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BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA
UNICAMP

 
TESE DE DOUTORADO
 
Autora: Kaneko, Manuela Lima Queiroz de Andrade
Título: Compósitos e Nanocompósito de Silicona / Montmorillonita
Ano: 2009
Orientadora: Profa. Dra. Inez Valéria Pagotto Yoshida
Departamento: Físico-Química
Palavras-chave: Silicona, Compósito, Nanocompósito
Resumo: Neste trabalho foram preparados compósitos de silicona reforçados com argila montmorillonita natural (MT) e orgânica (MT-O). Os compósitos foram obtidos por adição direta das argilas (MT ou MT-O) em goma de silicona de altíssima massa molar (~10 g/mol), que foi reticulada para formar borracha, ou por adição de “masterbatches” argila/fluido de silicona na matriz de silicona. Previamente à preparação dos “masterbatches” avaliou-se o efeito de 3 fluidos de silicona: poli(dimetilsiloxano) de terminais –Si(CH3)2OH, PDMS-OH, poli(dimetilsiloxano-co-3-óxido de etilenopropilmetilsiloxano), PDMS-POE e poli(dimetilsiloxano-co-metilaminoetilaminopropilsiloxano, PDMS-NH2), na modificação das argilas, selecionando-se aquele que promoveu um maior efeito na expansão das lamelas para a obtenção dos “masterbatches”. Para isto foram preparadas dispersões argila/fluido estudando-se as características morfológicas dessas dispersões por espalhamento de raios X em baixo e alto ângulo utilizando detector bidimensional (SAXS/WAXS-2D). As análises de SAXS/WAXS-2D mostraram que os fluidos PDMS-POE e PDMS-NH2 apresentaram forte tendência de expansão das lamelas das argilas, diferente do PDMS-OH. O fluido PDMS-POE se mostrou mais adequado para a preparação dos compósitos e foi então selecionado para a preparação dos “masterbatches”. Os compósitos preparados via “masterbatch” ou por adição direta da argila foram caracterizados por medidas de intumescimento em tolueno, difração de raios X, espalhamento de raios X em baixo e alto ângulo, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão e ensaios mecânicos sob tração. Os compósitos preparados com os “masterbatches” apresentaram maior intumescimento em tolueno do que os preparados por adição direta das argilas, indicando que a presença do PDMS-POE aumenta a quantidade de solvente admitida no material. Os ensaios mecânicos mostraram que o compósito preparado com o “masterbatch” da argila orgânica, PDMS/MB2:5, carregado com apenas 5 phr da MT-O, apresentou praticamente a mesma resistência à tração do que o compósito de PDMS carregado com 30 phr da MT-O, obtido por adição direta da argila no polímero. Além disto, o PDMS/MB2:5 apresentou um aumento de 126% no alongamento na ruptura em relação ao PDMS/MT-O:30. O desempenho mecânico do PDMS/MB2:5 foi atribuído à dispersão nanométrica da argila na matriz de silicona. Por outro lado, no compósito preparado com o “masterbatch” da MT, PDMS/MB1:5, a argila não se dispersou adequadamente e as propriedades mecânicas obtidas (particularmente, resistência à tração e alongamento na ruptura) não foram satisfatórias. Essa diferença de comportamento foi atribuída aos diferentes arranjos do PDMS-POE entre as lamelas das argilas MT e MT-O. No “masterbatch” com a MT-O, a parte apolar do PDMS-POE deve se localizar, preferencialmente, no interior das lamelas da argila, resultando em uma dispersão mais eficiente da MT-O, devido à ação lubrificante do fluido do silicona entre as lamelas da argila. A inversão desse arranjo no “masterbatch” com a MT resulta em uma pobre dispersão da argila no PDMS/MB1:5.
Abstract: In this study, silicone composites were prepared with natural (MT) or organomodified (MT-O) montmorillonite clays. The composites were obtained by direct addition of the clays (MT or MT-O) to a high molar mass poly(dimethylsiloxane)-gum (~10 g/mol), which was than crosslinked to form rubber, or by addition of clay/silicone fluid masterbatches into the silicone matrix. Previously to the preparation of the masterbatches, the effect of 3 silicone fluids: (poly(dimethylsiloxane) with –Si(CH3)2OH end groups, PDMS-OH, poly(dimethylsiloxane-co-3-ethylenepropylmethylsiloxane oxide), PDMS-PEO, and a poly(dimethylsiloxane-co-aminoethylaminopropylmethylsiloxane), PDMS-NH2) into the clays was studied. The most appropriate silicone fluid, which promoted the greatest effect in the separation of the clay layers, was selected in order to prepare the masterbatches. For this purpose, clay/fluid dispersions were prepared and the morphological characteristics of these dispersions were studied by small angle/wide angle X-ray scattering using a two-dimensional imaging plate detector (SAXS/WAXS-2D). The SAXS/WAXS-2D analisis indicated that the PDMS-POE and the PDMS-NH2 showed greater tendencies to swell the galleries of the clays than the PDMS-OH fluid. The PDMS-PEO was the most appropriate fluid and it was selected to prepare the masterbatches. The composites prepared via masterbatch or by direct clay addition were characterized by swelling measurements in toluene, X-ray diffraction, small angle/wide angle X-ray scattering, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and tensile tests. The composites prepared via masterbatch showed higher toluene swelling than the composites prepared by direct addition, indicating that the presence of the PDMS-POE enchances the solvent amount into the material. The tensile tests showed that the composite with the MT-O masterbatch, PDMS/MB2:5, filled only with 5 phr of O-MT, improved the tensile strength as much as that one obtained with the composite filled with 30 phr of O-MT clay, PDMS/MTO: 30, prepared by direct clay addition. Moreover, the elongation at break was improved at least 126% in comparison to that of the PDMS/MT-O:30. The mechanical performance of PDMS/MB2:5 was attributed to the nanometric dispersion of the clay layers into the silicone matrix. On the other hand, the clay did not disperse well in the composite prepared with the MT masterbatch, PDMS/MB1:5, and the mechanical properties of the this composite (especially, tensile strenght and elongation at break) were not satisfactory.The difference in these behaviours was atribuited to the PDMS-POE arrange between the MT and MT-O clay layers. In the MT-O masterbatch, the PDMS-POE apolar chains should be mainly located inside the clay layers, resulting in an efficient clay dispersion, due to the lubricating effect of the silicone fluid between the layers. The inversion of this arrange in the MT masterbatch results in a poor dispersion of the clay into PDMS/MB1:5.
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