Nanotubos de Carbono em Materiais Compósitos

Prévia do material em texto

45 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
Nanotubos de carbono e a sua utilização como reforço nos materiais compósitos 
estruturais 
 
Roberto Arcain (FIRB)
1 
 Gislaine Aparecida Asti Sales
 
(FIRB)
2 
Wisley Falco Sales
 
(FIRB)
3
 
 
Resumo: 
Os materiais compósitos são utilizados na construção civil e no saneamento básico, em 
artefatos como caixas d’água, piscinas, telhas, em pontes e edificações. A deterioração de 
pavimentos é considerada um sério problema de infraestrutura (Rezende, Costa, Botelho, 
2011). Tal desafio tem levado à investigação de materiais não convencionais, para solucionar 
esses problemas. Ao conseguir uma maior vida útil ao concreto o compósito mais empregado 
na construção civil mundial teremos redução significativa no gasto com reformas de 
estruturas. O intuito desta iniciação científica é apresentar os nanotubos de carbono e sua 
possível utilização como reforço nos materiais compósitos estruturais. Para tal, foram 
realizadas, durante o período de aproximadamente um ano, pesquisas bibliográficas em teses 
e dissertações, em livros e em documentos eletrônicos que embasaram o trabalho. O nanotubo 
de carbono pode ser uma das soluções ao problema estrutural do concreto. 
 
Palavras-chave: Materiais compósitos. Nanotubos de carbono. Construção civil. 
1 Introdução 
De acordo com Shackelford (2008), os materiais disponíveis na engenharia dividem-se 
em: metais, cerâmicas, polímeros, compósitos e semicondutores. As três primeiras categorias 
podem ser associadas a tipos distintos de ligação atômica. Os compósitos envolvem 
combinações de dois ou mais materiais das primeiras categorias. As primeiras quatro 
categorias compreendem os materiais estruturais. 
Inúmeras conquistas tecnológicas recentes, principalmente as relacionadas com 
aplicações relevantes em áreas como aeronáutica, aeroespacial, petroquímica, naval, 
bioengenharia, automobilística, construção civil e de artigos esportivos, entre outras, somente 
se tornaram viáveis após o advento dos compósitos estruturais. Esta classe de materiais é 
bastante ampla e abrangente, compreendendo desde os polímeros reforçados com fibras, os 
 
