Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Materiais
TÍTULO: Caraterização de Compósito PVDF/Sílica
AUTORES: Branquinho de Albuquerque, T. (UFGD) ; Ciola Amoresi, R.A. (UFGD) ; Falcão, E.A. (UFGD) ; Zanata, C.R.S. (UFGD) ; Alcalde, L.B. (UFGD) ; Weber Aguiar, L. (UFGD) ; Domingues, N.L.C. (UFGD) ; Rinaldi, A.W. (UEM)
RESUMO: Este trabalho aborda a modificação de fluoreto de polivinilideno (PVDF), um
polímero de potencial destaque no desenvolvimento de novas tecnologias. A
inserção de nanoparticulas de SiO2 associa potencialidades elétricas à
resistência e biocompatibilidade do polímero. Os filmes foram sintetizados em
diferentes concentrações de dopantes pelo método casting e a cerâmica obtida
pelo método sol-gel. Caracterizações por UV-Vis corroboram a síntese de formação
do compósito, e uma gaussiana da curva denota o possível local de interação. Os
espectros de FT-IR juntamente com o tratamento dos picos relativos às fases
cristalinas do polímero acusam uma maior proporção de fase beta ao material e o
limite de dopagem. Resultando em um material com potenciais aplicabilidades como
sensores e atuadores.
PALAVRAS CHAVES: Compósito; Nanopartícula; Piezoeletricidade
INTRODUÇÃO: A produção de melhores dispositivos elétricos vem se destacando nos últimos
anos, as aplicações como atuadores e sensores são as principais vertentes de
pesquisas devido à complexidade no desenvolvimento de tais materiais avançados.
Estes materiais adentram em uma classe chamada “Materiais Inteligentes”, tal
adjetivo designa o fato destes sistemas portarem a capacidade de sentirem uma
resposta de mudança (sensor) em seu ambiente e então, executar uma função de
resposta e adaptação (atuador) (CALLISTER JR, 2006).
Os dispositivos responsáveis por tais efeitos são os atuadores e transdutores,
os quais convertem energia elétrica em deformações mecânicas, ou vice-versa,
respectivamente. Característica conhecida por piezoeletricidade, que
literalmente é a eletricidade pela pressão, no qual a polarização é induzida e
um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação de forças
externas. As aplicações percorrem os campos de equipamentos esportivos, na
redução de vibração até a robótica e engenharia aeroespacial na promoção de
estruturas de superfícies, sensores e chips eletrônicos (CALLISTER JR, 2006;
IKEDA, 1990).
Neste trabalho, o polímero fluoreto de polivinilideno (PVDF) foi estudado em
conjugação com a cerâmica SiO2 nanoparticulada. O PVDF tem recebido importante
atenção industrial devido suas excelentes propriedades elétricas, resistência
química, durabilidade e biocompatibilidade (URBAN et.al. 1994; LAROCHE et. al.
1995; MARY, 1998). Bem como a cerâmica de SiO2, com boas propriedades ópticas,
elétricas e de transparência intrínseco a este material nanoparticulado (RAHMAN
et. al. 2012). Com o objetivo da conjugação e sinergia das propriedades do
polímero e da cerâmica, no aumento de sua capacidade piezoeléctrica, este
trabalho é desenvolvido.
MATERIAL E MÉTODOS: PVDF (Foraflon® F4000HD) obtido em forma de grãos e N,N-Dimetilformamida (DMF)
PA ACS da Vetec®. Para obtenção da cerâmica, Tetraetil Ortosilicato (TEOS) 99%
(Aldrich), álcool etílico 96% PA, Ácido Acético Glacial PA (Isofar®). Na
calcinação da cerâmica utilizou-se um forno Mufla da Quimis®, e para evaporação
do solvente no filme uma estufa Fanem da Orion®515. A cerâmica foi obtida pelo
método Sol-Gel. Adicionado ácido acético glacial PA, em um béquer. Sob agitação,
adiciona-se TEOS, na razão de 1:5. Após homogeneização da mistura, adiciona-se
etanol, de modo a dobrar o volume da mistura em agitação. A solução foi deixada
em agitação por 2 horas e posterior repouso em temperatura ambiente por 24
horas, onde foi obtido o gel. Após este tempo o gel formado foi levado a estufa
a 100°C por 24 horas. Retirado da estufa, o gel seco foi triturado em almofariz
e levado em forno mufla para calcinar, por 4 horas a 420°C.
Os filmes de PVDF com diferentes concentrações de cerâmica foram preparados da
seguinte maneira: PVDF foi dissolvido em N-N dimetilformamida (DMF) (reagente
P.A. ACS da Vetec®) a temperatura ambiente por 1 hora. Previamente uma solução
da cerâmica em DMF foi preparado. As soluções de cerâmica e polímero são
misturadas e lançadas (casting) em placas de petri de 5 cm, e então são levados
a estufa até a secagem do solvente a 60°C.. Os filmes de PVDF foram modificados
nas porcentagens (relação m/m) de cerâmica em: 0,0; 0,4; 0,8; 1,0; 5,0; 7,5;
10,0 e 25,0%, recebendo a simbologia de PS (PVDF/SiO2).
