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Departamento de Engenharia Química e Materiais
Caracterização de "nano fillers" para revestimento polimérico
Aluno: Raíssa victor quintela
Orientador: Ivani de S bott
Introdução
Na engenharia de materiais a caracterização é fundamental pois pode significar o
diferencial na performance de um determinado material. Permitindo considerar novas
possibilidades acerca de um processo industrial. São inúmeros os desafios diários enfrentados
pelas industrias e muitos deles podem ser resolvidos a partir do conhecimento acerca de
determinado material, ou seja, como ele se apresenta morfológicamente e como se comporta
em diferentes condições.
Um dos problemas comuns que se deparam as indústrias petrolíferas, por exemplo, é a
chamada corrosão por dióxido de carbono (CO2), também conhecida como “sweet corrosion”.
Este fenônemo ocorre á partir do contato do CO2 com água, que resulta na formação de ácido
corbônico (H2CO3) e provoca danos em equipamentos, causando prejuízos e dificultando o
transporte de combustível fóssil. A “sweet corrosion” também pode ser intensificada por
fatores como altas temperaturas, pressão e tipo de aço utilizado. Uma possibilidade de redução
deste tipo de corrosão é via a utilização de revestimentos que sejam resistente a este meio,
como por exemplo um revestimento polimérico.
A necessidade da caracterização do revestimento polimérico nasce da intenção se
utilizar aços mais baratos, revestido para minimizar os efeitos da corrosão por CO2 em
detrimento daqueles aços mais caros, como o Inox Duplex SAF 2205. Desta forma, os prejuízos
ás industrias que sofrem com este problema seriam reduzidos, e possibilitariam melhor
planejamento de projetos. Neste contexto, a primeira metade desta pesquisa coloca em prática
a finalização da caracterização de um revestimento polimérico depositado no aço AISI 1020.
O aço AISI 1020 foi revestido com material comercial que não permitiu conclusões
objetivas em função da falta de alguns dados acerca de sua composição e preparação por se
constuir segredo industrial. Desta maneira dando sequência a esta linha de pesquisa, foram
fabricados compósitos constituídos de tinta epoxi ( Novolac) com a adição de grafeno oxidado
e reduzido. A produção do grafeno foi realizada pelo CTNANO da UFMG.
Nesta etapa da pesquisa está sendo realizada a caracterização do grafeno, e da influência
da adição deste “nano filler” a tinta de base epoxi. Busca-se determinar se haverá mudança
da condutibilidade da tinta, após a adição de grafeno. É interessante a pesquisa em torno disto
pois ao se ter em mãos um compósito que pode exercer o papel de conduzir corrente elétrica,
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seriam poupados os custos de se ter um material essencialmente condutor que faria exatamente
o mesmo trabalho, só que por um preço muito maior.
Assim sendo a primeita parte deste relatório finaliza a caracterização do material revestido com
revestimento comercial e a segunda parte avalia e caracteriza o compósito de epoxi-grafeno.
Parte I
1) Metodologia e Resultados Obtidos
1.1)Amostra de aço AISI 1020 revestida
A figura 1 apresenta as dimensões, e a figura 2 o aspecto da amostra revestida.
Figura 1: Dimensões da amostra . Figura 2: Aparência da amostra revestida.
1.2)Análise de rugosidade
1.2.1) Resumo da técnica
A análise de rugosidade é uma técnica que produz, por meio de imagens sequenciais, o
aspecto da superfície de um determinado material, em uma amostra preferencialmente plana e
homogênea.
O equipamento que nos permite realizá-la é capaz de se movimentar motorizadamente
pelo eixo Z emitindo raios de luz, com lentes de diferentes aumentos, de forma que possamos
obter imagens de inúmeros planos de altura na amostra. Desta forma, é possível simular a
rugosidade do material que a sobrepõe, criando por meio de um software uma imagem em três
dimensões. Este equipamento, se usado no modo de reflexão (ideal para amostras que não
sejam transparentes, pois estas irão refletir a luz vinda do aparelho), pode trabalhar no campo
escuro, ou no campo claro. Respectivamente, o primeiro modo prioriza todos os raios que
chegam a lente, e o segundo prioriza apenas os raios inclinados, eliminando assim áqueles
ortogonais á superfície amostral.