1
 Aluno de graduação do curso de Engenharia Civil das Faculdades Integradas Rui Barbosa (FIRB). 
2
 Doutoranda em Engenharia Elétrica (UNESP), Mestre em Engenharia Elétrica (UNESP), Especialista em 
Educação Matemática (UNESP) e Graduada em Matemática (UFMS). Professora das Faculdades Integradas Rui 
Barbosa (FIRB). E-mail: asti.gislaine@gmail.com 
3
 Pós-Doutorado em London South Bank University, Doutor em Engenharia Mecânica (UFU), Mestre em 
Engenharia Mecânica (UFU) e Graduado em Engenharia Mecânica (UFU). Professor/Coordenador do curso de 
Engenharia Civil das Faculdades Integradas Rui Barbosa (FIRB). E-mail: wisley100@gmail.com 
46 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
materiais híbridos metal/compósito e os concretos estruturais, além de outros compósitos que 
incorporam a matriz metálica ou cerâmica. A característica básica do compósito é combinar, a 
nível macroscópico, pelo menos duas fases denominadas matriz e reforço. Os compósitos 
obtidos a partir de reforços contínuos apresentam um excelente desempenho estrutural, 
considerando-se a resistência e a rigidez específicas. Estes materiais são muito resistentes a 
vários tipos de corrosão, e se comparados às ligas metálicas estruturais, são bem mais leves 
(por fatores superiores a até quatro vezes). Ainda de acordo com NETO e PARDINI, 2012, 
para entender as propriedades desses vários materiais, é preciso examinar a estrutura 
microscópica ou atômica. A ductibilidade, a porosidade, a resistência à compressão são 
algumas características que exige o controle cuidadoso de arquitetura em escala microscópica 
do material estudado. Quando as propriedades dos materiais forem compreendias, o material 
apropriado para determinada aplicação poderá ser processado e selecionado. Com o uso 
experimental de nanomateriais, procura-se inserir no mercado da construção civil novos 
produtos que sejam viáveis economicamente, mais resistentes e menos agressivos ao meio 
ambiente. 
2 Matrizes para Compósitos 
Os principais tipos de matrizes utilizadas em compósitos podem ser classificados 
segundo sua estrutura e natureza química como matrizes poliméricas (termorrígidas e 
termoplásticas), cerâmicas, carbono e metálicas. Na formação dos compósitos, as matrizes 
formam a fase contínua e têm como função aglutinar reforços e distribuir ou transferir 
carregamentos ou tensões aplicadas ao compósito entre estes reforços. A escolha do tipo de 
matriz a ser utilizada na manufatura do compósito se prende primeiramente à aplicação a que 
o mesmo se destina ao processo de obtenção. No atual estágio tecnológico dessa área da 
ciência e engenharia de materiais uma variedade imensa de combinações de materiais, 
formadores da matriz pode ser efetuada durante o processamento do compósito. A 
versatilidade é tal que compósitos pertencentes a uma determinada classe, como por exemplo, 
os compósitos poliméricos, podem ser transformados em compósitos matriz cerâmica. Tanto a 
tenacidade à fratura quando temperaturas de uso mais elevadas são requisitos almejados para 
uma adequada seleção de matrizes (NETO ; PARDINI, 2012). 
3 Reforços para Compósitos 
Para Neto e Pardini (2012), os reforços para compósitos podem se apresentar na forma 
de fibras contínuas, picadas e na forma de partículas. As fibras ou filamentos são o elemento 
47 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
de reforço dos compósitos estruturais que suportam carregamento mecânico. As fibras 
comerciais são produzidas basicamente por três processos: fiação por fusão, fiação a úmido e 
fiação a seco. As fibras se constituem em um meio efetivo de reforço 
As fibras se constituem em um meio efetivo de reforço porque apresentam menor 
número de defeitos que em sua forma mássica. Á medida que se tornam mais finos, os 
materiais tendem a apresentar menor número de defeitos que possam induzir a falhas e, dessa 
forma, a resistência tende a se aproximar da resistência teórica do material, representada pela 
resistência coesiva das camadas adjacentes de átomos. Abaixo seguem os tipos de fibras, 
classificadas de acordo com Neto e Pardini (2012). 
 
3.1 Fibras de Vidro 
Tipo de fibra mais utilizada em compósito com matriz polimérica, devido 
principalmente ao seu baixo custo, alta resistência à tração e grande inércia química. Suas 
desvantagens são associadas ao relativo baixo módulo de elasticidade, auto abrasividade e à 
baixa resistência à fadiga quando agregada a compósitos. 
3.2 Fibras de Carbono 
São manufaturadas pela pirolise controlada de precursores orgânicos em forma de 
fibras. O processo de pirolise consiste basicamente no tratamento térmico do precursor que 
remove oxigênio, nitrogênio e hidrogênio dando origem às fibras de carbono. Todas as 
pesquisas direcionadas à obtenção de fibras de carbono estabelecem que as propriedades 
mecânicas são melhoradas pelo aumento da cristalinidade e orientação, e pela redução dos 
defeitos na fibra. 
3.3 Fibras poliméricas 
As fibras poliméricas têm ganhado uma significativa importância como reforço de 
compósitos. Entre estas, as fibras de aramida e de polietileno de ultra alto peso molecular tem 
se mostrado de grande utilidade para reforço. As fibras poliméricas sintéticas diferem da 
produção de fibras inorgânicas, devido à natureza unidimensional das cadeias poliméricas. 
Dessa forma, par produzir fibras resistentes e rígidas, as cadeias do polímero devem ser 
estiradase orientadas ao longo do eixo da fibra, de forma que após esses processos existam 
fortes ligações covalentes Inter atômicas ao longo da cadeia polimérica. 
 
