Líquidos iônicos imidazólicos como tenacificantes da resina epoxídica

Abstract

A resina epoxídica é conhecida por possuir ótimas propriedades mecânicas e boa processabilidade devido à viscosidade moderada do seu pré polímero. Entretanto, esta resina possui baixa tenacidade à fratura, exibindo comportamento frágil. Ao longo dos anos, alguns aditivos foram identificados como agentes tenacificantes para a resina epoxídica, como borrachas e termoplásticos particulados, nanotubos de carbono e nanoargilas. Estes aditivos melhoram as propriedades de impacto, mas em geral ocasionam dificuldades no processamento de compósitos poliméricos devido ao aumento da viscosidade da resina e à dispersão não-homogênea dos particulados sólidos utilizados. Ainda, nos processos de moldagem líquida, o aditivo sólido pode ser segregado durante o processo de infiltração da pré-forma fibrosa. Desta forma, este trabalho investigou líquidos iônicos imidazólicos como aditivos tenacificantes para um sistema de resina epoxídica do tipo diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA) com um agente de cura alifático tradicional, a trietilenotetramina (TETA), para o aumento da tenacidade à fratura sem prejuízo significativo para outras propriedades mecânicas. Foram analisados líquidos iônicos imidazólicos de cátions com radicais N-alquila de diferentes tamanhos de cadeia e de radical contendo carboxilas, assim como ânions cloreto, brometo, metanossulfonato e bis(trifluorometilsulfonil)imida. Os resultados indicam que os líquidos iônicos podem ser utilizados como aditivos para o controle da densidade de ligações cruzadas da resina epoxídica e assim promover ganhos de tenacidade. Um aumento de 25% no fator de intensidade de tensão (KIC), de 1,10 para 1,38 MPa.m-1/2 e de 38% na taxa crítica de liberação de energia de deformação (GIC), de 0,532 para 0,732 kJ/m2, em relação à resina pura foi obtido para a adição de 1,0 phr de cloreto de 1-n-butil-3-metilimidazólio - C4MImCl, indicando que os líquidos iônicos imidazólicos de cadeia N-alquila curta e ânion cloreto podem ser utilizados como tenacificantes, sem causar perdas consideráveis em outras propriedades mecânicas avaliadas, como módulo e resistência à tração e flexão. As propriedades termomecânicas da epóxi foram investigadas pela análise das propriedades viscoelásticas e do comportamento em fluência pelo stepped isostress method (SSM), e notou-se que a adição de até 1,0 phr de líquidos iônicos não oferece efeitos prejudiciais para o material em cargas aplicadas em tempos longos.

The epoxy resin is known to have good mechanical properties and processability due to the moderate viscosity of its prepolymer. However, it has low fracture toughness, exhibiting brittle behavior. Over the years, some additives have been identified as toughening agents for epoxy, such as particulate rubbers and thermoplastics, carbon nanotubes and nanoparticulated clays. These additives improve the impact properties, but generally bring difficulties in the processing of polymer composites due to an increase in resin viscosity and the non-homogeneous dispersion of the solid particles used. Also, in liquid molding processes, solid additives may be segregated in the infiltration of the fibrous preform. Thus, this work investigated the use of imidazolium ionic liquids as toughening agent additives in the epoxy system formed by diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and a traditional aliphatic curing agent, triethylenetetramine (TETA), to increase fracture toughness without compromising other mechanical properties. Imidazolium ionic liquids with N-alkyl radicals of different chain sizes and with carboxyl acid groups were analyzed, as well as with chloride, bromide, methanesulfonate and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide anions. The results show that these ionic liquids can be used as additives to control the epoxy crosslink density and thus promote toughness. Compared to the neat resin, 25% increase in the stress intensity factor (KIC), from 1.10 to 1.38 MPa.m-1/2, and 38% in critical strain energy release rate (GIC), from 0.532 to 0.732 kJ/m2, was achieved with the addition of 1.0 phr of C4MImCl. This indicates that imidazolium based ionic liquids with short N-alkyl chains and chloride anion can be used as tougheners, without significant loss in other mechanical properties evaluated, such as Young modulus, tensile and flexural strength. The thermomechanical properties of the material were investigated based on viscoelastic properties and creep behavior by the stepped isostress method (SSM), and it was noticed that the addition of up to 1.0 phr ionic liquids does not cause detrimental effects to the material in loads applied for long times.