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O trabalho de mestrado desenvolvido teve como objetivo principal a melhoria das propriedades térmicas e mecânicas de uma matriz poliuretano termorrígido elastomérico por meio da preparação de nanocompósitos poliméricos com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (não modificados e modificados quimicamente). Para isso, foram preparadas suspensões estáveis dos nanotubos (com diferentes concentrações) em poli(tetrametileno éter glicol) com o emprego de moinho de rolos com separação micrométrica. Utilizou-se nanotubos de carbono sintetizados na UFMG (Laboratório de Nanomateriais do Departamento de Física) que foram modificados por tratamento ácido e pela inserção de grupos isocianato. Imagens obtidas por microscopias eletrônicas de varredura e transmissão mostraram que os procedimentos desenvolvidos não causaram alteração significativa na razão de aspecto dos nanotubos. Dados de termogravimetria indicaram que os teores de grupos oxigenados e de grupos isocianato inseridos na superfície dos nanotubos foram da ordem de 7% e 36%, respectivamente. Numa etapa posterior, as suspensões nanotubo/poliol foram reagidas com 2,4-tolueno diisocianato e 1.4-butanodiol para a produção de pré-polímeros de poliuretano. As condições de processamento e quantidade dos reagentes foram desenvolvidas para que o teor de NCO livre desses pré-polímeros ficasse na faixa de 7,2 a 7,8. Os nanocompósitos foram preparados pela reação do pré-polímero (via grupos NCO livres) com o agente de cura 4,4-metileno-bis-orto-cloro-anilina. Imagens em diferentes escalas obtidas por microscopias ótica, eletrônicas de varredura e transmissão demostraram que embora existam agregados milimétricos de nanotubos, houve dispersão da nanocarga nas escalas micro e nanométricas. Em todos os compósitos existem pequenas regiões com agregados de nanotubos, além de em pequenos feixes e nanotubos isolados ao longo da matriz. Os nanotubos foram recobertos pela matriz, o que sugere boa adesão carga/PUE, principalmente nos compósitos com nanotubos modificados por tratamento ácido e com isocianato. Os nanotubos estão ¿costurando¿ a matriz de PUE, uma característica importante para seu efeito como reforço mecânico. Resultados de termogravimetria mostraram que os MWCNTs não exercem (para nenhuma concentração ou tipo de nanotubo) grande influência na estabilidade térmica e no mecanismo de degradação da matriz polimérica. Os ensaios mecânicos de tração, rasgo e dureza mostraram que os nanocompósitos produzidos apresentaram melhoras significativas em todas as propriedades analisadas. Os melhores resultados foram encontrados para o compósito preparado com 0,26% (em massa) de nanotubos modificados com isocianato, no qual pode-se verificar aumentos de até 17% no módulo de elasticidade, 23% na resistência ao rasgo com manutenção da resistência à tração, alongamento na ruptura, tenacidade e dureza. Os procedimentos de modificação da superfície dos nanotubos, dispersão em poliol e preparação de pré-polímero desenvolvidos neste trabalho permitem a produção de nanocompósitos sem grandes impactos na cadeia de valores do polímero e que podem ser utilizados em aplicações que requeiram grande solicitação mecânica. The main goal of this work is to verify the improvement of thermal and mechanical properties on an elastomeric thermoset polyurethane matrix through the preparation of polymeric nanocomposites with multi-walled carbon nanotubes (unmodified and chemically modified). For that, stable suspensions of nanotubes were prepared (with different concentrations) in poly (tetramethylene ether glycol) with the employment of a roll mill with micrometric separation. It were used carbon nanotubes synthesized at UFMG (Laboratory of Nanomaterials/ Physics Department) that have been modified by acid treatment and by the insertion of isocyanate groups. Images obtained by scanning and transmission electronic microscopies showed that the developed procedures did not cause significant change in the aspect ratio of the nanotubes. Thermogravimetric data indicated that the amount of oxygenated and isocyanate groups placed on the surface of the nanotubes were of the order 7% and 36%, respectively. In a subsequent step, the nanotube/polyol suspensions were reacted with 2,4-toluene diisocyanate and 1,4-butanediol for the production of polyurethane prepolymers. The processing conditions and the quantity of reagents had been developed for keep the free NCO contents in the prepolymers in the range from 7.2 to 7.8. The nanocomposites were prepared by the prepolymer reaction (via free NCO groups) with the 4,4-methylene-bis-ortho-chloroaniline cure agent. Images at different scales obtained by optical, and scanning and transmission electronic microscopies demonstrated that, despite of the existence of millimeter aggregated of nanotubes, the nanofiller was dispersed at the micro and nanometric scales. In all composites there are small regions with aggregated nanotubes, besides of small bundles and isolated nanotubes throughout the matrix. The nanotubes were covered by the matrix, suggesting good adhesion filler/PUE, especially in the composites prepared with acid and isocyanate modified nanotubes. The nanotubes are "sewing" the PUE matrix. This is an important feature for their effect as mechanical reinforcement. Thermogravimetry results showed that MWCNTs dont have (in any concentration or type of nanotube) major influence on the thermal stability and degradation mechanism of the polymeric matrix. The tensile, tear and hardness tests showed that the produced nanocomposites presented significant improvements in all analyzed properties. The best results were verified for the composite prepared with 0.26 wt% of isocyanate-modified nanotubes. In this composite it was verified an increase of 17% in elasticity modulus, and 23% in tear resistance with maintenance of the tensile strength alongation at break, tenacity and hardness. The procedures of modification of nanotubes surface, dispersion in polyol and preparation of the prepolymer developed in this study allowed the production of nanocomposites without major impact on the value chain of the polymer and that can be used in applications requiring large mechanical loads.

