Estudo das propriedades mecânicas, eléctricas e térmicas do compósito poli(fluoreto de vinilideno)/nanotubos de carbono

Abstract

Nos últimos anos os compósitos têm vindo a ser crescentemente estudados na procura de materiais que tenham excelentes propriedades para aplicações específicas que num único material não se encontram. Um dos compósitos mais estudados tem sido os formados por materiais condutores numa matriz isoladora para variar a resposta eléctrica do compósito. Esta tese foi realizada com o objectivo de estudar as propriedades mecânicas, térmicas e eléctricas de compósitos de nanotubos de carbono/polímero com propriedades electroactivas. Os nanotubos de carbono são de parede múltipla (MWCNT) e o polímero é o poli(fluoreto de vinilideno)- PVDF. Um dos principais objectivos é o estudo da constante dieléctrica destes compósitos perto do limite de percolação. O método de preparação usado é importante para obter bons resultados como homogeneidade e elevada constante dieléctrica. O método de preparação dos compósitos nesta tese consiste na dispersão dos nanotubos de carbono com o uso do tolueno e a eliminação dos seus defeitos pela técnica de descarga em corona antes destes se juntarem ao polímero. Foi processado o compósito nanotubos de carbono/PVDF na fase α (α- MWCNT/PVDF) por solução e posteriormente foi aplicado o processo de estiramento para se obter o compósito nanotubos de carbono/PVDF na fase β (β-MWCNT/PVDF). A inclusão de nanotubos de carbono representa um reforço mecânico no que respeita às propriedades do polímero e aumenta o grau de cristalinidade nos compósitos. Por outro lado a fracção de fase β máxima atingida é 60%, quando no polímero chega a ser superior a 85%. Termicamente a inclusão de nanotubos de carbono aumenta a estabilidade dos compósitos em relação ao polímero e a degradação é similar para ambos. Com o aumento da concentração de MWCNT temos um aumento da condutividade eléctrica nos compósitos e um decaimento exponencial da rigidez dieléctrica. A constante dieléctrica do compósito é ε’~ 1300 para 2% e de ε’~ 3000 para 4.8% de MWCNT no compósito α-MWCNT/PVDF. Para o compósito β- MWCNT/PVDF a constante dieléctrica é sempre maior que a do polímero (ε’~ 10) mas sempre inferior a ε’~ 100. Variando o método de preparação são obtidas grandes variações na resposta dieléctrica dos compósitos.

In recent years, composites have been increasingly studied in the search for materials with tailored properties for specific applications that cannot be found in a single material. Among the most studied composites are the ones formed by conductive materials in an insulating matrix in order to tune the electrical response of the composite. This work was undertaken with the aim of studying the mechanical, thermal and electrical properties of carbon nanotubes/ electroactive polymer composites. In particular composites from multi walled carbon nanotubes (MWCNT) with poly (vinylidene fluoride)- PVDF- were prepared. A major objective of this work is the study of the dielectric response of the composites near the percolation threshold. The method of preparation of this composites is important in order to get homogeneous distribuition of the fillers and high dielectric constant of the composites. In this work the processing method involved the use of toluene for improving dispersion of the carbon nanotubes and corona discharge for removal of their defects. Carbon nanotube/PVDF in α phase (α-MWCNT/PVDF) composites were prepared by solution casting. Stretching of α-MWCNT/PVDF composites was applied in order to get composites in the β phase (β-MWCNT/PVDF). The inclusion of carbon nanotubes increases the mechanical strenght of the polymer with respect to the ones of the polymer. The inclusion of carbon nanotubes increases also the degree of crystallinity and thermal stability of the composites. Furthermore, the maximum fraction of β phase is 60% whereas β phase contents up to 85% are obtained for the pure polymer. With increasing MWCNT concentration the electrical conductivity of the composites is also increased and the dielectric strenght decays exponentially. The dielectric constant of the composite increases up ε '~ 1300 for 2% and ε' ~ 3000 for 4.8% of MWCNT in α-MWCNT/PVDF composite. For the β-MWCNT/PVDF composite the dielectric constant is always larger than for the polymer (ε' ~ 10) but lower than ε'~ 100. With larger variations of the dielectric response of composites are obtained by varying the processing method of the composites.