Potencial do óxido de grafeno na otimização de composto para banda de rodagem - Balzan, Gabriela Denardi (My University, 2026)
The advancement of the automotive industry has consolidated tires as indispensable components. Traditionally, carbon black (CB) is employed in high proportions to achieve the desired performance in tread compounds, which, however, contributes to fatigue processes and premature aging. The combination of CB with graphene-based nanoparticles, such as graphene oxide (GO), has been explored due to their superior mechanical and thermal properties. This work proposes a novel and more industrially viable method for incorporating GO, employing processing oil as a dispersing medium through mechanical mixing. Four GO concentrations (0.5, 0.75, 1.0, and 1.25 phr) were investigated in formulations designated T1, T2, T3, and T4, respectively. The compounds were prepared on a two-roll mill and consisted of natural rubber, CB N220, naphthenic oil, zinc oxide, stearic acid, sulfur, and N-cyclohexyl-2-benzothiazolesulfenamide. The materials were characterized by rheometry, Mooney viscosity, hardness, rubber processing analyzer, tensile, abrasion and tear strength, dynamic mechanical analysis, linear thermal conductivity, field emission scanning electron microscopy, and dispersion testing. The results showed that the addition of GO did not significantly alter the rheological properties, curing times, or mechanical properties. However, formulation T2 (0.75 phr) exhibited an increase in storage modulus at low strains (G'0) and Payne effect (ΔG'), suggesting that mixing on a two-roll mill was not effective in enhancing filler-matrix interactions. On the other hand, the same formulation showed a 10.6% increase in linear thermal conductivity compared to the control, attributed to the formation of a filler network. This result was confirmed by FE-SEM micrographs of the cryogenic fracture surface of this composition. Dynamic mechanical analysis also revealed increased stiffness, with increments in storage modulus (G') of 1.7, 5.2, and 1.3% for T1, T2, and T3, respectively, at 25 °C. Similar behavior was observed for the loss modulus (G''), with increases of 6.1, 7.6, and 7.3%. Although T4 exhibited a reduction in G' and G'', this formulation simultaneously showed a 4% increase in tan δ at 0 °C, along with reductions of 16.2% at 60 °C and 13.5% at 100 °C, associated with improved wet grip, reduced rolling resistance, and lower heat buildup. These results highlight the potential of hybrid reinforcement as a viable alternative to enhance performance and extend the service life of tread compounds. [resumo fornecido pelo autor]
O avanço da indústria automobilística consolidou os pneus como itens indispensáveis. Tradicionalmente, utiliza-se negro de fumo (NF) em elevadas proporções para atingir o desempenho desejado em bandas de rodagem, o que, contudo, contribui para processos de fadiga e envelhecimento precoce. A combinação de NF com nanopartículas de grafeno, como o óxido de grafeno (GO), tem sido explorada devido às suas propriedades mecânicas e térmicas superiores. Este trabalho propõe um método ainda não explorado e de maior viabilidade industrial para incorporação de GO, empregando o óleo de processamento como meio dispersante, via mistura mecânica. Foram investigadas quatro concentrações de GO (0,5; 0,75; 1,0 e 1,25 phr), em formulações denominadas T1, T2, T3 e T4, respectivamente. As composições foram preparadas em moinho de dois rolos, contendo borracha natural, NF N220, óleo naftênico, óxido de zinco, ácido octadecanóico, enxofre e N-ciclohexil-2-benzotiazolsulfenamida. Os compostos foram caracterizados quanto às propriedades reológicas, mecânicas, dinâmico-mecânicas, morfológicas e de condutividade térmica linear. Os resultados mostraram que a adição de GO não alterou significativamente as propriedades reológicas, os tempos de vulcanização ou as propriedades mecânicas. Contudo, a formulação T2 (0,75 phr) apresentou aumento do módulo de armazenamento em baixas deformações (G'0) e do efeito Payne ((Delta)G'), sugerindo que a mistura em moinho de dois rolos foi pouco eficiente para intensificar a interação carga-matriz. Por outro lado, essa mesma formulação exibiu incremento de 10,6% na condutividade térmica linear em relação ao branco, atribuído à formação de rede de cargas. Esse resultado foi comprovado pelas micrografias obtidas a partir dos ensaios morfológicos da superfície de fratura criogênica dessa composição. Ensaios dinâmico-mecânicos também evidenciaram aumento de rigidez, com acréscimos do módulo de armazenamento (G') de 1,7, 5,2 e 1,3% para T1, T2 e T3, respectivamente, a 25 °C. Resultados semelhantes foram observados para o módulo de perda (G''), com aumentos de 6,1, 7,6 e 7,3%. Apesar de T4 apresentar redução de G' e G'', essa formulação demonstrou simultaneamente aumento de 4% do tan δ a 0 °C, além de reduções de 16,2% a 60 °C e 13,5% a 100 °C, correlacionadas a melhor aderência em pista molhada, menor resistência ao rolamento e menor geração de calor. Tais resultados destacam o potencial do reforço híbrido como alternativa viável para aprimorar o desempenho e prolongar a vida útil de compostos para bandas de rodagem. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Grafeno; Elastômeros; Automóveis - Pneus - Propriedades mecânicas; Ciência dos materiais; Graphene; Elastomers; Automobiles - Tires - Mechanical properties; Materials science