Metodologias analíticas para avaliação morfológica e termogravimétrica do Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular produzido com nanocargas de Óxido de Grafeno reduzido

ÁREA

Química Analítica

Autores

Jimenez, S. (PUCRS) ; Morcelli, A. (PUCRS)

RESUMO

Este trabalho consistiu de uma proposta de projeto

Palavras Chaves

Politetileno; Óxido de Grafeno; Caracterização

Introdução

O Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (PEUAPM) é um importante plástico de engenharia que exibe uma série de propriedades físicas e mecânicas desejáveis, como alta resistência ao impacto, baixo coeficiente de atrito, inércia química e boa estabilidade de corrosão, biocompatibilidade e excepcional resistência ao desgaste abrasivo. As pesquisas para o desenvolvimento de PEUAPM estão em crescente avanço devido à versatilidade de aplicações, principalmente na indústria. Nesse contexto, a preparação de nanocompósitos poliméricos vem sendo investigada como uma importante tecnologia para obtenção de materiais com propriedades superiores, de alto desempenho e multifuncionalidades (FIM, 2012; HORTENCIO, 2019; MENDES; PEREIRA, 2019). O grafeno é um material que consiste de uma folha plana de átomos de carbono formando uma camada monoatômica. A introdução de grafeno a materiais poliméricos apresenta potencial de aplicação em dispositivos de armazenamento de energia, biossensores, liberação de drogas e fotocatálise, entre outros. No entanto, normalmente, o grafeno não é usado em sua forma pura por causa de sua viabilidade inadequada. Em seu lugar, derivados de grafeno como óxido de grafeno (OG) e óxido de grafeno reduzido (OGr) estão sendo amplamente utilizados, pois exibem propriedades semelhantes à do grafeno isolado (IQBAL et al., 2020; LIMA; COUTINHO; FIM, 2016; VILAR, 2016). Assim, surge a necessidade de avaliar analiticamente a aplicabilidade do PEUAPM produzido com a incorporação de nanocargas de óxido de grafeno reduzido. Assim, o objetivo deste trabalho foi realizar revisão bibliográfica de modo a indicar técnicas de análise morfológica e termogravimétrica aplicáveis a amostras destes nanocompósitos.

Material e métodos

Realizou-se uma ampla revisão bibliográfica, buscando determinar quais técnicas analíticas vêm sendo empregadas para caracterizar morfológica e termogravimetricamente amostras de nanocompópsitos de polietileno produzidos pela incorporação de óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido. Buscou-se identificar entre estas as metodologias utilizadas com maior frequência e aquelas que conduziram a resultados que possibilitaram apontar comparativamente quais amostras haviam apresentado propriedades desejáveis ao polímero produzido de modo a empregá-lo em diferentes aplicações. A pesquisa dos artigos avaliados foi feita majoritariamente com uso dos portais periódicos Science Direct e Google Scholar. Foram consultados quase exclusivamente artigos na língua inglesa, priorizando-se aqueles publicados em data mais recente. Algumas das palavras-chave usadas foram: “Ultra high molecular weight polyethylene” (Polietileno de ultra alto peso molecular), “UHMW” (sigla para "Ultra High Molecular Weight"), "Graphene oxide" (Óxido de Grafeno), "nanocomposites" (nanocompósitos), "morphology" (morfologia), "microscopy" (microscopia), "thermogravimetric" (termogravimétrico), "review" (revisão), entre outras, gerando diferentes combinações de termos na busca realizada.

