Desenvolvimento de compósitos de polímero ionomérico e metal baseados em poli(éter-éter-cetona) sulfonados

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Blanco, Guilherme Eduardo de Oliveira
Orientador(a): Scuracchio, Carlos Henrique lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/18409
Resumo: Ionic polymer-metal composites (IPMCs) are smart and bio-inspired materials that have a metal/polymer/metal sandwich structure. These are capable of deforming in response to electrical stimuli and vice versa, being promising in several applications, such as actuators, sensors, artificial muscles, and robotics. The ionomeric polymer most used for these purposes is Nafion®. However, this has a high cost, low water holding capacity, low performance at high temperatures, and is not environmentally friendly. Therefore, the development of alternative membranes is sought, among them, those based on sulfonated poly(ether-ether-ketone) (SPEEK). The insertion of sulfonic groups aims to add polar groups that make it hydrophilic and enable the ionic conduction required for these devices. Within this context, this work sought to analyze the viability of this polymer with different degrees of sulfonation (DS) and its use as IPMC. FTIR assays confirmed the successful insertion of sulfonic groups post-sulfonated, obtaining DS of 44, 72 and 91%. Electrochemical, electromechanical and water absorption kinetics tests were conducted. The main results indicate that the alternative IPMCs presented comparable performance and in some cases superior to Nafion®. It was observed that the increase in the degree of sulfonation was favorable to the electromechanical performance, with an increase in displacement values and displacement rate. The use of ionic liquid in conjunction with SPEEK was also analyzed, which presented favorable electromechanical sensing results, and these presented the ability to detect different trajectories and imposed speeds, reaching a sensing capacity of up to 1000 times greater than Nafion ®. Therefore, it was concluded that SPEEK-based IPMCs can potentially replace Nafion® and represent a lower-cost alternative.
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These are capable of deforming in response to electrical stimuli and vice versa, being promising in several applications, such as actuators, sensors, artificial muscles, and robotics. The ionomeric polymer most used for these purposes is Nafion®. However, this has a high cost, low water holding capacity, low performance at high temperatures, and is not environmentally friendly. Therefore, the development of alternative membranes is sought, among them, those based on sulfonated poly(ether-ether-ketone) (SPEEK). The insertion of sulfonic groups aims to add polar groups that make it hydrophilic and enable the ionic conduction required for these devices. Within this context, this work sought to analyze the viability of this polymer with different degrees of sulfonation (DS) and its use as IPMC. FTIR assays confirmed the successful insertion of sulfonic groups post-sulfonated, obtaining DS of 44, 72 and 91%. Electrochemical, electromechanical and water absorption kinetics tests were conducted. The main results indicate that the alternative IPMCs presented comparable performance and in some cases superior to Nafion®. It was observed that the increase in the degree of sulfonation was favorable to the electromechanical performance, with an increase in displacement values and displacement rate. The use of ionic liquid in conjunction with SPEEK was also analyzed, which presented favorable electromechanical sensing results, and these presented the ability to detect different trajectories and imposed speeds, reaching a sensing capacity of up to 1000 times greater than Nafion ®. Therefore, it was concluded that SPEEK-based IPMCs can potentially replace Nafion® and represent a lower-cost alternative.Compósitos de polímero ionomérico e metal (IPMCs) são materiais inteligentes e bioinspirados, que possuem estrutura do tipo sanduíche metal/polímero/metal. Estes são capazes de deformarem em resposta a estímulos elétricos e vice-versa, sendo promissores em diversas aplicações, tais como, em atuadores, sensores, músculos artificiais e robótica. O polímero ionomérico mais utilizado para esses fins é o Nafion®. Contudo, este possui custo elevado, baixa capacidade de retenção de água, baixo desempenho em elevadas temperaturas e não é ambientalmente amigável. Portanto, busca-se o desenvolvimento de membranas alternativas, dentre elas, àquelas a base de o poli(éter-éter-cetona) sulfonado (SPEEK). A inserção dos grupos sulfônicos visa adicionar grupos polares que o tornem hidrofílico e possibilitem a condução iônica requerida para esses dispositivos. Dentro deste contexto, esse trabalho buscou analisar a viabilidade desse polímero com diferentes graus de sulfonação (DS) e sua utilização como IPMC. Ensaios de FTIR confirmaram o sucesso da inserção de grupos sulfônicos pela pós-sulfonação, sendo que foram obtidos DS de 44, 72 e 91%. Testes eletroquímicos, eletromecânicos e de cinética de absorção de água foram conduzidos. Os principais resultados apontam que os IPMCs alternativos apresentaram desempenho equiparável e em alguns casos superiores em relação ao Nafion®. Foi observado que o aumento do grau de sulfonação mostrou-se favorável ao desempenho eletromecânico, com o aumento dos valores de deslocamento e taxa de deslocamento. Também foi analisado o uso de líquido iônico em conjunto com o SPEEK, que apresentou resultados favoráveis de sensoriamento eletromecânico, sendo que estes apresentaram capacidade de detecção de diferentes trajetória e velocidades impostas, chegando a apresentar capacidade de sensoriamento de até 1000 vezes maior que o Nafion®. Portanto, concluiu-se que IPMCs a base de SPEEK, tem potencial de substituir o Nafion® e representam uma alternativa de menor custo.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo nº 161101/2021-6, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessIPMCsPEEK sulfonadoDesempenho eletromecânicoMúsculos artificiaisSensores eletromecânicosSulfonated PEEKIPMCsElectromechanical performanceArtificial musclesElectromechanical sensorsENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSDesenvolvimento de compósitos de polímero ionomérico e metal baseados em poli(éter-éter-cetona) sulfonadosDevelopment of ionomeric polymer and metal composites based on sulfonated poly(ether-ether-ketone)info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600fcf976e4-5d83-44e4-9a3e-fd4cb4cbdbc2reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTHUMBNAILGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdf.jpgGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3936https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/729aa7b5-142d-4d8e-84f3-a20151de123d/download781cf77eca6bfddb162181ce23551cdcMD54falseAnonymousREADORIGINALGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdfGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdfDissertação Guilherme Eduardo de Oliveira Blancoapplication/pdf4504229https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b55d79e5-0257-45dc-9927-9a3ffa30d1d6/download918578d8ba47344e2de5a2437b7fa73bMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3c84a43a-631d-49ab-95ac-a81096e8ba80/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREADTEXTGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdf.txtGuilherme Eduardo de Oliveira Blanco - Dissertação.pdf.txtExtracted texttext/plain197742https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a60f5b96-943f-456e-be94-afaf84e5cb95/download34232f9ca487874cd40b842468ef05b4MD53falseAnonymousREAD20.500.14289/184092025-02-06 00:11:22.956http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/18409https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T03:11:22Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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