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Aplicações do Grafeno em Materiais Poliméricos

Neuma das Mercês Pereira

Pesquisadora

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TechDay – 21/06/2023

Instituto Senai de Inovação em Materiais Avançados e Nanocompósitos

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Grafeno

Monocamada de átomos de carbono ligados covalentemente em uma estrutura hexagonal bidimensional (2D).

Fulerenos

Nanotubos

Grafite

Adaptado da referência A. K. Geim e K. S. Novoselov, Nature Materials, 6, 183 (2007).

0,34 nm

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Propriedades

Área

superficial

Resistência mecânica

Leve, Flexível

Transparente

Condutividade elétrica

Condutividade térmica

Novoselov K. S. , Geim, A. K., Morozov, S. V., Science, vol. 306, p. 666, 2004.

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Propriedades

  • Elevada área superficial (> 2,675 m2/g) - adsorção e reatividade
  • Elevada resistência mecânica (200 vezes mais resistente que o aço)
  • Espessura de 0,34 nm, leve e flexível
  • Elevada transmitância ótica (>97,3%)

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Propriedades

  • Semicondutor de bandgap zero
  • Elevada mobilidade eletrônica (condutividade elétrica) – material mais condutor conhecido atualmente (~10 vezes maior do que o Cobre)
  • Elevada condutividade térmica (~ 5 vezes maior do que o grafite e ~8 vezes maior que o cobre)
  • Propriedades retardantes de chama e de barreira a corrosão

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Métodos de síntese do grafeno

Deposição química a vapor (CVD)

Bottom-up

(a partir de precursores de carbono)

Top-down

(a partir do grafite)

Esfoliação mecânica

Esfoliação em meio líquido

Esfoliação química (oxidação)

Redução

Grafeno

Nature Reviews Chemistry, 2, 0100 (2017)

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Métodos de síntese do grafeno

Esfoliação por ultrassom/cisalhamento em CO2 supercrítico

Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 49, 16701–16708

Esfoliação eletroquímica

Int. J. Electrochem. Sci., 14 (2019) 8986 – 8996

Métodos mais utilizados para a produção do grafeno

em escala industrial

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Capacidade de produção

Capacidade de produção

  • Maior capacidade instalada na China
  • Método principal: exfoliação

https://www.idtechex.com/en/research-article/china-to-dominate-graphene-commercialization/13479, visitado em 19/06/2023

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Derivados do grafeno

Grafite

Grafeno

Óxido de Grafeno Reduzido (rGO)

Óxido de Grafeno (GO)

Óxido de Grafite (GrO)

Siaw Fui Kiew, Hong Boon Lee, Toyoko Imae, Lip Yong Chung, Journal of Controlled Release 226 (2016) 217–228

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Óxido de grafeno

  • Elevada resistência mecânica
  • Elevada área superficial
  • Isolante
  • Ótima dispersão em meio aquoso e outros solventes
  • Facilidade de funcionalização da superfície
  • Facilidade de incorporação em outros materiais
  • Sistemas multifuncionais

Nature Reviews Chemistry, 2, 0100 (2017)

Óxido de Grafeno (GO)

Óxido de Grafeno funcionalizado

Óxido de Grafeno modificado

com nanopartículas

Óxido de Grafeno reduzido (rGO)

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Derivados do grafeno

Grafite

Grafeno/rGO

Óxido de Grafeno (GO)

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Aplicações do grafeno

Estruturas leves e resistentes

Células solares

Baterias e supercapacitores

Dispositivos condutores transparentes e flexíveis

Filamentos poliméricos/ impressão 3D

Equipamentos de segurança

Composites Part B, 142, 200 (2018)

Conforto térmico

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Aplicações do grafeno

https://www.idtechex.com/en/research-report/graphene-market-and-2d-materials-assessment-2023-2033/878, visitado em 19/06/2013

Receita atribuída ao Grafeno: um mercado de bilhões de dólares até 2032

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armazenamento de energia

gerenciamento térmico

compósitos

pesquisa

revestimentos, tintas, adesivos e têxteis

concreto e asfalto

outros

sensores

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Aplicações do grafeno

Busca: graphene polymer composites

Fonte: WebofScience, em 19/06/2023.

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Aplicações do grafeno

Fonte: WebofScience, em 19/06/2023.