O presente trabalho teve por objetivo a preparação e caracterização de nanocompósitos poliméricos formados por um poliuretano termorrígido elastomérico (PUE) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) não modificados e modificados via tratamento ácido e com isocianato. Os PUE são materiais relevantes,pois são utilizados em diversos setores industriais tais como eletrônico, aeroespacial, automobilístico e na medicina.A análise termogravimétrica mostrou que os MWCNTs modificados (comerciais), apresentaram 4,0% de perda de massa, que pode ser atribuída aos grupos oxigenados. Já os MWCNTs modificados com isocianato (MWCNT-NCO), sintetizados neste trabalho, apresentaram 30,0% de perda de massa que pode ser atribuída ao isocianato e grupos oxigenados residuais. A espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) e a espectroscopia de ressonância magnética nuclear de alta resolução com giro no ângulo mágico (RMN HRMAS) foram utilizadas para estudar as , funções oxigenadas e isocianatos ligados covalentemente à superfície dos MWCNTs. Processos que empregam um misturador de alto cisalhamento e moinho de rolos foram desenvolvidos para o preparo de três sistemas distintos de compósitos de poliuretanos (PUE) baseados em MWCNTs dispersos em pré-polímero e em poliol. A sequência de aperfeiçoamentos realizados nos três tipos de sistemas preparados foi motivada pela necessidade de resolver problemas experimentais tais como: diminuir a influência negativa da umidade na etapa de dispersão dos nanotubos; e melhorar a qualidade da dispersão e interação dos nanomateriais na matriz polirnérica. No primeiro sistema, foram preparados dois concentrados (masterbatches) contendo 3,0 e 5,0% (em massa) de MWCNTs não modificados e oxigenados (também chamados carboxi lados), respecti vamente, d ispersos em pré-pol ímero. Estes concentrados foram diluídos, e deram origem a compósitos com concentrações entre 0,25 e 1,0% (em massa) de MWCNTs. Os compósitos contendo 0,5% (em massa) de MWCNT carboxilados se destacaram entre os demais, apresentando aumentos de 47,0 e 32,0% no rnódulo de elasticidade e tensão na ruptura, respectivamente, quando comparados à PUE. Dados de análise térmica dinâmico-mecânica (DMTA) revelaram que os cornpósitos produzidos a partir de MWCNT não modificados e carboxilados, apresentaram um aumento de aproximadamente 20°C na Tg em relação à Tg do PUE.Em um segundo sistema, foram preparados dois concentrados contendo 3.0% (em massa) de MWCNT não modificado e MWCNT carboxilados, dispersos em poliol. Estes concentrados deram origem a compósitos contendo 0,5% (em massa) de MWCNTs. Para os compósitos contendo MWCNTs carboxilados, foram observados ganhos na tensão na ruptura e no alongamento quando comparados ao PUE. Além disso, valores de condutividade elétrica que permitem a dissipação eletrostática foramalcançados para estes compósitos. No caso do terceiro sistema, MWCNTs-NCO foram dispersos em polio!. Para este sistema os compósitos já foram preparados diretamente nas concentrações de 0,25 e 0,5% (em massa) de MWCNT-NCO. O compósito contendo 0,25% (em massa) de MWCNT-NCO apresentou um aumento de aproximadamente 3 J ,0% na resistência ao rasgamento quando comparado à PUE. Aumentos na tensão na ruptura, alongamento e tenacidade, também foram observados para este compósito. Já o compósito contendo 0,5% (em massa) de MWCNT-NCO apresentou um aumento de aproximadamente 9,0 % na abrasão quando comparado à PUE. A técnica de nanoindentação foi utilizada para a determinação do módulo de elasticidade e da dureza na sub-superfície de PUE e dos compósitos provenientes dos sistemas um e três. Sendo uma técnica avançada de caracterização com resolução nanométrica, os seus resultados permitiram elaborar comparações com os resultados dos ensaios mecânicos convencionais. Dados de microscopias óptica e eletrônica indicaram uma melhor dispersão tanto dos MWCNTs-COOH quanto dos MWC Ts- CO na matriz do polímero, em relaçãoao MWCNT sem modificação superficial. Isto foi erificado nos estudos dos três sistemas e permitiu afirmar que os incrementos em propriedades térmicas e mecânicas obtidos estão associados às qualidades de compatibilidade química entre