BR102019026733A2 - Processo de produção de compósitos condutores e compósitos condutores assim obtidos - Google Patents
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Abstract
processo de produção de compósitos condutores e compósitos condutores assim obtidos. a presente invenção trata-se de um processo de produção de compósitos condutores de borracha verde sem o processo de vulcanização e compósitos condutores de borracha verde com propriedades mecânicas e elétricas. é objeto adicional os compósitos de borracha condutoras verde que apresentam propriedades mecânicas e elétricas sendo ideal para aplicações como, por exemplo, em biomedicina
Description
[1] A presente invenção trata-se de um processo de produção de compósitos condutores de borracha verde sem o processo de vulcanização e compósitos condutores de borracha verde com propriedades mecânicas e elétricas. É objeto adicional os compósitos de borracha condutoras verde que apresentam propriedades mecânicas e elétricas sendo ideal para aplicações como, por exemplo, em biomedicina.
[2] O presente invento se insere na área química e biomédica, luvas, roupas de mergulho, sensores.
[3] A borracha é um produto muito usado no nosso dia-adia, desde elásticos para dinheiro até pneus de carro. Existem muitos relatos na literatura, em forma de artigos científicos e patentes, a respeito de (nanocompósitos de borracha natural (natural rubber) e ou borrachas sintéticas (synthetic rubber) descrevendo este material desde a sua preparação até sua estrutura e propriedades. A maioria dos trabalhos relata como passo fundamental para a preparação inicial da borracha o processo de vulcanização, só em seguida partindo para a confecção do produto final.
[4] Elastômeros como borracha são materiais abundantes na natureza, de baixo custo e com uma ampla funcionalidade. A borracha natural, extraída da árvore Hevea Brasiliensis, chamada também de látex, é um colóide que consiste em um polímero de isopreno e um composto orgânico, com certo teor de água. O composto de isopreno é classificado como elastômero e é um sistema polidisperso no qual as partículas de vários tipos negativamente carregadas são suspensas em um soro; dentre essas partículas predominam: os lutóides (soro B) que constituem 10 a 20 %, o soro C, os complexos de Frey-Wyssling e as partículas de borrachas propriamente dita que constituem 30 – 45 % em massa do látex.
[5] A borracha natural tem sido gradualmente substituída por borracha sintética, devido o melhoramento, a inovação e especialização do produto, especialmente quando há necessidade de obter um material com alta resistência ao calor, ao envelhecimento e ao aumento de volume em contato com líquidos. Entende-se a borracha sintética os seguintes materiais: borracha de poli-isopreno (IR), borracha de butadieno estireno (SBR), borracha de policloropreno (CR), borracha de polibutadieno (BR), borracha de isobutileno isopreno, de clorobutil (CIIR) e de bromotuil (BIIR); borracha de acrilonitrilobutadieno (NBR), borracha de etileno-propilenodieno (EPCM), borracha de silicone (Q), borracha de poliuretano (AU e EU), borracha fluorada (FPM, FKM), borracha de etileno acrilato (AEM), borracha de acrilonitrilobutadieno hidrogenado (HNBR).
[6] Todos os relatos referentes aos compostos de borracha baseados em borracha natural ou sintética mencionam a necessidade de vulcanização com o objetivo de melhorar propriedades físicas, químicas ou térmicas específicas. O processo de vulcanização é um processo agressivo e não environmentally friendly a base de enxofre, peróxidos, óxidos metálicos, estabilizadores, ativadores, antioxidantes e/ou respectivas combinações e outros produtos químicos.
[7] Uma etapa importante no processamento de polímeros é o reforço mecânico da borracha/elastômeros por partículas dispersas ou compostos orgânicos separados por fases, melhorando a interação interfacial. Para oferecer um reforço significativo por preenchimento, o tamanho da fase rígida deve ser pequeno (˂1um). A falta de reforço de preenchimento em borracha resulta nas suas ruins propriedades mecânicas. Por isso, o uso de argila, carbonos (carbono black, nanotubos de carbonos, celulose, nanocelulose),sílica sol-gel, hidrogel, dióxido de titânio, silicatos em camadas, silsesquioxanos oligoméricos poliédricos (polyhedral oligomeric silsesquioxane- POSS) e grafeno podem auxiliar na obtenção de materiais com ótima resistência à deformação (tração, bending, etc.),resistência à cisalhamento, boa condutividade elétrica e térmica, estabilidade térmica, eficiência dielétrica e outras propriedades tribológicas e mecânicas.(Referências: i).Sadavuni et al., Evolution from graphite to graphene elastomer composites. Progress in Polymer Science 2014, 39, 749-780; ii).Bokobza, L. Natural Rubber nanocomposites: A review 2019, Nanomaterials, 9, 12; iii). Hamed, Gary R. Reinforcement of rubber. Rubber Chemistry and Technology 2000, 73(3), 524-533; iv).Zhang, L.Q. and Jia, D.M. The nanoreinforcing technique and science of rubber. Proceedings Symp/Int. Rubber Confer. Chem. Ind: Eng. Soc China 2004, 46- 56).
