Nanotecnologia em Compostos de Borrachas

Nanotecnologia Aplicada em Compostos de Borrachas: Mercado Atual e Novos

Desenvolvimentos.Luis TormentoLT Quimicos

O que é Nanotecnologia?

A nanotecnologia está rapidamente se tornando uma tecnologia-chave do século 21.

A nanotecnologia pode ser definida como a engenharia da matéria em escalas menores que 100 nanômetros (nm), para alcançar propriedades e funções dependentes do tamanho.

O que é Nanotecnologia?

Mitos estão aparecendo no mercado de nanotecnologia, mas a realidade é que a nanotecnologia não é um mercado, mas uma cadeia de valor. A cadeia compreende nanomateriais (nanopartículas), nanointermediários (revestimentos, compostos, tecidos inteligentes) e, finalmente, levando a nano-produtos (para carros, roupas, aviões, robôs).

O que é Nanotecnologia? Hoje em dia, os materiais poliméricos são aplicados

em quase todos os setores da nossa vida, com potencial para o desenvolvimento de tecnologias futuras. Em contraste com materiais metálicos e cerâmicos, os polímeros são relativamente baratos; podem ser facilmente processados, pois precisam de menos energia para a produção e moldagem, e têm uma variedade de aplicações como: têxteis, blindagem eletromagnética, revestimentos, peças automotivas, aparelhos eletrônicos e domésticos, etc.

O que é Nanotecnologia? Recentemente, elastômeros-nanocompósitos

reforçados com baixa fração volumétrica de nanopartículas têm atraído grande interesse devido suas propriedades fascinantes. A incorporação de nanopartículas, tais como nanotubos de carbono, nanofibras, carbonato de cálcio, óxidos de metais ou nanopartículas de sílica em elastômeros, melhora significativamente suas propriedades térmicas, dinâmicas, propriedades de barreira, retardamento de chama etc.

O que é Nanotecnologia? O tamanho muito pequeno das partículas e sua

grande área de interface produz extraordinária melhoria das propriedades em uma ampla gama de materiais de borracha. A dispersão uniforme de nanopartículas em matrizes elastoméricas é um pré-requisito geral para alcançar ótimas características físicas e mecânicas.

O que é Nanotecnologia? A comercialização da Nanotecnologia está

caminhando para uma transformação de grande alcance. Os avanços científicos alcançados através da compreensão dos diferentes princípios fundamentais,são refletidos no aumento do financiamento do governo, no desenvolvimento de iniciativas e no interesse de pesquisa corporativa.

O que é Nanotecnologia? O resultado dos avanços tecnológicos são as

melhorias em produtos existentes, criação de novos produtos e linhas de produção com alternativas de processo superiores e alteração na dinâmica e estrutura de custos.

Nanotecnologia em Borracha

Enchimentos/Reforçamentos de escala nano, tais como negro de fumo e sílica, são essenciais para que a borracha tenha as necessárias propriedades de uso, tais como resistência à abrasão, resistência ao rasgo e propagação do rasgo.

Porque estamos aqui?

Fornecer uma visão geral do que é Nanotecnologia.

Discutir Nanotecnologia O que é? Como medimos? Investimentos e Pesquisas

Seu uso em borracha

Entendendo o tamanho

1 metro


10 centímetros


1 centímetro


100 micrômetros


10 micrômetros


1 micrômetro


100 nanômetros


10 nanômetros


1 nanômetro


No que se refere a nanotecnologia: Não é apenas o tamanho, mas sim o que

podemos fazer com ele.

