Nanocompósitos termoplásticos para aplicação na indústria automóvel

O presente trabalho propõe o desenvolvimento de nanocompósitos termoplásticos para aplicações automóveis. São implementadas abordagens que consistem em incorporar materiais à base de grafeno (GBM) em uma matriz termoplástica através de técnicas de mistura em fusão. Avaliou-se o efeito das características físico-químicas dos GBM selecionados nas características estruturais e nas propriedades térmicas, mecânicas, reológicas e morfológicas dos nanocompósitos desenvolvidos. A influência da incorporação de agentes compatibilizantes durante o processamento dos nanocompósitos também foi objeto de estudo. Um estudo de caso propõe a injeção de uma peça auto e uma avaliação do ciclo de vida (LCA) identificou os impactes ambientais causados pela produção, uso e fim de vida (EoL) da peça auto injetada com o nanocompósito. No preâmbulo faz-se uma introdução ao tema, a destacar o atual panorama ambiental no que se refere ao transporte rodoviário. Descrevem-se estratégias para melhorar o desempenho ambiental dos veículos, com ênfase no uso de materiais promissores capazes de reduzir o seu peso. Os desafios relacionados com o desenvolvimento de nanocompósitos termoplásticos/GBM também são identificados e discutidos. No primeiro capítulo é apresentado o estado da arte relativo aos polímeros termoplásticos, ao uso de GBM como componentes de reforço em nanocompósitos termoplásticos e às técnicas de processamento desses nanocompósitos. No segundo capítulo é apresentado um trabalho que propõe identificar diferenças dimensionais e estruturais entre amostras de GBM provenientes de diferentes fornecedores. Os resultados mostram que os GBM apresentam características químicas e estruturais distintas, evidenciando a importância da caracterização dos GBM comerciais para a sua seleção e uso em nanocompósitos termoplásticos. O terceiro capítulo apresenta o efeito da presença de diferentes nanoplaquetas de grafeno (GnPs) nas propriedades térmicas, mecânicas e reológicas de nanocompósitos poli(propileno) (PP)/GnPs. Neste capítulo é também explorada a incorporação de agentes compatibilizantes como estratégia para melhorar a compatibilidade entre o PP e as GnPs. Os resultados mostram que a presença de grupos químicos funcionais nas superfícies das GnPs pode favorecer a sua distribuição e dispersão homogénea na matriz. O tamanho lateral e a área superficial específica também podem afetar as propriedades dos nanocompósitos. Em relação à incorporação de agentes compatibilizantes, os resultados aqui apresentados confirmam um compromisso entre a resistência mecânica, a rigidez e a resistência ao impacto dos nanocompósitos. O anidrido maléico (MA) foi o agente compatibilizante que melhor contribuiu para este compromisso, sugerindo que a formulação com GnPs e MA possa ser empregue em peças auto com aplicações estruturais. No quarto capítulo é descrito o efeito das GnPs e do MA no desenvolvimento da estrutura cristalina e na cinética de cristalização não-isotérmica dos nanocompósitos contendo esses componentes. Os resultados indicam que as GnPs podem atuar como agentes nucleantes na matriz PP, permitindo reduzir o tempo de processamento dos ciclos da moldação por injeção. O quinto capítulo é dedicado ao estudo do comportamento reológico dos nanocompósitos. Para tal, avalia-se a influência da temperatura de processamento e da presença de GnPs e de MA nos nanocompósitos. Os resultados sugerem que as GnPs podem atuar como um lubrificante sólido diminuindo a viscosidade do nanocompósito, enquanto o MA demonstra que pode agir como um lubrificante interno ou como um compatibilizante, dependendo do tipo de interação estabelecida entre o MA e o sistema. O sexto capítulo introduz a injeção de uma peça auto como estudo de caso. Uma LCA da peça é proposta e são avaliados vários indicadores de impacte ambiental. Os resultados sugerem que o uso do nanocompósito como matéria-prima para peças auto pode ser eficiente na redução dos impactes ambientais associados à produção, uso e EoL da peça.The present work proposes the development of thermoplastic nanocomposites for automotive applications. Implementing approaches include incorporating graphene-based materials (GBM) into a thermoplastic matrix through melt blending techniques. The effect of the physicochemical characteristics of the identified GBM on the structural characteristics and thermal, mechanical, rheological, and morphological properties of the developed nanocomposites was evaluated. The influence of incorporating compatibilizer agents during the nanocomposite processing was also studied. A case study proposes the auto part injection, and a life cycle assessment (LCA) identified the environmental impacts caused by the auto part's production, use and end-of-life (EoL) injected with the nanocomposite. In the preamble, an introduction to the subject is made, highlighting the current environmental scenario concerning road transport. Strategies to improve the environmental performance of vehicles are described, emphasising the use of promising materials capable of reducing their weight. Challenges related to developing thermoplastic/GBM nanocomposites are also identified and discussed. The first chapter presents state of art regarding thermoplastic polymers, the use of GBM as reinforcement components in thermoplastic nanocomposites and the processing techniques of these nanocomposites. The second chapter presents a work that proposes to identify dimensional and structural differences between GBM samples from different suppliers. The results show that GBM have distinct chemical and structural characteristics, evidencing the importance of characterizing commercial GBM as essential for their selection and use in thermoplastic nanocomposites. The third chapter presents the effect of the presence of different graphene nanoplatelets (GnPs) on the thermal, mechanical, and rheological properties of poly(propylene) (PP)/GnPs nanocomposites. This chapter also explores incorporating compatibilizer agents as a strategy to improve the compatibility between PP and GnPs. The results show that the presence of functional chemical groups on the surfaces of GnPs can favour their distribution and homogeneous dispersion in the matrix. Lateral size and specific surface area can also affect the properties of nanocomposites. Regarding incorporating compatibilizer agents, the results presented here confirm a compromise between nanocomposites' mechanical strength, stiffness, and impact resistance. Maleic anhydride (MA) was the compatibilizer agent that best contributed to this commitment, suggesting that the formulation with GnPs and MA can be used in auto parts with structural applications. The fourth chapter describes the effect of GnPs and MA on the development of the crystalline structure and the non-isothermal crystallization kinetics of nanocomposites containing these components. The results show that GnPs can act as nucleating agents in the PP matrix, reducing the processing time of injection moulding cycles. The fifth chapter is dedicated to the study of the rheological behaviour of nanocomposites. To this end, the influence of processing temperature and the presence of GnPs and MA in the nanocomposites is evaluated. The results suggest that GnPs can act as a solid lubricant, decreasing the viscosity of the nanocomposite. At the same time, MA demonstrates that it can act as an internal lubricant or a compatibilizer, depending on the interaction between the MA and the system. The sixth chapter introduces the injection of an auto part as a case study. An LCA of the part is proposed, and several environmental impact indicators are evaluated. The results suggest that using nanocomposite as a raw material for auto parts can efficiently reduce the environmental impacts associated with the part’s production, use and EoL.Programa Doutoral em Engenharia Químic