[8] Os compósitos de grafeno e elastômeros são utilizados em muitas áreas como: transportes terrestres, marítimos e aéreos, exploração aeroespacial, aplicações biomédicas e aplicações civis, entre outros. Dentre os compostos de grafite intercalados e ou seus derivados incluem-se o grafite expandido, nanoplaquetas de grafite (graphite nanoplatelets) e grafeno.
[9] A fabricação de derivados de grafite e grafeno pode ser feita por dois processos: bottom-up e top-down (Sadavuni et al., Evolution from graphite to graphene elastomer composites. Progress in Polymer Science 2014, 39, 749-780). O processo bottom-up implica a fabricação destes materiais por larga diferentes métodos como: deposição de vapor químico, conversão química, redução de CO, descarga de arco, crescimento epitaxial sobre SiC, descompactamento de nanotubos de carbono e self-assembly de surfactantes. No processo de top-down, a preparação do grafeno é a partir de grafite natural seguindo as rotas físicas e químicas de separação e redução de tamanho. A metodologia física inclui basicamente a moagem mecânica e a esfoliação por sonicação na presença de agentes dispersantes (surfactantes não-iônicas, funcionalização eletroquímica de grafite na presença de líquidos iônicos, dissolução em ácidos fortes, etc.). A metodologia química se baseia geralmente no conceito de intercalação de íons (meio altamente ácido) seguido de tratamento por ultrasom, isolando desta maneira as camadas (folhas) de grafeno/grafite; a intercalação ácida pode ser feita usando a reação a vapor e o método eletroquímico.
[10] No geral, os nanocompósitos de elastômeros podem ser sintetizados por diversos processos, tais como: a intercalação por fusão (mistura mecânica/mistura por fusão), solução de mistura (mistura de suspensão coloidal de material a base de grafeno por agitação mecânica, agitação simples ou sonicação) e polimerização in situ (o preenchimento deve ser misturado com monômeros puros, ou múltiplos ou solução de monômeros) seguido de polimerização local. A dispersão de derivados de grafeno/grafite em elastômeros é uma das etapas mais importantes durante a fabricação de compósitos pois influencia fatores como a interação entre o material e a matriz na interface entre essas substâncias, determinando assim as propriedades do compósito final.
[11] A corrida na procura de obter novas fontes renováveis e desenvolver a energia verde, com a tecnologia de estocagem de energia eficiente, têm sido o grande interesse na pesquisa e desenvolvimento para o uso de dispositivos eletrônicos portáteis. A combinação entre o grafeno e o nanocelulose tem sido excelente material de eletrodo flexível para supercapacitores e a nanocelulose é geralmente usada como um substrato para aparelhos eletrônicos por ter boa biodegradabilidade, flexibilidade mecânica e reatividade química(Xing, J.; Tao, P.; Wu, Z.; Xing, C.; Liao, X.; Nie, S. Nanocellulose-graphene composites: A promising nanomaterial for flexible supercapacitors. Carbohydrate Polymers 2019, 207, 447-459). Entretanto, vários estudos observados contém na mistura dos compostos os polímeros de alto peso molecular sintético (i).Chen, Z.; Wei, C.; Gong, Y.; Lv, J.; Xu, Z.; Hu, J.;Du, L. Preparation and electrochemical performance of cellulose Nanofiber/Grapene-Nanosheet/Polyaniline-composite film via in –situ polymerization. International Journal of Electrochemical Science 2017, 12, 6662-3375;ii). Lyu, S.; Chang, H.; Fu, F.; Hu, L.; Huang, J.; Wang, S. Cellulosecoupled graphene/polypyrrole-composite-electrodes containing conducting networks built by carbon fibers as wearable supercapacitors with excellent foldability and taillorability. Journal of Power Sources 2016, 327, 438-446), os óxidos de metais (Zheng, Q., Kvit, A., Cai, Z., Ma, Z., Gong, S. A freestanding celulose nanofibril-reduced graphene oxidemolybdenum-oxynitride aerogel film electrode for all-solidstate supercapacitors with ultrahigh energy density. Journal of Materials Chemistry A 2017, 24, 12528 -12541), hidróxido de metal (Ma, L.; Liu, R.; Niu, H.; Wang, F.; Liu, L.; Huang, Y. Flexible and freestanding electrode bases on polypyrrole/graphene/bacterial cellulose paper for supercapacitor. Composites Science and technology 2016, 137, 87-93), outros metais (Xing, Jinghao; Tao Peng, Wu, Zhengmei; Xing, Chuyue; Liao, Xiaoping; Nie, Shuangxi. Nanocellulosegraphene composites: A promising nanomaterial for flexible supercapacitors. Carbohydrate Polymers 2019, 207, 447-459) e solvente orgânico para pré-vulcanização que, nos respectivos preparos diferenciam e se distanciam da presente invenção.