Busca: graphene polymer composites

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Aplicações do grafeno

Adv. Sci. 2020, 7, 1903501

Busca: graphene polymer composites

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Aplicações do grafeno

https://graphene-flagship.eu/innovation/industrialisation/roadmap/composites-bulk-applications-and-coatings/

Carga funcional para materiais compósitos

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Matriz metálica

  • Propriedades mecânicas
  • Propriedades térmicas
  • Lubrificação

Polímeros, polímeros reforçados com fibra de carbono/fibra de vidro

  • Resistência mecânica
  • Propriedades térmicas
  • Propriedades elétricas
  • Propriedades de barreira
  • Retardante de chama
  • Multifuncionalidade (dos itens acima)
  • Funcionalidades adicionais, ex. detecção, cura

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Cerâmicos e concretos

  • Resistência
  • Propriedades térmicas
  • Propriedades elétricas

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Diferentes aplicações requerem diferentes ‘tipos’ de grafeno e diferentes estratégias de incorporação.

Número de camadas

Qualidade

Grafite

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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Mecânica

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Flexibilidade

Térmica

Elétrica

Aplicações do grafeno

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Materiais poliméricos

Estados morfológicos de nanocompósitos poliméricos de grafeno

Polymers 2021, 13, 2869

Ganho de propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, de barreira, etc

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Materiais poliméricos

Rotas gerais de fabricação de dispersões poliméricas à base de grafeno/GO/rGO

Adaptado de Adv. Sci. 2020, 1903501

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Grafeno / rGO

Mistura com matriz polimérica

Compósitos poliméricos de grafeno/rGO

Com ou sem modificação/aditivos

GO

Redução química ou térmica durante mistura com matrix polimérica

Compósitos poliméricos de rGO

Mistura com matriz polimérica

Compósitos poliméricos de rGO

Com ou sem modificação/aditivos

Cura/

evaporação

mistura por fusão/em solução/cisalhamento

polimerização in-situ

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Materiais poliméricos

Polymers 2022, 14, 1030

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Materiais poliméricos

Polymers 2021, 13, 2869

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Materiais poliméricos

https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/graphene-flagship-on-track-towards-end-market-products

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Principais fatores da cadeia de suprimentos que afetam a rápida adoção do grafeno

Desafios

https://graphene.substack.com/p/graphene-and-markets

Adv. Sci. 2020, 7, 1903501

O tamanho do mercado global de grafeno foi estimado em US$ 78,7 milhões em 2019 e espera-se que se expanda a uma taxa de crescimento anual composta de 38,7% de 2020 a 2027.

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Propriedades do grafeno são altamente dependentes de características:

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  • defeitos de estrutura
  • tamanho de folha
  • número de camadas

Nature 562, 502 (2018)

Adv. Materials, 44, 1803784 (2018)

Definição Grafeno (ISO):

até 10 camadas

ISO. Nanotechnologies Vocabulary Part 13: Graphene and related Two-Dimensional (2D) Materials (2017). www.iso.org/standard/64741.html

Desafios

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Desafios

Materiais bidimensionais (2D): ligações fortes nas camadas 2D e ligações fracas entre as camadas adjacentes (van der Waals)

J Mater Sci (2017) 52:13685–13688

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Desafios

Heteroestruturas: camadas de diferentes materiais 2D podem ser empilhadas umas nas outras formando heteroestruturas 3D com propriedades únicas e ajustáveis

Nature 499, 419–425 (2013)

A norma ABNT ISO/TS 21356-1, que de fato é uma especificação técnica, trata da caracterização estrutural do grafeno na forma particulada e dispersões.

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Desafios

https://www.ibp.org.br/como-atuamos/tecnologia/

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Aplicações

Introdução

Materiais Poliméricos

Desafios

Conclusão

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Conclusão

  • Possui diversas propriedades incríveis como elevada condutividade elétrica, térmica e resistência mecânica, além de transparência, leveza e flexibilidade

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  • Potencial para aplicações em todos os setores: eletrônica, materiais, compósitos, sensores, baterias, células solares

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  • Principal desafio atualmente: Incorporação e dispersão do grafeno em matrizes poliméricas

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  • Custo e qualidade do grafeno produzido em larga escala

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  • Transferência de conhecimento escala laboratorial para industrial

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Agradecimentos

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Obrigada!

neumampereira@gmail.com

neuma.pereira@sp.senai.br