48 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
3.4 Fibras Cerâmicas 
As fibras cerâmicas são utilizadas para aplicações a altas temperaturas 
(aproximadamente 1000 cg). Estas fibras podem ser obtidas basicamente por dois processos: 
(a) deposição química em fase gasosa; (b) fiação polimérica. No processo de deposição 
química em fase gasosa, um substrato, na forma de fibra, é continuamente alimentado em um 
forno, onde permanece por um determinado tempo em contato com gases reagentes, de forma 
que seja formado um revestimento superficial no substrato. 
3.5 Reforços Particulados 
A disponibilidade de materiais para reforço na forma de partículas é significativamente 
maior que na forma de fibras, devido ao fato de que a produção de materiais na forma de 
partículas é mais simples. De certa forma, todos os materiais podem ser convertidos em pó 
por processos, como por exemplo, moagem. Entretanto, materiais particulados podem 
também ser obtidos por processos de precipitação em solução, atomização e solgel. As 
propriedades mecânicas e térmicas dos compósitos particulados são diretamente influenciadas 
pelo tamanho e distribuição de tamanho das partículas e da fração volumétrica destas 
partículas no compósito. Um exemplo clássico de compósito particulado é o grafite, onde uma 
matriz carbonosa, oriunda do piche pirolisado, agrega partículas de coque agulha 
(BLACKMAN, 1970, apud NETO e PARDINI, 2012). 
3.6 Fibras Naturais 
A utilização de fibras naturais (via de regra de origem vegetal ou animal) em um 
compósito tem como propósito principal, salvo algumas exceções, fazer com que o mesmo 
atue como uma carga de material reciclável e de baixo custo à matriz, do que realmente 
reforça-la mecanicamente de forma significativa. Isto se deve ao fato de as propriedades 
mecânicas das fibras naturais serem normalmente modestas, em relação às propriedades das 
fibras sintéticas (vidro, carbono e aramida, etc.). Entre as fibras naturais o amianto se destaca 
por apresentar valores elevados de resistência e rigidez. Dentre as fibras naturais mais 
utilizadas estão o sisal, o coco, a juta, a malva o rami e a piaçava. 
4 Nanotubos de Carbono 
Existem duas maneiras de produzir nanomateriais, nanocomponentes e nanosistemas: 
49 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
“top down” (descendentes) – material dividido para atingir menores dimensões 
possíveis. Seguido pela indústria eletrônica nos últimos trinta anos (computadores modernos); 
“botton up” (ascendentes) – ligação de átomos um a um, construindo moléculas que 
criam sistemas maiores (inspirada na química e na biologia) (BATISTON, 2007). 
Os nanotubos de carbono são cilindros formados por folhas de carbono (grafeno), que 
podem se apresentar em uma única camada – nanotubos de carbono de paredes simples – ou 
em várias camadas sobrepostas – nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MELLO, 2009) 
e são produzidos no sistema botton up. 
 
5 Principais Métodos de Crescimento 
Os nanotubos de carbono são materiais sintéticos, produzidos em laboratório e os 
principais métodos de crescimento desses materiais são: descarga por arco, ablação a laser e 
deposição química a partir da fase vapor (CVD). 
Os métodos de descarga por arco e ablação a laser são baseados na condensação de 
átomos de carbono gerados pela sublimação e carbono a partir de um precursor sólido, 
geralmente grafite com alta pureza, dopado com metais. A temperatura envolvida nestes 
processos aproxima-se da temperatura de fusão do grafite que fica no intervalo de 3000 a 
4000 ºC. 
A descarga por arco tem como princípio uma descarga elétrica gerada entre dois 
eletrodos cilíndricos de grafite, em uma câmara de aço, normalmente em atmosfera inerte. O 
grafite é sublimado se depositando no ânodo e nas paredes da câmara. Na ablação a laser o 
grafite é vaporizado pela irradiação de um laser pulsado de alta potência na presença de um 
gás inerte. O método CVD se baseia na decomposição de gases precursores contendo átomos 
de carbono, geralmente um hidrocarboneto, sobre partículas metálicas que atuam como 
catalizadores. A decomposição é realizada geralmente em temperaturas abaixo de 1000ºC e a 
variação desse parâmetro permite selecionar o crescimento de nanotubos de paredes múltiplas 
ou nanotubos de parede única (FEITOSA, 2009). 
 