[12] O documento de patente de invenção CN107674267A refere-se a um material compósito polimérico condutor e, em particular, a uma borracha condutora e um método de preparação da mesma. A composição do material compreende borracha natural, borracha nitrílica, óxido de grafeno com superfície banhada a prata, partes de um agente de cura, partes de um agente de acoplamento de silano, retardador de chama, acetileno preto e carboximetilcelulose (derivado da celulose). O processo de preparação utiliza o óxido de grafeno, que é um material isolante e foi recoberto um dos seus lados com prata para garantir a condutividade elétrica, dissolvido em água, com borracha natural, butil, borracha nitrílica, agentes de acoplamento de silano, retardadores de chama, acetileno e carboximetilcelulose misturados. A solução é submetida a um evaporador rotativo a vácuo e posteriormente desidratada formando um material de membrana pré-formado. O processo é finalizado por cura e prensagem a quente, obtendo assim um compósito borracha condutor. Ou seja, os componentes são usados para o processo de vulcanização.
[13] O documento de patente de invenção CN109021570A refere-se um material de borracha condutor e seu método (processo) de preparação. A composição do material consiste em borracha de silicone, partículas condutoras, partes de grafite condutoras, partes de um agente de reforço, partes de carbonato de cálcio, agente de acoplamento de silano, retardador de chama, acetileno, antioxidante, celulose cristalina, ftalato de dibutil, dietil ditiocarbamato de zinco, 2-tiol imidazolina e um agente de vulcanização, cuja a preparação do compósito envolve a mistura dos componentes e posterior processo de vulcanização.
[14] O documento de patente de invenção CN109485930A aborda um processo de produção e preparação de borracha condutora. O processo consiste em dissolver a borracha natural não curada tolueno e aditivos, espalhar no solvente o nanomaterial de carbono (grafeno) por processamento não oxidado, misturar as duas soluções e separar o sólido, submeter o sólido a vulcanização. Além de ser um processo altamente demorado, é um processo altamente poluente.
[15] Em artigo científico, Martins et al(2002) aborda um estudo e análise de composições não-vulcanizadas de borracha natural (NR) com celulose regenerada (Cel II), bem como o processo de obtenção das mesmas. O processo descrito foi realizado através de uma co-coagulação das misturas NR-viscose realizada pela adição, sob agitação, da mistura de látex natural/xantato de celulose à solução ácida equimolar de ácido sulfúrico e sulfato de zinco. Após a coagulação, as finas partículas de borracha-celulose obtidas foram submetidas à remoção da acidez residual, com água destilada. O produto separado da suspensão aquosa por filtração e submetido aos diferentes ensaios. Além, de não se referir a um compósito condutor, faz uso de soluções ácidas (ácido sulfúrico e sulfato de zinco) para a estabilidade do compósito.
[16] O documento de patente de invenção CN107286398A refere-se uma borracha condutora elétrica retardadora de chama e o método de preparação da mesma. A composição do material consiste em: borracha natural, borracha de nitrila butadieno hidrogenada, fibras curtas de carbono modificadas, grafite expandida, SiO2, ácido esteárico, óleo de silicone dimetílico, um vulcanizador, um agente de acoplamento, um agente retardador de chama e um surfactante. O processo de preparação inclui as etapas de mistura gradual das matérias-primas e realização de vulcanização em dois estágios. A borracha eletrocondutora tem baixo custo de produção; através da modificação e otimização de matérias-primas e processos, são resolvidos os problemas que a borracha condutora elétrica no estado da técnica tem baixa resistência à tração e é pobre em efeito retardador de chama.
