Caracterización Morfológica, Eléctrica y Mecánica de un Compuesto Trifásico Sostenible a Base de Caucho Natural, Residuos de Cuero y Partículas de PZT
DOI:
https://doi.org/10.33448/rsd-v14i10.49793Palabras clave:
Compuestos piezoeléctricos, Caucho natural, Residuos de cuero, PZT, Propiedades eléctricas y mecánicas.Resumen
El propósito de este estudio es evaluar las propiedades morfológicas y eléctricas de un compuesto hecho de caucho natural vulcanizado (VNR) reforzado con partículas de PZT y residuos de cuero (LR). Los materiales se procesaron utilizando un método simple de mezcla de rodillo abierto, manteniendo proporciones constantes de natural caucho y residuos de cuero, mientras que variaba el contenido de PZT a 25 y 50 phr. La microscopía electrónica de barrido reveló una dispersión homogénea tanto de las LR como de las partículas de PZT dentro de la matriz de caucho, sin aglomeraciones visibles, lo que confirma la efectividad del proceso de mezcla. Los análisis de impedancia eléctrica indicaron que todos los compuestos exhibieron conductividad dependiente de la frecuencia, una característica de los materiales sólidos desordenados. Las muestras con mayores concentraciones de PZT mostraron un aumento de la conductividad a bajas frecuencias, principalmente debido al movimiento dipolar dentro de la fase cerámica. La permitividad dieléctrica y la capacitancia también disminuyeron con el aumento de la frecuencia, mientras que el compuesto con 50 phr de PZT presentó la constante dieléctrica y la capacidad de almacenamiento de energía más altas. Las pruebas mecánicas demostraron que la inclusión de residuos de cuero mejoró la resistencia a la tracción y redujo el alargamiento a la rotura, actuando como refuerzo fibroso. La adición de partículas de PZT aumentó la rigidez, lo que resultó en un comportamiento ligeramente más frágil. El compuesto trifásico VNR-LR/PZT con 50 phr PZT logró el mejor equilibrio entre la resistencia mecánica y el rendimiento eléctrico. En general, los resultados confirman que el compuesto desarrollado exhibe un prometedor comportamiento multifuncional, adecuado para aplicaciones de detección piezoeléctrica y captación de energía. Además, la reutilización de residuos de cuero ofrece una alternativa respetuosa con el medio ambiente, convirtiendo un residuo industrial en un material funcional de alto valor con beneficios tanto tecnológicos como ecológicos.
Referencias
Abubakar, I. R., Maniruzzaman, K. M., Dano, U. L., AlShihri, F. S., AlShammari, M. S., Ahmed, S. M. S., Al-Gehlani, W. A. G., & Alrawaf, T. I. (2022). Environmental Sustainability Impacts of Solid Waste Management Practices in the Global South. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(19), 12717. https://doi.org/10.3390/ijerph191912717
Araújo, S. S., Santos, G. T. A., Tolosa, G. R., Hiranobe, C. T., Budemberg, E. R., Cabrera, F. C., Silva, M. J. da, Paim, L. L., Job, A. E., & Santos, R. J. dos. (2023). Acai Residue as an Ecologic Filler to Reinforcement of Natural Rubber Biocomposites. Materials Research, 26(suppl 1). https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2022-0505
Arnau, A., & Soares, D. (2009). Fundamentals of Piezoelectricity. Em Piezoelectric Transducers and Applications (p. 1–38). Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77508-9_1
Bowen, C. R., Topolov, V. Yu., & Kim, H. A. (2016). Modern Piezoelectric Energy-Harvesting Materials (Vol. 238). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-29143-7
Callister, W. D. (1991). Materials science and engineering: An introduction (2nd edition). Materials & Design. https://doi.org/10.1016/0261-3069(91)90101-9
Cavalcante, D. G. S. M., Gomes, A. S., Santos, R. J., Kerche-Silva, L. E., Danna, C. S., Yoshihara, E., & Job, A. E. (2018). Composites Produced from Natural Rubber and Chrome-Tanned Leather Wastes: Evaluation of their In Vitro Toxicological Effects for Application in Footwear and Textile Industries. Journal of Polymers and the Environment, 26(3), 980–988. https://doi.org/10.1007/s10924-017-1002-9
Cavalcante, D. G. S. M. S. M., Gomes, A. S., Dos Reis, E. A. P., Danna, C. S., Kerche-Silva, L. E., Yoshihara, E., Job, A. E., Ap, E., Danna, C. S., Silva, L. E. K., Yoshihara, E., & Job, A. E. (2017). In vitro cytotoxicity and genotoxicity of composite mixtures of natural rubber and leather residues used for textile applications. Toxicology and Industrial Health, 33(6), 478–486. https://doi.org/10.1177/0748233716674398
Costa, J. G. L., Rodrigues, P. H. F., Paim, L. L., Sanches, A. O., Malmonge, J. A., & Da Silva, M. J. (2020). 1-3 castor oil-based polyurethane/PZT piezoelectric composite as a possible candidate for structural health monitoring. Materials Research, 23(5), 1–9. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2020-0205
Covington, A. D., & Wise, W. R. (2020). Current trends in leather science. Journal of Leather Science and Engineering, 2(1), 28. https://doi.org/10.1186/s42825-020-00041-0
de Azevedo, C. G., dos Santos, R. J., Hiranobe, C. T., Zanette, A. F., Job, A. E., & Silva, M. J. (2023). The invasive Egeria densa macrophyte and its potential as a new renewable energy source: A study of degradation kinetics and thermodynamic parameters. Science of The Total Environment, 856, 158979. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158979