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É importante a obtenção dos dados desta análise pois com eles pode-se estimar a adesão
do revestimento em questão. Também é válido ressaltar que o espaçamento entre as imagens
obtidas pode ser ajustado pelo usuário, de forma que, quanto menor o espaçamento, mais
precisa será a imagem geral produzida.
1.2.2) Resultados da análise de rugosidade
O revestimento foi analisado no modo de campo claro nas lentes de 5x e 10x, em dois
locais diferentes do revestimento representados como “Superfície 1” e “Superfície 2”, e com
espaçamento de imagens de 5µm e 2,5µm.
Nos resultados das tabelas abaixo, pode-se ver listadas como “Pa” a média aritmética
da altura das rugosidades, e “Pq” como a média quadrática.
Lente de 10X/ Espç: 2,5µm Pa Pq
Superfície 1 8,073 10,021
Superfiície 2 10,631 13,291
Lente de 5X/ Espç: 5µm Pa Pq
Superfície 1 14,224 17,835
Superfiície 2 14,891 18,645
As figuras 3 á 6 abaixo mostram a aparênica das duas áreas do revestimento observadas,
com seus respectivos aumentos.
Figura 3: lente de 5x, superficie 1 Fugura 4: lente de 5x, superficie 2
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Figura 5: lente de 10x, superficie 1 Figura 6: lente de 10x, superficie 2
1.3) Análise de infravermelho (IR)
1.3.1)Resumo da técnica
Esta análise consiste em um tipo de espectroscopia que ocorre na região do
infravermelho e estuda a interação da radiação eletromagnética com o material. O principal
objetivo da realização desta técnica é observar as bandas de energia dos átomos presente no
material estudado, pois cada um deles pode absorver mais, ou menos, a radiação. Com os
resultados das bandas, podemos identificar os componentes de certa amostra. 1
A absorção de energia é diferente para cada átomo ou mólecula. Isso acontece pois em
cada caso, a movimentação de elétrons demanda certa quantidade de enegia, e é desta forma
que podemos ver nos resultados do espectro de infravermelho as diferentes bandas de
absorção.2
1.3.2) Resultados do Infravermelho
Como pode ser visto na figura 7, não foi possível identificar o material do revestimento,
pois as bandas de energia não são significativas devido a coloração muito escura do
revestimento, o qual provavelmente absorveu a radiação emitida durante a análise.
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Figura 7: espectro de infravermelho.
Parte II
2) Grafeno
Em escala nanométrica o carbono pode ser encontrado em diferentes arquiteturas, originando
uma variedade de estruturas estáveis com configurações poliatômicas diferentes, designadas
como formas alotrópicas3.
A definição científica do grafeno é de um material constituído por monocamadas de carbono
puro, com espessura de um átomo (aproximadamente 0,34 nm), possui uma estrutura hexagonal
de átomos de carbono com hibridização 𝑠𝑝2, com distâncias entre carbonos (C-C) de 0,142 nm.
Além de possuir uma estrutura densa em forma de “honeycomb” (favo de mel). Esta rede larga
em formato de “honeycomb” (Figura 7) se constitui no elemento básico da formação de outros
alótropos do carbono, podendo ser empilhado para formar a estrutura tridimensional (3-D) do
grafite e enrolado para formar os nanotubos (1-D) e os fulerenos (0-D).4
Terminada a caracterização do revestimento de aço, como já mencionado no início deste
documento, optou-se por dar continuidade ao projeto com um novo material. Trabalhou-se
nesta fase com o óxido de grafeno. Assim como na etapa anterior, o foco será caracterização
deste composto.
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Figura 8 – Renderização da estrutura uniforme do grafeno, na escala molecular
(https://www.extremetech.com/extreme/211437-extremetech-explains-what-is-graphene)
Caracterização do Grafeno
2.1) Síntese do grafeno oxidado e reduzido
O óxido de grafite (GO) é um material que pode levar á obtenção do óxido de grafeno
por meio de sua esfoliação. Este procedimento pode ser feito de uma forma simples, deixando
o grafite inicial em um forno de microondas por algo em torno de 1 minuto. As suspensões de
óxido de gafeno são obtidas adicionando o material em carbonato de propileno anidro, e
deixando a solução em um sonicador por alguns minutos.