[17] O documento de patente de invenção CN107286398A refere-se uma borracha condutora elétrica retardadora de chama e o método de preparação da mesma. A composição do material consiste em: borracha natural, borracha de nitrila butadieno hidrogenada, fibras curtas de carbono modificadas, grafite expandida, SiO2, ácido esteárico, óleo de silicone dimetílico, um vulcanizador, um agente de acoplamento, um agente retardador de chama e um surfactante. O processo de preparação inclui as etapas de mistura gradual das matérias-primas e realização de vulcanização em dois estágios. A borracha eletrocondutora tem baixo custo de produção; através da modificação e otimização de matérias-primas e processos, são resolvidos os problemas que a borracha condutora elétrica no estado da técnica tem baixa resistência à tração e é pobre em efeito retardador de chama.
[18] Desta forma, não foi encontrado nenhum documento do estado da técnica que unisse todas as características da presente invenção, uma vez que ela se refere a um processo verde e compósitos condutores que utilizam produtos biocompatíveis, como hidrocolóide e/ou mucilagem natural, celulose e grafeno, mais especificamente nanografite, o que implica mudança no caráter hidrofílico do material carbônico e, consequentemente, na reologia inicial do compósito sem vulcanização.
[19] É o objeto de aplicação da tecnologia literalmente verde, na ausência e ou evitando o uso de reagentes orgânicos durante o processo e, ciência na sustentabilidade, suprimir, principalmente, a etapa de vulcanização minimizando o custo e, sem conflito com a agricultura quanto a matéria prima. Todo o processo foi realizado a temperatura do ambiente.
[20] O objetivo é obter material condutor verde com ótimas propriedades mecânicas e elétricas na aplicação de área de interesse que ajuste ao método padrão internacional ASTM, ISO e nacional NBR.
[21] Existem muitos estudos e técnicas para revestimentos de aderência na superfície para eletrodos e a maioria tem sido limitado na aplicação clínica devido a baixíssima aderência mecânica do material condutor tais como o compósito com hidrogel e nanotubo de multi-camadas, platinio black, etc.
[22] A presente invenção trata-se de um processo de produção de compósitos condutores de borracha verde sem o processo de vulcanização e compósitos condutores de borracha verde com propriedades mecânicas e elétricas. É objeto adicional os compósitos de borracha condutoras verde que apresentam propriedades mecânicas e elétricas sendo ideal para aplicações como, por exemplo, em biomedicina.
[23] O invento se refere à produção inovadora de compósito condutor de borracha natural e ou borracha sintética de alta performance interconectado com a rede de grafeno/grafite na sua forma natural/original, solução de celulose e ou celulose/ nanocelulose extraído por origens naturais e ou comercial e, mucilagem/hidrocolóide de origens naturais, sem formação de coagulação no meio reacional e poupando o processo de vulcanização.
[24] Na Figura 1 apresenta-se a solução aquosa de mucilagem e/ou hidrocolóide; A) Semente de tansagem logo após a hidratação, apresentando uma aparência transparente e B) com sementes de tansagem já hidratadas por vários dias (˃ 15 dias), tendo uma aparência turva.
[25] Na Figura 2 apresenta-se a solução de mistura de mucilagem (fresca e/ou envelhecida) e/ou hidrocolóide com emulsão celulose sódica e grafeno: Micrograf 3µm (A) e grafite expandido (B).
[26] Na Figura 3 apresenta-se amostra de filme de compósito borracha natural com hidrocolóide e suspensão de carboximetilcelulose de sódio: fresca (A) e após secagem a temperatura ambiente por até 30 h (B).
[27] Na Figura 4 apresenta-se o filme condutor de compósito de borracha natural com mucilagem, suspensão de carboximetialcelulosede sódio e o grafeno: amostra fresca(a) e amostra seca a temperatura ambiente por um tempo de até 30 h (B).
[28] Na Figura 5 apresenta-se a Imagem de microscopia eletrônica de varredura de: Hidrocolóide/mucilagem(A), compósitos sem grafeno(B) e com grafeno(C).
[29] Na Figura 6 apresenta-se a Espectroscopia Raman de: borracha natural (NR), grafite (G), mucilagem (MLG, carboximetilcelulose de sódio (A) e de compósitos de NR/MLG/CMCNa/G em comparação com compósitos sem grafeno.
[30] Na Figura 7 apresenta-se a condutividade elétrica de compósitos com grafeno (compósitos 1, 2 e 3) e sem grafeno (amostra controle).