Espectros de Infravermelho foram obtidos através do espectrofotômetro FT-IR
(Jasco, modelo 4100) com varreduras entre 4000-500 cm-1, em ATR. Os espectros de
absorção foram realizados por um espectrofotômetro da marca Varian-Cary50.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A interação da cerâmica ao PVDF [(CH2CF2)n] representado através do espectro de
absorção eletrônica (Figura 1), no qual é averiguado a interação de 10% de SiO2
à matriz polimérica. Em aproximadamente 303 nm há uma supressão da banda de
absorção em relação a matriz não dopada. Através da deconvolução da curva
(Figura 1.b) do PVDF, é averiguado um pico de absorção em 293 nm. Transições
nσ* das ligações C-F presente na matriz polimérica são observadas nesta região,
sendo assim a fortes indícios que o material cerâmico se interage a matriz
polimérica por meio dos elétrons não ligantes do oxigênio presente na cerâmica
em substituição ao flúor da matriz polimérica.
O SiO2 nanoparticulado ao ser adicionado a matriz polimérica nas diferentes
concentrações (Figura 2a), promove alterações significativas nas fases
cristalinas do material (Figura 2b), à saber, alfa (α) e beta (β) como as mais
comuns. A porcentagem de fase beta é calculada através dos picos de absorção
correspondentes a 840 cm-1 e 763 cm-1 ao que se refere as fases beta e alfa,
respectivamente. Os quais correlacionam as densidades de cristalinidade com as
concentrações do polímero (GREGORIO e CESTARI, 1994), através da equação:
F(b)=Ab/(1,26*Aa+Ab).
O modificador ao ser adicionado em baixas concentrações de até 0,8% aumenta
significativamente a porcentagem de fase β (Figura 2b) de 74% a 84%, além de
proporcionar maior homogeneidade. Estes fatores devem-se à nanopartícula e a
estrutura, em baixas concentrações acredita-se que apenas o SiO2 já aumentam as
características polares e fase beta. Enquanto que em concentrações maiores que
1,0% há uma forte interação da cerâmica ao polímero levando-o a uma conformação
apolar (MOHAMMADI et. al., 2007) e diminuindo sua porcentagem de fase β (Figura
2c).
Figura 1.
a) Absorção das soluções de PVDF e PVDF dopado com
10% de SiO2. b) Deconvolução da curva de absorção da
solução PVDF.
Figura 2.
Espectro de absorção de FT-IR de polímero modificado
com SiO2 a) e porcentagens de fase beta nos filmes
em baixa b) e em altas concentrações c).
CONCLUSÕES: O método casting se mostra de fácil manipulação na fabricação de compósitos
cerâmico polímero. A cerâmica se interage a matriz polimérica, conferindo-lhe
alterações significativas a seu polimorfismo. Sendo que a baixas concentrações
acarreta no favorecimento da fase beta ao polímero e em concentrações maiores
ocorre uma supressão devido a possível formação da fase alfa. Desta forma um
material de baixo custo com potencialidades piezoeletricas é denotado.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem a UFGD.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CALLISTER JR. W. D. Fundamentals of Materials Science and Engineering: An integrated approach. 2ed. 702p. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
GREGORIO JR. R.; CESTARI, M. 1994. Effect of crystallization on the crystalline phase content and morphology of poly(vinylidene fluoride). Polymer Science.: Part B: Polymer Physical, v.32, p.859-870.
IKEDA, T.; Fundamental of Piezoelectricity, Oxford University Press, 1990.
LAROCHE, G.; MAROIS, Y.; GUIDOIN, R.; KING, M.W.; MARTIN, L.; HOW, T.; DOUVILLE, Y. 1995. Polyvinylidene fluoride (PVDF) as a biomaterial: from polymeric raw material to monofilament vascular suture. J Biomed Mater Res, v.29, p.1525-1536.
MARY, C.; MAROIS. Y.; KING, M.W; LAROCHE, G.; DOUVILLE, Y.; MARTIN, L.; GUIDOIN, R. 1998. Comparison of the in vivo behavior of polyvinylidene fluoride and polypropylene sutures used in vascular surgery. Asaio J., v.44, p.199-206.
MOHAMMADI, B.; YOUSEFI, A. A.; BELLAH, S. M. 2007. Effect of Tensile Strain Rate and Elongation on Crystalline Structure and Piezoelectric Properties of PVDF Thin Films. Polymer Testing, v.26, n.1, p.42-50.
RAHMAN, I. A.; PADAVETTAN, V. 2012. Synthesis of Silica Nanoparticles by Sol-Gel: Size-Dependent Properties, SurfaceModification, and Applications in Silica-Polymer Nanocomposites—A Review, Journal of Nanomaterials, p.15.
URBAN, E.; KING, M.W.; GUIDON. R.; LAROCHE, G.; MAROIS, Y.; MARTIN, L.; CARDOU, A.; DOUVILLE, Y. 1994. Way Make Monofilament Sutures Out of Polyvinylidene Fluoride? Asaio J, v.2, n.40, p.145-156.