Estudo de compósitos e nanocompósitos de matriz de poli(cloreto de vinila) com nitreto de boro e com dióxido de titânio

Abstract

O poli(cloreto de vinila) ou PVC é um dos polímeros mais versáteis devido à possibilidade de incorporação de aditivos. No entanto, um dos limitadores do PVC é a baixa estabilidade térmica e as radiações UV. É necessária aditivação com estabilizantes para garantir o processamento. O dióxido de titânio (TiO2) é amplamente utilizado em PVC como pigmento branco e como aditivo de proteção à luz UV. O nitreto de boro (BN) possui excelentes propriedades térmicas e químicas, boa condutividade elétrica, além de ser mecanicamente robusto. A aplicação dele ao composto de PVC é promissora e tem potencial de melhorar a estabilidade à luz, além de poder melhorar as propriedades mecânicas. Outro ponto de destaque é o fato de possuir baixo poder de pigmentação branca, podendo ser aplicado de forma mais eficiente em PVC colorido ou preto. A aplicação de materiais em escala nanométrica em compostos é vantajosa devido à elevada área superficial das nanopartículas, que resulta em melhores interações entre os materiais. Portanto, o presente trabalho teve o objetivo de desenvolver compostos e nanocompósitos de PVC/BN e PVC/TiO2 e avaliar as propriedades mecânicas e térmicas. Foram produzidos compostos de PVC, com uma formulação base e aplicação de 0,2%, 0,5% e 1,0% de BN ou TiO2 em micropartículas e nanopartículas. Os compostos foram produzidos em misturador de laboratório, semelhante ao processo já utilizado industrialmente para PVC. Uma análise de Microscopia Eletrônica de Transmissão mostrou que as partículas de BN possuem formato esférico entre 0,2-1,0 µm, já as nanopartículas possuem entre 50-200 nm. O TiO2 apresentou formato de substrato, com diâmetro entre 200-300 nm, e os nanobastões de aproximadamente 20 nm. O ensaio de Ultravioleta mostrou que os compósitos e nanocompósitos de PVC/TiO2 apresentaram absorbância mais alta na região do UV, quando comparados com o padrão, com maior absorbância na amostra com 1,0% de TiO2 em micropartícula. Já os materiais com BN apresentaram maior reflectância na região do UV, com o maior valor na amostra com 1,0% de BN em micropartícula. A análise de plastificação evidenciou que não houve alteração significativa com a incorporação do BN nem do TiO2, em todas as curvas o nível de plastificação e a fluidez se mantiveram. Na análise de estabilidade térmica, todos os compósitos e nanocompósitos mantiveram uma resistência à manipulação igual à amostra padrão, com exceção da amostra com 1,0% de BN em micropartícula, onde houve redução da estabilidade, o que não é um resultado esperado devido a característica do BN. Na avaliação de resistência ao intemperismo ficou evidente a proteção que o BN proporcionou, na amostra padrão houve alteração significativa da coloração, com compatibilidade de cor de 92,0%, divisão de manipulação. Os nanocompósitos apresentaram o melhor desempenho, principalmente a amostra com 1% de nanopartículas de BN, com 95,8% de compatibilidade de cor. Já o TiO2 pigmento de branco nas amostras e obteve os melhores desempenhos, onde praticamente não houve alteração no cor, resultando em compatibilidade de cor de 99%. Em relação às propriedades mecânicas, os dois aditivos proporcionam melhoria em resistência a tração e maior ductibilidade, com destaque para os nanocompósitos PVC/BN com os melhores resultados. Conclui-se que a aplicação do BN em PVC é viável na metodologia utilizada, com destaque para a escala nanométrica. No entanto, é necessário continuar os estudos para igualar o desempenho do TiO2, principalmente em relação ao intemperismo.

Abstract: Poly(vinyl chloride) or PVC is one of the most versatile polymers due to the possibility of incorporating additives. However, one of the limitations of PVC is its low thermal stability and UV radiation. Additivation with stabilizers is essential to ensure processing. Titanium dioxide (TiO2) is widely used in PVC as a white pigment and as a UV light protection additive. Boron nitride (BN) has excellent thermal and chemical properties, good electrical conductivity, and is mechanically robust. Its application to PVC compound is promising and has the potential to improve light stability, in addition to improving mechanical properties. Another highlight is the fact that it has a low power of white pigmentation, and can be applied more efficiently on colored or black PVC. The application of nanometric-scale materials in composites is advantageous due to the high surface area of nanoparticles, which results in better interactions between materials. Therefore, the present work aimed to develop composites and nanocomposites of PVC/BN and PVC/TiO2 and to evaluate the mechanical and thermal properties. PVC compounds were produced, with a base formulation and application of 0.2%, 0.5% and 1.0% of BN or TiO2 in microparticle and nanoparticle. The compounds were produced in a laboratory mixer, similar to the process already used industrially for PVC. The Transmission Electron Microscopy analysis showed that the BN particles have a spherical shape between 0.2-1.0 µm, whereas the nanoparticles have between 50-200 nm. TiO2 was rod-shaped, with a diameter between 200-300 nm, and nanorods of approximately 20 nm. The Ultraviolet test showed that PVC/TiO2 composites and nanocomposites showed higher absorbance in the UV region, when compared to the standard, with higher absorbance in the sample with 1.0% TiO2 in microparticle. The materials with BN, on the other hand, showed higher reflectance in the UV region, with the highest value in the sample with 1.0% BN in microparticles. The plastification analysis showed that there was no significant change with the incorporation of BN or TiO2, in all curves the level of plastification and fluidity were maintained. In the thermal stability analysis, all composites and nanocomposites maintained the same degradation resistance as the standard sample, with the exception of the sample with 1.0% BN in microparticles, where there was a reduction in stability, which is not an expected result due to characteristic of BN. In the evaluation of resistance to weathering, the protection that BN provided was evident, in the standard sample there was a significant change in color, with color compatibility of 92.0%, indicating degradation. The nanocomposites showed the best performance, especially the sample with 1% of BN nanoparticles, with 95.8% color matching. TiO2, on the other hand, pigmented the samples white and obtained the best performances, where there was practically no change in color, resulting in a color compatibility of 99%. Regarding mechanical properties, the two additives provided improvement in tensile strength and greater ductility, with emphasis on the PVC/BN nanocomposites with the best results. It is concluded that the application of BN in PVC is feasible in the methodology used, with emphasis on the nanometric scale. However, it is necessary to continue the studies to match the performance of TiO2, mainly in relation to weathering.