Estrutura e propriedades térmicas de nanocompósitos PMMA-argilas contendo ferro - Ferreira, Camila Raiane [UNESP] (2021)
Os nanocompósitos polímero-argila apresentam melhores propriedades térmicas e de retardamento de chama em comparação com a matriz polimérica. A barreira física induzida pela argila e o aprisionamento de radicais livres auxiliado pela presença de átomos 3d na fase inorgânica são responsáveis por essas propriedades. Este último efeito é a base desse trabalho, que se concentra na compreensão da influência da presença do íon Fe(III), inerente à estrutura da argila, durante o processo de decomposição térmica da matéria orgânica (polímero e acoplador orgânico). A partir de monitoramento in situ buscou-se compreender o efeito do ferro na decomposição da matriz de poli(metacrilato de metila) (PMMA) e as transformações químicas ocorridas sobre a totalidade da fase inorgânica com a finalidade de elucidar como os íons ferro retardam a decomposição de polímeros. Na primeira parte do estudo, a argila Laponita (Lap, da família das esmectitas) naturalmente isenta de ferro foi submetida a uma reação de troca iônica para inserção desse íon na estrutura, nas concentrações de 4%, 9% e 14% em massa de ferro (Fe-Lap). Por essa mesma reação, a argila ripidolita (Rip, da família das cloritas), que apresenta uma quantidade mínima de ferro, foi enriquecida com este íon. Amostras de nanocompósitos a base da argila nontronita (Non, da família das esmectitas) contendo 5,6% em massa de ferro também foram sintetizados. A segunda parte do estudo consistiu em compatibilizar a fase inorgânica mediante o método grafting, através da reação de superfície dos grupos silanóis/Si-OH com o agente acoplador TMSM (trimetoxisililpropilmetacrilato). Em seguida preparou-se nanocompósitos: PMMA-Lap, PMMA-Fe-Lap, PMMA-Rip, PMMA-Fe-Rip, PMMA-Non contendo diferentes proporções de argila. Para efeito de comparação nanocompósitos PMMA-óxido de ferro (óxido: α-FeOOH e γ- Fe2O3) e PMMA-óxido-Laponita também foram sintetizados. A análise do conjunto de nanocompósitos permitiu verificar a evolução das propriedades térmicas de acordo com a carga inorgânica empregada, de forma a compreender o efeito de diferentes variáveis na estabilidade térmica do PMMA: quantidade de argila em escala nanométrica, atmosfera empregada, composição química das argilas, forma como o ferro está localizado no interior da argila e o grau de dispersão da argila na matriz polimérica. A evolução das propriedades térmicas foi analisada por termogravimetria (TG), espectroscopia de absorção de raios X (XAS) e Microcalorimetria de combustão (MCC). As argilas modificadas com ferro e os respectivos nanocompósitos foram caracterizados por DRX, FTIR, Raman, MEV/MET. Os resultados mostram que a estabilização térmica aumenta em função da quantidade de argila dispersa no polímero através do mecanismo de barreira de difusão. Os dados de caracterização mostram que a inserção de ferro e a funcionalização ocorreram de maneira eficiente. O mecanismo de estabilização por formação de uma barreira física à permeabilidade de gases é reforçado pela formação de carvão. O monitoramento do ambiente químico dos íons Fe(III), por XAS, mostrou que os estágios de decomposição dos nanocompósitos são influenciados por diferentes espécies de ferro formadas durante a reação termo-oxidativa. Quando a carga inorgânica está dispersa no PMMA os íons Fe(III) são reduzidos a Fe(II), sendo que nas amostras PMMA-Fe-Rip, PMMA-Fe-Lap e PMMA-Non houve uma maior redutibilidade chegando a ferro metálico. Os mecanismos de estabilização revelados por este estudo indicam que a argila também estabiliza o PMMA através do sequestro de radicais por parte dos íons Fe(III). Um efeito sinérgico foi encontrado pela combinação de óxido de ferro e argila laponita (PMMA-α-FeOOH-Laponita), resultando em melhores propriedades térmicas devido ao reforço do efeito de barreira. Esse trabalho fornece uma visão minuciosa do efeito do ferro inerentemente presente em argilas sobre a termo-oxidação de nanocompósitos polímero-argila. Portanto, a estabilização térmica dos polímeros combinados com argilas ferruginosas se dá através de uma combinação de mecanismos, dentre eles a barreira de difusão, formação de carvão e sequestro de radicais. De forma geral, esse estudo poderá contribuir com o desenvolvimento de retardantes de chama ecologicamente corretos com melhor desempenho, pois considerando o processo de combustão em materiais poliméricos, as argilas poderão atuar como aditivos inertes e através de ação física agir como barreira ao transporte de gases, ou/e ainda, como um aditivo reativo, que por reações químicas retardem o processo de combustão.