Modification of carbon structures with imidazolium ionic liquids for enhanced multifunctional epoxy composites

• Autor(a) principal: Ghafoor, Bilal
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/258376
• topic: Fibras de carbono; Líquidos iônicos; Tratamento de superfícies; Compósitos híbridos; Carbon fiber; Imidazolium ionic liquid; Interfacial shear strength; Hybrid composites; Multi-walled carbon nanotubes

A interface em sistemas compósitos de matriz e fibra é um componente chave que influencia suas propriedades e desempenho geral, e a superfície da fibra de carbono (FC) é apolar e leva à incompatibilidade com matrizes epóxidicas. Os estudos foram realizados para modificar a superfície de FC com líquidos iônicos (LI) à base de imidazólio. A estratégia foi adotada considerando a superfície de FC recicladas, que são disponibilizadas na forma de fibras sem agentes de acoplamento em sua superfície. Anteriormente, a modificação em geral criava defeitos e introduzia grupos funcionais (-OH, -COOH, -NH, etc.). Nesta pesquisa, a superfície de FC e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) foram modificadas com LI. A química estrutural inerente de estruturas baseadas em carbono fornece interação π com a nuvem eletrônica deslocalizada do cátion imidazólio do LI que é utilizado para a modificação. No primeiro estudo, a FC (T300) foi modificada pela aplicação de 10% (p/v) de dois tipos diferentes de LI imidazólio, bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-butil-3-metil imidazólio (hidrofóbico) e cloreto de 1-butil-3- metilimidazólio (hidrofílico). Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e microscopia eletrônica de varredura confirmaram a presença de LI na superfície de FC. A molhabilidade de FC tratada com resina epóxi (DGEBA) aumentou significativamente, com uma diminuição do ângulo de contato maior que 15°. A resistência ao cisalhamento interfacial entre a FC modificada e a epóxi aumentou em até 56,5% em relação à FC, sendo comparável às fibras com agentes de acoplamento tradicionais. O segundo estudo focou na otimização da concentração de LI, bis(trifluorometilsulfonil)imida de 1-butil-3-metilimidazólio, cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio e cloreto de 1-(2-hidroxietil)-3-metilimidazólio, para tratar a FC e analisar as características multifuncionais. O ângulo de contato para 1% (m/v) de FC tratada com LI e epóxi DGEBA diminuiu em até 35%, acompanhado por um aumento de 91% na resistência ao cisalhamento interfacial e diminuição na resistividade elétrica de 77%. Essas melhorias foram alcançadas com o LI hidroxifuncionalizado, mostrando a sintonização das propriedades de FC por meio do substituinte N-imidazólio. No terceiro estudo, NCPM tratados com 1% em peso ou 5% em peso de LI (cloreto de 1-(2-hidroxietil)-3-metilimidazólio) foram aplicados como dispersão em proporções de 0,2 a 2% em massa e de 1 a 3% em massa na matriz epóxi, respectivamente, para obter laminados compósitos híbridos baseados em FC. O laminado híbrido contendo 1% em massa de NCPM modificado com 1% em peso de LI apresentou excelentes propriedades mecânicas e termomecânicas com aumento de 210% e 151% na resistência à flexão e módulo, e apresentou um aumento de 101, 116 e 29% do módulo de armazenamento, módulo de perda e amortecimento, respectivamente. As micrografias eletrônicas de transmissão e varredura mostraram a dispersão e a estrutura de NCPM aprimoradas no compósito com baixa porcentagem de LI, justificando suas propriedades mecânicas aprimoradas. Este estudo demonstrou que a aplicação de uma baixa quantidade de LI disperso é uma abordagem promissora para preparar compósitos híbridos NCPM/CF/epóxi com propriedades aprimoradas. Esta abordagem não-covalente de modificação de estruturas à base de carbono com LI é uma maneira promissora de produzir compósitos de alto desempenho com características multifuncionais.