Entendendo os efeitos

Processos físicos cujos efeitos não variam uniformemente com a escala: gravidade fricção combustão eletrostática forças de Van der Walls movimento Brownian quantum


Gravidade


Fricção


Combustão


Eletrostática


Van der Waals


Movimento Browniano


QuantumQuantum

"I don't like it, and I'm sorry I ever had anything to do with it.” - Erwin Schrodinger

"I think that I can safely say that nobody understands quantum mechanics.” - Richard Feynman


Centímetro: gravidade, fricção, combustão Milímetro: gravidade, fricção, combustão,

eletrostática Micrômetro: eletrostática, de van der Walls,

Browniano Nanômetros: eletrostática, Van der Walls,

movimento Browniano, Quantum Ângstrom: a mecânica quântica

Nanotecnologia Básica

Origens da Nanotecnologia

Antigas Referências

Antigas Referências - 4500 anos atrás

Leucippus of Miletus

Século 5 AC Grécia - Demócrito de Abdera

Toda matéria é composta de partículas indivisíveis chamadas átomos

Há um espaço vazio, que é o espaço vazio entre os átomos Os átomos são completamente sólidos Átomos são homogêneos, sem estrutura interna Átomos podem variar em

1) Tamanho 2) Forma 3) Peso

John Dalton - 18031) elementos químicos são feitos de átomos2) os átomos de um elemento são idênticos nas

suas massas3) átomos de diferentes elementos têm massas

diferentes4) átomos combinam somente em proporções

tais como 1: 1, 1: 2, 2: 3 e assim por diante5) átomos não podem ser criados nem

destruídos

Ernest Rutherford - 1908

Niels Bohr - 1915

Einstein-Pauli-Bose-Heisenberg, etcVon Neumann - 1932 síntese matemática

Gravidade - Graviton - sempre atrai, nunca repele; curva o espaço. Gravidade é a única força a que todas as partículas estão submetidas , indefinidamente

Força Forte - Gluon (8 tipos) - vincula quarks em núcleos e núcleos em núcleos - limitado ao núcleo atômico

Eletromagnetismo - fóton - vincula elétrons ao núcleo; permite todos os processos químicos e físicos , indefinidamente

Força Fraca - bósons fracos (3 tipos) - faz com que partículas instáveis e núcleos decaiam - limitado ao núcleo atômico

Max Knoll e Ernst Ruska -1931

microscopia eletrônica

Asa da mosca 1935 Bactéria 1937 Ferro 1937

Nanotecnologia

Possui uma longa história: citada por Richard P. Feynman em 1959

Tem um sólida base teórica: K. Eric Drexler - 1981

Nanotecnologia pode ser:

Nano (metrologia) Ciência em nanoescala (efeitos) Tecnologia em nanoescala (fabricação) Nanotecnologia molecular (química)

Como se faz um nanomaterial?

Deposição de vapor Evaporação Combustão Pasma térmico Fresagem Cavitação Revestimento (spin ou mergulho) Pulverização térmica Eletrodeposição Deposição química (úmido)

Processos que afetam o mercado da borracha

Encapsulamento Nanopartículas Nanocompósitos Química de superfície

Nanotecnologia no setor da borracha Borrachas, plásticos e compósitos são itens primários na

cadeia de valor - geralmente, compreendem a primeira fase em que se inicia qualquer diferenciação competitiva. Consequentemente, eles são frequentemente sujeitos a comoditização por fabricantes de produtos, enquanto, simultaneamente, são dependentes de commodities, como minerais, metais e borracha natural. Para os produtores de artefatos, esta posição da cadeia de valor pode aumentar a magnitude com que eles experimentam algumas das tendências globais de mercado.

Nanotecnologia no setor da borracha Mais do que outros produtos da cadeia de valor,

borracha, plástico e compósitos são versáteis e têm aplicações em uma ampla gama de indústrias e produtos. Esta versatilidade cria tanto benefícios como problemas para os produtores de artefatos. Por um lado, eles têm muitas opções para vender seus materiais, reduzindo sua exposição a riscos associados com a demanda do consumidor e flutuações de preços. Por outro lado, eles enfrentam uma quantidade significativa de competição entre indústrias de materiais de mercados.

Nanotecnologia no setor da borracha Produtores de artefatos pode também enfrentar forte

concorrência de diferentes tipos do mesmo artefato; por exemplo: um concorrente é capaz de reduzir o custo de um artefato de alta qualidade ou melhorar a qualidade de um artefato mais barato. Como resultado deste elevado grau de concorrência, produtores de artefatos normalmente experimentam forte pressão descendente sobre os preços, especialmente quando aparecem novas aplicações ou novos mercados.

