A FORMA DE PROCESSAMENTO DE NANOMATERIAIS

RELATÓRIO 9 - FORMA DE PROCESSAMENTO DE NANOMATERIAIS

-ELETROFIAÇÃO-

Bárbara Lois Mathias – RA: 141322829

Bruno Hangai - RA: 141320753

Emanuele Scheneider – RA: 131321803

Fernanda Jandotti -  RA: 141323493

Viviane Vieira -  RA: 141325306

Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Departamento de Materiais e Tecnologia

1. Introdução

1. Nanomateriais

Com a promessa de ter um impacto de longo alcance na sociedade moderna, os compósitos micro e nanoestruturados têm se mostrado como uma área de intensa atividade na última década. Diversas linhas de pesquisas foram criadas com o intuito de adicionar nanopartículas ou nanoreforços em matrizes poliméricas com o propósito de gerar melhorias nas propriedades específicas de compósitos com aplicações avançadas. Esta nova classe de materiais avançados apresenta melhorias significativas nas propriedades mecânicas, elétricas e térmicas, as quais são difíceis de serem obtidas quando da utilização de reforços tradicionais como as fibras de carbono, vidro e aramida [1-3].

Os materiais nanoestruturados são aqueles com dimensões entre 1 a 100 nm, enquanto que materiais com dimensões acima destas se enquadram na categoria dos microestruturados. Estas dimensões resultam em materiais com características diferentes daquelas observadas para sólidos cristalinos específicos, em razão dos efeitos de tamanho e da área superficial apresentados. Atualmente, há uma infinidade de exemplos de estruturas de dimensões submicrométricas de origem natural, às quais podem ser semelhantes às dimensões dos materiais produzidos pelo homem [1].

        Como resultado da redução da dimensão média das partículas dos materiais, tem-se um crescimento considerável da área superficial por unidade volume. Este aumento considerável da área da superfície, correspondente ao volume de material, determina diferentes características dos nanomateriais, sendo que a atividade catalítica é um exemplo disso.  Dentro deste conceito, as nanofibras vêm sendo consideradas como um dos reforços mais adequados para a obtenção de compósitos nanoestruturados. Nos últimos anos, estudos demonstram que a incorporação de partículas em escalas micro e nano vem colaborando pelas melhorias nas propriedades mecânicas de materiais poliméricos reforçados com fibras, ou seja, através da introdução de uma segunda fase particulada sendo ela em tamanho micro ou nano, ou até mesmo a combinação das duas pode-se elevar a resistência mecânica final de um compósito [4].

 

1. Eletrofiação

Recentemente, devido à possibilidade de obtenção de fibras de diâmetros na faixa de 5 a 500 nm, o método de eletrofiação tem sido muito estudado. Eletrofiação consiste em uma técnica de produção de fibras com diâmetros em escala nanométrica (nanofibras). Essa tecnologia é considerada uma poderosa ferramenta por ser um método simples, barato e versátil, importante para a fabricação de produtos ou estruturas que dependem da área de superfície elevada. Tem sido utilizada com sucesso em diversas áreas como  Biotecnologia, farmacêutica, produção de nanocatalisadores, engenharia ambiental, segurança, medicina, em especial na engenharia de tecidos [5-7].

A técnica de eletrofiação é uma abordagem única usando forças eletrostáticas para a produção de nanofibras a partir de soluções de polímeros com área de superfície maior do que as fibras obtidas por outros processos de fiação convencionais. Basicamente, um sistema de eletrofiação consiste em três componentes principais: uma fonte de alta tensão, uma seringa com capilar e um coletor aterrado (normalmente uma placa metálica ou mandril rotativo). A fonte de alta tensão para oferece carga de polaridade dentro da solução de polímero na seringa,que então é acelerada para o coletor de polaridade oposta. Inicialmente os polímeros são dissolvidos completamente em certos solventes para formar a solução polimérica que é introduzida para dentro da seringa e submetida a um campo elétrico onde uma carga elétrica é induzida sobre sua superfície devido a este campo formando inicialmente o Cone de Taylor. Quando o campo elétrico atinge um valor crítico, as forças elétricas vencem a tensão superficial e um jato de solução é ejetado a partir do cone de Taylor rumo ao coletor aterrado. Enquanto percorre o espaço entre a ponta do capilar e o coletor existe a evaporação do solvente, sendo coletado apenas o polímero [7,8]. A figura 1 ilustra a aparelhagem utilizada na eletrofiação.

[pic 2]

Fig. 1 – Esquema do equipamento utilizado na eletrofiação [9].

Alguns fatores podem influenciar na aquisição das mantas fibrílicas extremamente finas durante seu processamento tais como: a tensão elétrica aplicada; a concentração polímero/solvente; adição de sais na solução (composição química); a vazão de saída da solução do capilar; o diâmetro do orifício da seringa e a distância entre a extremidade do capilar até o coletor, ou seja, distância de trabalho. Fatores ambientais como: temperatura; umidade relative do ar; e pressão atmosférica também podem influenciar nos resultados obtidos pelo processo de eletrofiação [9-11].

No processo de eletrofiação, visando diminuir a quantidade de defeitos durante a formação das fibras, deve ocorrer a repulsão eletrostática das cargas do jato, aumentando consequentemente sua área superficial, sendo que, no decorrer do trajeto destas fibras, há a evaporação gradativa do solvente presente na solução polimérica. Com isso a viscosidade do material vai sendo gradativamente alterada devido a mudança de concentração da solução polimérica desde a saída do jato até a formação da fibra. A presença de defeitos, conhecidos como defeitos tipo contas, ou a formação de um pó ao invés da manta com fibras interconectadas pode ocorrer se a superfície total do jato tende a ser diminuída pela tensão superficial, gerando uma instabilidade no jato, rompendo-o na forma de gotículas esféricas [5,6].