Avaliação da estrutura e propriedades de compósitos poliméricos condutores de polipropileno com aditivos carbonáceos, moldados por injeção, para aplicação como proteção contra descarga eletrostática

Abstract

Neste estudo foram obtidos compósitos condutores de eletricidade de matriz de polipropileno (PP) com os aditivos carbonáceos nanotubos de carbono (NTCs), nanoplacas de grafeno (NPGs) e grafite intercalado (CIGs) para aplicação contra descarga eletrostática. Inicialmente, foram fabricados compósitos com diferentes concentrações de cada aditivo a partir da mistura com o polímero fundido, os quais foram injetados, de forma a obter os corpos de prova necessários para as caracterizações elétricas, morfológicas, térmicas e mecânicas. Os resultados obtidos demonstraram que a presença de pequenas concentrações de NTCs e NPGs melhora consideravelmente a resistência térmica do material polimérico, o que não ocorreu no caso da adição de CIGs. Este efeito, que foi mais evidente nos compósitos com NTCs devido à sua maior razão de aspecto, foi reduzido nos compósitos PP/CIGs e em alguns compósitos PP/NPGs devido à má dispersão dos aditivos na matriz, o que foi confirmado a partir de análises morfológicas e termogravimétricas (TGA). Já no que diz respeito às propriedades mecânicas, constatou-se que ocorre o aumento do módulo elástico e a fragilização do polímero com o aumento da concentração dos três aditivos, sendo que a adição dos NTCs resultou em alterações mínimas nas propriedades mecânicas dos compósitos, enquanto que a presença das NPGs e dos CIGs resultou em melhoras de resistência mecânica. A fim de investigar a influência do tipo de processamento nas propriedades elétricas dos compósitos, as medidas de condutividade elétrica dos materiais foram realizadas em amostras moldadas por compressão e por injeção. A injeção do material polimérico resultou em compósitos menos condutores, o que foi atribuído às altas taxas de cisalhamento e à ocorrência de orientação das NPGs e dos CIGs no sentido da injeção. Os NTCs foram mais eficientes ao conferir propriedades elétricas à matriz polimérica, seguidos das NPGs e, por último, dos CIGs. Os três aditivos são capazes de produzir compósitos considerados dissipativos, no entanto, levando em consideração o conjunto de propriedades, a incorporação de CIGs foi considerada menos interessante, considerando as altas concentrações (maiores ou iguais a 10 %v) necessárias para atribuir a condutividade elétrica requerida.

Abstract: In this study, electrically conductive composites of polypropylene (PP) were obtained by using the carbonaceous additives carbon nanotube (CNTs), graphene nanoplates (GNPs) and intercalated graphite (GICs) for application against electrostatic discharge. Initially, composites with different concentrations of each additive were manufactured using the melt-blending technique and then were injection molded, in order to obtain the necessary specimens for the electrical, morphological, thermal and mechanical characterizations. The results obtained demonstrated that the presence of small concentrations of CNTs and GNPs considerably improves the thermal resistance of the polymeric material, what did not occur in the case of the addition of GICs. This effect, which was more evident in composites with CNTs due to their higher aspect ratio, was reduced in PP/GICs composites and in some PP/GNPs composites due to the poor dispersion of additives in the matrix, which was confirmed by morphological and thermogravimetric (TGA) analyzes. Regarding the mechanical properties, it was found that, by increasing the concentration of the additives, there is an increase in the elastic modulus and the polymer becomes more fragile. The addition of CNTs resulted in minimal changes in the mechanical properties of the composites, while the presence of GNPs and GICs resulted in improvements in mechanical strength. In order to investigate the influence of the processing type on the electrical properties of the composites, the electrical conductivity measurements of the materials were performed on samples molded by compression and injection. The injection of the polymeric material resulted in less conductive composites, which was attributed to the high shear rates and the occurrence of orientation of the GNPs and GICs towards the injection. CNTs were more efficient in giving electrical properties to the polymeric matrix, followed by GNPs and, finally, GICs. The three additives are capable of producing composites considered dissipative, however, taking into account the properties set, the incorporation of GICs was considered less interesting, considering the high concentrations (greater than or equal to 10%v) necessary to attribute the electrical conductivity required.