FE - DCTT | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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Browsing FE - DCTT | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento by advisor "Almeida, Luís Manuel Meneses Guimarães"
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- Conceção e Otimização de um Sistema de Eletrofiagem para a Produção de Nanofibras de PoliamidaPublication . Barata, Teresa Raquel Aurélio da Silva Nunes; Belino, Nuno José Ramos; Almeida, Luís Manuel Meneses GuimarãesEste trabalho foi desenvolvido no âmbito dos materiais aplicados aos substratos têxteis, especificamente à produção de fibras de origem sintética à nanoescala, recorrendo à tecnologia de eletrofiação. A técnica de eletrofiação ou fiação eletrostática é um método direto, que permite produzir fibras contínuas com diâmetros bastante reduzidos, até à gama dos nanómetros. A versatilidade do processo de eletrofiação, a facilidade de implementação à escala do laboratório e, essencialmente, as propriedades dos materiais obtidos conduziram, nos últimos anos, à eletrofiação de uma grande variedade de polímeros, simples ou em combinação, e à sua aplicação como nanomateriais. Os mantos fibrosos obtidos por eletrofiação, devido à sua elevada área de superfície em relação ao volume, com uma estrutura à nanoescala, elevada porosidade, e pequeno tamanho dos poros, o que possibilita diferentes modos de interação com outros materiais, encontram aplicações em diversas áreas, incluindo roupas de proteção, filtração e separação, fibras de reforço em materiais compósitos, aplicações óticas e eletrónicas, dispositivos biomédicos, revestimento de feridas, sistemas de distribuição de fármacos e a engenharia de tecidos. A tecnologia da eletrofiação tem inúmeras aplicações em várias indústrias, incluindo a indústria têxtil. Há um potencial considerável na aplicação da eletrofiação na produção de nanofibras, acabamentos funcionais e de têxteis com aplicações biomédicas. O processo de eletrofiação é, no entanto, caracterizado pela oscilação descontrolada e caótica do jato eletricamente carregado de solução de polímero, o que leva à formação de contas, fibras com contas e fibras irregulares nos mantos de nanofibras. Esta trabalho de investigação teve como objetivo geral o desenvolvimento e otimização de um sistema de eletrofiação para controlar a deposição de nanofibras eletrofiadas de poliamida 6, 6.6 e 11, através da utilização de uma série de aros de metal, colocados ao longo da trajetória do jato carregado de solução de polímero, ligados a uma segunda fonte de alimentação de alta tensão. A alteração/ modelação do campo eletrostático, como resultado da introdução dos aros metálicos, permitiu um maior controlo sobre as instabilidades a que o jato de solução de polímero é sujeito durante o processo de eletrofiação, possibilitando a formação de nanofibras mais uniformes e a redução, simultaneamente, da área de deposição do manto fibroso. Ao longo dos trabalhos desenvolvidos, foi investigado o efeito da adição de aros metálicos com diferentes tensões aplicadas e de alguns dos parâmetros do processo de eletrofiação na aparência morfológica e no diâmetro médio das nanofibras. A tecnologia de eletrofiação utiliza uma fonte de alta tensão (5 – 50 kV) para produzir um campo elétrico entre a extremidade de uma agulha carregada eletricamente e uma placa coletora onde são depositadas as fibras. A polaridade do elétrodo ligado à agulha pode ser positiva ou negativa (tendo o painel coletor a polaridade contrária). À medida que se forma uma gota de solução polimérica na ponta da agulha (por onde se faz passar um caudal constante) as cargas elétricas acumulam-se na superfície da gota, ocorrendo uma destabilização da sua forma hemisférica, que afunila em forma de um cone (cone de Taylor). Quando a tensão aplicada excede o valor do potencial elétrico crítico, a partir do qual as forças eletrostáticas superam a tensão superficial da solução polimérica, é ejetado um jato eletricamente carregado de solução de polímero a partir da ponta do cone de Taylor. O jato segue, inicialmente, uma trajetória quase retilínea até que é sujeito a instabilidades de flexão, seguindo, então, uma trajetória complexa e aleatória até que é depositado no coletor. No processo de eletrofiação de uma solução polimérica, as variáveis que podem influenciar a morfologia das fibras obtidas são diversas, entre elas: parâmetros relacionados com o polímero (peso molecular); parâmetros relacionados com a solução (concentração, viscosidade, tensão superficial, condutividade); parâmetros relacionados com o processo em si (potencial eletrostático aplicado, distância de deposição, caudal de alimentação); e parâmetros ambientais (temperatura, humidade relativa, convecção do ar circundante). Neste trabalho de investigação foram estudados os efeitos da variação da concentração da solução polimérica, da distância agulha-coletor, da tensão aplicada entre a agulha e o coletor, do caudal de alimentação, bem como o efeito da introdução de uma segunda fonte de alimentação ligada a aros circulares metálicos numa configuração em série ou em paralelo, com distribuição de tensão crescente ou decrescente, localizados ao longo da trajetória agulha-coletor, sobre a morfologia e diâmetro médio de fibras produzidas por eletrofiação de soluções poliméricas de poliamida 6 (PA6), poliamida 6.6 (PA6.6) e poliamida 11 (PA11). Para este trabalho experimental foi projetado um sistema protótipo de eletrofiação, desenvolvido no laboratório do Departamento de Ciência e Tecnologia Têxteis da Universidade da Beira Interior. O sistema era constituído por duas fontes de alimentação de alta voltagem, um dosímetro PHD 2000 Infusion da Harvard Apparatus, um painel coletor (que consistiu em uma rede de cobre de dimensões 10 × 12 cm, revestida com folha de alumínio) em suporte móvel de cortiça, aros circulares de aço inoxidável com 10 cm de diâmetro em suporte ajustável de cortiça, seringas de vidro de 5 mL e agulhas de ponta romba de aço inoxidável e conector de polipropileno, calibre 25 (diâmetro interno de 0,25 mm e diâmetro externo de 0,52 mm). A viscosidade das soluções poliméricas foi medida usando um reómetro RheoStress® RS 150 em ensaios de varrimento de tensão de corte com uma geometria cone-prato apropriada e uma temperatura ambiente controlada de 23 ºC. A condutividade foi medida com um condutivímetro de bancada inoLab® Level2. A análise dos mantos de nanofibras foi efetuada por microscópio eletrónico de varrimento (SEM), sendo que o diâmetro médio das nanofibras foi calculado usando uma amostra de 50 medições aleatórias de fibras em cada imagem, obtida com ampliação de 20000× para a PA6 e PA6.6 e de 10000× para a PA11. A análise da porosidade dos mantos de nanofibras foi realizada com o programa NIM (Nanofiber Images Measurer), desenvolvido especificamente para este trabalho. A utilização do sistema de eletrofiação desenvolvido neste trabalho, na variante com os aros metálicos ligados à segunda fonte de alimentação com aplicação de valores de tensão crescentes, provou ser bem-sucedido na obtenção de nanofibras mais uniformes, sem formação de contas, com diâmetros reduzidos e menor desvio padrão. Com este sistema, foram produzidas nanofibras de poliamida 6, 6.6 e 11 com diâmetros médios de 71.7±13.3 nm, 91.1±15.8 nm e 145.7±23.7 nm, respetivamente.