Desenvolvimento, caracterização e desempenho de novos eletrodos para dispositivos eletromecânicos baseados em nanocompósitos elastoméricos condutores tratados por plasma
| Ano de defesa: | 2022 |
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Universidade Federal de São Carlos
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Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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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. |
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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 |
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