1. INTRODUÇÃO
2.6 Encapsulamento de sensores
2.6.2 Escolha do material para encapsulamento de elementos sensores
A determinação dos materiais utilizados nesta pesquisa para encapsular o elemento sensor piezoresistivo, foi baseada em sua capacidade de realizar as funções necessárias para validar o elemento sensor a base de grafite como elemento piezoresistor.
Os materiais escolhidos são baseados em resinas sintéticas termorrígidas e termoplásticas e passaram por minuciosa análise para comprovar sua capacidade de manter as funções mecânicas do sensor, protegendo-o eletricamente, termicamente e quimicamente.
A observação de testes prévios mostrou que as três resinas fornecem tal proteção e garantem a leitura dos parâmetros do dispositivo. Na próxima subsecção é realizada descrição referente aos compostos utilizados neste trabalho: Resina Epóxi, Esmalte e PVA.
2.6.2.1 Resina Epóxi
A designação resina epóxi é amplamente abrangente e se refere às configurações curadas e não-curadas de resinas. [62].
Em geral, são polímeros amorfos, com estrutura desorganizada, que possuem dois ou mais grupos epóxi (–C-O-C-). Esses grupos caracterizam-se em internos, terminais ou de estrutura cíclicas, de acordo com o representado na Figura 12.
Figura 12: Arranjo da estrutura da resina epóxi: (a) Internos; (b) Terminais; (c) Estruturas cíclicas.
(a) (b) (c) Fonte: Adaptado de [61]
O termo também é empregado para denominar substâncias líquidas ou sólidas que possuam elevada massa molecular e que possam ser polimerizadas através de agentes de reticulação a fim de obter-se polímeros termofixos [63].
O uso e aplicações da resina epóxi expandiram-se devido ao desenvolvimento tecnológico e a descoberta de propriedades especiais da resina curada. Dentre estas propriedades destacam- se boa adesão a diversos substratos, tenacidade relativamente alta, boa resistência a intempéries, alta resistência elétrica, baixa contração volumétrica e principalmente adaptação aos mais diferentes tipos de processos industriais e aplicações [64].
A versatilidade das resinas epóxi deve-se à capacidade do anel epóxi reagir com uma variedade de substratos. Quando essas resinas são tratadas com agentes de cura dão origem a polímeros termorrígidos insolúveis e infusíveis [65].
Em geral, as resinas epóxi comerciais são misturas de compostos contendo mais de um grupo de epóxidos por molécula, ou a combinação de grupos epóxi com grupos hidroxila. Com a adição de endurecedores ocorre a formação de uma rede infusível de moléculas ligadas entre si, de forma tridimensional, resultando na resina epóxi reticulada.
As resinas epóxi são caracterizadas pela presença de três grupos de anéis, os epóxidos, os oxiranos e os etoxilanos. As resinas comerciais contêm em sua cadeia alifáticos, cicloalifáticos ou aromáticos. As mais usadas são a epicloridrina e o bisfenol-A [66].
Na Figura 13 apresenta-se a reação da composição da estrutura básica da resina epóxi. Essas resinas são produtos obtidos por reações de condensação (na presença de hidróxido de sódio) entre a Epicloridrina (1 – cloro – 2, 3 – epóxi – propano) e o Bisfenol-A, 2, 2 - bis (4 – hidroxifenil) propano. [66]
Figura 13: Reação da composição da estrutura básica da resina epóxi
Bisfenol A Epicloridrina
Resina Epóxi de Bisfenol A (DGEBA) Éter Diglicidílico Fonte: Adaptado de [67]
As resinas epóxis, logo após as resinas poliésteres, provavelmente são as resinas termofixas mais utilizadas no mundo. As propriedades oferecidas por produtos à base de resina epóxi são superiores na maior parte das vezes as apresentadas por quaisquer outras resinas. O conjunto de propriedades físicas, mecânicas e elétricas em um único produto proporciona diversas aplicações como polímeros de engenharia [68].