De Campos Fuzari, G., Orlandi, M. O., Longo, E., Melo, W. L. D. B., & Sakamoto, W. K. (2013). Effect of controlled conductivity on thermal sensing property of 0-3 pyroelectric composite. Smart Materials and Structures. https://doi.org/10.1088/0964-1726/22/2/025015
Freire Filho, F. C. M., Santos, J. A., Sanches, A. O., Medeiros, E. S., Malmonge, J. A., & Silva, M. J. (2023). Dielectric, electric, and piezoelectric properties of three‐phase piezoelectric composite based on castor‐oil polyurethane, lead zirconate titanate particles and multiwall carbon nanotubes. Journal of Applied Polymer Science, 140(9). https://doi.org/10.1002/app.53572
Furukawa, T. (1989). Piezoelectricity and pyroelectricity in polymers. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 24(3), 375–394. https://doi.org/10.1109/14.30878
Ghosh, A. K., & Dwivedi, M. (2020). Advantages and Applications of Polymeric Composites. Em Processability of Polymeric Composites (p. 29–57). Springer India. https://doi.org/10.1007/978-81-322-3933-8_2
Gong, Y., Liu, X., Huang, L., & Chen, W. (2010). Stabilization of chromium: An alternative to make safe leathers. Journal of Hazardous Materials, 179(1–3), 540–544. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.03.037
Jackson, N., Mathewson, A., Ramadan, K. S., Sameoto, D., & Evoy, S. (2014). A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers. Smart Materials and Structures, 23(3). https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/3/033001
Katsumi, W., Fuzari Jr, G. de C., Aparecida, M., & de Freitas, R. L. B. (2011). Lead Titanate-Based Nanocomposite: Fabrication, Characterization and Application and Energy Conversion Evaluation. Em Ferroelectrics - Material Aspects. https://doi.org/10.5772/18238
Malmonge, J. A., Malmonge, L. F., Fuzari, G. C., Malmonge, S. M., & Sakamoto, W. K. (2009). Piezo and dielectric properties of PHB-PZT composite. Polymer Composites. https://doi.org/10.1002/pc.20719
Patsidis, A., & Psarras, G. C. (2008). Dielectric behaviour and functionality of polymer matrix - Ceramic BaTiO 3 composites. Express Polymer Letters, 2(10), 718–726. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2008.85
Rebeque, P. V., Silva, M. J., Cena, C. R., Nagashima, H. N., Malmonge, J. A., & Kanda, D. H. F. (2019). Analysis of the electrical conduction in percolative nanocomposites based on castor-oil polyurethane with carbon black and activated carbon nanopowder. Polymer Composites, 40(1), 7–15. https://doi.org/10.1002/pc.24588
Rhodes, S. M. (2007). Electrically conductive polymer composites. December, 1–250.
Riaz, U., & Ashraf, S. M. (2013). Conductive Polymer Composites and Blends: Recent Trends. Em Nanostructured Polymer Blends. Elsevier Inc. https://doi.org/10.1016/B978-1-4557-3159-6.00015-8
Ruiz, M. R., Budemberg, E. R., da Cunha, G. P., Bellucci, F. S., da Cunha, H. N., & Job, A. E. (2015). An innovative material based on natural rubber and leather tannery waste to be applied as antistatic flooring. Journal of Applied Polymer Science, 132(3), n/a-n/a. https://doi.org/10.1002/app.41297
Sampathkumar, P., Gowdhaman, P., Sundaram, S., & Annamalai, V. (2013). A Review on PZT-Polymer Composites : Dielectric and Piezoelectric Properties. NANO VISION.
Sanches, A. O., Kanda, D. H. F., Malmonge, L. F., da Silva, M. J., Sakamoto, W. K., & Malmonge, J. A. (2017). Synergistic effects on polyurethane/lead zirconate titanate/carbon black three-phase composites. Polymer Testing, 60, 253–259. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.03.031
Santos, R. J., Agostini, D. L. S., Cabrera, F. C., Budemberg, E. R., & Job, A. E. (2015). Recycling leather waste: Preparing and studying on the microstructure, mechanical, and rheological properties of leather waste/rubber composite. Polymer Composites, 36(12). https://doi.org/10.1002/pc.23140
Sivaram, N. M., & Barik, D. (2019). Toxic Waste From Leather Industries. Em Energy from Toxic Organic Waste for Heat and Power Generation (p. 55–67). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102528-4.00005-5
Tyagi, S., Garg, N., & Paudel, R. (2014). Environmental Degradation: Causes and Consequences. European Researcher, 81(8–2), 1491. https://doi.org/10.13187/er.2014.81.1491
Venkatragavaraj, E., Satish, B., Vinod, P. R., & Vijaya, M. S. (2001). Piezoelectric properties of ferroelectric PZT-polymer composites. Journal of Physics D: Applied Physics. https://doi.org/10.1088/0022-3727/34/4/308
Yang, M., Chen, L., Wang, J., Msigwa, G., Osman, A. I., Fawzy, S., Rooney, D. W., & Yap, P.-S. (2023). Circular economy strategies for combating climate change and other environmental issues. Environmental Chemistry Letters, 21(1), 55–80. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01499-6
Yang, Z., Zeng, D., Wang, H., Zhao, C., & Tan, J. (2015). Harvesting ultrasonic energy using 1-3 piezoelectric composites. Smart Materials and Structures, 24(7). https://doi.org/10.1088/0964-1726/24/7/075029
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