Nanotecnologia no setor da borracha Os artefatos são parte de uma cadeia de valor muito maior do

que outras commodities; são submetidos a várias etapas de processamento e adição de valor antes de chegar aos consumidores finais, que raramente podem ou querem identificar o tipo de plástico ou o composto a partir do qual o produto comprado é feito. Fabricantes de artefatos, portanto, não são limitados por sensibilidade de consumo ou por qualidade da fonte de materiais- eles têm flexibilidade para alterar seus insumos de acordo com fatores como disponibilidade e custo.

Consequentemente, o desequilíbrio no poder de negociação entre os produtores primários e os produtores secundários pode ser muito maior do que para outros grupos.

Tecnologia em borrachas, plásticos e compósitos

Tecnologia e inovação também tem um papel muito diferente na produção dos artefatos de borracha. Por um lado, os produtores de materiais são limitados na sua capacidade de mudar seus materiais através da inovação, porque as propriedades dos produtos feitos com estes materiais são mutuamente dependentes das propriedades das matérias-primas dos materiais.


Inclui-se então produtos químicos e cargas de reforço/enchimento, e os processos tecnológicos, tais como métodos de produção e tratamentos secundários, utilizados pelos fabricantes de artefatos.

Se um novo material requer significativa mudança nos processos e tecnologias - utilizadas em níveis mais elevados da cadeia de valor - não pode ser adotado por fabricantes de artefatos.


Assim, oportunidades em inovação de materiais nesse mercado geralmente ocorrem de duas maneiras. A primeira é o desenvolvimento de propriedades superiores ou materiais substitutos mais baratos. A segunda é o contexto em que um novo material é inicialmente adotado por um nicho de mercado e, ao longo do tempo, é capaz de obter ganhos de desempenho e efetividade de custo para se infiltrar em mercados tradicionais.

Nanotecnologia em Borracha,

Plástico e Compósitos A nanotecnologia pode fornecer oportunidades aos produtores borracha, plástico e compósitos com baixo risco, aumentando o valor da mercadoria com aditivos ou processos nanotecnológicos. Além disso, a nanotecnologia pode permitir o desenvolvimento de novos materiais que podem substituir a borracha natural e plásticos usados atualmente.


Plástico e CompósitosAplicação de nanotecnologia Potencial implicação em comoditiesNanoaditivos e cargas para materiais com melhora na vulcanização e propriedades físicas, térmicas e elétricas.

Movimento da cadeia de valor

Melhorias baseadas em nanotecnologia para máquinas e outros equipamentos de produção.

Melhoria na produção

Materiais nano-reforçados com melhores propriedades térmicas, magnéticas, ou elétricas para utilização em eletrônica, remediação ambiental, plásticos biodegradáveis em base nano, e outras indústrias.

Novos mercados industriais e comerciais

Nanoargilas, aero-géis, e materiais de engenharia substitutos.Redução na demanda devido à durabilidade dos materiais nano-reforçados.

Redução na demanda


Plástico e Compósitos Produtos de borracha são normalmente feitos com diferentes tipos de borracha e cargas de reforço/enchimento naturais/ sintéticas que permitem reforçar a borracha após a vulcanização. Produtos de borracha preta são geralmente feitos com negro de fumo, enquanto produtos de borracha de cor clara são feitos com sílica, que podem ser relativamente caros e têm um tempo de cura longo.


Plástico e Compósitos Cargas nanoparticuladas como argilas, talco e caulim, podem ser uma fonte de sílica mais barata; quando utilizadas como enchimentos naturais da borracha, mostraram produzir propriedades mecânicas compatíveis com a sílica convencional. Nanotubos de carbono geram muito interesse como enchimentos para compostos de borracha de alto desempenho, devido a maiores propriedades mecânicas, elétricas e térmicas.


Plástico e Compósitos O óxido de zinco é atualmente adicionado aos compostos de borracha, para reduzir o tempo de vulcanização e melhorar as propriedades da borracha. Compostos de zinco solúveis podem ser tóxicos para os organismos aquáticos e podem ser liberados no meio ambiente durante a produção da borracha e sua reciclagem, bem como através da lixiviação de aterros.


Plástico e Compósitos O óxido de zinco também pode entrar no ambiente durante o uso de pneus. Estes riscos ambientais, bem como a legislação, tais como os requisitos de identificação ecológica da CEE para pneus, criaram a demanda por produtos de borracha com reduzido teor de óxido de zinco por um fator de 10 a 20.


Plástico e Compósitos A nanotecnologia também pode permitir o uso de borracha natural em novos mercados. Por exemplo, alguns grupos estão pesquisando e desenvolvendo a adição de ferro, níquel, e outras nanopartículas magnéticas na borracha natural para alterar suas propriedades elétricas e magnéticas- desta forma, aumentam o potencial para serem utilizados em eletrônica, remediação ambiental e outras indústrias.


Plástico e Compósitos Pode-se também criar produtos de borracha de maior valor agregado. Por exemplo, nos EUA a Nanoproducts Corporation tem usado PureNano, um aditivo a base de carboneto de silício aditivo, para produzir pneus com melhor resistência à derrapagem e 50 % menos abrasão em relação a pneus convencionais.


Plástico e Compósitos Muitos grupos estão pesquisando nano-argilas e aero-géis como alternativas para a borracha. Nano-géis e nano-argilas estão sendo desenvolvidos para reduzir a quantidade de borracha necessária em pneus de carros e aumentar a sua vida útil.

Estes materiais também podem ser usados como um substituto para a borracha em aplicações como luvas médicas.


Plástico e Compósitos Há uma série de fatores determinantes da adoção de nanotecnologia na indústria de polímeros dos países desenvolvidos. Um deles, é a globalização, que conduz à fabricação de produtos com polímeros de baixa tecnologia em regiões em desenvolvimento, como China, Índia e América Latina, onde há uma abundância de mão de obra barata e crescente demanda dos mercados para todos os produtos, em comparação com países desenvolvidos, onde os mercados estão crescendo lentamente.


Plástico e Compósitos Além disso, fatores sócio-políticos, conflito específico entre os EUA e as nações produtoras de petróleo do Oriente Médio, são fatores determinantes para novas fontes de insumos químicos e energéticos; combinados com o aumento da energia e crescentes preocupações ambientais, está direcionando o interesse para outras matérias-primas para a fabricação de polímeros, assim como para métodos com menos consumo de energia, menos desperdício e técnicas mais precisas de manufatura.


Plástico e Compósitos Nanotecnologia pode ter grande aplicação em polímeros biodegradáveis feitos com materiais naturais, como proteínas e amidos. É provável que a demanda por esses polímeros biodegradáveis aumente, devido à demanda por produtos mais ecológicos e devido ao crescente preço do petróleo. Atualmente, o uso destes polímeros é limitado pelo seu pior desempenho em comparação com polímeros à base de petróleo.

Polímeros biodegradáveis feitos com proteínas e nano-aditivos à base de argila, no entanto, demonstraram propriedades mecânicas e térmicas significativamente melhores, em comparação com polímeros biodegradáveis tradicionais.


Plástico e Compósitos Numerosas aplicações de nanotecnologia podem também ser usadas para adicionar valor aos plásticos existentes. Por exemplo, nanopartículas que funcionam como agentes de nucleação pode ser adicionado à produtos plásticos para criar produtos mais finos, e assim produzir recipientes para alimentos mais baratos, materiais de embalagem com melhores propriedades, ou uma série de outros materiais com melhor resistência ao calor, resistência, baixo peso, e outras propriedades.

Nanotecnologia em Borracha Portanto, a nanotecnologia em borracha não é

mais um mito, mas uma realidade. No entanto, é necessário estabelecer uma cooperação entre os institutos de pesquisa, agências de financiamento e indústrias o mais rapidamente possível para se alcançar um rápido crescimento do mercado.


