A Influência do tratamento superficial à plasma e o uso de buckypapers de nanotubos de carbono como elemento resistivo no processo de soldagem por resistência em compósitos de PPS/FC

Abstract

Os compósitos poliméricos têm como características a elevada resistência mecânica e rigidez, aliadas a baixa massa específica. Porém, um dos principais desafios de sua utilização é o processamento de peças com geometrias complexas e integração de componentes. Neste sentido, a soldagem por resistência elétrica tem se tornado promissora, uma vez que consiste em uma técnica de união de componentes rápida e simples de ser trabalhada. Portanto, este trabalho tem como objetivo aprimorar o processo de soldagem por resistência elétrica, substituindo o elemento resistivo metálico, por buckypaper (BP), um filme fino e poroso obtido a partir de nanotubos de carbono. Com o objetivo de aumentar a molhabilidade do compósito polimérico e, consequentemente a interação entre os componentes a serem soldados, o laminado foi tratado à plasma de descarga de barreira dielétrica (DBD) por 10 minutos. O processamento do buckypaper foi realizado via filtragem à vácuo, enquanto o laminado, via compressão à quente. Já a soldagem dos materiais foi realizada com parâmetros distintos para cada tipo de elemento resistivo. Para a malha metálica, empregou-se uma corrente elétrica de 35 A, pressão de 1,2 MPa e tempo de soldagem de 160 s. No entanto, a soldagem utilizando o BP operou com corrente de 9 A, pressão de 1,7 MPa e tempo de 100 s. A avaliação da qualidade das juntas soldadas e a influência do tratamento a plasma foram conduzidas por meio de ensaios mecânicos de cisalhamento (LSS) e análise dinâmico-mecânica (DMA). Os resultados dos ensaios de LSS demonstraram que o tratamento superficial a plasma influenciou significativamente as juntas com elemento metálico, elevando os valores de resistência média de 9,38 MPa (sem tratamento) para 14,33 MPa (com tratamento), o que representa um acréscimo de 53% na resistência da junta. Para as amostras com BP, não houve influência relevante do tratamento a plasma na resistência final (3,45 MPa sem tratamento e 3,05 MPa com tratamento), uma vez que o mecanismo de falha ocorreu na estrutura do próprio BP e não na região da interface. Por fim, o DMA evidenciou que ocorreu ativação de grupos funcionais na superfície do compósito pelo plasma, gerando aumento da mobilidade das cadeias poliméricas, resultando em um decréscimo da temperatura de transição vítrea de 5 °C.

The use of advanced polymer composites is characterized by high mechanical strength and stiffness, combined with low density. However, one of the main challenges of their utilization is the processing of parts with complex geometries and component integration. In this context, electrical resistance welding has proven promising, as it is a fast and easy-to-implement component joining technique. Therefore, this work aims to enhance the electrical resistance welding process, replacing the metallic resistive element traditionally used in this process with buckypaper (BP), a thin, porous film obtained from carbon nanotubes. With the goal of increasing the wettability of the polymer composite and, consequently, the interaction between the components to be welded, the laminate was treated with dielectric barrier discharge (DBD) plasma for 10 minutes. The buckypaper processing was carried out via vacuum filtration, while the laminate was manufactured via hot compression molding. The welding of the materials was performed using distinct parameters for each type of resistive element. For the metallic mesh, welding was carried out with an electric current of 35 A, pressure of 1.2 MPa, and a welding time of 160 s. Conversely, welding using BP was performed with a current of 9 A, pressure of 1.7 MPa, and a time of 100 s. The evaluation of welded joint quality and the influence of plasma treatment were conducted through mechanical lap shear strength (LSS) testing and dynamic mechanical analysis (DMA). The LSS test results demonstrated that surface plasma treatment significantly influenced the joints with the metallic element, increasing average strength values from 9.38 MPa (untreated) to 14.33 MPa (treated), representing a 53% increase in joint strength. For the samples with BP, there was no relevant influence of plasma treatment on the final strength (3.45 MPa untreated and 3.05 MPa treated), since the failure mechanism occurred within the BP structure itself and not at the interface region. Additionally, DMA analysis highlighted that functional group activation occurred on the composite surface due to the plasma, leading to increased polymer chain mobility and resulting in a 5 °C decrease in the glass transition temperature