Análise temporal da dispersão de nanotubos de carbono para aplicação em pastas de cimento Portland

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2019.Os nanotubos de carbono (NTC) surgiram como uma alternativa altamente promissora para promover melhorias quando incorporados, por exemplo, em compósitos cimentícios, devido suas excelentes propriedades, tais como estabilidade química, condutividade elétrica, elevado módulo de Young e resistência à tração, e alta relação de aspecto (comprimento/diâmetro). Entretanto, pesquisas relatam ao longo dos últimos anos que o maior obstáculo para eficaz utilização deste nanomaterial está relacionado à dificuldade em sua efetiva dispersão. Este fato se baseia em sua característica altamente hidrofóbica e, principalmente, às forças de van der Waals entre nanotubos, formando aglomerados de NTC dentro da matriz. Estudos revelam que a combinação de sonicação e surfactante produzem melhores resultados de dispersão, mas valores ideais de teor de surfactante e, principalmente, intensidade de sonicação ainda são altamente variáveis, sendo influenciados, principalmente, pelo tipo de NTC. Este trabalho estudou o efeito da dispersão de 0,10% m.c. de dois tipos de NTC (funcionalizado ? f-NTC, e não funcionalizado ? n-NTC) em pastas de cimento Portland a fim de encontrar o tempo máximo em que os nanotubos se mantêm dispersos em meio aquoso através do uso combinado de sonicação e emprego de surfactantes. Porém, somente nanotubos funcionalizados produziram alta absorbância com base nos espectros UV-Vis e curvas de distribuição do tamanho de aglomerados através de difração a laser no modo líquido. O maior tempo de manutenção da dispersão foi de 120 dias para solução contendo 0,15% de superplastificante e 45 min de sonicação. Esta mesma solução (F45_15) promoveu a melhoria de 15 e 51% de resistência à compressão e tração aos 28 dias, respectivamente. O módulo de elasticidade aos 28 dias e a porosidade aberta não apresentaram diferenças significativas entre as misturas estudadas comprovando a atuação dos NTC nas resistências. Todavia, observações no microscópio apontaram que a sonicação promoveu a quebra do nanomaterial e que, baseado em estudos preliminares, nanotubos funcionalizados utilizados neste estudo podem ser inseridos na matriz sem que se utilize processos de sonicação.Abstract: Carbon nanotubes (CNT) have emerged as a highly promising alternative to promote improvements when incorporated, for example, in cementitious composites due to their excellent properties such as chemical stability, electrical conductivity, Young's high modulus and tensile strength, and high aspect ratio (length / diameter). However, research has reported over the last few years that the major obstacle to effective use of this nanomaterial is related to the difficulty in its effective dispersion. This fact is based on its highly hydrophobic characteristic and, mainly, on van der Waals forces between nanotubes, forming clusters of CNT within the matrix. Studies show that the combination of sonication and surfactant produce better dispersion results, but ideal values for surfactant content and especially sonication intensity are still highly variable, being influenced mainly by the type of CNT. This work studied the dispersion effect of 0.10 wt%. of two types of CNT (functionalized - f-CNT, and non-functionalized - n- CNT) in Portland cement pastes to find the maximum time that nanotubes remain dispersed in aqueous media through the combined use of sonication and use of surfactants. However, only functionalized nanotubes produced high absorbance based on UV-Vis spectra and cluster size distribution curves by liquid-mode laser diffraction. The longest dispersion maintenance time was 120 days for a solution containing 0.15 wt% superplasticizer and 45 min of sonication. This same solution (F45_15) promoted a 15 and 51% improvement in compressive and tensile strength at 28 days, respectively. The modulus of elasticity at 28 days and the open porosity showed no significant differences between the studied mixtures confirming the performance of the CNT in the resistances. However, observations under the microscope indicated that sonication promoted nanomaterial breakdown and that, based on preliminary studies, functionalized nanotubes used in this study can be inserted into the matrix without using sonication processe