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Tipo do documento: Dissertação
Título: Desenvolvimento de compósitos de polipropileno com reforço híbrido de fibras curtas de carbono e grafeno para a indústria automobilística
Título(s) alternativo(s): Development of polypropylene hybrid composites with hybrid reinforcement of short carbon and graphene fibers for the automotive industry
Autor: Santos, Anna Paula de Oliveira 
Primeiro orientador: Rocha, Marisa Cristina Guimarães
Primeiro membro da banca: Bandeira, Cirlene Fourquet
Segundo membro da banca: Moreira, Carolina Seixas
Resumo: Neste estudo, compósitos poliméricos à base de polipropileno (PP), reforçados com nanopartículas de grafeno (GNP) e fibras curtas de carbono (FCC) foram desenvolvidos, com o objetivo de obter materiais com propriedades mecânicas aprimoradas tais como módulo de elasticidade e resistência à tração maiores, além de elevada estabilidade térmica. A composição dos compósitos foi otimizada por meio de um planejamento experimental utilizando o software Minitab 19, visando identificar a combinação ideal de teores de GNP e FCC. Os compósitos foram processados em uma extrusora de rosca dupla, sob condições específicas de temperatura e rotação, para garantir a dispersão homogênea dos reforços na matriz polimérica. A caracterização dos materiais incluiu ensaios mecânicos (tração, flexão), análise termogravimétrica (TGA), calorimetria diferencial exploratória (DSC) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados obtidos demonstraram que a incorporação de GNP e FCC ao PP promoveu um aumento significativo do módulo de elasticidade e na resistência à tração dos compósitos, em comparação com o polímero base. Essas melhorias nas propriedades mecânicas podem ser atribuídas à eficiente transferência de carga entre a matriz polimérica e os reforços, resultante da alta área superficial específica do grafeno e da rigidez das fibras de carbono. No entanto, a incorporação de reforços na matriz polimérica também levou a uma redução na tenacidade à fratura dos compósitos, indicando uma correlação entre rigidez e tenacidade. A análise termogravimétrica revelou que os compósitos apresentaram maior estabilidade térmica em comparação com o PP puro, indicando uma melhor resistência à degradação térmica. Essa melhoria pode ser atribuída à barreira térmica proporcionada pelas nanopartículas de grafeno e pelas fibras de carbono. A micrografia obtida por MEV permitiu visualizar a distribuição dos reforços na matriz polimérica, evidenciando a formação de uma interface satisfatória entre as fases, fator crucial para a obtenção de propriedades mecânicas superiores. Assim, este estudo demonstrou o potencial dos compósitos de PP reforçados com GNP e FCC para aplicações industriais diversas em diversas que requeiram materiais leves, rígidos e com alta estabilidade térmica. Dentre as amostras analisadas, a amostra 7 (77,5%PP/20%FCC/2,5%GN) e a amostra 4 (75%PP/20%FCC/2,5%GN) demonstraram os melhores resultados. No entanto, considerando a relação custo-benefício, a amostra 7, com menor concentração de grafeno é considerada a melhor opção.
Abstract: In this study, polymer composites based on polypropylene (PP) reinforced with graphene nanoparticles (GNP) and short carbon fibers (FCC) were developed, aiming to obtain materials with improved mechanical properties such as higher modulus of elasticity and tensile strength, in addition to high thermal stability. The composition of the composites was optimized through an experimental design using Minitab 19 software, aiming to identify the ideal combination of GNP and FCC contents. The composites were processed in a twin-screw extruder, under specific temperature and rotation conditions, to ensure homogeneous dispersion of the reinforcements in the polymer matrix. The characterization of the materials included mechanical tests (tensile, flexural), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained demonstrated that the incorporation of GNP and FCC into PP promoted a significant increase in the elastic modulus and tensile strength of the composites, compared to the base polymer. These improvements in mechanical properties can be attributed to the efficient load transfer between the polymer matrix and the reinforcements, resulting from the high specific surface area of graphene and the stiffness of the carbon fibers. However, the incorporation of reinforcements into the polymer matrix also led to a reduction in the fracture toughness of the composites, indicating a correlation between stiffness and toughness. Thermogravimetric analysis revealed that the composites presented greater thermal stability compared to pure PP, indicating better resistance to thermal degradation. This improvement can be attributed to the thermal barrier provided by the graphene nanoparticles and carbon fibers. The micrograph obtained by SEM allowed visualization of the distribution of the reinforcements in the polymer matrix, evidencing the formation of a satisfactory interface between the phases, a crucial factor for obtaining superior mechanical properties. Thus, this study demonstrated the potential of PP composites reinforced with GNP and FCC for diverse industrial applications that require lightweight, rigid materials with high thermal stability. Among the samples analyzed, sample 7 (77.5% PP/20% FCC/2.5% GN) and sample 4 (75% PP/20% FCC/2.5% GN) demonstrated the best results. However, considering the cost-benefit ratio, sample 7, with a lower graphene concentration, is considered the best option.
Palavras-chave: Nanopartículas
Compósito híbrido
Polipropileno
Fibra curta de carbono
Grafeno
Nanoparticles
Hybrid composite
Polypropylene
Short carbon fibers
Graphene
Compósitos poliméricos
Materiais compostos – Propriedades mecânicas
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico
Programa: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais (IPRJ)
Citação: SANTOS, Anna Paula de Oliveira. Desenvolvimento de compósitos de polipropileno com reforço híbrido de fibras curtas de carbono e grafeno para a indústria automobilística. 2024. 83 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) - Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2024.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23155
Data de defesa: 18-Set-2024
Aparece nas coleções:Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais (IPRJ)



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