Efeito de nanocargas de diferentes morfologias em borracha nitrílica hidrogenada

Abstract

Compostos de borracha nitrílica hidrogenada (HNBR) com cargas a base de carbono com diferentes morfologias foram obtidos neste trabalho. As diferentes cargas foram: flakes de grafite intercalado, oxidado e expandido (GIOE), nanoflakes de grafite (NFG), nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) e negro de fumo (NF). O trabalho foi realizado em diferentes etapas onde, inicialmente, foram caracterizadas as diferentes cargas através de análises químicas, morfológicas e espectroscópicas. Em seguida, considerando-se que os flakes são um material multilamelar e relativamente novo na tecnologia dos elastômeros, diferentes formas de obtenção dos compostos de borracha com flakes de grafite foram estudadas, tais como a pré-dispersão dos grafites em óleo ou polímero, utilizando-se técnicas de alto cisalhamento. Os compostos obtidos foram avaliados e os resultados indicaram a pouca influência do tipo de processo no grau de esfoliação dos flakes, sendo definido o método de adição direta dos ingredientes e sua incorporação em câmara de mistura, como o mais adequado. Na sequencia foi avaliada a influência dos teores das diferentes as cargas na borracha de HNBR, conforme método de incorporação definido na etapa anterior, a partir da determinação das propriedades de cura, viscoelásticas, físico mecânicas, elétricas, de interação com solvente e morfológicas. Os compostos obtidos apresentaram um ganho em propriedades mecânicas com aumento da tensão em diferentes deformações, tensão na ruptura e dureza. Comparando-se as cargas NF e MWCNT, para uma fração volumétrica ~ 2%, constata-se que o módulo a 300% do composto de HNBR/NF aumentou em 120% enquanto para o composto HNBR/MWCNT aumentou de 940%. A condutividade elétrica teve um incremento significativo com a adição dos MWCNTs, assim como, foi possível observar uma redução do inchamento do polímero quando imerso em solvente para estes compostos. Para todos os compostos o processamento não apresentou maiores dificuldades e as morfologias analisadas por microscopia eletrônica de transmissão mostram uma dispersão parcial das cargas a base de carbono. Finalmente, compostos híbridos de HNBR e NF com flakes, nanoflakes e MWCNTs foram obtidos e avaliados. Nestes compostos híbridos, propriedades superiores com a adição de MWCNTs e flakes de grafite foram alcançadas. A resistividade elétrica com a adição dos nanotubos diminuiu, assim como o coeficiente de atrito aumentou em relação ao composto de HNBR+NF e aos compostos de HNBR+NF+nanoflakes e flakes de grafite. Na análise dos compostos quanto a relaxação sob tensão, novamente o composto híbrido com nanotubos apresentou o melhor desempenho dentre os demais avaliados.

Composites and nanocomposites based on hydrogenated nitrile rubber (HNBR) and carbon-based fillers with different morphologies were obtained. The different fillers studied were intercalated, oxidized and expanded graphite flakes (GIOE), graphite nanoflakes (NFG), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and carbon black (CB). The work was carried out in different steps. Initially, fillers were characterized through chemical, morphological and spectroscopic analysis. Then, considering that flakes are multilamellar materials and relatively new in elastomers technology, different processing methods to produce rubber compounds with graphite flakes were studied, such as pre-dispersion in oil or polymer, using high shearing techniques. Compounds were evaluated and results indicated little process influence in flakes exfoliation degree, setting up direct method as the most appropriate. In a third step, studied fillers were evaluated at different levels and volume fractions in HNBR using the incorporation method defined in previous step. Curing, viscoelastic, mechanical, physical, electrical, interaction with solvent and morphological properties of the compounds were evaluated. Reinforced compounds presented an increment in mechanical properties with an increase in hardness, tensile strength and stiffness module. Comparing NF and MWCNT fillers when added in HNBR at a same volume fraction (~ 2%), it is observed that tension modulus at 300% of elongation for HNBR/NF compound increased ~120%, whereas for HNBR/MWCNT compound increased ~940%, significantly superior. Electrical conductivity increased significantly with addition of MWCNTs, as well as a reduction in polymer swelling when immersed in solvent. For all compounds, no processing difficulties were observed and microscopic images presented partial dispersion of carbon-based fillers. In a final step, hybrid reinforced HNBR+CB with flakes, nanoflakes and MWCNTs were obtained and evaluated. In these hybrid reinforced system compounds, superior properties were obtained with addition of MWCNTs and graphite flakes. Electrical conductivity with addition of nanotubes decreased as well as increased coefficient of friction in relation to HNBR+CB compounds plus nanoflakes or graphite flakes. Also, in stress relaxation test under compression, HNBR+CB+MWCNT compound presented superior result when compared to the others hybrid compounds.