6 Áreas de Aplicação 
Podem ser aplicados na área de energia no armazenamento de Hidrogênio bem como 
no armazenamento em sólidos de grande área superficial (Maestro, 2005), sensores de gás 
(SOUZA, 2011); produção de pesticidas (RIBEIRO, 2009), usados no combate a tumores 
50 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
(SILVA, 2011), para detectam células do câncer de mama (MENACKER, 2009), para 
destruírem células cancerígenas após serem ativados por ondas de radiofrequência (ALVES, 
2007), como biossensor para diabetes (VILLA, 2013). 
Na construção civil, no Brasil, ainda existem poucas pesquisas devido ao custo 
elevado na produção dos nanotubos. Conforme cita MARCONDES, 2012, o grama do 
material é adquirido na Universidade Federal de Minas Gerais por R$ 5,00. Em contrapartida, 
os resultados com a adição de nanotubos no concreto, proporcionaram melhoria significativa 
na resistência à compressão, a tração, à porosidade com o uso de aproximadamente 4% de 
nanotubos de carbono em relação à massa do concreto. 
 
Conclusões 
Todas as bibliografias pesquisadas foram favoráveis ao uso do material nano. Os 
ensaios Por similaridade dos resultados é certo que o uso desses materiais como reforços ou 
em conjunto com quaisquer outros reforços de compósitos resultará em material novo com 
propriedades excelentes. No caso específico do concreto, inclusive a sintetização dos 
materiais se deu com o uso de produtos reciclados, disponíveis em abundância mas mal 
aproveitado. 
As dificuldades de melhor embasamento teórico na área da Construção Civil, 
principalmente na adição de nanomateriais ao concreto são em virtude de a maioria das 
pesquisas estarem ligadas à Saúde e à Eletrônica. No Brasil, as únicas instituições voltadas à 
nanotecnologia na construção civil são a UFPR, UFMG e UFRJ. 
 
Referências 
 
ALVES, J. O. Síntese de nanotubos de carbono a partir do reaproveitamento de resíduos 
sólidos carbonosos. Tese (doutorado) Universidade de São Paulo, 2011. 
 
ALVES, Lúcia Vinheiras. Nanotubos de carbono injetáveis destroem células cancerígenas 
após serem ativados por ondas de radiofrequência. Os nanotubos funcionam como 
‘bombas’ de aquecimento programadas. 2007. Disponível em: 
http://www.tvciencia.pt/tvcnot/pagnot/tvcnot03.asp?codpub=15&codnot=17. Acesso em: 01 set. 
2013. 
 
CASTRO, R. P. M. Análise macroscópica do efeito da adição de nanocerâmica ao 
concreto. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2011. 
 
http://www.tvciencia.pt/tvcnot/pagnot/tvcnot03.asp?codpub=15&codnot=17
51 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
DUART, MARCELO ADRIANO. Nanotecnologia aplicações em concreto. 2012. 
Disponível em: http://enec.ufsc.br/wp-content/uploads/2012/11/Nanotecnologia-concreto.pdf . 
Acesso em: 01 set. 2013. 
 
DURAN, N., MATTOSO, L. H. C e MORAIS, P. C. Nanotecnologia – Introdução, 
preparação e caracterização de nanomateriais e exemplos de aplicação. São Paulo, 
Artliber Editora, 2012. 
 
FEITOSA, J. P. M. Funcionalização Covalente e não Covalente de Nanotubos de 
Carbono.Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciências. 
Fortaleza, 2009. 
 
LEVY NETO, F. e PARDINI L. C. Compósitos estruturais – ciência e tecnologia. 1.ed. São 
Paulo, Blucher, 2006. 
 
MAESTRO, L. F. Aperfeiçoamentos na obtenção de nanotubos de carbono com paredes 
simples (NTCPS) e possíveis aplicações na estocagem de energia. Dissertação (mestrado). 
Universidade Estadual de Campinas, 2005. 
 
MARCONDES, C. G. N. Adição de nanotubos de carbono em concretos de cimento 
Portland – absorção, permeabilidade, penetração de cloretos e propriedades mecânicas. 
Dissertação (mestrado). Universidade Federal do Paraná. Curitiba, 2012. 
 
MATOS, C. F. Materiais nanocompósitos multifuncionais formados entre nanotubos de 
carbono e látices poliméricos. Dissertação (mestrado). Universidade Federal do Paraná, 
2011. 
 
