Nanocompósitos de polímeros baseados em grafeno e polietileno de alta densidade utilizados como geogrelhas

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Luz, Paulo Afonso de Cerqueira
• Orientador(a): Fechine, Guilhermino José Macêdo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por; eng
• Instituição de defesa: Universidade Presbiteriana Mackenzie
• Palavras-chave em Português: PEAD; grafeno; nanocompósito; desempenho mecânico; geogrelhas
• Link de acesso: https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/41637

As geogrelhas constituem uma classe de geossintéticos estruturais amplamente empregada na estabilização e no reforço de solos em obras geotécnicas. São tipicamente produzidas a partir de polímeros de elevada resistência, como polietileno de alta densidade (PEAD), polipropileno (PP) ou poliéster (PET), submetidos a processos de extrusão, orientação molecular e laminação, resultando em estruturas reticuladas com geometrias regulares. As geogrelhas consolidaram-se como uma solução geotécnica eficiente, econômica e ambientalmente favorável, uma vez que possibilitam a otimização do uso de materiais, o aprimoramento do desempenho mecânico de estruturas de solo e o aumento da vida útil de obras de infraestrutura, sobretudo em regiões onde há escassez ou baixa qualidade de solos naturais com capacidade de suporte adequada. Diante desse contexto, emergiu o interesse em investigar a incorporação de grafeno (G) como estratégia para potencializar a resistência à tração e ao cisalhamento na interface solo com geogrelhas bidirecionais de PEAD (polietileno de alta densidade). Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da adição de grafeno a matriz de PEAD, por meio de mistura no estado fundido (extrusão), sobre suas propriedades morfológicas, térmicas e mecânicas, visando sua posterior aplicação na manufatura a laser de geogrelhas bidirecionais. Inicialmente, foram produzidos três nanocompósitos de PEAD contendo 0,01%, 0,05% e 0,10% em massa de grafeno, utilizando-se extrusora de dupla rosca. Em seguida, esses materiais foram caracterizados por meio de ensaios de DSC (calorimetria diferencial exploratória), DRX (difração de raios-X), DMA (análise térmica dinâmico-mecânica), MEV (microscopia eletrônica de varredura), microscopia óptica e ensaios de resistência à tração, comparando-se seus resultados aos do PEAD puro. O grafeno empregado foi caracterizado por DRX, TGA (análise termogravimétrica), espectroscopia Raman, MEV e MET (microscopia eletrônica no modo de transmissão), confirmando-se sua elevada pureza estrutural e baixa quantidade de camadas. Os resultados evidenciaram que a incorporação de grafeno promoveu alterações significativas nas propriedades mecânicas e termomecânicas da matriz de PEAD, indicando boa dispersão da carga e elevada interação interfacial entre o nanomaterial e o polímero. Com base nesses resultados, foram então manufaturadas, por corte a laser, geogrelhas em PEAD puro e em PEAD-G no teor que apresentou o melhor desempenho mecânico (0,01%). Essas geogrelhas foram submetidas a ensaios de cisalhamento direto na interface solo/geogrelha em solo arenoso seco, com peso específico aparente seco máximo, visando avaliar seu efeito no reforço do solo. Verificou-se um aumento expressivo do ângulo de atrito (4,3°) no solo reforçado com a geogrelha PEAD-G 0,01%, em relação ao solo reforçado com a geogrelha de PEAD puro, sem alteração geométrica do elemento reforçador. Esse ganho de desempenho é atribuído ao aumento da interação interfacial solo-geogrelha, promovida pela presença do grafeno. Os 20 resultados obtidos demonstram a viabilidade técnica de empregar nanocompósitos de PEAD com teores ultrabaixos de grafeno na produção de geogrelhas, abrindo perspectivas para o desenvolvimento de geossintéticos de alto desempenho mecânico na Engenharia Civil, com impacto mínimo nos custos de produção e elevado potencial de aplicação industrial em larga escala.