[31] Na Figura 8 apresenta-se os gráficos de tensão aplicada com deformação, usando cargas de até 2MPa. Os compósitos de grafeno (A)apresentaram ruptura em valores menores que as amostras de controle (B).
[32] A presente invenção trata-se de um processo de produção de compósitos condutores de borracha verde sem o processo de vulcanização. É objeto adicional os compósitos de borracha condutoras verde que apresentam propriedades mecânicas e elétricas sendo ideal para aplicações como, por exemplo, em biomedicina.
[33] É o diferencial da aplicação o uso de tecnologia verde (green technology), sem ou evitando o uso de reagentes orgânicos e, principalmente, dando sustentabilidade ao meio ambiente por suprimir a etapa de vulcanização obtendo um produto green. Este produto é uma borracha condutora verde que apresenta excelentes propriedades mecânicas e elétricas sendo ideal para aplicações como, por exemplo, em biomedicina. O processo de produção destes compósitos é altamente simples, baseando-se em mistura simples de grafeno/grafite com látex, celulose e hidrocolóide a temperatura do ambiente.
[34] No presente pedido de patente o hidrocolóide/mucilagem são extraídos dos tecidos de espécies suculentas, das sementes, das folhas, dos caules das seguintes espécies terrestres e aquática: Aloe vera¸ Basella alba, Cactus, Chondruscrispus, Corchorus, Dioscoreapolystachya, Drosera, Drosophyllumlusitanicum, Fenugreek, sementes de linhaça, algas marinhas (alginato, agar, carragenina), raiz de alcaçuz, Althaea officinalis, malva, verbasco, quiabo, sementes de chia (Salvia hispânica), Parthenium, Pinguicula, Psyllium(casca de sementes), Talinumtriangulare, Ulmus rubra, quiabo, Plantago major (tansagem ou tanchagem) ou Plantago L sp.
[35] No presente pedido de patente a celulose/celulose microcristalina/nanocelulose pode ser de fontes/origem naturais (plantas, cascas de frutas, caule, cana de açúcar ou conjunto de táxons de plantas) ou sintéticas, como derivados de ester (orgânico esteres e ou inorgânico esteres), derivados de eters (alquil, hidroxialquila, carboxialquila). De preferência, usa-se celulose de derivados de eter, o carboxialquila ou carboximetilcelulose de sódio (CMCNa).
[36] No presente pedido de patente o carbono (negro de carbono carbon black), nanotubos de carbonos (de parede única ou de múltiplas paredes), fulerenos, carvão, grafite e ou grafeno em forma de nanoplaquetas (natural ou sintetizados), óxido de grafeno, óxido de grafeno reduzido, grafeno funcional, grafite expandido, nanofitas de grafeno (graphene nanoribbons),pontos quânticos de grafeno (graphene quantum dots)¸ fibra de grafeno (graphene fiber), grafeno ligante/complexo (graphene ligand/complex), grafeno moldado(molded graphene), grafeno aerogel (graphene aerogel), nanobobinas de grafeno (graphene nanocoil), grafeno reforçado (reinforced graphene), pilares de grafeno (pillared graphene), 3D graphene preferencialmente 100% natural.
[37] No presente pedido de patente a borracha pode ser Borracha/ látex natural/ India Rubber, Borracha da Amazônia ou caucho ou caoutchouc ou sintético; Borracha sintética pode ser borracha de poli-isopreno (IR), borracha de butadieno estireno (SBR), borracha de policloropreno (CR), borracha de polibutadieno (BR), borracha de isobutileno isopreno, de clorobutil (CIIR) e de bromotuil (BIIR); borracha de acrilonitrilobutadieno (NBR), borracha de etileno-propilenodieno (EPCM), borracha de silicone (Q), borracha de poliuretano (AU e EU), borracha fluorada (FPM, FKM), borracha de etileno acrilato (AEM), borracha de acrilonitrilobutadieno hidrogenado (HNBR); Borracha natural extraída da árvore pode ser Hevea Brasiliensis (família Euphorbiaceae);Congo rubber (gênero Landolphia(L. kirkii, L. heudelotis, L. owariensis);Dandelionmilk; gutta-percha (Palaquiumgutta); chicle (espécie Manikara); Ficus elástica;Borracha panamá (Castilla elástica); Euphorbiaspp;lettuce (espécie Lactuca); espécie Taraxacumofficinalte, Taraxacumkok-saghyz (Russiandandelion);guayule (Partheniumargentatum).