Redução de peso devido ao baixo nível de carga das partículas nano

Propriedades do material melhoradas (ou seja, mecânica, térmica, elétrica)

Novas funcionalidades (antimicrobiana, barreira, retardante de chamas)


Os artefatos de borracha exibem as seguintes características: Alta elasticidade (> 300%) Material forte, flexível Propriedade de amortecimento (Energia)


A borracha já utiliza nano-cargas (negro de fumo) desde 1904

A indústria da borracha usa nanotecnologia antes da descoberta da nanotecnologia nos tempos atuais


Nanotecnologia em borracha

Sílica – outro nanomaterial usado há muito tempo


Nano-Cargas São materiais que contêm nano-estruturas (da ordem de

100 nm) Interações a níveis nano pode produzir propriedades

superiores Mais notavelmente, propriedades mecânicas (módulo e

força) Permeabilidade a gases e líquidos Condutividade elétrica Propriedades ópticas

Nanotecnologia em borrachaFormas

Nanotubo de carbono

Nanotecnologia em borracha Nanocompósitos com polímeros

Nanocompósitos poliméricos modernos foram descobertos por pesquisadores da Toyota em 1985 Nylon 6 – híbrido com argila Poliimida – híbrido com argila Polipropileno – nanocompósitos com argila Polietileno – nanocompósitos com argila Borracha – nanocompósitos com argila

Aplicações: embalagens, peças automotivas, produtos elétricos

Nanotecnologia em borracha Nanocompósitos com borracha

Nanocompósitos de borracha são produtos de borrachas / argilas (relatados por volta de 2002-2003) NR, SBR, EPDM, NBR, PU, Silicone / argilas MMT

Mais tarde, borracha / CNT (2006) Borracha / nanocristais de celulose (2009)

Outras possibilidades: Borrachas / nano-CaCO3, nano-ZnO borrachas / argila + CB / SiO2 (enchimentos híbridos)


Modificação de caulim

Aumenta o espaçamento entre camadas Reduz a polaridade superficial


Preparação de nanocompositos de borracha

Mistura sólida Mistura em solução Mistura de látex

Nanotecnologia em borracha Mistura Sólida

A borracha é misturada com a carga em misturadores de alto cisalhamento (ex. moinho de rolos, misturador interno)

A dispersão da carga (nano ou micro) depende da força de cisalhamento, tempo de mistura, temperatura de mistura, natureza do material de enchimento (modificado ou não modificado)

Mistura em Solução A carga dispersa em solução de borracha, em seguida, é

seca ou precipitada A dispersão da carga depende da natureza da mesma, tipo

de solvente, velocidade de solidificação

Nanotecnologia em borracha Mistura na fase látex

A suspensão da carga em água é misturada com o látex (emulsão de partículas de borracha / água) e em seguida coagulada com eletrólito

A dispersão depende da taxa de coagulação da borracha e da carga

Nanotecnologia em borrachas - Propriedades

Nano-Cargas melhoram algumas características , tais como: Aumentam o módulo e tensão em baixas cargas

de nano-materiais, em comparação com reforços convencionais.Nanocompósitode NR/CNT(nanotubo decarbono modificadocom estireno)


Exemplos dessa aplicação de CNT/Borracha: Aplicação isolante de NR/CNT Aplicação isolante de PU/CNT Aplicação isolante de silicone/CNT Aplicações de alta tensão de ruptura Maior condutividade elétrica com baixo carregamento


Aumento da resistência ao rasgamento


Permeabilidade aos gases

Caminho de passagem mais tortuoso


Permeabilidade aos gases


Resistência a chama/combustão melhorada


Resistência ao desgaste aumentada


Uso de Nano ZnO em Borrachas Redução nos níveis de Zn, independente do tipo

de ativador de Zn que seja utilizado Melhora geral nas propriedades físicas Redução do tempo de cura/temperatura Redução de custos na fabricação, com redução

nos ciclos de cura, com consequente aumento de produtividade.


