Nanocompósitos poliméricos eletricamente condutores para aplicação em blindagem eletromagnética: efeito da adição de cargas híbridas de grafeno e nanotubos de carbono em matriz epóxi

Abstract

O desenvolvimento de metodologias capazes de criar novos materiais utilizando nanopartículas na sua estrutura representa inovação tecnológica capaz de transformar produtos de baixo custo em materiais avançados com alto valor agregado. Devido à variedade de funções que os polímeros são capazes de desempenhar, os compósitos poliméricos com cargas à base de carbono recebem uma atenção considerável, tanto na pesquisa acadêmica quanto industrial. As propriedades notáveis do grafeno e do nanotubo de carbono torna-os promissores em diversas aplicações, incluindo na utilização como materiais atenuadores de ondas eletromagnética. Neste estudo, foram obtidos compósitos poliméricos condutores de eletricidade de epóxi (EP) com nanotubos de carbono (CNT) e nanoplaquetas de grafeno (GnP) para aplicação em blindagem eletromagnética, bem como a fabricação de compósitos híbridos para verificar possível sinergia entre as cargas condutoras. Inicialmente, realizou-se um estudo fabricando compósitos EP/CNT e EP/GnP com diferentes concentrações de aditivos condutores visando a seleção da concentração mais adequada para confecção dos compósitos híbridos. Nesta primeira avaliação, verificou-se que a conforme aumenta-se a concentração do aditivo condutor, há um aumento nas propriedades de condutividade elétrica e blindagem eletromagnética. Entre as cargas avaliadas, o CNT obteve um melhor desempenho, atingindo um limiar de percolação de 0,045%. O compósito EP/CNT-1,0 apresentou o melhor desempenho entre as amostras avaliadas, atingindo uma condutividade de 1,67x10-4 S.cm-1 e uma eficiência de blindagem de -32,83 dB, representando 99,9% de atenuação. Ao contrário dos materiais com CNT, os compósitos com GnP não obtiveram resultados satisfatórios, mantendo-se com um comportamento isolante e com valores de blindagem muito próximos ao epóxi puro, ou seja, apresentaram pouca ou nenhuma eficiência de blindagem. A viscosidade elevou consideravelmente com a adição de CNT, enquanto o GnP não impactou significativamente nesta propriedade. Os resultados obtidos nesta avaliação inicial demonstraram que os compósitos de EP/CNT e EP/GnP contendo 0,1% m de aditivo apresentaram melhor relação entre as propriedades elétricas, eletromagnéticas e reológicas para aplicação desejada em compósitos híbridos. Os compósitos híbridos foram produzidos nas proporções CNT:GnP de 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 e 0:100. Avaliando-se comparativamente os resultados apresentados pelos compósitos híbridos, observa-se que os valores de eficiência de blindagem eletromagnética (EMI SE) e condutividade elétrica são fortemente influenciados pela presença de CNT. Este comportamento está associado à maior razão de aspecto do CNT e menor limiar de percolação dos compósitos de EP/CNT quando comparado aos compósitos de EP/GnP. Em relação as propriedades térmicas e mecânicas, observa-se o mesmo comportamento, uma dependência desses valores com a concentração de CNT na amostra. A melhor condição encontrada para os compósitos híbridos foi da amostra EP/HIB-75:25, que se destacou em relação aos materiais com GnP apenas e ao epóxi puro, elevando a condutividade do epóxi de 10-15 para 10-5 S.cm-1 e o percentual de atenuação EMI SE de 39,7% para 97,7%. No entanto, no aspecto geral das composições, EP/CNT-0,1 foi o que obteve melhor desempenho na avaliação dos híbridos, com Tg, E? e estabilidade térmica superiores à matriz e apresentando uma eficiência de blindagem de -23dB, podendo ser utilizado como atenuador de ondas eletromagnéticas.

Abstract: The development of methodologies capable of creating new materials using nanoparticles in their structure represents technological innovation capable of transforming low-cost products into advanced materials with high added value. Due to the variety of functions that polymers are capable of performing, polymer composites with carbon-based fillers receive considerable attention, both in academic and industrial research. The remarkable properties of graphene and carbon nanotubes make them promising for several applications, including their use as electromagnetic wave attenuators. In this study, electrically conductive polymer composites of epoxy (EP) with carbon nanotubes (CNT) and graphene nanoplatelets (GnP) were obtained for application in electromagnetic shielding, as well as the fabrication of hybrid composites to verify possible synergy between the conductive fillers. Initially, a study was carried out manufacturing EP/CNT and EP/GnP composites with different concentrations of conductive additives aiming at the selection of the most appropriate concentration for the fabrication of hybrid composites. In this first evaluation, it was found that as the concentration of the conductive additive increases, there is an increase in the electrical conductivity and electromagnetic shielding properties. Among the evaluated fillers, CNT obtained the best performance, reaching a percolation threshold of 0.045%. The EP/CNT-1.0 composite presented the best performance among the evaluated samples, reaching a conductivity of 1.67x10-4 S.cm-1 and a shielding efficiency of -32.83 dB, representing 99.9% attenuation. Unlike the materials with CNT, the composites with GnP did not obtain satisfactory results, maintaining an insulating behavior and shielding values very close to pure epoxy, that is, they presented little or no shielding efficiency. The viscosity increased considerably with the addition of CNT, while GnP did not significantly impact this property. The results obtained in this initial evaluation demonstrated that the EP/CNT and EP/GnP composites containing 0.1% wt. of additive presented a better relationship between the electrical, electromagnetic and rheological properties for the desired application in hybrid composites. The hybrid composites were produced in the CNT:GnP proportions of 100:0, 75:25, 50:50, 25:75 and 0:100. Comparatively evaluating the results presented by the hybrid composites, it is observed that the electromagnetic shielding efficiency (EMI SE) and electrical conductivity values are strongly influenced by the presence of CNT. This behavior is associated with the higher aspect ratio of CNT and lower percolation threshold of the EP/CNT composites when compared to the EP/GnP composites. Regarding the thermal and mechanical properties, the same behavior is observed, a dependence of these values on the CNT concentration in the sample. The best condition found for the hybrid composites was the EP/HIB-75:25 sample, which stood out in relation to the materials with GnP only and the pure epoxy, increasing the epoxy conductivity from 10-15 to 10-5 S.cm-1 and the EMI SE attenuation percentage from 39.7% to 97.7%. However, in the general aspect of the compositions, EP/CNT-0.1 was the one that obtained the best performance in the evaluation of the hybrids, with Tg, E? and thermal stability superior to the matrix and presenting a shielding efficiency of -23 dB, and can be used as an electromagnetic wave attenuator.