matriz e superfície dos nanotubos. De fato, este trabalho mostrou que a modificação covalente da superfície dos MWCNTs e a utilização de estratégias eficientes de dispersão são essenciais para otimizar as propriedades finais dos compósitos. The present work aimed to the preparation and characterization of polymer nanocomposites produced with a thermoset polyurethane elastomer (PUE) and multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) unmodified and modified by acid treatment and isocyanate. The PUE are relevant materiaIs because they are used in many industrialsectors such as electronics, aerospace, automotive and medicine.Thermogravimetric analysis showed that the functionalized MWCNTs(commercial) presented 4.0% of mass loss, which can be attributed to oxygen containing groups. The MWC T modified with isocyanate (MWCNT-NCO) synthesized in this work showed 30.0% of mass loss that is assigned to the isocyanate groups and residual oxygen containing groups. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the high-resolution nuclear magnetic resonance with magic angle spinning(HRMAS NMR) were used to study the oxygenated functions and isocyanates covalently bonded to the surface of MWCNTs.Processes which employ a high shear mixer and mill rolls were employed for the preparation of three different polyurethane composites (PUE) based on MWC Ts dispersed in prepolymer and polyol. The sequence of improvements applied in the three systems was motivated by the need of solving experimental problems such as todecrease the negative influence of moisture in the dispersion of the nanotubes; and improve the quality of the dispersion and interaction of the nanomaterials with the polymer matrix. In the first system, two masterbatches were prepared containing 3.0 and 5.0 wt%of unmodified and oxygenated MWCNTs dispersed, respectively, in the prepolymer. These concentrates were diluted, and resulted in composites with concentrations between 0.25 and 1.0 wt% of MWCNTs. The composites containing 0.5 wt% of oxygenated MWCNT exhibited the best increases of 47.0 and 32.0% in the elastic modulus and tensile strength, respectively, when compared to the PUE. Dynamic mechanical therrnal analysis data (DMTA) showed that both composites, produced from oxygenated and unrnodified MWCNT, showed an increase of about 20°C with respect to the Tg of PUE. In a second system, two concentrates were prepared containing 3.0 wt% of MWCNT unmodified and modified dispersed in polyol. These concentrates resulted, after dilution, in cornposites containing 0.5 wt% of MWCNTs. For the compositecontaining oxygenated MWCNT, were observed gains m the tensile strength and elongation when compared to the PUE. In addition, electrical conductivity values that allow electrostatic dissipation were achieved for these composites. In the case ofthe third system, the MWCNT-NCO were dispersed in the polyol. The composites were prepared directly at the concentrations of 0.25 and 0.5 wt% of MWCNT-NCO for this system. The composite containing 0.25 wt% of MWCNT-NCO presented an increase of 31.0% in the tear strength when compared to PUE. lncreases intensile strength, elongation and tenacity were also observed for this composite. Moreover, the composite containing 0.5 wt% of MWCNT-NCO presented an increase of 9.0% in abrasion when compared to PUE.The nanoindentation technique was used to determine the elastic modulus and hardness in the sub-surface of PUE and the composites prepared with the first and third systems. This is an advanced technique of characterization with nanometer resolution and the results allowed a cornparative analysis with respect to the results of conventional mechanical tests. Optical and electron microscopy data indicated an improved dispersion of the MWCNT-COOH and MWCNT-NCO in the polymer matrix. The studies of the three systems suggest that the increases in thermal and mechanical properties are associatedwith chemical compatibility between matrix and nanotube surfaces. It can be affirrn that this study showed that the covalent modification in surface of MWCNTs and the use of efficient dispersion strategies are essential to optimize the final properties of the composites.