Two-dimensional nanomaterials as fillers in hierarchical polymer composites for ballistic protection
| dc.contributor.advisor | Fechine, Guilhermino José Macêdo | |
| dc.contributor.author | Cremonezzi, Josué Marciano de Oliveira | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-21T13:54:07Z | |
| dc.date.available | 2025-03-21T13:54:07Z | |
| dc.date.issued | 2022-12-19 | |
| dc.description.abstract | Conflitos entre grupos são intrínsecos à raça humana. As disputas com o uso de força foram constantes ao longo da história e ainda são nos tempos atuais. Assim, aparatos de proteção precisam ser constantemente desenvolvidos para resistir a ataques de ameaças com poder de fogo cada vez maior. Esforços para o desenvolvimento de armaduras mais leves, flexíveis, confiáveis e eficientes são muito bem-vindos. Nesse sentido, a nanoestruturação da matriz de compósitos poliméricos reforçados com fibras é uma estratégia promissora para a melhoria de suas propriedades mecânicas e desempenho de proteção balística. Neste trabalho, foram desenvolvidos compósitos de proteção balística aprimorados com nanomateriais bidimensionais. Para isso, foi realizado um extenso estudo desde a seleção dos nanomateriais até a avaliação do desempenho balístico dos compósitos desenvolvidos. Óxido de grafeno (GO) e dissulfeto de molibdênio (MoS2) foram empregados como nanocargas de poli(vinil butiral), um polímero amplamente utilizado como matriz de compósitos de aramida. O GO apresentou excelente compatibilidade com o polímero, o que resultou em excelente dispersão e reforço. O módulo de Young do nanocompósito foi até 169 % maior do que o do polímero puro. Por outro lado, o MoS2 apresentou apenas uma interação modesta com o polímero, fazendo com que ficasse mal disperso na matriz. Mesmo assim, a nanocarga foi capaz de aumentar a rigidez do polímero. Além disso, na avaliação das propriedades mecânicas dos nanocompósitos, foi feita a proposta de um uso inovador da análise micromecânica, possibilitando pela primeira vez a avaliação matemática da espessura da interface polímero/carga. Os compósitos hierárquicos com matrizes reforçadas com GO ou MoS2 apresentaram tenacidade à tração até 90,3 % maior do que o compósito convencional, devido à adesão aumentada entre as fibras e as matrizes modificadas. Por fim, os compósitos hierárquicos desenvolvidos apresentaram melhor desempenho quando aplicados como coletes à prova de bala nível II-A em um teste balístico. As blindagens hierárquicas resistiram a impactos de projéteis com velocidade ~10 m s-1 maior que a convencional devido a uma capacidade específica de absorção de energia 5 % maior. Como resultado, os compósitos desenvolvidos apresentaram limite balístico 6 % superior ao convencional, mostrando que a nanoestruturação da matriz de materiais resistentes à balística é uma tecnologia promissora para o projeto de armaduras de última geração. | |
| dc.description.sponsorship | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível | |
| dc.description.sponsorship | CNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico | |
| dc.identifier.uri | https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/40274 | |
| dc.language.iso | pt_BR | |
| dc.publisher | Universidade Presbiteriana Mackenzie | |
| dc.subject | graphene oxide | |
| dc.subject | molybdenum disulfide | |
| dc.subject | poly(vinyl butyral) | |
| dc.subject | hierarchical composites | |
| dc.subject | ballistic protection | |
| dc.title | Two-dimensional nanomaterials as fillers in hierarchical polymer composites for ballistic protection | |
| dc.type | Tese | |
| local.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/8109533360196619 | |
| local.contributor.advisorOrcid | https://orcid.org/0000-0002-5520-8488 | |
| local.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/9630847911449010 | |
| local.contributor.authorOrcid | https://orcid.org/0000-0003-4676-8202 | |
| local.contributor.board1 | Raquez, Jean Marie | |
| local.contributor.board1Orcid | https://orcid.org/0000-0003-1940-7129 | |
| local.contributor.board2 | Carastan, Danilo Justino | |
| local.contributor.board2Lattes | http://lattes.cnpq.br/7462836318959519 | |
| local.contributor.board3 | Domingues, Sergio Humberto | |
| local.contributor.board3Lattes | http://lattes.cnpq.br/3585264786800637 | |
| local.contributor.board3Orcid | https://orcid.org/0000-0001-7190-3803 | |
| local.contributor.board4 | Ribeiro, Hélio | |
| local.contributor.board4Lattes | http://lattes.cnpq.br/0766240077339002 | |
| local.contributor.coadvisor | Andrade, Ricardo Jorge Espanhol | |
| local.contributor.coadvisorLattes | http://lattes.cnpq.br/2704277390841473 | |
| local.contributor.coadvisorOrcid | https://orcid.org/0000-0002-6902-8269 | |
| local.description.abstracten | Conflicts among groups are intrinsic to the human race. Disputes with the use of force have been constant throughout history and still are in current times. Hence, protective devices must be constantly developed to resist attacks from threats with increasing firepower. Efforts to develop lighter, more flexible, trustable, and efficient armor are highly welcome. In this sense, the matrix nanostructuration of fiber-reinforced polymer composites is a promising strategy for improving mechanical properties and ballistic protection performance. In this work, ballistic protection composites were enhanced with two-dimensional nanomaterials. An extensive study was conducted since the nanomaterials’ selection up to the evaluation of the ballistic performance of the developed composites. Graphene oxide (GO) and molybdenum disulfide (MoS2) were employed as nanofillers of poly(vinyl butyral), a polymer widely used as a matrix of aramid composites. GO presented excellent compatibility with the polymer, which resulted in excellent dispersion and reinforcement effect. The Young’s modulus of the nanocomposite was up to 169 % higher than that of the neat polymer. On the other hand, MoS2 presented only a modest interaction with the polymer, causing it to be poorly dispersed in the matrix even though the nanofiller increased the polymer stiffness. Moreover, while evaluating the mechanical properties of the nanocomposites, the proposal of an innovative use of micromechanical analysis was made, allowing the mathematical assessment of the polymer/filler interface thickness for the first time. The hierarchical composites with GO- and MoS2-enhanced matrices had tensile toughness up to 90.3 % higher than the conventional composite due to the enhanced adhesion between the fibers and the modified matrices. Lastly, the developed hierarchical composites presented improved performance when applied as level II-A bulletproof vests in a ballistic test. The hierarchical armors resisted projectile impacts with a velocity ~10 m s-1 higher than the conventional one due to a specific energy absorption capacity 5 % higher. As a result, the developed composites had a ballistic limit 6 % higher than the conventional composites, showing that the matrix nanostructuration of ballistic-resistant materials is a promising technology for designing next-generation armors. | |
| local.keywords | óxido de grafeno | |
| local.keywords | dissulfeto de molibdênio | |
| local.keywords | poli(vinil butiral) | |
| local.keywords | compósitos hierárquicos | |
| local.keywords | proteção balística | |
| local.publisher.country | Brasil | |
| local.publisher.department | Escola de Engenharia Mackenzie (EE) | |
| local.publisher.initials | UPM | |
| local.publisher.program | Engenharia de Materiais e Nanotecnologia | |
| local.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS |