No capítulo anterior, o papel da transferência de massa na eletrização de sólidos isolantes foi investigado. Neste capítulo são relatados experimentos preliminares de eletrização de superfícies de polipropileno pelo método do líquido em contato, descrevendo os padrões de carga e indicando seu efeito sobre o coeficiente de atrito.
5.1. Introdução: O atrito
O estudo científico do atrito teve início com o trabalho de Galileu, que promoveu um grande avanço ao propor o “princípio da inércia”. Posteriormente, o desenvolvimento da dinâmica foi possível através das leis básicas da mecânica clássica proposta por Newton. Posteriormente, Leonardo da Vinci determinou a proporcionalidade entre a força aplicada e o atrito. Amontons, em 1699, e Coulomb, em 1785, formularam algumas leis para o atrito entre sólidos, baseados em experimentos extensivos. Coulomb desenvolveu um equipamento chamado de “tribômetro”. Os resultados experimentais desses dois cientistas mostraram que a força de atrito é proporcional à força normal e que o coeficiente de atrito (razão entre a força de atrito e a força normal) é independente da geometria da área em contato. Já Desagulier, em 1724, considerou a participação da adesão durante o atrito, quando observou uma forte adesão entre esferas de chumbo ao serem comprimidas. Essa teoria foi rejeitada pelos tribologistas contemporâneos, uma vez que se opunha ao fato do atrito ser independente da área da seção transversal. Essa aparente contradição foi solucionada ao criar a hipótese de que as superfícies são repletas de irregularidades e o atrito se origina da sobreposição das asperezas das superfícies em contato. Essa teoria foi nomeada de “hipótese da rugosidade” e foi proposta apenas no início do século XX. [231]
Nas décadas de 40 e 50, Ernst, Merchant, Bowden e Tabor encontraram uma grande diferença entre a área geométrica aparente de sólidos e a área de contato real. Utilizando esse conceito junto com a hipótese de que forças moleculares adesivas atuam na junção das superfícies rugosas em contato,
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Bowden e Tabor conseguiram explicar as regras empíricas de Amontons e Coulomb, relacionando o atrito à deformação elástica e/ou plástica de rugosidades e à adesão entre as superfícies em contato. [231] Porém, na década de 60, Feynman admitia o pobre entendimento com relação ao atrito ao afirmar “It is quite
difficult to do accurate quantitative experiments in friction, and the laws of friction are still not analyzed very well, in spite of the enormous engineering value of an accurate analysis”. [195]
O estudo do atrito em nanoescala se tornou possível com a introdução de técnicas de varredura por sonda. Israelachvili e Tabor [ 232 ] desenvolveram métodos de medidas de forças de van der Waals entre sonda e substrato de mesmo material (mica) na década de 70.
A possibilidade da presença de cargas contribuir com uma componente significativa das forças adesivas foi levantada por alguns autores, porém seu papel ainda precisa ser estudado sistematicamente.
Neste sentido, Seto, [233] em 1995, observou que o coeficiente de atrito de discos de aço inox deslizando em PZT (titanato de chumbo e zircônio) aumenta com o aumento do potencial DC entre o disco e o substrato. Em 1996, Nakayama, [220] calculou o coeficiente de atrito entre sólidos isolantes (alumina, nitreto de silício, vidro e PTFE) e uma agulha de diamante, que era deslizada sobre a superfície dos sólidos sob atmosfera ambiente. Ele observou uma correlação positiva entre o potencial da superfície e o coeficiente de atrito, exceto para o PTFE, onde foi observado um padrão bastante complexo. Já no século XXI, Park, Ogletree, Salmeron e colaboradores [234] relataram a influência da densidade de cargas na força de atrito em junções p-n de semicondutores de silício, usando a microscopia de força lateral e contribuindo para o estudo do atrito em nanoescala.