O GO é considerado um material eletricamente isolante por conta dos grupos
funcionais de oxigênio conectados em sua composição, e por este motivo torna-se interessante
reduzí-lo para devolver a ele esta capacidade condutota. Neste contexto, agora já com o óxido
de grafeno em mãos, após a esfoliação, a redução pode ser realizada por meio de irradiação de
microondas á 700watts. É necessária a realização de uma filtração para separar as suspensões
de óxido de grafeno da solucões onde estas estavam depositadas.5 Esta parte do trabalho foi
realizada em colaboração com a Glaura Goulart Silva do Depto de Química da UFMG.
2.2)Raman
2.2.1) Resumo da técnica
A espectroscopia de Raman é uma técnica que permite a identificação de compostos químicos
orgânicos ou inorgânicos, e é embasada na dispersão de fótons com energia préviamente
conhecida sobre a amostra. Estes fótons interagem com o dipolo da ligação das substâncias6, e
resultam em diferentes energias de vibração e frequências. Existem três tipos de “estado” que
a amostra pode demonstrar após a incidência dos fótons:
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1)Espalhamento Rayleigh: Ocorre quando a amostra volta ao seu estado inicial de energia, sem
absorver energia, emitindo de volta o fóton incidido com a mesma energia que partiu.
2)Frequência Stokes: É o nome dado á nova frequência do fóton emitido para quando sua
energia inicial é menor que a final, ou seja, quando a amostra absorve parte dela para sí.
3)Frequência Anti-Stokes: Este caso é identificado quando os Fótons roubam energia das
moléculas, fazendo com que elas vibrem com energia menor do que inicial. Fótons retornam
com mais energia, e sua nova frequência é chamada de anti-Stokes.7
A figura 9 mostra de modo esquemático as transições mencionadas acima.
Figura 9: Diagrama esquemático das transições de energia.
2.2.2) Resultados espectro de Raman
Na imagem 10, abaixo, mostra-se o espectro referente ao óxido de grafeno contendo três
curvas, cada uma delas representando uma abertura de feixe diferente. É possível perceber com
esse resultado que as bandas de cada curva apresentam a mesma tendência mesmo em
condições diferentes. É um resultado esperado por se tratar um único material.
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Figura 10: Espectro de ramam para o óxido de grafeno.
2.3) Microscópio de força atômica (AFM)
2.3.1) Resumo da técnica
Esta é uma técnica de caracterização que permite a obtenção de imagens em 3
dimensões com alta resolução, e análise de propriedades em escala nanométrica. A microscópia
de força atômica é uma técnica derivada um grupo maior do mesmo ramo, os chamados
microscópios de varredura por sonda (SPM) que possui vantagens ao ser comparado com
outros microscópios eletrônicos pois é capaz de proporcionar aumentos de imagem na faixa de
dezenas de milhões de vezes (além da imagem tridimensional), enquanto os demais chegariam
no máximo á um aumento de por volta de centenas de milhares de vezes.6
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De maneira geral, neste equipamento temos um princípio básico de funcionamento
(figura 11). As imagens são geradas á partir da medição das forças de repulsão e atração entre
uma sonda (ou agulha) e a superfície da amostra. A sonda percorre toda a área da superfície
amostral de forma que sua movimentação seja controlada, e a força atuante seja constante.
Como esta força é de ordem de grandeza muito pequena, faz-se necessário dispor a agulha na
ponta de um cantiléver com constante de mola também pequena. Com isso, é possível que a
deflexão (no cantiléver) resultante da interação da agulha com a superfíe da amostra seja
quantificada.8
Figura 11: Esquema básico de funcionamento do AFM (http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0366-69132011000200007)
2.3.2) Preparação da amostra para o AFM
Para que as folhas de grafeno pudessem ser analizadas no microscópio de força atômica,
a amostra necessitou de uma prepação especial.