[38] A borracha natural também pode ser conduzido por spray-dryer ou microfluidos ou spray ou qualquer técnica/processo/método que possa obter diâmetro ≥ 1 µm de partícula, com encapsulamento de qualquer natureza, ou mistura com os compostos como solução de CMCNa e ou hidrocolóide/mucilagem ou mistura de todos com o grafite/grafeno.
[39] O processo de produção de compósitos condutores compreende as seguintes etapas:
a) Preparo da matéria-prima
a. 1) Preparo de hidrocolóide/ mucilagem/ géis:
a) Preparo da matéria-prima
a. 1) Preparo de hidrocolóide/ mucilagem/ géis:
- i. Obter sementes de Plantago major do tipo granulados/pó/liofilizado;
- ii. Adicionar solvente orgânico ou adicionar água a temperatura entre 21 a 80°C, de preferência temperatura do ambiente (22 – 26 °C, mais precisamente a 25 °C)por 18 horas;
- iii. Destilar as sementes por 48 horas;
- iv. Ferver, filtrar e adicionar a acetona no produto da etapa a.1 iii;
- v. Secar ou liofilizar o precipitado obtido na etapa a.1 iv;
- vi. Obter a mucilagem seca em pó/liofilizado
- vii. Adicionar água destilada para formação de hidrocolóide/ mucilagem/ géis;
- i. Adicionar ao pó/granulado celulose microcristalina/nanocelulose água, a temperatura do ambiente a 50°C, de preferência a temperatura do ambiente (25 °C);
- ii. Preparar a solução de celulose (micro/nanocelulose) ou solução em géis a concentração, preferencialmente entre 1,5 - 2,5 % (m/v) a temperatura do ambiente a 50 °C, de preferência a temperatura do ambiente (25 °C);
b.1) Misturar até completa homogeneização os compostos obtidos nas etapas anteriores na temperatura entre 21 a 60 °C, de preferência a temperatura do ambiente (25 °C), nas seguintes proporções:
- - Hidrocolóide/mucilagem/gel obtido na etapa a.1 na proporção entre 10 - 18 % (m/m);
- - solução de celulose/micro/nanocelulose obtido na etapa a.2 na proporção entre 30 -70%;
- - e, grafite ou grafeno (natural ou sintético), de preferência natural, na proporção entre 10 - 18 % (m/m);
c.1) Obter borracha/látex natural ou sintetizada;
c.2) Misturar até completa homogeneização os compostos obtidos nas etapas anteriores na temperatura entre 21 a 70 °C, de preferência a temperatura do ambiente (25 °C), nas seguintes proporções:
- - Borracha na proporção entre 15 - 25 % (m/m);
- - Produto obtido em b.1 na proporção entre 75 - 85% (m/m);
[40] A etapa c.2 pode ser realizada das seguintes formas:
- i.Manual (bagueta de vidro ou qualquer similaridade, espátula);
- ii.Mecânica (tipos de pás (paddle, anchor, radial propeller, propeller, turbine, helical), barra magnética de quaisquer tamanho e diâmetro, homogeneizador, sonicador, ultrassom, misturador estático, compressor de dois rolos, compressor de três rolos acoplado ou não com o trocador de calor;
- iii.Modalidade de escoamento com agitadores no interior do reservatório pode se: sem anteparos, com anteparos (escoamento axial) ou rotor de lâminas e anteparos fixos, escoamento radia;
- iv.Circulação do volume ou recirculação ou intensidade e volume em circulação ou circulação de velocidade ou elevada (ou não) velocidade ao longo da superfície de transferência de calor;
- v.No presente invento, compressor de três rolos, parâmetro utilizados: calibre de folga entre 0,05 a 1,50 (50 a 1500 microns), de preferência 0,05 (50 µ) e regulador de velocidade de 0,1 a 50 rpm, de preferência 20-35 rpm.
- d.1) Depositar o produto obtido na etapa c.2 em recipiente, de preferência plano, totalmente liso e sem interferências físicas;
- d.2) Secar o produto em temperatura variável entre o 21°C a 50°C, de preferência a temperatura do ambiente (25 °C);
- d.3) Levar a estufa a uma temperatura entre 80 e 120 °C, preferencialmente 100°C, para eliminar toda a umidade do filme/material condutor; e
- d.4) obtenção dos compósitos.
[41] Sendo que na etapa a.1, subetapa i, se utilizou, no exemplo de concretização, de 0,66 a0,88g de sementes para se obter ente 0,04 a 0,56g de granulados/pó/liofilizado.