Mais recentemente, Galembeck et al. [ 235 ] mostraram que tribocargas afetam o coeficiente de atrito em superfícies de PTFE triboeletrizadas. Os padrões de cargas dessas superfícies apresentam uma distribuição fractal, assim sua contribuição para os coeficientes de atrito também é fractal, indicando que o fenômeno macroscópico possa ser compreendido como resultado de interações microscópicas. De acordo com estas observações, Burgo et al. [236] sugeriram
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que o atrito e a triboeletrização possuem uma origem em comum, associada com fortes interações eletrostáticas na interface. Os autores observaram um sinal bipolar de corrente elétrica associado a oscilações da força de atrito. Um primeiro pico negativo pode ser associado à injeção de espécies negativas do metal para o PTFE. Já o segundo, no sentido oposto, correlaciona-se com um fluxo de cargas do PTFE para a superfície do metal.
5.2. Objetivos
Correlacionar o potencial elétrico com o atrito, através do cálculo do coeficiente de resistência ao rolamento (CoRR) de superfícies polipropileno eletrizadas por contato com líquido.
5.3. Metodologia Experimental
Um filme (8 x 12 cm²) de polipropileno (PP) recoberto com alumínio em um dos lados foi eletrizado utilizando o método de Chudleigh [153,154] (descrito na seção 2.4), pela exposição da superfície a um eletrodo (Ø = 2 cm) recoberto com algodão e encharcado com etanol, o qual era polarizado com o potencial desejado, enquanto a superfície de alumínio permanecia aterrada. A área foi varrida nos eixos x e y, com o deslocamento do eletrodo de 5 mm a cada 5 s. O movimento do eletrodo foi controlado por um braço mecânico através de um
software desenvolvido pela Optron (Campinas). Após a completa varredura da
superfície, o eletrodo era removido da superfície ainda polarizado. Em seguida, o potencial da superfície era mapeado através de um eletrodo de Kelvin conectado a um voltímetro (Trek, 347).
A determinação do coeficiente de resistência ao rolamento das superfícies eletrizadas segue o padrão descrito pela ASTM (G194-08), com a realização de 10 medidas para cada nível de eletrização. O protocolo experimental adotado consistia na utilização de esferas de vidro de precisão (Ø = 2,500 mm), que eram colocadas em uma rampa de alumínio lisa (ângulo de inclinação 10°) a uma altura
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percorrida, d, era determinada através de um paquímetro e o CoRR era então calculado através da razão h/d.
5.4. Resultados
O método de Chudleigh [153,154] permitiu obter superfícies uniformes com variações de potenciais tão pequenas quanto ±1 V, conforme pode ser visto na Figura 39. A estabilidade do potencial também foi avaliada (Figura 40), onde se observou que o tempo de meia-vida é superior a 230 h. Além disso, o decaimento é um fenômeno complexo, dado que ocorre um aumento no desvio padrão do potencial médio, o que significa que o decaimento ocorre preferencialmente em algumas regiões.
Figura 39: Mapas de potencial de filmes de PP aluminizado eletrizado pelo método de Chudleigh [153,154] com eletrodo polarizado com 100 V (esquerda) e -1000 V (direita).
Figura 40: (esquerda) Mapa de potencial de um filme de PP aluminizado eletrizado pelo método de Chudleigh com -1000 V após 230 h de seu preparo; (direita)
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Decaimento do potencial de um filme de PP aluminizado eletrizado pelo método de Chudleigh com um potencial de -1000V
Os resultados de CoRR de esferas de vidro sobre filmes de PP homogeneamente eletrizados pelo método de Chudleigh são mostrados na Figura 41, onde não se observa uma tendência simples entre o potencial elétrico e o coeficiente de atrito, sendo sua variação na ordem de grandeza do erro experimental. Distinções nos níveis de eletrização de 1000 V e -100 V são observadas, porém em um nível inferior ao apresentado pelos resultados de atrito em superfícies triboeletrizadas. [235]
Figura 41: Medidas de coeficiente de resistência ao rolamento de superfícies de PP eletrizadas pelo método de Chudleigh [153,154]
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Além disso, alterando a complexidade elétrica das superfícies, observam-se alterações mais pronunciadas. Como exemplo, a trajetória de uma esfera de vidro sobre um filme eletrizado como na Figura 42 era afetada pela origem do deslocamento. Assim, não é possível definir um valor de CoRR, uma vez que, em alguns lançamentos, verificou-se que a esfera deixada rolar no início da região positiva desenvolvia curvas antes de atingir a interface, conforme vídeo anexado na versão digital desta dissertação de mestrado.
