Análise do efeito do grau de destruição por sonicação de nanotubos de carbono incorporados em matrizes cimentícias

Abstract

Os avanços da nanotecnologia nas últimas décadas abriram uma ampla gama de oportunidades para propriedades de engenharia de materiais cimentícios usando reforços em nanoescala, como os nanotubos de carbono (NTCs), onde alcançaram um destaque promissor devido a capacidade de conferir benefícios em inúmeras propriedades. Em contrapartida, a introdução dos NTCs na matriz cimentícia apresenta alguns desafios devido a tendência de aglomeração por conta do seu caráter hidrofóbico. Diante disso, o processo de sonicação é uma das técnicas mais utilizadas para dispersar os NTCs, mas essa técnica pode induzir fraturas na estutura do nanomaterial. Neste contexto, investigou-se o grau de destruição por sonicação dos NTCs incorporados em matrizes cimentícias por meio de três etapas principais: (i) análise preliminar - utilizou-se os ensaios de espectroscopia por ultravioleta visível (UV-Vis), espectroscopia de infravermelho por transformada de fourier (FTIR), espalhamento dinâmico de luz (DLS), potencial zeta, raman e microscopia eletrônica de transmissão (MET); (ii) análise em estado fresco - realizou-se o ensaio de mini-slump, reometria rotacional e ensaio de calorimetria isométrica; (iii) análise em estado endurecido - utilizou-se os ensaios de resistência à compressão, resistência à tração na flexão e módulo de elasticidade, microscopia eletrônica de varredura (MEV/FEG), índice de vazios e ensaios de absorção de água. Os resultados principais das três etapas comprovaram que a sonicação dos NTCs em água promoveu danos na estrutura dos mesmos, mesmo em tempos baixos de sonicação, provocando quebras, encurtamentos, fraturas, diminuição de diâmetros e comprimentos, sendo evidenciado esse comportamento principalmente através de microscopias eletrônicas de varredura e transmissão. Este desempenho pode ser comprovado através dos espectros Raman, onde conforme o aumento do tempo e amplitude de sonicação foi possível identificar aumento de intensidade das bandas principais relacionadas aos defeitos de borda, e defeitos pontuais presentes na rede cristalina dos NTCs, fraturas no tubo e comprimentos mais curtos. Os resultados de resistências mecânicas, módulo de elasticidade, absorção e índice de vazios apresentaram uma significativa variação de resultados, onde a maior disperção dos NTCs com o aumento do tempo promove uma melhor dispersão do nanomaterial, e potencialmente um aumento no ganho das propriedades. Já o ensaio de calorimetria identificou-se que todas as amplitudes apresentaram o fluxo de calor menor se comparado a pasta referência, onde a adição de NTCs sonicados não afetou significativamente o pico principal do fluxo de calor. O resultado de reometria verificouse que conforme houve o aumento do tempo e amplitude de sonicação, houve a diminuição da fluidez (aumento da tensão de escoamento e da viscosidade) e área de histerese. Além disso, os resultados indicaram que, a sonicação com aditivo superplastificante à base de policarboxilato promove uma quantidade ainda maior de danos na estrutura dos NTCs funcionalizados, sendo que este aditivo seja utilizado apenas como um incremento de propriedade para as pastas cimentícias.

Abstract: Nanotechnology advances in recent decades have opened up a wide range of opportunities for engineering properties of cementitious materials using nanoscale reinforcements, such as carbon nanotubes (CNTs), where they have achieved a promising highlights due to their ability to confer benefits on numerous properties. On the other hand, the introduction of CNTs in the cementitious matrix presents some challenges due to the agglomeration tendency due to its hydrophobic character. Therefore, the sonication process is one of the most used techniques to disperse CNTs, but this technique can induce fractures in the structure of the nanomaterial. In this context, the degree of destruction by sonication of CNTs incorporated in cementitious matrices was investigated through three main stages: (i) preliminary analysis - tests of visible ultraviolet spectroscopy (UV-Vis), infrared spectroscopy by fourier transform (FTIR), dynamic light scattering (DLS), zeta potential, raman and transmission electron microscopy (TEM); (ii) fresh state analysis - mini-slump test, rotational rheometry and isometric calorimetry test were performed; (iii) analysis in the hardened state - compressive strength, flexural strength and modulus of elasticity tests, scanning electron microscopy (SEM/FEG), void ratio and water absorption tests were used. The main results of the three stages proved that the sonication of CNTs in water caused damage to their structure, even at low sonication times, causing breaks, shortening, fractures, reduction of diameters and lengths, this behavior being evidenced mainly through electronic microscopy scanning and transmission. This performance can be proven through the Raman spectra, where, as the sonication time and amplitude increase, it was possible to identify an increase in the intensity of the main bands related to edge defects, and punctual defects present in the crystal lattice of CNTs, fractures in the tube and lengths shorter. The results of mechanical strength, modulus of elasticity, absorption and void ratio showed a significant variation of results, where the greater dispersion of CNTs with increasing time promotes a better dispersion of the nanomaterial, and potentially an increase in the gain of properties. The calorimetry test identified that all amplitudes presented a lower heat flux compared to the reference paste, where the addition of sonicated CNTs did not significantly affect the main peak of the heat flux. The result of rheometry verified that as there was an increase in sonication time and amplitude, there was a decrease in fluidity (increase in flow stress and viscosity) and hysteresis area. In addition, the results indicated that sonication with a polycarboxylate-based superplasticizer promotes even greater damage to the structure of functionalized CNTs, and this additive is used only as a property increment for cementitious pastes.