Obtenção e caracterização de nanocompósitos de Polianilina/Negro de Fumo

• Main Author: Silva, Luís Marcelo Garcia da
• Other Authors: Antunes, Renato Altobelli
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2018
• Subjects: POLIANILINA; NEGRO DE FUMO; ELASTÔMEROS; EPÓXI; CORROSÃO; AÇO; POLYANILAINE; CARBON BLACK; ELASTOMERS; EPOXY; CORROSION; CARBON STEEL; PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS - UFABC
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Orientador: Prof. Dr. Renato Altobelli Antunes === Coorientador: Prof. Dr. Everaldo Carlos Venancio === Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, Santo André, 2018. === Neste trabalho foram preparados nanocompósitos funcionais de polianilina (PANI) reforçada com negro de fumo (NF) (PANI/NF) e um elastômero termoplástico sulfonado (SEBSS) para aplicação em recobrimentos a base de tinta epóxi, visando uma melhor proteção contra a corrosão. Os resultados mostraram que a morfologia do nanocompósito depende das condições de síntese e processamento utilizadas. A morfologia obtida para os nanocompósitos varia de estruturas granulares (para síntese realizada com baixas concentrações de monômero e iniciador) a uma mistura de estruturas fibrilares e granulares (para síntese realizada com altas concentrações de monômero e iniciador). As estruturas granulares observadas para os nanocompósitos de PANI/NF são as estruturas caroço-casca, onde o caroço é o negro de fumo e a casca é a polianilina. Os resultados de XPS confirmam quimicamente a presença de polianilina na superfície do negro de fumo, dando indícios de que pode ter ocorrido à formação de estruturas casca-caroço, tendo sido observado o aumento progressivo da quantidade de nitrogênio na superfície do negro de fumo Os resultados de polimerização obtidos diferem do que normalmente se encontra para a polimerização da anilina em baixas e altas concentrações de monômero e iniciador (por exemplo, persulfato de amônio, APS), refletindo assim a importância do processo de adsorção da anilina na superfície do negro de fumo (NF). Na ausência de negro de fumo, a morfologia da polianilina variou de nanofibras longas, com diâmetro médio ~ 40 nm, para baixas concentrações de monômero e iniciador (0,1-0,2 mol.L-1 e 0,025-0,050 mol.L-1, respectivamente), para fibras curtas com diâmetro médio da ordem de ~80 nm, para altas concentrações de monômero e iniciador (0,40 mol.L-1 e 0,1 mol.L-1, respectivamente). Os resultados de caracterização espectroscópica (FTIR e UV-VIS) mostraram que a polianilina foi obtida no estado de oxidação esmeraldina, na ausência e na presença do negro de fumo. Também mostram a sulfonação do SEBS e sua interação com o nanocompósito, resultando na protonação da PANI/NF pelos grupos sulfônicos presentes no elastômero termoplástico. Os resultados de caracterização térmica (TGA e DSC) mostraram que a estabilidade térmica e o processo de isomerização irreversível das nanofibras de PANI dependem de sua dimensão (diâmetro e comprimento da fibra). Os resultados de DSC mostraram a presença de dois picos exotérmicos (170 oC < T < 350 oC) para o processo de isomerização irreversível para nanofibras de PANI obtidas com baixas concentrações de monômero e iniciador, 0,10 e 0,025 mol.L-1, respectivamente, e um único pico para amostras nanofibras de PANI obtidas com altas concentrações de monômero e iniciador, 0,40 e 0,10 mol.L-1, respectivamente. Nas caracterizações morfológicas realizadas nas amostras de aço revestido com a tinta epóxi e tinta epóxi modificadas, notou-se um aumento da rugosidade das amostras contendo as nanopartículas, o que foi confirmado por meio de MEV, onde foi visualizada a formação de aglomerados de SEBSS. Por meio de ensaio mecânico de nanoindentação foi possível verificar uma diminuição da dureza e do módulo elástico da tinta devido à presença do SEBS sulfonado (SEBSS). Os ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância eletroquímica demonstraram o efeito de combate frente à corrosão dos nanocompósitos contendo PANI/NF, com a diminuição da densidade de corrente de corrosão e aumento do efeito capacitivo das amostras modificadas, indicando o aumento da resistência do material à corrosão. === In this work, functional nanocomposites (PANI/NF) consisting of polyaniline (PANI) reinforced with carbon black (CB) have been synthesized for application in coatings based on epoxy, aiming at a better protection against corrosion.. The results showed that the morphology of the nanocomposites depends on the synthesis and processing conditions. The obtained morphology for the nanocomposites varies from granular structures (for synthesis carried out with low concentration of monomer and initiator) to a mixture of granular and fibrillar (nanofibers) morphologies (for synthesis carried out with higher monomer and initiator concentrations). The granular structures observed for PANI/NF nanocomposites are the core-shell structures, in which the core is the carbon black and the shell is the polyaniline. The XPS results chemically confirmed the obtainment of the core-shell structures, where it have been observed the progressive increase in the amount of oxygen in the carbon black surface. These results differ from those normally obtained for polyaniline synthesized in the absence of CB with low and high monomer (aniline) and initiator (ammonium peroxydisulfate, APS) concentrations, which shows the effect of the aniline adsorption process on carbon black (CB). In the absence of carbon black, the PANI morphology changed from long fibers, with mean diameter of ~40 nm, for low concentrations of monomer and initiator (0,1-0.20 mol.L-1 e 0.025-0.050 mol.L-1, respectively), to shorter fibers with mean diameter of ~80 nm, for high concentrations of monomer and initiator (0.40 mol.L-1 e 0.10 mol.L-1, respectively). The spectroscopic (FTIR and UV-VIS) characterization results showed that the polyaniline was obtained on its emeraldine oxidation state, both in the absence or presence of the carbon black. They also showed the sulfonation of SEBS and its interaction with the nanocomposite, resulting in the PANI/NF protonation by the sulfonic groups in the thermoplastic elastomer. Thermal characterization studies (TGA and DSC) showed that the thermal stability and the irreversible isomerization process of PANI depend on the nanofiber size (fiber diameter and length). The DSC results showed the presence of two exothermal peaks ( 170 oC < T < 350 oC) for the irreversible isomerization process for PANI nanofibers obtained with low concentration of monomer and initiator, 0.10 and 0.025 mol.L-1, respectively, and only one peak for PANI nanofibers obtained with high concentration of monomer and initiator, 0.40 and 0.10 mol.L-1, respectively. The morphological characterizations carried out in the carbon steel coated with epoxy and modified epoxy, it was observed an increase of the modified epoxy coating roughness, which was confirmed by the SEM results, where it was observed the formation of SEBSS aggregates. From the nanoindentation results it was observed an increase of the hardness and of the elastic modulus of the modified epoxy coating due to the presence of the sulfonated SEBS (SEBSS). The potentiodynamic electrochemical polarization and electrochemical impedance measurments showed the effect of the PANI/NF modified epoxy coating layer against the carbon steel corrosion, where it was observed a decrease of the corrosion current density and an increase of the capacitive effect on the PANI/NF modified epoxy coating layer, which indicates an increase of the resistance against corrosion of the carbon steel susbtrate.