ÁREA: Química dos Materiais
TÍTULO: SÍNTESE DE POLÍMERO PRECURSOR DE MÚSCULO ARTIFICIAL PARA APLICAÇÃO EM ROBÓTICA
AUTORES: PRADO,A.R.-UFES
FILHO,E.A.S.-UFES
SCHNEEBELI,H.J.A.-UFES
ALMEIDA, L. C. P. - UFES
BESSA,H.V.-UFES
RESUMO: O presente trabalho descreve a síntese de um polímero precursor de músculo artificial, materiais que mimetizam músculos humanos. O polímero utilizado foi a poliacrilonitrila, devido sua alta resistência mecânica e grande capacidade de variação volumétrica por acionamento químico (SCHREYER, et al., 2000).
O processo de síntese consistiu na polimerização via radical livre em meio aquoso dos monômeros da poliacrilonitrila. Após a síntese, foram realizadas três etapas de processamento do material: tratamento térmico, alcalino e dopagem do material. Por fim o material foi submetido a testes de condutividade e acionamento químico em solução aquosa e alcoólica. O material final foi caracterizado por espectroscopia no infravermelho, UV-Visível e medidas de condutividade elétrica.
PALAVRAS CHAVES: poliacrilonitrila (pan), músculo artificial, infravermelho
INTRODUÇÃO: Um grande desafio dos construtores de atuadores, ou dispositivos geradores de movimento, é buscar um equivalente artificial dos músculos. Simplesmente alterando seu comprimento em resposta a estímulos nervosos, os músculos são capazes de exercer quantidades controladas de força suficiente para piscar os olhos ou praticar levantamento de peso. Os músculos também têm a propriedade da invariância de escala (independe do tamanho). Assim, algo semelhante à força muscular pode ser útil para acionar dispositivos para os quais não é fácil construir motores elétricos minúsculos e próteses médicas (ASHLEY, et al, 2006).
Atualmente uma nova classe de polímeros se destaca na busca de equivalentes dos músculos. Chamado de polímero eletroativo (EAP). Os novos músculos artificiais conseguem distender-se até cinco vezes seu tamanho original e alguns modelos sobrevivem a mais de 10 milhões de ciclos de acionamento.
Dentre as varias classes de polímeros eletroativos estudados atualmente há destaque para os Géis iônicos. São materiais de fácil síntese e grande potencialidade para serem empregados como músculos artificiais, um bom exemplo é a poliacrilonitrila.
MATERIAL E MÉTODOS: A síntese foi realizada via reação por radical livre, pela adição de 50 mL de água deionizada, 0,5g de peróxido de benzoíla e 25mL do monômero. Em seguida o sistema foi aquecido à temperatura constante de 60°C por 2 horas (SÁNCHEZ-SOTO, et al, 2000). Após duas horas de aquecimento, observou-se a formação do polímero, sendo cinco vezes lavado com água destilada e separado da solução por filtração a vácuo. O sólido cristalino obtido foi colocado numa estufa à temperatura de 60°C para secar e após a secagem foi pulverizado.
Tratamento térmico: 8 gramas do polímero foram aquecidos a 180°C por um período de 3,5 horas, periodicamente a PAN foi agitada para uniformizar o aquecimento.
Tratamento alcalino: 20 mL de uma solução concentrada de NaOH foi adicionado ao produto obtido no tratamento térmico, sendo aquecido por 30 minutos a temperatura de 100°C.
Dopagem: ao produto obtido no tratamento alcalino foi adicionado sulfato de cobre e sulfito de sódio (agente redutor do cobre), de modo a ter 2% de cobre em sua estrutura molecular.
Ativação química: Uma fita do material de dimensões 20mm×2 mm×1mm foi colocada em água destilada e álcool etílico, e verificado seu comportamento mecâni
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A caracterização da poliacrilonitrila foi realizada em trabalhos anteriores no laboratório de físico-químico da UFES (ALMEIDA, et al., 2005).
Após a etapa de tratamento térmico foi realizada a espectroscopia do material com objetivo de encontrar parâmetros viáveis a execução do tratamento alcalino já relatado por alguns autores (SCHREYER et al., 2000).
A banda 2244 cm-1 caracteriza a deformação axial do grupo CN presente na cadeia polimérica da poliacrilonitrila pura, sua presença bem acentuada deu um bom indicativo para o processo realizado no tratamento alcalino e hidrólise alcalina dos grupos CN que forneceu um material elástico, sendo acompanhado de grande aumento de volume.
O material dopado se mostrou de baixa intensidade (na ordem de 10-3S/m).
Na espectroscopia UV-Visível, o material apresentou bandas características em 306 e 378nm, de baixas intensidades.
A ativação química promoveu aumento do volume do material em meio aquoso e sua diminuição em meio alcoólico, sendo respostas mecânicas rápidas. Na Tabela 1 são apresentados imagens das respostas mecânicas e seu tempo de operação.
CONCLUSÕES: O polímero sintetizado no laboratório de físico-químico da UFES expõe uma importante característica para sua aplicação como atuadores em robótica, fato comprovado pelo acionamento realizado em fase liquida com o meio aquoso e alcoólico. Sua estrutura molecular e a total compreensão dos mecanismos de acionamento químicos ainda não são bem conhecidas, porém técnicas com a espectroscopia infravermelha pode ser uma grande aliada na investigação dos comportamentos desse material de grande potencialidade para aplicações em próteses médicas e em robótica.
AGRADECIMENTOS:Ao professor Marcos Benedito José Geraldo de Freitas do DQUI/UFES pelos auxílios prestados a realização desse trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA:Ashley, S. Novos polímeros controlados eletricamente podem mover robôs e próteses. Revista Scientific American Brasil, Edição Nº 18, nov 2003. Disponível em: . Acesso em 8 jun. 2006.
Sánchez-Soto, P.J.; Avilés, M. A.; Dío, J.C.; Ginés, J. M.; Pascual; Pérez-Rodrígueza, J. L. Thermal study of the effect of several solvents on polymerization of acrylonitrile and their subsequent pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. p. 155-172, April 2000.
Schreyer, H.B.; Gebhart, N; Kim, K. J.; Shahinpoor, M. Electrical Activation of Artificial Muescles Containing Polyacrylonitrile Gel Filbers; Biomacromolecules, Vol. 1, N° 4, p. 642-647, 2000.
Almeida, L. C. P.; Síntese e Caracterização da Poliacrilonitrila; Monografia apresentada ao curso de química da Universidade Federal do Espírito Santo. Vitória, 2005.