Inicialmente foi preparada uma solução de 10 ml de álcool isopropílico e uma
quantidade de grafeno (algumas miligramas) equivalente a uma “ponta de espátula”. Esta
solução é colocada em um sonicador ultrasônico durante mais ou menos uma hora para que o
material possa se dispersar, e metade dela é diluída por meio da adição de mais 20 ml de álcool.
A segunda solução (áquela diluída) passou mais dez minutos no sonicador.
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Para realizar a observação no AFM uma gota da solução preparada foi depositada sobre
um substrato de silício. Este conjunto é colocado em um Spin Coating com 4000rpm para a
solução se dispersasse e assim criar uma película fina desta solução, no substrato.
2.3.3) Resultados obtidos com o AFM
Foram observadas multicamadas de grafeno (figuras 12 e 13). Ambas as figuras representam a
mesma área do substrato analisada, porém com ampliações diferentes.
Figuras 12 e 13: Folhas de grafeno apresentadas no microscópio de força atômica
Considerações Finais
Parte I :
Acerca do revestimento polímerico comercial , foi possível concluir sua caracterização
finalizando as análises iniciadas no relatório do período anterior. A análise de rugosidade
apresentou uma média aritmética de 11,955 µm e uma média quadrática de 14.948 µm tendo
como base duas superfícies do revestimento. Também foram obtidas imagens da rugosidade
do material.
A tentativa de identificação da natureza do epoxi do revestimento polimérico comercial
por Infravermerelho, não apresentou bandas de energia significativas pois a amostra absorveu
a energia emitida pelo IR.
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Parte II :
Foram obtidas para o óxido de grafeno a partir nálise de Raman o espectro deste
material, e confirmar que a tendência deste espectro se repete em diferentes aberturas de feixe
de fótons. Posterior análise comparativa com a literatura está em andamento. Por meio do
AFM, imagens das camadas de folhas de grafeno foram obtidas confirmando assim que o
material a ser adicionado como “nano fillers” são folhas de grafeno. Caracterização da
condutividade do compósito está em andamento.
Referências
1- LUZ, E. R. Predição de propiedades de gasolina usando espectrocopia FTIR e
regressão por mínimos quadrados parciais. 2003.Dissertação (Mestrado em química)-
Departamento de Química, PUC, Rio de Janeiro. Capítulo 3, Disponível em <
https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/4432/4432_4.PDF>.
2- MARIN, Eder Prodossimo. Espectroscopia de infravermelho e suas aplicações.
2013. 73 f. Trabalho de conclusão de curso (bacharelado - Física) - Universidade Estadual
Paulista, Instituto de Geociências e Ciências Exatas, 2013. Disponível em:
<http://hdl.handle.net/11449/119826>
3- H.W.KROTO, J.R. Heath, S.C.O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, Nature 318(1985)
162-163.
4- Aditya D.Ghuge, Abhay R. Shirode, Vilasrao J. Kadam, Graphene: A
Comprehensive Review, Current Drug Targets, 2017, 18, 724-733
5- ZHU, Y; MURALI, S; STOLLER, M.D; VELAMAKANNI, A; PINER, R.D;
RUOFF, R.S . Microwave assisted exfoliation and reduction of graphite oxide for
ultracapacitors. Department of Mechanical Engineering and the Texas Materials Institute.
Austin, Texas.
6- Sengupta, M.L. Laucks, N. Dildine, E. Drapala and E.J. Davis, ‘Bioaerosol
characterization by surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), 2005. Advanced Physics
Laboratory. Disponível em:
<http://instructor.physics.lsa.umich.edu/advlabs/Raman_Spectroscopy/Raman_spect.pdf>
7- MESQUITA, T.M.G. Estatística do ganho dependente da polarização em sistemas
ópticos com amplificação raman. 2004. PUC-RIO, Rio de Janeiro. Capítulo 2, Disponível em:
< https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/4632/4632_3.PDF>.
8- HERRMANN, P.S.P; SILVA, M.A.P; FO, R.B; JOB, A.E ; COLNAGO, L.A;
FROMMER, J.E; MATTOSO, L.H.C. Microocopia de varredura por força: uma ferramenta
poderosa no estudo de polímeros. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/po/v7n4/8878.pdf
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