[42] Os compósitos obtidos em (d.4) foram submetidos a caracterização:
- a. Medição da viscosidade dos componentes/compostos utilizados na presente invenção;
- b. Análise MEV (Hitachi 3400S - Figura 6), Espectroscopia Raman (NTegraSpectra NT-MDT, confocal - Figura 7);
- c. Propriedades elétricas: condutividade elétrica (Agillent B291A - Figura 8);
- d. Propriedade mecânica – resistência mecânica (Alliance RT/5 MTS - Figura 9).
[43] Os compósitos condutores de borracha (solução celulose límpida, viscosa (30 – 7,0 %, m/m), mucilagem solução límpida, levemente viscosa (10 – 18 %, m/m), grafite em pó (10 – 18 %, m/m) e borracha natural líquida, (15 – 25 %, m/m) foram então analisados e descritos os resultados seguintes.
[44] A aparência física de mucilagem a partir das sementes de Plantago major preparado no dia (Fig. 1 A) é de límpida, transparente e levemente viscoso enquanto a mucilagem envelhecida por vários dias (Fig. 1 B) tem uma aparência turva.
[45] A aparência física da solução de mistura de mucilagem (fresca e/ou envelhecida) e/ou hidrocolóide com emulsão carboximetilcelulose de sódio e grafeno (Fig. 2) é de homogeneidade.
[46] Foram fabricados filmes de compósito de borracha natural com hidrocolóide e suspensão de carboximetilcelulose de sódio como amostra de controle (Fig. 3). Figura 3A apresenta uma amostra preparada no dia e a Fig. 3B a amostra após secagem a temperatura do ambiente por 15 –30h.
[47] A solução de mucilagem e/ou hidrocolóide com emulsão carboximetilcelulose de sódio e grafeno foi colocada em recipiente e seca a temperatura ambiente por um período de 15 a 30h (Fig. 4). O filme auto-sustentável freestanding de compósito condutor de borracha, da presente invenção, tem uma ótima aparência, sendo bem uniforme desde a sua primeira deposição (Fig. 4A). Depois de 30h de secagem, a superfície do mesmo é mais fosca, mas sem perder a homogeneidade. Na secagem do Compósito 2 na condição da ETAPA F-d, manteve a mesma aparência do Compósito 1, na condição da ETAPA F-e.
[48] A microscopia eletrônica de varredura mostra que a mucilagem é composta por várias fibras longas e esticadas, com uma aparência de estrela do mar, e algumas partículas pequenas não identificadas ao seu redor (Fig. 5A). No caso do compósito sem grafeno nota-se uma superfície relativamente rugosa mas com pouca porosidade. Não foram observadas nem as fibras de CMCNa e nem de tansagem, indicando uma mistura homogênea dos componentes (Fig. 5B). Já o mesmo compósito contendo o grafeno (Fig. 5C), apresenta maior porosidade, podendo ser identificados componentes como algumas fibras, elastômeros e grafeno; Mesmo assim, o filme apresenta uma alta homogeneidade ao longo da sua largura e espessura.
[49] O espectro Raman da mucilagem de Plantago major apresenta vibração de banda entre 1870 a 3201 cm-1 ; essas bandas podem ser também devido a hemicelulose (2880 cm-1 ) e da pectina de C-H esticada (2930 cm-1 ) devido à sobreposição (overlapping - Bernadino-Nicanor et al., 2018). A banda longa da mesma faixa também é encontrada na amostra padrão de CMCNa, embora há uma intensa banda na região 2920 cm-1 que pode ser da pectina. Na amostra padrão de CMCNa nota-se a banda 1001,9 cm-1 , que pode ser considerado como ϑ (C-C) alifáticos, alicíclicos e em cadeias. A banda 2915 cm-1 é observada tanto nas para CMCNa como em borracha natural. Na amostra padrão de borracha natural encontra-se as bandas 1001, 1319, 1374, 1451, 1668 cm-1 , que apenas os compósitos sem grafeno apresentam, mas com menor intensidade. Ao comparar os compósitos de 1 a 4, observa-se que a banda 1668 cm-1 , que corresponde ao ϑ (C-C), não se encontra no compósito sem grafeno. A amostra de grafeno puro apresenta duas principais bandas a ser consideradas: banda D, localizada em 1580 cm-1 e a banda G em 2750 cm-1 . Os picos de baixa intensidade em torno de 1358 - 1368 cm-1 , são devidos ao carbono amorfo. As duas bandas D e G, bem acentuadas, representam o grafite cristalino.