A correspondente pesquisa, utilizou como encapsulamento a resina epóxi à base de Bisfenol A (Araldite Hobby), da indústria TekBond. Esta caracteriza-se por ser um produto em estado líquido, composta reação entre epicloridrina e bisfenol A, também chamada de epóxi Epi- Bis. Esta mistura com diferentes tipos de viscosidade resulta em uma resina adequada as mais diversas aplicações. Seguem algumas especificações.
Tabela 7: Especificações técnicas da resina epóxi à base de Bisfenol A (Araldite Hobby)
ESPECIFICAÇÕES RESINA ENDURECEDOR
Aparência visual: Líquido límpido azulado
Líquido viscoso amarelo Viscosidade aparente a 25 ºC: 20.000 a 40.000 cps 25.000 a 65.000 cps
Relação da mistura em peso A : B (peso ou volume):
1 : 1
Tempo para utilização da mistura: 5 minutos
Tempo de secagem inicial: 10 minutos
Tempo de cura total: 8 horas
Temperatura de aplicação: + 5 a 35°C Temperatura de trabalho: - 30 a 70°C Resistência ao cisalhamento (Kgf/cm2): ≥200 pH 6 [Conc. (%w/w): 50%] Densidade 1.17 g/cm3 [25ºC (77ºF] Fonte: [69]
Este tipo de resina caracteriza-se por ir de uma condição líquida até uma configuração sólida, resistindo a temperaturas de até 700C, com fusão a temperaturas superiores a 2000C.
Geralmente para altos pontos de fusão ocorrem maiores viscosidades, sendo necessário menos endurecedor para estas resinas.
A indústria de componentes eletrônicos é uma das grandes consumidoras desse tipo de resina epóxi, buscando resinas com baixas contaminações por íons, particularmente íons cloro e sódio [70]. A montagem de circuitos é uma tecnologia de alta precisão e a presença de íons pode provocar alguma degradação da resina, prejudicando o isolamento elétrico do material.
A versatilidade da aplicação de resinas epóxi a credencia aos mais diferentes tipos de processos, alcançando extremos não imagináveis, até então, para um material de natureza orgânica.
2.6.2.2 Esmalte
A substância popularmente conhecida como esmalte é o resultado de uma extensa lista de outros componentes. Geralmente é obtida pela combinação de solventes, pigmentos (sintéticos ou naturais), corantes, plastificantes e resinas que, quando aplicados sobre uma superfície formam uma película plástica devido a evaporação dos solventes [71].
A indústria dos esmaltes adota cuidados especiais, desde a extração da matéria-prima até a sua comercialização. Como todo cosmético, sua fabricação busca observar as propriedades físico- químicas dos seus reagentes como: acidez a viscosidade, cor, odor, teor alcoólico, densidade, entre outros [72]. Com a conclusão desses processos é realizada seção de testes entre eles da viscosidade, brilho, cor, aderência, secagem e tixotropia, a fim de aperfeiçoar a produção a partir de seus constituintes essenciais.
A composição dos esmaltes é na sua grande maioria (em torno de 85%) composta por solventes e o restante por resinas, plastificantes e outros componentes [73]. Vejamos algumas dessas substâncias e seus principais compósitos [71, 74-76].
a) Solventes: substâncias utilizadas para dispersar outras (os solutos) em seu meio, formando, assim, uma solução uniforme. A quantidade de solvente é que determina a espessura do filme e o tempo de secagem. Os solventes mais presentes na composição do esmalte são o acetato etílico ou butílico, o tolueno, o álcool isopropílico, o dibutilftalato e o formaldeído ou formol.
b) Resinas: polímeros responsáveis pelas características do filme após a secagem, tais como brilho e propriedades físicas. As resinas mais usadas na composição do esmalte são a nitrocelulose, tosilamida-formaldeído (resina TSF) e diacetona.
c) Plastificantes: auxiliam na manutenção da maleabilidade da película formada, impedindo a formação de rachaduras. Eles fazem com aumente a distância entre as cadeias do polímero (nitrocelulose) com a das resinas, por isso a flexibilidade. Os plastificantes mais presentes na composição do esmalte são cânfora, copolímero de etileno, polimetilacrilato, esteralcônio de hectorita e poliuretano.
