Desenvolvimento e caracterização de filmes poliméricos de polietileno com adição de nanocargas para aplicação em blindagem balística - Dallé, Danieli (My University, 2023)
The development of new engineering materials for individual or collective protection purposes is increasing. Due to the advancement of tactical and military technologies, it is necessary to improve armoring systems, for example, more functional vests and helmets, with lower density and greater flexibility. Allied to these properties, it seeks to reduce costs, without compromising impact absorption. An alternative to improve these properties is to replace the usual materials with more common materials, such as polymers considered commodities, which are affordable and have attractive mechanical, chemical and thermal properties. The addition of nanofillers in polymeric matrices has been highlighted in recent years, due to their advantageous characteristics compared to pure materials, increasing the properties of materials called nanocomposites, such as mechanical and thermal properties. Among the nanofillers, we can mention nanofibrillated cellulose (CNF), nanoclay (ARG) and graphene nanoplatelets (NPG), each with distinct morphology and characteristics. The use of cellulose for this type of application, combined with thermoplastic polymer was not found in the literature, being a positive point for the technological innovation of the research. The objective of this work was to develop nanostructured films of high and low density polyethylene (HDPE/LDPE) with the incorporation of different nanofillers to later obtain multilayer plates with aramid fabric (AR), aiming at the potential application for ballistic protection. For the production of the films, a masterbatch of CNF in LDPE was incorporated into HDPE and the premixes were subjected to double-screw extrusion followed by balloon blowing extrusion. Subsequently, the AR and the films were cut, stacked in interleaved layers, and subjected to hot and cold compression, respectively. The first multilayer plates with the addition of CNF between 0-1.5% were evaluated in step 1, and with the best concentration, new films were produced with ARG and NPG, the addition of coupling agent (CA) was also evaluated. All nanostructured films were characterized in step 2. In step 3, multilayer plates with nanostructured films from step 2 were made and characterized. In step 1, in the dynamic compression test on split Hopkinson pressure bar (SHPB), the HDPE/LDPE/1.0CNF/AR sample obtained superior energy dissipation behavior among the others, with 1.0% being the predefined concentration for the production of other films in the subsequent step. All samples from stage 1 were classified in ballistic protection level III-A. In step 2, the films with the addition of ARG and NPG showed superior results in relation to thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic-mechanical testing (DMA), flow index (IF) and tensile strength. The CNF+CA and the matrix sample with the addition of CA (HDPE/LDPE+CA) also showed an increase in some properties. In step 3, the multilayer plates were evaluated by SHPB, and the samples with ARG, NPG, and HDPE/LDPE+CA obtained higher stress behavior at high strain rates, contributing to better energy dissipation in these plates. All samples from step 3 were classified in ballistic protection level III-A, and the posterior deformation (DP) was reduced in samples with ARG and NPG, in 11.61 and 12.98% in relation to the raw sample (PEAD/PEBD/AR). In the mechanical tests, the modulus of elasticity due to flexural strength was more pronounced, being 44% higher for the samples with CNF+CA and with NPG, and 18% for the sample with ARG. The results showed that the addition of nanofillers to can be a viable alternative for application in multilayer composites, together with AR, for protection purposes, maintaining and/or improving the mechanical and impact properties. [resumo fornecido pelo autor]
O desenvolvimento de novos materiais de engenharia para fins de proteção individual ou coletiva é crescente. Em virtude do avanço das tecnologias táticas e militares, faz-se necessário o aperfeiçoamento de sistemas de blindagem, por exemplo, coletes e capacetes mais funcionais, com menor densidade e maior flexibilidade. Aliado a essas propriedades, busca-se a redução de custos, sem comprometer a absorção de impacto. Uma alternativa para melhorar estas propriedades é a substituição dos materiais usuais por materiais alternativos, como os polímeros considerados commodities, que são acessíveis e apresentam propriedades mecânicas, químicas e térmicas atrativas. A adição de nanocargas em matrizes poliméricas tem sido destaque nos últimos anos, devido às suas características vantajosas em relação aos materiais puros, elevando as propriedades dos materiais denominados nanocompósitos, como as propriedades mecânicas e térmicas. Dentre as nanocargas, pode-se citar a celulose nanofibrilada (CNF), nanoargila (ARG) e nanoplaquetas de grafeno (NPG), cada uma com morfologia e características distintas. O uso de celulose para este tipo de aplicação, combinada com polímero termoplástico não foi encontrado na literatura, sendo um ponto positivo para a inovação tecnológica da pesquisa. O objetivo deste trabalho foi desenvolver filmes nanoestruturados de polietileno de alta e baixa densidade (PEAD/PEBD) com a incorporação de diferentes nanocargas para posterior obtenção de placas multicamadas com tecido de aramida (AR), visando a potencial aplicação para proteção balística. Para produção dos filmes, masterbatch de CNF em PEBD foi incorporado à PEAD e as pré misturas submetidas a uma extrusora duplarrosca seguida de processamento por extrusora monorrosca para obtenção de um filme polimérico por sopro. Posteriormente, o tecido de AR e os filmes foram cortados, dispostos em camadas intercaladas, e submetidos à compressão a quente e a frio, respectivamente. As primeiras placas multicamadas com adição de filmes de PEAD/PEBD, com CNF nas concentrações de 0, 0,5, 1,0 e 1,5% em massa (m/m), foram avaliadas na etapa 1, e com a melhor concentração, foram produzidos novos filmes com ARG e NPG, também foi avaliado a adição de agente de acoplamento (CA). Todos os filmes nanoestruturados foram caracterizados na etapa 2. Na etapa 3, placas multicamadas com os filmes nanoestruturados provenientes da etapa 2 foram confeccionadas e caracterizadas. Na etapa 1, no ensaio de compressão dinâmica em barra Hopkinson (SHPB) a amostra PEAD/PEBD/1.0CNF/AR obteve comportamento de dissipação de energia superior as demais, sendo 1,0% a concentração pré definida para produção de demais filmes na etapa subsequente. Todas as amostras da etapa 1 foram enquadradas em nível balístico de proteção III-A. Na etapa 2, os filmes com adição de ARG e NPG mostraram resultados superiores em relação à análise termogravimétrica (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), ensaio dinâmico-mecânico (DMA), índice de fluidez (IF) e resistência à tração. Os filmes de CNF+CA e a amostra matriz com adição de CA (PEAD/PEBD+CA) também apresentaram incremento de algumas propriedades. Na etapa 3, as placas multicamadas foram avaliadas por SHPB, sendo que as amostras com ARG, NPG, e PEAD/PEBD+CA obtiveram comportamento de tensão superior a altas taxas de deformação, contribuindo para melhor dissipação de energia nestas placas. Todas as amostras da etapa 3 foram enquadradas em nível balístico de proteção III-A, e a deformação posterior (DP) foi reduzida nas amostras com ARG e NPG, em 12 e 13% em relação à amostra bruta (PEAD/PEBD/AR), respectivamente. Nos ensaios mecânicos, o módulo de elasticidade na resistência à flexão foi mais pronunciado, sendo 44% superior para as amostras com CNF+CA e NPG, e 18% para a amostra com ARG. Os resultados mostraram que a adição de nanocargas pode ser uma alternativa viável para aplicação em compósitos multicamadas, junto com AR, para fins de proteção balística, mantendo e/ou aprimorando as propriedades mecânicas e de impacto. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Materiais - Testes; Resistência de materiais; Polímeros; Polietileno; Nanocompósitos (Materiais); Materials - Testing; Strength of materials; Polymers; Polyethylene; Nanocomposites (Materials)