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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8S7HR3| Type: | Tese de Doutorado |
| Title: | Desenvolvimento e caracterização de nanocompósitos híbridos modificados com estruturas de Grafeno |
| Authors: | Maria Gabriela Reis Carvalho |
| First Advisor: | Antonio Ferreira Avila |
| First Referee: | Alexandre Carlos Eduardo |
| Second Referee: | Jeferson José Vilela |
| Third Referee: | Adriana Maria Valladao Novais Van Petten |
| metadata.dc.contributor.referee4: | Luciana Moreira Seara |
| Abstract: | Este estudo teve como objetivos principais o desenvolvimento e a caracterização de nanocompósitos híbridos contendo estruturas de grafeno para aplicações biomédicas. Como reforço macroscópico foram utilizados tecidos de fibra de vidro e de carbono, com tessitura plana e gramatura igual a 220g/m2. Para a produção das estruturas de grafeno foi utilizado o grafite HC 11-IQ, modificado com ácidos clorídrico e nítrico. O grafite foi disperso em diferentes meios (clorofórmio ou DMF) por meio de ultrassom de alta potência por 60 minutos. O sistema epoxídico DGEBA foi modificado pela dispersão de nanopartículas utilizando-se para isso um processo envolvendo mistura por ultrassom e mistura por alto cisalhamento. Em todos os casos, as concentrações de nanopartículas em relação à matriz polimérica foram de 0,5% e 1,0%, em peso. A morfologia das estruturas de grafeno foi avaliada por meio de Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Raman. O desempenho mecânico dos nanocompósitos poliméricos foi avaliado por meio de nanoindentação. Já o desempenho mecânico dos nanocompósitos híbridos foi avaliado por meio de ensaios de Flexão de Três Pontos (ASTM D790). A análise morfológica das nanopartículas por DRX mostrou que o espaçamento basal entre as camadas do grafite não se alterou com o processo de dispersão por ultrassom. A análise do tamanho dos cristais, a MEV e a MET, por outro lado, indicaram que o grafite foi quebrado em estruturas de grafeno contendo poucas lâminas. A espectroscopia de Raman apontou estruturas contendo entre duas e dez lâminas de grafeno. Por meio da DRX foi possível verificar que a dispersão das diferentes nanopartículas por ultrassom e alto-cisalhamento na matriz polimérica não foi efetivo para o aumento do espaçamento basal ente as lâminas das estruturas de grafeno formadas. A nanoindentação apontou que a adição de concentrações de nanopartículas iguais a 0,5% e 1%, de um modo geral, não alteraram as propriedades locais do polímero. Por meio dos ensaios de flexão, entretanto, observou-se que os compósitos contendo nanopartículas que passaram por um processo prévio de dispersão apresentaram melhor desempenho mecânico quando comparados ao compósito convencional e aos compósitos produzidos com HC11-IQ. Para o módulo de elasticidade, o compósito contendo 0,5% de nanopartículas modificadas com clorofórmio apresentou uma superioridade de 19% em relação ao compósito convencional e 10,48% em relação àquele produzido com HC11-IQ. Em relação à tensão máxima, a superioridade foi de 16,5% em relação ao compósito convencional e 16,15% em relação ao compósito contendo HC11-IQ. Os resultados demonstram, portanto, que a dispersão prévia das nanopartículas em solventes orgânicos por meio do método proposto pode influenciar positivamente as propriedades mecânicas dos nanocompósitos híbridos. Além disso, verificou-se que as propriedades mecânicas dos compósitos desenvolvidos são superiores àquelas dos materiais comumente utilizados na fabricação de dispositivos ortopédicos |
| Abstract: | This study has as its principal objectives, the development and characterization of hybrid nanocomposites which contain graphene structures. Flat fiberglass and carbon sheets with a weight equal to 220g/m2 were used as macroscopic reinforcement. The graphite was dispersed in different ways (chloroform or DMF) using high power ultrasound for 60 minutes. The DGEBA epoxy system was modified by the dispersion of nanoparticles by using a process involving ultrasound and high shear mixers. In all cases, the concentrations of nanoparticles compared to the polymer matrix were 0.5% and 1.0% by weight. The morphology of graphene structures was evaluated by X-Ray Diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. The mechanical performance of polymer nanocomposites was evaluated using nanoindentation. Whereas the mechanical performance of hybrid nanocomposites was evaluated by Three-Point Bending (ASTM D790). Morphological analysis of nanoparticles by XRD showed that the basal spacing between the layers of graphite was not altered by the ultrasound scattering process. The analysis of crystal size, the SEM and TEM, on the other hand, indicated that the graphite was broken into structures containing a few sheets of graphene. Raman spectroscopy indicated structures containing between two and ten sheets of graphene. Through the XRD, it was possible to verify that the dispersion of different nanoparticles by ultrasound and high-shear in the polymer matrix was not effective in increasing the basal spacing between the blades of graphene structures that had formed. The nanoindentation showed that the addition of nanoparticle concentrations equal to 0.5% and 1%, in general, did not alter the local properties of the polymer. By mean of the bending tests, however, it was observed that the composites containing nanoparticles that had undergone a prior process of dispersion showed better mechanical performance compared to conventional composites and composites produced with HC11-IQ. For the modulus of elasticity, the composite containing 0.5% of modified nanoparticles with chloroform showed a superiority of 19% compared to the conventional composite and 10.48%. Regarding the maximum strength, the superiority was 16.5% compared to the conventional composite and 16.15% compared to the composite containing HC11-IQ. Moreover, properties of the hybrid nanocomposite developed showed superior mechanical proprieties than Ezeform®, commonly used in the manufacture of orthopedic devices |
| Subject: | Projetos mecânicos Engenharia mecânica |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8S7HR3 |
| Issue Date: | 26-Oct-2011 |
| Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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