Resultado e discussão

Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de transmissão (MET) A morfologia de polietileno (PE) carregado com óxido de grafeno (OG) e óxido de grafeno reduzido (OGr) foi estudada por MEV (PAVOSKI et al., 2015). A Figura 1 mostra diferentes ampliações dos nanocompósitos PE/OG e PE/OGr com quantidades semelhantes de enchimento (2,5 e 2,2 % em peso, respectivamente). É possível notar em d) que ambos nanocompósitos apresentaram uma estrutura altamente esfoliada, indicando que o polímero cresceu sobre as folhas de grafeno, embora as lâminas de PE/OG não estejam tão ordenadas como no PE/OGr. Nas micrografias eletrônicas de transmissão de polietileno com nanocargas de OG e OGr, as nanocargas podem ser vistas como ramos pretos distribuídos uniformemente na amostra. Nas micrografias de maior ampliação podem ser vistas linhas escuras na parte mais fina da amostra mostrando as nanolâminas de grafeno. Em ambas as amostras, o enchimento aparenta ter uma boa dispersão na matriz polimérica (PAVOSKI et al., 2015). Análise termogravimétrica (TGA) TGA foi usada para avaliar a incorporação de nanolâminas de grafeno (NG) na síntese de PEAD (polietileno de alta densidade), e são apresentadas as curvas TG e suas derivadas para o PE puro e para os nanocompósitos PE/NG. O grafeno influencia na temperatura de degradação da matriz de polietileno pelo deslocamento das curvas para temperaturas maiores quando comparadas ao PE puro. A temperatura inicial de degradação aumenta aproximadamente 30 °C para 2,8 e 5,6 % (p/p) de grafeno nos nanocompósitos, e 21 °C para a maior quantidade de grafeno. A estabilidade térmica dos nanocompósitos dada pela derivada também aumenta aproximadamente 30 °C para o nanocompósito 30 °C para o nanocompósito com 14,3 % (p/p) de NG (FIM, 2012).

Imagens de Microscopia de PE/OG(2,5%) e PE/OGr(2,2%). Escala - MEV: a)100 μm, b)20 μm, c)2 μm e d)200 nm; MET: a)0,2 μm, b)50 nm, c)0,5 μm, d) 50 nm.


Curvas de TGA do PE puro e de nanocompósitos com diferentes cargas de nanolâminas de grafeno: (a) TG; (b) DTG.

Conclusões

A pesquisa na área de nanocompósitos poliméricos é necessária para o desenvolvimento de materiais com propriedades que proporcionem alto desempenho em uma grande variedade de aplicações. Através de revisão bibliográfica, foi possível determinar que as técnicas de MEV e MET são adequadas à caracterização morfológica de PEUAPM produzido com nanocargas de óxido de grafeno reduzido e que TGA pode ser aplicada para a caracterização termogravimétrica destas amostras. Acredita-se que estas técnicas possam ser empregadas de forma eficiente no desenvolvimento experimental de novos polímeros.

Agradecimentos

Referências

FIM, Fabiana de Carvalho. Síntese e propriedades de nanocompósitos de polietileno/nanolâminas de grafeno obtidos através de polimerização in situ. 2012. 90 f. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012. Disponível em: https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/63133/000869547.pdf?sequence=1. Acesso em: 15 abr. 2021.

HORTENCIO, Johnnys da Silva. Modificação do PEUAMM com PEG para Obtenção de Nanocompósitos com Nanofibras de Carbono. 2019. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/16791. Acesso em: 15 abr. 2021.

IQBAL, A. K. M. A. et al. Graphene-based nanocomposites and their fabrication, mechanical properties and applications. Materialia, v. 12, p. 100815, 2020. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589152920302313. Acesso em 15 abr. 2021.

LIMA, M. E. de A.; COUTINHO, S. V.; FIM, F. de C. Influência do tipo de grafite nas propriedades mecânicas do nanocompósito de nanolâminas de grafeno com polietileno de ultra alta massa molar (NG/PEUAPM). 2016. In: 22° Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Natal (RN), 2016. Disponível em: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/49/031/49031373.pdf?r=1. Acesso em: 15 abr. 2021.

MENDES, Luis C.; PEREIRA, Kaio A. B. Nanotubos de carbono aplicados como carga em nanocompósitos poliméricos: uma revisão. Revista Eletrônica Perspectivas da Ciência e Tecnologia, v. 11, 2019. Disponível em: http://dx.doi.org/10.22407/1984-5693.2019.v11.p.38-54. Acesso em: 15 abr. 2021.

PAVOSKI, Giovani et al. Polyethylene/reduced graphite oxide nanocomposites with improved morphology and conductivity. Polymer, v. 81, p. 79-86, 16 dez. 2015. Disponível em: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.11.019. Acesso em: 20 maio 2021.

VIEIRA SEGUNDO, J. E. D.; VILAR, E. O. Graphene: A review of properties, production mechanisms and potential applications in energy systems. Revista Eletronica de Materiais e Processos, v. 11, n. 2, p. 54-57, 2016.