d) Corantes e pigmentos: São os componentes responsáveis pela cor do esmalte e podem ser de diversas fontes orgânicas ou inorgânicas, tais como rochas, minérios, flores, folhas ou podem ser sintéticos. Os mais comuns possuem óxidos de ferro e outras matérias corantes, iguais aos presentes em tintas e vernizes. Enquanto que para ter o efeito cintilante ou brilhante, são usados minerais perolizados como a mica e o dióxido de titânio.
e) Ingredientes Adicionais: Alguns esmaltes podem conter agentes espessantes, tais como esteralcônio de hectorita, que melhoram a suspensão dos pigmentos com os solventes. Outros ainda contêm filtros ultravioletas, como benzofenona-1, que ajudam a evitar a descoloração quando o esmalte fica exposto à luz solar ou outras formas de luz ultravioleta.
da Cosmed Indústria de Cosméticos e Medicamentos S/A. O correspondente esmalte classifica-se como hipoalérgico, por não possuir em sua composição tolueno, formaldeído e dibutilftalato (DBP).
Acredita-se que os dados obtidos nesta pesquisa são inéditos para esta substância, pois nenhum material científico foi encontrado sobre o uso de esmalte para encapsulamento de elementos sensores, ou mesmo pela indústria de sistemas microeletromecânicos.
2.6.2.3 Poliacetato de Vinila (PVA)
Com numerosos nomes e acrônimos o poliacetato de vinila é um polímero sintético de adição, pois se dá pela junção sucessiva de vários monômeros do acetato de vinila.
Também conhecido pela sigla PVA, que vem do inglês polyvinyl acetate, o PVA é um polímero que se apresenta transparente e incolor, é insolúvel em água (se dispersa em meio aquoso somente com agente emulsificante) e é predominantemente amorfo [77]. Entretanto, sua maior propriedade é a alta adesividade.
Como termoplástico a estrutura do PVA quimicamente é representada pela Figura 14. Figura 14: Estrutura do Acetato de Polivinila
Acetato de Vinila Acetato de Polivinila Fonte: Adaptado [78]
As principais propriedades do PVA são dependentes da sua massa molar [79]. Com o aumento da massa molar, as propriedades variam de líquidos viscosos a sólidos com temperatura de fusão baixa. Esta dentre outras propriedades podem ser observadas na Tabela 8.
Tabela 8: Propriedades gerais do acetato de polivinila
Propriedades Grandezas Densidade 20ºC 1,19 60ºC 1,16 100ºC 1,13 Índice de refração 1,47 Absorção de água (%) 3,0
Temperatura de transição vítrea (ºC) 28-31
Ponto de amolecimento (ºC) 35-50
Temperatura crítica 246ºC
Ponto normal de ebulição 72,7º C
Condutividade elétrica (23ºC) 2,6 x 104 mhos/m (1S = 1 mho)
Tensão superficial (20ºC) 23,6 dinas/cm
Coeficiente de expansão cúbica (0,00137 por ºC a 20ºC)
O PVA é utilizado para um vasto número de aplicações, dentre eles produção de álcool polivinílico e poliacetais, utilizado em adesivos, colas, tintas, papéis, materiais de construção, tecidos, gomas de mascar entre outras.
Na correspondente pesquisa, o PVA utilizado para encapsulamento foi a Cola de PVA Universal, também da indústria TekBond.
Sua capacidade em proteger é reforçada por várias vantagens pertencentes exclusivamente a sua fixação aos materiais [80]. Como adesivo plastificante não contêm solventes no intuito de que danos fisiológicos e riscos de fogo sejam eliminados. É inodoro e facilmente aplicado com spray, rolo ou pincel. Seca rapidamente e também é muito durável exteriormente. A boa combinação de propriedades, adesão a superfícies celulósicas, tolerância a outros materiais e resistência a seco, torna o PVA um dos mais importantes polímeros utilizados pela indústria de embalagens e de colas.