Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Barbosa, Rafael
Orientador(a): Scuracchio, Carlos Henrique lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
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/20.500.14289/16449
Resumo: Ionomeric polymer-metal composites (IPMC) are devices generally composed of metallic electrodes and an ionomeric polymer membrane in a “sandwich-like” format, whose main property is the electromechanical actuation or sensing due to ions movement. Metal electrodes are used for their high electrical conductivity and malleability. However, the high cost of the material, long manufacturing time, and fatigue failure limit its application both economically and in durability. In this sense, the replacement of metallic electrodes with conductive elastomer nanocomposites was evaluated to reduce the costs and complexity of device manufacturing and increase its operating life. Two processing routes were used to prepare the synthetic and natural polyisoprene elastomers, one with subsequent homogenization by a two-roll mill and the other by casting. The dispersion of the conductive fillers (carbon nanotubes and carbon black) was carried out in rubber latex assisted by surfactants and ultrasound. The prepared nanocomposites showed high electrical conductivity as well as strain and solvent sensing capacities. To improve the adhesion between the elastomers and the membrane (Nafion®), the plasma treatment with atmospheric air was evaluated as a surface modifier. This treatment improved the hydrophilicity and the adhesion work of the rubbers with the formation of oxygenated groups and an increase in nano-roughness. However, in Nafion an adverse effect of side chains breakage occurred, impairing its ionic transport capacity. In this way, ionomeric polymer-polymer composites (IPPC) were prepared using untreated Nafion and plasma-modified elastomers, this type of electrode being unprecedented in the literature. These devices presented displacement and trajectory sensing capacity at levels close to the conventional IPMC in all frequency ranges and applied accelerations, highlighting that at low frequencies the IPPC obtained better results than the control.
id SCAR_bd4e6d85e1ce4245566a5e2542361552
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16449
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Barbosa, RafaelScuracchio, Carlos Henriquehttp://lattes.cnpq.br/0896060959622431Cruz, Sandra Andreahttp://lattes.cnpq.br/9632409046763256http://lattes.cnpq.br/2477977102127336396fff0f-e59a-439e-9c66-8487d1e82a8a2022-08-03T12:01:02Z2022-08-03T12:01:02Z2022-06-28BARBOSA, Rafael. Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma. 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449Ionomeric polymer-metal composites (IPMC) are devices generally composed of metallic electrodes and an ionomeric polymer membrane in a “sandwich-like” format, whose main property is the electromechanical actuation or sensing due to ions movement. Metal electrodes are used for their high electrical conductivity and malleability. However, the high cost of the material, long manufacturing time, and fatigue failure limit its application both economically and in durability. In this sense, the replacement of metallic electrodes with conductive elastomer nanocomposites was evaluated to reduce the costs and complexity of device manufacturing and increase its operating life. Two processing routes were used to prepare the synthetic and natural polyisoprene elastomers, one with subsequent homogenization by a two-roll mill and the other by casting. The dispersion of the conductive fillers (carbon nanotubes and carbon black) was carried out in rubber latex assisted by surfactants and ultrasound. The prepared nanocomposites showed high electrical conductivity as well as strain and solvent sensing capacities. To improve the adhesion between the elastomers and the membrane (Nafion®), the plasma treatment with atmospheric air was evaluated as a surface modifier. This treatment improved the hydrophilicity and the adhesion work of the rubbers with the formation of oxygenated groups and an increase in nano-roughness. However, in Nafion an adverse effect of side chains breakage occurred, impairing its ionic transport capacity. In this way, ionomeric polymer-polymer composites (IPPC) were prepared using untreated Nafion and plasma-modified elastomers, this type of electrode being unprecedented in the literature. These devices presented displacement and trajectory sensing capacity at levels close to the conventional IPMC in all frequency ranges and applied accelerations, highlighting that at low frequencies the IPPC obtained better results than the control.Os compósitos de polímero ionomérico-metal (IPMC) são dispositivos geralmente compostos por eletrodos metálicos e uma membrana de polímero ionomérico no formato “sanduíche” e tem como