[50] O preenchimento em nanocompósitos depende do tipo de nanoestrutura e da sua concentração, tendo um impacto significativo sobre a condutividade elétrica do material. A Figura 8 mostra a condutividade elétrica dos compósitos condutores tendo diferentes concentrações de grafeno e do compósito sem grafeno (amostra de controle). Como esperado, o material sem grafeno não apresenta condutividade elétrica. Já o material contendo grafeno apresentou resultados bastante promissores, com a resistência elétrica contida na faixa entre 60 e 600W.
[51] Essas medidas também indicam que o efeito de cada um dos componentes pode impactar nas propriedades mecânicas do material, oferecendo assim a possibilidade de obtenção de compósitos para uma gama variada de aplicações que necessitam um intervalo largo de deformações mecânicas.
Claims (2)
- Processo de produção de compósitos condutores de borracha verde caracterizado por compreender as seguintes etapas:
a) Preparo da matéria-prima
a.1) Preparo de hidrocolóide/ mucilagem/ géis, pode ser preparado em dois métodos:
a.1.1)Método 1: Somente com a água:
i.Obter sementes de Plantago major do tipo granulados/pó/liofilizado;
ii. Adicionar água a temperatura entre 21 a 80 °C, de preferência de 25 °C, por 18 h;
iii. Obtenção de líquido levemente viscoso.
a.1.2)Método 2: Com solvente orgânico
iv.Obter sementes de Plantago major do tipo granulados/pó;
v.Adicionar solvente orgânico ou adicionar água a temperatura entre 21 a 80°C, de preferência temperatura de 25 °C, por 18 horas;
vi.Destilar as sementes por 48 horas;
vii.Ferver, filtrar e adicionar a acetona no produto da etapa a.1 iii;
viii.Secar ou liofilizar o precipitado obtido na etapa a.1 iv;
ix.Obter a mucilagem seca em pó/liofilizado
x.Adicionar água destilada para formação de hidrocolóide/ mucilagem/ géis;
a.2) Preparo de solução de celulose/ Celulose microcristalina/ Nanocelulose:- i. Adicionar ao pó/granulado de celulose microcristalina/nanocelulose a água, a temperatura do ambiente a 50°C, de preferência a temperatura de 25 °C;
- ii. Preparar a solução de celulose (micro/nanocelulose) ou solução em géis na concentração, preferencialmente entre 1,5 - 2,5 % (m/v) a temperatura de 21 °C a 50 °C, de preferência a temperatura de 25 °C;
b.1) Misturar até completa homogeneização os compostos obtidos nas etapas anteriores na temperatura entre 21 a 60 °C, de preferência a temperatura de 25 °C, nas seguintes proporções:- - Hidrocolóide/mucilagem/gel obtido na etapa a.1 na proporção entre 10 - 18 % (m/m);
- - solução de celulose/micro/nanocelulose obtido na etapa a.2 na proporção entre 30 -70%;
- - e, grafite ou grafeno (natural ou sintético), de preferência natural, na proporção entre 10 - 18 % (m/m);
c.1) Obter borracha/látex natural ou sintetizada;
c.2) Misturar até completa homogeneização os compostos obtidos na etapa b.1) e c.1) na temperatura entre 21 a 70 °C, de preferência a temperatura de 25 °C, nas seguintes proporções:- - Borracha na proporção entre 15 - 25 % (m/m);
- - Produto obtido em b.1 na proporção entre 75 - 85% (m/m);
- d.1) Depositar o produto obtido na etapa c.2 em recipiente, de preferência plano, totalmente liso e sem interferências físicas;
- d.2) Secar o produto em temperatura variável entre o 21°C a 50°C, de preferência a temperatura de 25 °C;
- d.3) Levar a estufa a uma temperatura entre 80 e 120 °C, preferencialmente 100°C, para eliminar toda a umidade do filme/material condutor; e
- d.4) obtenção dos compósitos.
- Compósitos de borracha condutoras verde caraterizado por ser obtido conforme reivindicação 1.
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023193076A1 (pt) * | 2022-04-04 | 2023-10-12 | Cnpem - Centro Nacional De Pesquisa Em Energia E Materiais | Nanomateriais, compósitos, seus usos e seus processos de produção |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023193076A1 (pt) * | 2022-04-04 | 2023-10-12 | Cnpem - Centro Nacional De Pesquisa Em Energia E Materiais | Nanomateriais, compósitos, seus usos e seus processos de produção |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
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