Avaliação do desempenho tribológico do polietileno de ultra alta massa molar nanoestruturado contendo óxido de grafeno reduzido
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Witor Wolf
Vanessa de Freitas Cunha Lins
Vanessa de Freitas Cunha Lins
Resumo
Este trabalho tem foco na investigação do desempenho tribológico do polietileno de ultra alta massa molar (UHMWPE) e nanocompósito contendo óxido de grafeno reduzido (rGO) em baixa concentração (0,25% m/m), desenvolvido para aplicação como revestimento em chutes de transferência de minério de ferro. O objetivo é correlacionar as estruturas morfológicas desses materiais com suas propriedades mecânicas e características tribológicas. Análises térmicas e morfológicas revelaram que a adição de rGO modificou a estrutura na matriz polimérica, conforme evidenciado por imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Resultados de calorimetria exploratória diferencial (DSC) indicaram um aumento no grau de cristalinidade do nanocompósito se comparado ao UHMWPE não aditivado. O nanocompósito apresentou melhorias significativas no comportamento mecânico, incluindo aumento de 11% na resistência ao impacto (Charpy) e de 38% na dureza Shore D. Os resultados de indentação instrumentada mostraram um aumento de 49% na dureza e um incremento de 13% no módulo elástico do nanocompósito, indicando maior resistência à deformação plástica e rigidez superior. Nos ensaios tribológicos, o nanocompósito demonstrou um desempenho significativamente superior, com redução de 15% na perda volumétrica do nanocompósito após o ensaio de abrasão do tipo pino sobre lixa, em comparação ao UHMWPE não aditivado. No teste de roda de borracha, a redução da perda volumétrica foi de até 37%. Além disso, através da análise de variância (ANOVA), foi possível determinar a influência dos parâmetros do ensaio em roda de borracha na resposta tribológica dos materiais poliméricos. Por fim, no ensaio de abrasão por deslizamento em tambor (tamboramento), após 51 horas, a perda volumétrica foi 21% menor para o nanocompósito. Análises de microscopia óptica, perfilometria e MEV evidenciaram alterações na topografia das superfícies do nanocompósito após os ensaios de abrasão, evidenciando a eficácia do rGO na melhoria do desempenho tribológico do UHMWPE.
Abstract
This work focuses on investigating the tribological performance of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and a nanocomposite containing reduced graphene oxide (rGO) in low concentration (0.25 wt.%), developed for use as a liner in iron ore transfer chutes. The objective is to correlate the morphological structures of these materials with their mechanical properties and tribological characteristics. Thermal and morphological analyses revealed that the addition of rGO modified the polymer matrix structure, as evidenced by scanning electron microscopy (SEM) images. Differential scanning calorimetry (DSC) results indicated an increase in the crystallinity degree of the nanocomposite compared to the non-reinforced UHMWPE. The nanocomposite showed significant improvements in mechanical behavior, including an 11% increase in impact resistance (Charpy) and a 38% increase in Shore D hardness. Instrumented indentation results showed a 49% increase in hardness and a 13% increase in the elastic modulus of the nanocomposite, indicating higher resistance to plastic deformation and greater stiffness. In tribological tests, the nanocomposite demonstrated significantly superior performance, with a 15% reduction in volumetric loss in the pin-on-disk abrasion test compared to non-reinforced UHMWPE. In the rubber wheel test, the volumetric loss reduction was up to 37%. Additionally, through variance analysis (ANOVA), it was possible to determine the influence of the rubber wheel test parameters on the tribological response of the polymeric materials. Finally, in the sliding abrasion tumbler test, after 51 hours, the volumetric loss was 21% lower for the nanocomposite. Optical microscopy, profilometry, and SEM analyses revealed changes in the surface topography of the nanocomposite after the abrasion tests, highlighting the effectiveness of rGO in improving the tribological performance of UHMWPE.
Assunto
Engenharia química, Nanocompósitos (Materiais), Compósitos poliméricos, Tribologia, Polietileno, Óxido de grafeno
Palavras-chave
UHMWPE, Óxido de grafeno reduzido, Nanocompósito polimérico, Comportamento tribológico, Mecanismos de desgaste