Estudo do efeito nucleante da nano zircônia produzida via síntese verde no polietileno de baixa densidade

Abstract

A incorporação de materiais inorgânicos em matrizes poliméricas pode produzir múltiplos efeitos na estrutura e nas propriedades dos polímeros. Muitos estudos avaliando diferentes cerâmicos na matriz polimérica são encontrados na literatura, porém pouco se sabe sobre os efeitos da nano zircônia na microestrutura dos polímeros semicristalinos. O presente trabalho objetivou a avaliação do efeito nucleante da zircônia nanométrica (Zr-NP) obtido por rota de síntese verde sol-gel utilizando como redutor o extrato obtido da raiz de Euclea natalensis, na matriz polimérica de polietileno de baixa densidade (PEBD). A síntese da Zr-NP foi adaptada da rota descrita por Silva et al. (2019) que utilizou o extrato de Euclea natalenses como agente redutor. A Zr-NP foi caracterizada com difração de raio x (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados confirmaram a obtenção de nano zircônia (Zr-NP) na fase cristalina cúbica com tamanho de partícula de 6,73 nm. A Zr-NP foi incorporada na matriz polimérica por solubilização em concentrações variando entre 0% e 6% em massa. As amostras foram caracterizadas por meio de espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR); microscópio eletrônico de varredura com emissão de campo (MEV-FEG); análise térmica diferencial (DSC), sendo estas feitas em triplicata em modo não isotérmico. As análises térmicas de DSC indicaram alterações nas transições térmicas primárias do PEBD ocasionados pela presença da Zr-NP. Para adição de 5% de Zr-NP foi observado um aumento tanto da temperatura de fusão, quanto de cristalização na ordem de 2,0 oC e 1,0 oC, respectivamente. O grau de cristalinidade do PEBD foi fortemente impactado sendo que a adição de 1% de Zr-NP ocasionou de 20% para 44%, um aumento significativo de 119%. A tendência de aumento da cristalinidade do material foi observada até a adição de 5% de Zr-NP, sendo que para 6% observou-se a inversão da curva. As curvas ?s? de desenvolvimento da cristalinidade em função do tempo mostraram que a adição de Zr-NP dificulta a velocidade de desenvolvimento da cristalinidade do PEBD e aumenta o tempo decorrido entre o início e o fim da cristalização. O aumento do tempo observado apresentou forte correlação com o grau de cristalinidade do PEBD sugerindo que o aumento da cristalinidade seja provocado pelo maior tempo disponível para desenvolvimento e crescimento da sua rede cristalina. Com base nos resultados, conclui-se que a adição da nano zircônia possui efeito nucleante na matriz de polietileno de baixa densidade ocasionando aumento da cristalinidade e das temperaturas de cristalização e fusão.

Abstract: The incorporation of inorganic materials into polymer matrices can produce multiple effects on the structure and properties of polymers. Many studies evaluating different ceramics in the polymer matrix are found in the literature, but little is known about the effects of nano zirconia on the microstructure of semicrystalline polymers. The present work aimed to evaluate the nucleating effect of nanometric zirconia (Zr-NP) obtained by the green sol-gel synthesis route using the extract obtained from the root of Euclea natalensis as a reducer, in the polymeric matrix of low-density polyethylene (LDPE). The synthesis of Zr-NP was adapted from the route described by Silva et al. (2019) using Euclea natalenses extract as a reducing agent. The Zr-NP was characterized with x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The results confirmed the obtaining of nano zirconia (Zr-NP) in the cubic crystalline phase with a particle size of 6.73 nm. Zr-NP was incorporated into the polymeric matrix by solubilization in concentrations ranging between 0% and 6% by mass. The samples were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR); field emission scanning electron microscope (SEM-FEG non-isothermal differential thermal analysis (DSC) in triplicate. DSC thermal analyzes indicated changes in the primary thermal transitions of LDPE caused by the presence of Zr-NP. The addition of 5% Zr-NP caused an increase in melting and crystallization temperatures of 2 oC and 1 oC, respectively. The degree of crystallinity of LDPE was strongly impacted with the addition of 1% Zr-NP. The addition caused an increase from 20% to 44%, a significant increase of 119%. An increasing trend in the crystallinity of the material was observed until the addition of 5% Zr-NP, at 6% an inversion of the curve was observed. The ?S? curves of crystallinity development showed that the addition of Zr-NP reduces the speed of development of LDPE crystallinity and increases the time elapsed between the beginning and end of crystallization. Based on the results, it is concluded that the addition of nano zirconia has a nucleating effect on the low-density polyethylene matrix, causing an increase in the crystallinity and crystallization and melting temperatures of the LDPE.