Figura 42: Mapa do potencial de filme de PP aluminizado após eletrizá-lo através do método de Chudleigh com -1000 V e 1000 V, em um padrão simples.
5.5. Discussão
O método de Chudleigh se mostrou eficiente para a produção padrões de carga homogêneos estáveis em filmes finos. Nenhuma tendência com relação às medidas de coeficiente de resistência ao rolamento é observada com o aumento do potencial em polipropileno eletrizado pelo método de Chudleigh na faixa de ± 1 kV. Entretanto, em superfícies heterogeneamente eletrizadas, a resistência ao movimento aumenta consideravelmente com o potencial médio da superfície. [235] Algumas hipóteses podem ser formuladas para explicar o comportamento distinto de superfícies eletrizadas pelo método de Chudleigh quando comparada a superfícies triboeletrizadas. Primeiro, em superfícies triboeletrizadas ocorre transferência de massa de uma superfície para a outra, aumentando a complexidade de composição química. [ 237 ] Essa alteração pode resultar em
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microalterações de adesão [236] e topografia, [235] afetando o coeficiente de atrito. Segundo, o aumento do coeficiente de atrito pode estar relacionado com o aumento da viscoelasticidade da camada mais superficial (composta por fragmentos poliméricos iônicos transferidos) devido à ação do campo elétrico [238] oriundo do padrão de cargas presente em superfícies triboeletrizadas. Por fim, a existência de gradientes de potencial elétrico na superfície triboeletrizada pode ser um fator importante na dissipação da energia mecânica. Isto é, no filme homogeneamente eletrizado, a esfera, a todo instante, é exposta a um mesmo valor de potencial e campo elétrico, portanto, ela não está sujeita a nenhuma força elétrica resultante que possa se opor ao movimento de rolamento. Em contra partida, em superfícies triboeletrizadas, onde os potenciais estão distribuídos heterogeneamente, a esfera está sob a ação de um campo elétrico variável oriundo dos diferentes gradientes de potenciais, e dessa forma, a superposição das forças elétricas podem resultar em um efeito de frenagem, que eleva o coeficiente de resistência ao rolamento. Essa última hipótese foi testada através da realização de um experimento de rolamento sobre uma superfície de polipropileno eletrizada com um padrão de cargas simples (distribuição bimodal, Figura 42), onde as esferas descreviam uma trajetória curva, verificando que um fator importante nos fenômenos de atrito está relacionado não apenas com o potencial elétrico, e sim com a variação deste sobre a superfície. Neste mesmo sentido, Souchet et al. [239] sugeriram que a heterogeneidade dos potencias pode alterar as condições de lubrificação no contato por deslizamento, em superfícies de PVC e PS atritadas mutuamente.
Assim, observa-se que a questão permanece em aberto, sendo necessários novos experimentos para avaliar o efeito e a contribuição das variáveis presentes no estudo do atrito.
5.6. Conclusão
Os resultados mostram que o método de Chudleigh é uma ferramenta eficiente na obtenção de padrões de carga homogêneos estáveis, em que um
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filme de polipropileno eletrizado a -1000 V possui tempo de meia-vida superior a 230 h.
As medidas de resistência ao rolamento em superfícies de PP eletrizadas com potenciais na faixa de ± 1 kV indicam que CoRR não é influenciado pelo potencial superficial, dentro da margem de erro. No entanto, a utilização de um padrão de cargas bimodal mostrou que o coeficiente de atrito é influenciado por esta distribuição de potenciais, sendo um indício de que gradientes de potencial elétrico interfiram no coeficiente de atrito. Assim, para aprofundar na discussão do atrito, novos experimentos são necessários, empregando outros materiais e avaliando o efeito de padrões simples pré-definidos sobre o rolamento da esfera.
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