principal propriedade a atuação ou sensoriamento eletromecânico a partir do movimento de íons. Os eletrodos metálicos são utilizados por sua alta condutividade elétrica e maleabilidade. Entretanto, o alto custo do material, longo tempo de fabricação e falha por fadiga limitam sua aplicação tanto economicamente quanto pela baixa durabilidade. Neste sentido, a substituição dos eletrodos metálicos por nanocompósitos elastoméricos condutores foi avaliada com o intuito de diminuir os custos e a complexidade da fabricação do dispositivo e aumentar a sua vida em operação. Na preparação dos elastômeros de poli-isopreno sintético e natural foram utilizadas duas rotas de processamento, uma com posterior homogeneização por moinho de rolos e outra por casting. A dispersão das cargas condutoras (nanotubos de carbono e negro de fumo) foi realizada em látex de borracha, assistida por surfactantes e ultrassom. Os nanocompósitos preparados apresentaram alta condutividade elétrica e também capacidade de sensoriamento a deformação e à solventes. Para melhorar a adesão entre os elastômeros e a membrana (Nafion®), o tratamento a plasma com ar atmosférico foi avaliado como modificador de superfície. Este tratamento melhorou a hidrofilicidade e o trabalho de adesão das borrachas com a formação de grupos oxigenados e aumento da nanorugosidade. Entretanto, no Nafion um efeito adverso de quebra das cadeias laterais ocorreu, prejudicando a capacidade de transporte iônico da mesma. Desta forma, foram preparados dispositivos de compósito de polímero ionomérico-polímero (IPPC) utilizando o Nafion sem tratamento e os elastômeros modificados por plasma, sendo este tipo de eletrodo inédito na literatura. Estes dispositivos apresentaram capacidade de sensoriamento de deslocamento e trajetória em níveis próximos ao do IPMC convencional em todas as faixas de frequência e acelerações aplicadas, destacando que em baixas frequências o IPPC obteve melhores resultados que o controle.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Processo nº 88887.612843/2021-00, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPESporUniversidade 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/openAccessIPMCSensorPlasmaNanocompósitosElastômerosNafionNanocompositesElastomersENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICADesenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasmaDevelopment, characterization and performance of new electrodes for IPMC based on plasma-treated conductive elastomeric nanocompositesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600fcf976e4-5d83-44e4-9a3e-fd4cb4cbdbc2reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6aa3cd2f-071c-4a62-9d47-435b7a7ca437/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADORIGINALRafael Barbosa - Tese .pdfRafael Barbosa - Tese .pdfRafael Barbosa - Teseapplication/pdf7888348https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/17530737-22a4-4299-8e0f-63fd4b47b544/downloadf5f568064081a66a5d3fc93c950c2fdbMD51trueAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdfBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdfCarta comprovante assinada pelo orientadorapplication/pdf682824https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b263d3c6-11df-4b7c-a7a7-199a8371e552/download481144eb04bb6f81591d976c15e12b62MD52falseTEXTRafael Barbosa - Tese .pdf.txtRafael Barbosa - Tese .pdf.txtExtracted texttext/plain287305https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a424f207-6f80-44f9-989e-b99bf4a8e484/download9a9810061dda82d66b3150ffad50c00eMD54falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdf.txtExtracted texttext/plain1574https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/7b3f9be3-85f0-4ba6-a860-59f08d1e7f9c/download380e960ab1313894126279d45bc79dc8MD56falseTHUMBNAILRafael Barbosa - Tese .pdf.jpgRafael Barbosa - Tese .pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6836https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5e401543-5d47-4039-9469-33a971ad0461/download0470431f346d1076390b7190c796979eMD55falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento (1).pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12928https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3607a437-78e7-4c98-9a7b-8bfd3683c55a/downloada093d58ed475ceca9b63c1e7dce99848MD57false20.500.14289/164492025-02-05 21:40:43.926http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/16449https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T00:40:43Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Development, characterization and performance of new electrodes for IPMC based on plasma-treated conductive elastomeric nanocomposites
title Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
spellingShingle Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
Barbosa, Rafael
IPMC
Sensor
Plasma
Nanocompósitos
Elastômeros
Nafion
Nanocomposites
Elastomers
