Efeito das condições operacionais na estabilização do filme de revestimento

revestimento

Neste estudo foi efectuado um conjunto de experiências no sentido de estabelecer as condições operacionais para estabilização do filme polímero, visando a obtenção de melhorias no desempenho analítico do sensor. Numa primeira fase foram avaliadas as condições de estabilização do filme para uma OF com revestimento polimérico (PMTFPS a 0,01 % em DCM) sem cura, sendo a deposição do filme efectuada à temperatura ambiente (~ 20 ºC). O sinal óptico foi monitorizado utilizando um filme polimérico estabilizado durante 24 horas sem corrente gasosa e com corrente gasosa de N2.

Neste estudo o processo de estabilização do filme polimérico aparece quase sempre associado ao processo de cura. No entanto, o processo de estabilização é referente a uma fase posterior à fase de cura na qual é utilizada ou não uma corrente gasosa.

As Figuras 2.11 e 2.12 mostram as imagens obtidas em SEM da superfície da OF revestida com material polimérico não curado, estabilizado sem corrente gasosa e estabilizado com corrente gasosa.

As imagens obtidas em SEM para uma OF com revestimento polimérico não curado, tal como se mostra nas Figuras 2.11 e 2.12, apresentam uma matriz de revestimento com uma textura pouco uniforme e com zonas de maior relevo (salientadas nas imagens de maior ampliação com uma seta), inadequada para utilização em sensores de OF. A estrutura pouco definida em termos de uniformidade obtida para as fibras revestidas com material polimérico não curado, poderá dever-se à deficiente evaporação do solvente da solução de revestimento, e consequente formação de um filme polimérico mais susceptível a contaminações, nomeadamente por partículas de poeiras no ambiente de trabalho.

Figura 2.11 - Imagens de SEM da superfície da OF revestida com um filme polimérico não curado e estabilizado sem corrente gasosa; OF - fibra óptica revestida com material polimérico, SS - plataforma do amostrador do SEM.

Figura 2.12 - Imagens de SEM da superfície da OF revestida com um filme polimérico sem cura, com estabilização em corrente gasosa; OF - fibra óptica revestida com material polimérico, SS - plataforma do amostrador do SEM.

A utilização de uma corrente gasosa para estabilização de um filme polimérico não curado, também não permite a obtenção de filmes com uma textura homogénea, tal como evidenciam as imagens da Figura 2.12, apesar de terem sido observadas algumas melhorias, no entanto pouco significativas, nas características morfológicas do filme.

As Figuras 2.13 e 2.14 mostram o sinal óptico obtido para o sistema analítico na ausência de VOCs (linha de base) utilizando um filme polimérico não curado, estabilizado sem corrente gasosa e com corrente gasosa, respectivamente. Pela observação das Figuras 2.13 e 2.14 pode verificar-se que a linha de base é mais estável, com menor ruído, para uma fibra óptica estabilizada com corrente gasosa durante 24 horas.

Figura 2.13 - Registo do sinal obtido para uma fibra óptica revestida com material polimérico sem cura, com estabilização sem corrente gasosa.

O valor médio de variação de potência obtido para um sistema constituído por uma OF revestida com material polimérico sem cura e com estabilização sem corrente gasosa, calculado a partir de todos os pontos adquiridos entre os 0 e os 250 segundos, sendo a aquisição dos dados efectuada de segundo a segundo, foi de 63,40 ± 1,68 dB. O valor médio de variação de potência óptica obtido para um sistema constituído por uma OF revestida com material polimérico sem cura, com estabilização com corrente gasosa, foi de 62,65 ± 0,76 dB. Na Figura 2.13 são observados picos de variação de potência óptica que sugerem a presença de compostos orgânicos na atmosfera gasosa do tubo analítico, não se verificando a ocorrência de picos de variação de potência na Figura 2.14. Os resultados

obtidos sugerem que a utilização de uma corrente gasosa na fase de estabilização do filme pode contribuir para aumentar significativamente a estabilidade do sinal óptico do sensor quando usado para fins analíticos, proporcionando uma atmosfera mais limpa na zona de detecção, ou seja no tubo analítico.

Figura 2.14 - Registo do sinal obtido para uma fibra óptica revestida com material polimérico sem cura e com estabilização com corrente gasosa.

Por fim o sensor foi testado para injecções de diferentes quantidades de tolueno utilizando uma OF revestida com material polimérico não curado e estabilizado sem e com corrente gasosa. Os resultados obtidos são apresentados nas Figuras 2.15 e 2.16.

Figura 2.15 - Sinal analítico obtido com diferentes volumes de tolueno, utilizando uma OF revestida com material polimérico sem cura e estabilizado sem corrente gasosa.

