Escalonamento de nanocompósito de UHMWPE contendo rGO : contribuição ao mapeamento e otimização de etapas experimentais
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Rodrigo Lambert Oréfice
Gláucio Carley Pereira
Gláucio Carley Pereira
Resumo
Este trabalho apresenta o mapeamento e a execução experimental do processo de escalonamento da produção de um concentrado (masterbatch) para a obtenção de nanocompósito de polietileno de ultra alta massa molar (UHMWPE), contendo óxido de grafeno reduzido (rGO), visando a produção em escala piloto. O trabalho de mestrado investiga a evolução da produção em escala aumentada da carga de partida, os parâmetros de esfoliação da carga, a concentração mais adequada do masterbatch (MB) e a avaliação das propriedades do nanocompósito de UHMWPE/rGO nas concentrações de 0,10% e 0,25% m/m de rGO em laboratório, e posteriormente, a produção de 120 kg de nanocompósitos na escala piloto em ambiente industrial. Para todas as etapas, foram realizadas validações através de técnicas de caracterização pertinentes e análises das propriedades estruturais e fundamentais, garantindo a qualidade e desempenho do nanocompósito e comparando com os resultados obtidos em laboratório. Foram produzidos 10 kg de masterbatch contendo 3% m/m de nanocarga (MB3%) na infraestrutura do CTNano, o qual resultou em 30 kg de nanocompósito UHMWPE/rGO contendo 0,1% m/m e 90 kg de nanocompósito com 0,25% m/m de rGO. A conformação dos materiais foi realizada em ambiente industrial em escala piloto. A caracterização dos nanocompósitos foi realizada para diferentes regiões da placa, a fim de verificar as possíveis influências do processamento sobre o produto. Observou-se que a nanocarga influenciou positivamente no processamento do material em extrusora de pistão (RAM), colaborando para uma homogeneização do tratamento térmico na matriz, o que ocasionou uma conformação mais adequada, com ganhos em propriedades. Os melhores resultados foram observados para o nanocompósito contendo 0,25% m/m de rGO. Em relação ao polímero puro, o UHMWPE/rGO (0,25%) apresentou resultados superiores em 16% na cristalinidade, 48% no módulo de elasticidade, 26% na resistência ao impacto, 48% na dureza, 9% e 24% na resistência abrasiva a dois e três corpos, respectivamente, e 10% de aumento do ângulo de contato.
Abstract
This work presents the mapping and experimental execution of the masterbatch production scaling process to obtain an ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) nanocomposite containing reduced graphene oxide (rGO), aiming pilot-scale production. The master's work investigates the evolution of the production in an increased scale of the starting load, the exfoliation parameters of the load, the most adequate concentration of the masterbatch (MB) and evaluation of the properties of the nanocomposite of UHMWPE/rGO in the concentrations of 0.10 and 0.25 wt.% of rGO in the laboratory, and subsequently, production of 120 kg of nanocomposites on a pilot scale in an industrial environment. For all stages, validations were carried out through relevant characterization techniques and analysis of structural and fundamental properties, guaranteeing the quality and performance of the nanocomposite comparing with the results obtained in the laboratory. 10 kg of masterbatch containing 3 wt.% of nanofiller (MB3%) were produced in the CTNano infrastructure, which resulted in 30 kg of UHMWPE/rGO nanocomposite containing 0.1 wt.% and 90 kg of nanocomposite with 0.25 wt.% of rGO. The conformation of the materials was carried out in an industrial environment on a pilot scale. The characterization of the nanocomposites on a pilot scale was carried out for different regions of the plate, in order to verify the possible influences of the processing on the product. It was observed that the nanofiller positively influenced the processing of the material in a piston extruder (RAM), contributing to homogenization of the heat treatment in the matrix, which led to a more adequate conformation, with gains in properties. The best results were observed for the nanocomposite containing 0.25 wt.% of rGO. In relation to the pure polymer, UHMWPE/rGO (0.25%) showed superior results in 16% in crystallinity, 48% in elastic modulus, 26% in impact resistance, 48% in hardness, 9% and 24% in abrasive resistance to two- and three-body, respectively, and 10% increase in contact angle.
Assunto
Engenharia química, Polietileno, Grafeno, Nanocompósitos (Materiais), Escalonamento de processos
Palavras-chave
UHMWPE, Grafeno, Processamento, Nanocompósito, Escalonamento