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
title_short Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
title_full Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
title_fullStr Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
title_full_unstemmed Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
title_sort Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
author Barbosa, Rafael
author_facet Barbosa, Rafael
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2477977102127336
dc.contributor.author.fl_str_mv Barbosa, Rafael
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Scuracchio, Carlos Henrique
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/0896060959622431
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Cruz, Sandra Andrea
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/9632409046763256
dc.contributor.authorID.fl_str_mv 396fff0f-e59a-439e-9c66-8487d1e82a8a
contributor_str_mv Scuracchio, Carlos Henrique
Cruz, Sandra Andrea
dc.subject.por.fl_str_mv IPMC
Sensor
Plasma
Nanocompósitos
Elastômeros
Nafion
topic IPMC
Sensor
Plasma
Nanocompósitos
Elastômeros
Nafion
Nanocomposites
Elastomers
ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
dc.subject.eng.fl_str_mv Nanocomposites
Elastomers
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
description Ionomeric polymer-metal composites (IPMC) are devices generally composed of metallic electrodes and an ionomeric polymer membrane in a “sandwich-like” format, whose main property is the electromechanical actuation or sensing due to ions movement. Metal electrodes are used for their high electrical conductivity and malleability. However, the high cost of the material, long manufacturing time, and fatigue failure limit its application both economically and in durability. In this sense, the replacement of metallic electrodes with conductive elastomer nanocomposites was evaluated to reduce the costs and complexity of device manufacturing and increase its operating life. Two processing routes were used to prepare the synthetic and natural polyisoprene elastomers, one with subsequent homogenization by a two-roll mill and the other by casting. The dispersion of the conductive fillers (carbon nanotubes and carbon black) was carried out in rubber latex assisted by surfactants and ultrasound. The prepared nanocomposites showed high electrical conductivity as well as strain and solvent sensing capacities. To improve the adhesion between the elastomers and the membrane (Nafion®), the plasma treatment with atmospheric air was evaluated as a surface modifier. This treatment improved the hydrophilicity and the adhesion work of the rubbers with the formation of oxygenated groups and an increase in nano-roughness. However, in Nafion an adverse effect of side chains breakage occurred, impairing its ionic transport capacity. In this way, ionomeric polymer-polymer composites (IPPC) were prepared using untreated Nafion and plasma-modified elastomers, this type of electrode being unprecedented in the literature. These devices presented displacement and trajectory sensing capacity at levels close to the conventional IPMC in all frequency ranges and applied accelerations, highlighting that at low frequencies the IPPC obtained better results than the control.
publishDate 2022
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2022-08-03T12:01:02Z
dc.date.available.fl_str_mv 2022-08-03T12:01:02Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2022-06-28
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv BARBOSA, Rafael. Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma. 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449
identifier_str_mv BARBOSA, Rafael. Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma. 2022. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/16449
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv fcf976e4-5d83-44e4-9a3e-fd4cb4cbdbc2
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/6aa3cd2f-071c-4a62-9d47-435b7a7ca437/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/17530737-22a4-4299-8e0f-63fd4b47b544/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b263d3c6-11df-4b7c-a7a7-199a8371e552/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a424f207-6f80-44f9-989e-b99bf4a8e484/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/7b3f9be3-85f0-4ba6-a860-59f08d1e7f9c/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5e401543-5d47-4039-9469-33a971ad0461/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3607a437-78e7-4c98-9a7b-8bfd3683c55a/download
bitstream.checksum.fl_str_mv e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34
f5f568064081a66a5d3fc93c950c2fdb
481144eb04bb6f81591d976c15e12b62
9a9810061dda82d66b3150ffad50c00e
380e960ab1313894126279d45bc79dc8
0470431f346d1076390b7190c796979e
a093d58ed475ceca9b63c1e7dce99848
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688787609911296