MELO, V. S. Nanotecnologia aplicada ao concreto: efeito da mistura física de nanotubos 
de carbono em matrizes de cimento Portland. Dissertação (mestrado). Universidade 
Federal de Minas Gerais, 2009. 
 
MENACKER, Ricardo. Nanotubos de carbono de parede única com anticorpos 
monoclonais adsorvidos detectam células do câncer de mama. Disponível em: 
http://virgemcancer.wordpress.com/2009/10/13/nanotubos-de-carbono-de-parede-unica-com-
anticorpos-monoclonais-adsorvidos-detectam-celulas-do-cancer-de-mama. Acesso em: 01 set. 2013. 
 
RIBEIRO, W. F. Análise de traços do pesticida carbendazim por voltametria de onda 
quadrada com eletrodo de carbono vítreo modificado com nanotubos de carbono. 
Dissertação (mestrado). Universidade Federal da Paraíba. João Pessoa, 2009. 
 
ROCHA, Aline. 2012. Disponível em: 
http://piniweb.pini.com.br/construcao/sustentabilidade/chicago-inaugura-rua-pavimentada-com-
cimento-que-remove-poluicao-do-271947-1.aspx Acesso em: 01 set. 2013. 
 
RODRIGUES, J. G. Caracterização por Espectroscopia de Fotoelétrons de Nanotubos de 
Carbono Funcionalizados. Dissertação (mestrado). Universidade Federal de Minas Gerais. 
Belo Horizonte, 2011. 
 
SHACKELFORD, J. F. Introdução à ciência dos materiais para engenheiros. Tradução 
Daniel Vieira. São Paulo: Pearson Prentice Hall. 2008. 
http://enec.ufsc.br/wp-content/uploads/2012/11/Nanotecnologia-concreto.pdf
http://virgemcancer.wordpress.com/2009/10/13/nanotubos-de-carbono-de-parede-unica-com-anticorpos-monoclonais-adsorvidos-detectam-celulas-do-cancer-de-mama.%20Acesso%20em:%2001%20set.%202013
http://virgemcancer.wordpress.com/2009/10/13/nanotubos-de-carbono-de-parede-unica-com-anticorpos-monoclonais-adsorvidos-detectam-celulas-do-cancer-de-mama.%20Acesso%20em:%2001%20set.%202013
http://piniweb.pini.com.br/construcao/sustentabilidade/chicago-inaugura-rua-pavimentada-com-cimento-que-remove-poluicao-do-271947-1.aspx
http://piniweb.pini.com.br/construcao/sustentabilidade/chicago-inaugura-rua-pavimentada-com-cimento-que-remove-poluicao-do-271947-1.aspx
52 
 
Revista InterAtividade, Andradina-SP, Edição Especial, 1º sem. 2014. 
Roberto Arcain, Gislaine Aparecida Asti Sales, Wisley Falco Sales 
 
SILVA, Vania Daniela Ramos da. Expressão do receptor MARCO em macrófagos, células 
dendríticas e células tumorais após internalização de nanotubos de carbono. Disponível 
em: http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/outubro2011/ju511pdf/Pag11.pdf. Acesso em: 
01 set. 2013. 
 
SOUZA, A. M. Simulações de sensores de gás nanoscópicos baseados em nanotubos de 
carbono: estrutura eletrônica e transporte de elétrons. Universidade de São Paulo. São 
Paulo, 2011. 
 
VIEIRA JUNIOR, L.E. Processamento coloidal de compósitos nanoestruturados metal-
cerâmica via moagem de alta energia. Universidade Federal de Santa Catarin. 
Florianópolis, 2010. 
 
VILLA, Tiago. 2013. Disponível em: http://www.usp.br/nanobiodev/index.php/biossensor-para-
diabetes-com-nanotubos-de-carbono/ . Acesso em 01.09.2013. 
 
 
http://www.unicamp.br/unicamp/unicamp_hoje/ju/outubro2011/ju511pdf/Pag11.pdf
http://www.usp.br/nanobiodev/index.php/biossensor-para-diabetes-com-nanotubos-de-carbono/
http://www.usp.br/nanobiodev/index.php/biossensor-para-diabetes-com-nanotubos-de-carbono/