Silanização de cargas carbonáceas para tenacificação de resinas epoxídicas em combinação a copolímeros-bloco

Abstract

Compósitos de resinas epoxídicas são utilizados para aplicações estruturais, porém a fragilidade dessas resinas é uma desvantagem devido à sua alta densidade de ligações cruzadas. A tenacificação dessas resinas pode ser feita com o uso de aditivos tais como borrachas líquidas ou copolímeros-bloco. Entretanto, esses aditivos podem reduzir a temperatura de transição vítrea dessas resinas. Nesse contexto, nanocargas carbonáceas tais como as nanoplaquetas de grafite (NPGr) e óxido de grafeno (OG) podem aumentar a resistência mecânica e tenacidade das resinas epoxídicas sem comprometer as propriedades térmicas. Além disso, a funcionalização dessas nanocargas com silanos facilita a dispersão e promove a adesão das cargas à matriz, melhorando as propriedades mecânicas. Assim, o objetivo deste estudo é modificar NPGr e OG com silanos 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) e 3- glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS), e avaliar a influência do tipo, da quantidade de nanocarga, do tratamento superficial, e do efeito sinergístico com copolímeros-bloco do tipo poli(etileno óxido)-b-poli(propileno óxido)-b-poli(etileno óxido) (EPE) no comportamento de cura, e nas propriedades mecânicas e dinâmioc-mecânias dos compósitos. As nanocargas foram dispersas em resina epoxídica em concentrações variando de 0,1% a 1% (%m) por sonificação, O EPE foi adicionado na concentração de 5% (%m), e os compósitos foram moldados por casting. Ensaios de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X, espectroscopia Raman e difração de raios X (DRX) foram utilizados para caracterizar as nanocargas. Os compósitos foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial, DRX, análise dinâmico-mecânica, ensaios de tração e de impacto Izod e tenacidade à fratura, e microscopia eletrônica de varredura. As NPGr e o OG foram funcionalizados mais efetivamente com o silano APTES. Para as NPGr, as melhores propriedades mecânicas foram atingidas com um percentual de 0,25% de carga em resina. A incorporação de 0,1% de OG tratado com APTES aumentou a tenacidade à fratura em relação à resina pura. Os efeitos sinergísticos do EPE com as NPGr e com o OG, com e sem APTES, foram avaliados, e a melhor combinação foi encontrada para o compósito com EPE e 0,1% de OG, aumentando a tenacidade à fratura em 33% em relação à resina pura, e evidenciando que o copolímero-bloco utilizado pode ser um agente de acoplamento.

Epoxy resin composites are used for structural applications, but the fragility of these resins due to a highly cross-linked network is a disadvantage. The toughening of these resins can be achieved with additives such as liquid rubbers or block copolymers. However, these additives reduce the glass transition temperature of epoxy resins. In this context, carbonaceous fillers such as graphite nanoplatelets (GrNP) and graphene oxide (GO) can be used to increase the mechanical resistance and the toughness of epoxy resins without compromising their excellent thermal properties. Moreover, the functionalization of these fillers with silanes increases the dispersion and promotes better adhesion at the interface. The aim of this study is to modify GrNP and GO with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) and 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPTMS), and to evaluate the influence of the carbonaceous filler type, the amount of filler, the surface treatment, and the synergistic effect of the combination of these fillers with poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-bpoly(ethylene oxide) (EPE) block-copolymer on the curing behavior, and on the mechanical and dynamic-mechanical properties of the composites. The nanofillers were added to the resin in concentrations of 0.1% - 1% (%wt) by sonication. 5 wt% EPE was subsequently added, and the composite were molded by casting. Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) were used to characterize the carbonaceous fillers. The composites were evaluated by differential scanning calorimetry, XRD, dynamic-mechanical analysis, tensile, impact and fracture toughness testing, and scanning electron microscopy. APTES functionalization was more effective for GrNP and GO. For GrNP, the best mechanical properties were obtained at 0.25 wt% filler content. The incorporation of 0.1 wt% APTES-GO increased the fracture toughness in comparison to the neat resin. The synergistic effects of EPE with GrNP and GO, with and without APTES treatment, were evaluated. The best combination was found for EPE with 0.1 wt% GO, increasing the fracture toughness by 33% in comparison to the neat resin, also showing that the block copolymer can be used as a coupling agent.