravimétrica (TGA) foi possível identificar dois estágios de degradação, referentes aos segmentos rígidos e flexíveis presentes no TPU, além disso, verificou-se uma queda da estabilidade conforme o aumento da concentração de xGnP. Através da análise de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) verificou-se que as bandas observadas para os compósitos foram idênticas as analisadas para o TPU puro, não havendo a absorção de bandas adicionais.

Electricity conducting polymeric composites (CPCEs) have proven to be versatile materials, used in various applications such as absorption of electromagnetic radiation in electronic components, conductive adhesives, biosensors, as well as chemical and mechanical sensors. In general, a good dispersion of fillers contributes positively to the final properties of composites, so this aspect must be treated with rigor. This challenge is even greater when it comes to nanofillers, due to the high surface energy and higher reactivity, it tends to agglomerate. In order to evaluate the influence of the dispersion method and particle concentration, this paper was focused on the manufacture of thermoplastic polyurethane (TPU) films containing graphene nanoplateletes (xGnP) as conductive filler. The films were produced by the casting method, and two different dispersion methods were used, ultrasonic bath and ultrasonic tip. The influence of the dispersion method and conductive particle concentration on the electrical conductivity were evaluated. The results of electrical conductivity showed a higher efficiency for the samples dispersed through the ultrasonic tip, reaching a value of 2.74.10-2 S.cm-1 with 10% by mass (%m) of xGnP, while in ultrasonic bath it was reached 7.60.10-7 S.cm-1 . This effect was also visualized from the comparison between the electric percolation threshold values, where for the tip reached 1.00%m, while for the bath a threshold of 2.48%m was obtained. After evaluating the electrical conductivity, the morphology and thermal properties were evaluated, only for composites produced with the use of the tip. When evaluating the morphology of the membranes using scanning electron microscopy (MEV), certain localized agglomerates were verified, mainly at higher concentrations, but, in general, good dispersion and distribution of fillers were obtained. Through thermogravimetric analysis (TGA) it was possible to identify two stages of degradation, referring to the rigid and flexible segments present in the TPU, in addition, there was a drop in stability as the concentration of xGnP increased. Through Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis it was verified that the bands observed for composites were identical to those analyzed for pure TPU, and there was no absorption of additional bands.