Utilizando uma OF com revestimento polimérico não curado não foi possível obter um sinal analítico claramente discernível e mensurável correspondente à injecção de diferentes volumes de tolueno (0,04
L, 0,05
L e 0,06
L).

Figura 2.16 - Sinal analítico obtido com diferentes volumes de tolueno utilizando uma OF revestida com material polimérico sem cura e estabilizado com corrente gasosa.

Numa segunda fase foram avaliadas as condições de estabilização do filme polimérico, no entanto utilizando uma temperatura de cura de 70 ºC. Nesta fase, foi testada primeiramente uma OF, revestida com um filme de polímero depositado por SP e curado a 70 ºC durante 24 horas, imediatamente após o processo de deposição e cura e sem qualquer fase de estabilização, para determinação de tolueno. Em seguida, foi testada uma outra OF revestida com um filme de polímero curado a 70 ºC durante 24 horas e estabilizado por mais 24 horas à temperatura ambiente; nesta experiência a fase de estabilização foi efectuada sem corrente gasosa. Por último, foi preparada mais uma OF seguindo as condições anteriormente descritas, mas no entanto, nesta experiência a estabilização da superfície da OF revestida com polímero foi efectuada com uma corrente gasosa. A fibra óptica neste caso foi inserida num tubo de vidro pelo qual se fez passar uma corrente contínua (14 mL min-1) de azoto.

A Figura 2.17 mostra as imagens obtidas em SEM das fibras ópticas revestidas com material poliméricos segundo as experiências anteriormente descritas. A superfície da OF obtida após deposição de um filme de polímero sem estabilização apresenta regiões de relevos topográficos diferentes (Figura 2.17a), os quais são menos observáveis para uma

OF com um revestimento estabilizado durante 24 horas sem corrente gasosa (Figura 2.17b).

Figura 2.17 - Imagens obtidas em SEM das superfícies da OF revestidas com filmes de polímero curados a 70 ºC, estabilizados a condições operacionais diferentes: a - revestimento sem estabilização; b - revestimento estabilizado durante 24 horas sem corrente gasosa; c - revestimento estabilizado durante 24 horas com um caudal constante de azoto; OF - fibra óptica revestida com um filme de PMTFPS, PF - ampliação da superfície do revestimento, SS - plataforma do amostrador do SEM.

Da observação das imagens da Figura 2.17 pode ainda verificar-se que, o tempo de estabilização do filme é um parâmetro operacional relevante no processo de revestimento

da fibra com material polimérico que servirá de transdutor, afectando a textura do filme na superfície da OF.

Analogamente aos resultados obtidos para filmes poliméricos não curados, a estabilização do revestimento curado a 70 ºC utilizando uma corrente constante de gás inerte (N2, N45 da Praxair) promove a obtenção de filmes com uma textura mais uniforme e regular (Figura 2.17c).

A Figura 2.18 mostra os resultados obtidos durante o estudo da resposta do sensor constituído por uma OF revestida com um filme de polímero não estabilizado, estabilizado por inserção numa corrente contínua de N2 durante 24 horas e estabilizado pelo mesmo período de tempo sem utilização de uma corrente gasosa.

Figura 2.18 - Resposta do sensor obtida usando uma OF revestida com um filme de polímero estabilizado a diferentes condições operacionais; a - sinal óptico para um sistema sem injecções de tolueno; b - variação de potência óptica obtida durante a determinação de tolueno; 1 - revestimento sem estabilização; 2 - revestimento estabilizado durante 24 horas sem fluxo de gás de arraste; 3 - revestimento estabilizado durante 24 horas com um caudal constante (10 mL min-1) de gás de arraste (N2).

O revestimento constituído por filmes poliméricos com uma textura lisa e com elevada homogeneidade, obtidos neste estudo através de um aumento do tempo da fase de estabilização e introduzindo um caudal constante de um gás de arraste inerte, apresenta uma maior estabilidade do sinal óptico bem como um melhor desempenho analítico. A

estabilidade do sistema pode ser avaliada a partir dos gráficos da Figura 2.18a, que mostra o registo do sinal óptico sem injecção de vapor orgânico (linha de base) usando uma OF revestida com um filme de polímero sem estabilização e com estabilização (com e sem corrente gasosa). A linha base do sensor torna-se mais estável (ausência de variações de potência óptica na ausência de analito) ou seja com baixo ruído óptico, com o aumento do tempo de estabilização do filme de polímero para 24 horas e com a inclusão de um gás de arraste durante a fase estabilização. Para além disso, foram obtidos sinais analíticos notavelmente melhores, isto é, picos de variação de potência óptica maiores e com tempos de diminuição e recuperação do sinal muito curtos para um sensor constituído por uma OF revestida com um filme de polímero estabilizado durante 24 horas em azoto que é o caso registado na Figura 2.18b3.