Uso de Nano ZnO em Borrachas Aspectos Ambientais:

Procedimentos para a classificação, embalagem e rotulagem na União Européia: para substâncias perigosas: são descritos na Diretiva

67/548 / CEE para preparações perigosas: são descritos na Diretiva

1999/45 / CEE. Sua quantidade na borracha em alguns casos está

abaixo do teor de ZnO presente no solo


Uso de Nano ZnO em Borrachas Menor teor com igual/melhor tempo de cura


Uso de Nano ZnO em Borrachas Borrachas de cloropreno são geralmente vulcanizadas

usando óxidos metálicos. Comparados no mesmo patamar de ativação, compostos com 2phr de

ZnO convencional mostram redução significativa nos valores de torque, propriedades de tração e outras propriedades, comparadas com 5phr de ZnO convencional.

Vulcanizados com dosagem mais baixa (2phr) de nano ZnO, apresentam uma taxa de cura e propriedades de tração equivalentes, em comparação com vulcanizados com uma dosagem mais elevada (5phr) de ZnO convencional.

Valores de resistência ao rasgamento são superiores para vulcanizados com 2phr de nano ZnO, em relação ao de vulcanizados com 5phr de ZnO convencional.


Uso de Nano ZnO em Borrachas O ZnO é utilizado como agente de cura em CR e

XNBR O uso de nano ZnO pode melhorar as propriedades

de composto de XNBR com ZnO normal e nano ZnO

Propriedade ZnO Nano ZnOForça Tensora (MPa) 6,8 14,9

Alongamento a Ruptura (%) 680 800

Módulo a 100% (MPa) 1,3 1,7

Nanotecnologia em Borracha - Aplicações

Pneus


PneusRodagem

Tensão melhorada, desgaste Durabilidade maior, economia de energia

Resistência a rolagem (com SiO2)

Base (cushion)Força melhorada e propriedades dinâmicas

Estabilidade do pneu- segurança ao dirigirSegurança ao dirigir

Propriedades de barreira melhoradas

Maior retenção de gas (ar) interno

Redução do peso do pneu Economia de energia


Bolas EsportivasTensão melhorada, desgaste Durabilidade maior, economia de energia

Camada interna (Inner line)

Propriedades de barreira melhoradas

Maior retenção de gas (ar) interno


Fios e cabos Melhoria na resistência à chama/queima

Correias de borracha Melhora na resistência à fadiga

Custo O custo pode ser uma limitação na fabricação de

nanocompósitos de borracha Baixo custo de produção precisa ser desenvolvido

Propriedades deficientes O aumento do módulo apenas com o uso de nanotecnologia não é

suficiente

Nanotecnologia em Borrachas –

Referências http://www.e-booksdirectory.com/listing.php?category=238 http://www.intechopen.com/subjects/nanotechnology-and-

nanomaterials http://www.azonano.com/book-reviews-index.aspx http://www.avanzare.es/ http://www.industryweek.com/emerging-technologies/nanotech-

innovation-adds-new-strength-rubber-industry http://dyuthi.cusat.ac.in/xmlui/bitstream/handle/purl/943/Full

%20paper%20PDF.pdf?sequence=6 http://nanopinion.eu/sites/default/files/

briefing_no.23_nanotechnology_in_automotive_tyres.pdf http://www.4spepro.org/view.php?article=004655-2013-01-

30&category=Composites

Nanotecnologia em Borrachas –

Referências http://shodhganga.inflibnet.ac.in:8080/jspui/bitstream/10603/1406/10/10_chapter%204.pdf

http://www.tntconf.org/2010/abstracts_TNT2010/TNT2010_Guzman.pdf

http://nadeeshadassooriya.com/docs/ZnO%20nano.pdf http://doc.utwente.nl/41718/1/thesis_Heideman.pdf


Obrigado pela presença

Luis A. TormentoLT Químicos

Tel: (11) 5581-0708E-Mail: [email protected]

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Nanotecnologia em Compostos de Borrachas