5.1 – ANÁLISE GRAVIMÉTRICA
A modificação das fibras de coco com polianilina seguiu o planejamento proposto na Tabela 3. As fibras secas foram pesadas antes e após o processo e por diferença de massa foi determinado a fração de PAni sobre as fibras. Esses valores são mostrados na Tabela 4.
Tabela 4 – Percentual de PAni sobre as fibras de coco
Condição Amostras Anilina (mol) APS (mol) mi (g) mf (g) PAni (%)
1 FC1 5x10-3 5x10-3 10,0251±0,0521 10,2297±0,0462 2,0±0,1 2 FC2 1,1x10-2 1,1x10-2 10,6451±0,0481 10,9248±0,0268 2,6±0,2 3 FC3 1,6x10-2 1,6x10-2 10,4598±0,0368 10,8280±0,0580 3,4±0,2 4 FC4 2,2x10-2 2,2x10-2 10,2254±0,0667 10,6848±0,0497 4,3±0,2 5 FC5 2,7x10-2 2,7x10-2 10,5541±0,0794 11,1330±0,0752 5,2±0,1 6 FC6 3,3x10-2 3,3x10-2 10,2144±0,0257 10,9832±0,0467 7,0±0,2
Os resultados da Tabela 4 são mostrados na forma de um gráfico na Figura 13.
A Figura 13 mostra que, no intervalo estudado, a quantidade de PAni sobre a fibra está linearmente relacionada (R2 = 0,9694) com quantidade de anilina (e
consequentemente de APS) empregada na síntese. A regressão linear obtida por mínimos quadrados é mostrada na Equação 4.
PAni = (1±1)x100 + (2±1)x102xAni Eq. 4
Esses resultados indicam que é possível ajustar, com relativa facilidade, a quantidade de recobrimento condutor sobre a fibra. Essa possibilidade de ajuste da quantidade de PAni sobre a fibra permitiria o ajuste fino de algumas propriedades, como a condutividade dos materiais.
5.2 – MICROSCOPIA ÓPTICA
A técnica de microscopia óptica também foi usada para investigar a modificação das fibras de coco com polianilina. O material não modificado apresenta coloração amarela característica da fibra de coco (Figura 14 (a)). Por outro lado, a fibra modificada com PAni.H2SO4 apresenta uma coloração esverdeada, característica
deste polímero intrinsecamente condutor. A microscopia óptica da fibra coco modificada também permite inferir que o recobrimento da PAni sobre a fibra é de natureza contínua e próximo a uniformidade, como é observado na Figura 14 (b).
Outro dado interessante observado através da microscopia óptica é a presença da PAni somente na superfície da fibra de coco (Figura 15). Esse resultado morfológico é um indicativo da baixa quantidade de anilina necessária ao processo de recobrimento da fibra vegetal, o que garante um caráter ecologicamente amigável ao produto final.
Figura 15. Fibra de coco modificada com presença de PAni somente na superfície da fibra
Além disso, é importante destacar que o resultado de microscopia óptica é um forte indício de que o processo de modificação foi bem sucedido e que o material, devido à formação de pontos condutores contínuos ao longo da fibra, apresentará boa condutividade.
5.3 – ANÁLISE POR FTIR-ATR
A espectroscopia é o estudo das interações da radiação eletromagnética com a matéria. A radiação eletromagnética pode ser dividida em diferentes regiões que correspondem a diferentes técnicas espectroscópicas. A região entre 4000 e 400 cm- 1 corresponde à região considerada infravermelho médio, onde bandas vibracionais
As análises por FTIR-ATR foram usadas para o estudo da modificação da superfície da fibra de coco pela PAni.H2SO4. Os espectros do lignosulfonato de sódio, da
polianilina obtida através da filtragem da solução após a modificação da fibra, da fibra de coco pura e da fibra modificada são apresentados na Figura 16.
São observados valores de comprimento de onda característicos da lignina presente na fibra pura (Figura 16 (b)) e na fibra modificada com PAni. O pico característico ao redor de 1731 cm-1 corresponde à deformação axial do grupo C=O, enquanto os
picos em 1604 e 1508 cm-1 são atribuídos à vibração do esqueleto do anel
aromático. As bandas presentes em 1322 e 1373 cm-1 são relacionadas a
deformação angular de CH2 e CH3. O pico localizado em 1241 cm-1 corresponde a
ligação C-O de anéis siringílicos e a banda larga em 1033 cm-1 é referente a ligação
C-O de álcoois secundários.
A presença de PAni nos espectros das amostras preparadas segundo as condições FC1, FC3 e FC5 (ver Tabela 3 e Fig 16 (c), (d) e (e)) foi evidenciada pela presença de picos característicos, correlacionados com os picos encontrados na amostra de PAni (ver Figura 16 (f)). Entre estes, o pico localizado em 1542 cm-1 é devido ao
estiramento dos anéis quinóides. A sobreposição de vibrações de estiramento dos anéis benzenóides está relacionada com o pico em 1434 cm-1, enquanto o pico ao
redor de 1292 cm-1 pode ser atribuído a sobreposição dos modos deformação
angular CH e estiramento CN. Ocorre ainda a deformação do anel quinona mais a deformação angular C-H em 1095 cm-1, a deformação do anel benzênico em 1018
cm-1, deformação do anel quinona em 956 cm-1 e a vibração fora do plano de anel
Figura 16. FTIR-ATR da lignosulfonato (a) fibra de coco pura (b) e das fibras de coco modificadas
FC1 (c), FC3 (d), FC5 (e) e PAni (f)
5.4 – ESPECTROMETRIA NO UV-VISÍVEL
A espectroscopia UV-Vis é um importante instrumento na caracterização da polianilina. Em seus espectros são comuns o aparecimento de três bandas. A primeira delas aparece ao redor de 350 nm (normalmente atribuído à transição das ligações π→π* dos anéis benzenóides). Já as outras bandas surgem nas faixas de 400 – 420 e 750 – 800 nm (atribuídas ao pólaron-π* e ao pólaron-π, respectivamente) [58,67]. Na Figura 17 são apresentados os espectros UV-Vis das soluções residuais ácidas contendo PAni.H2SO4, provenientes dos processos de
modificação das amostras fibras de coco segundo as condições FC1, FC3 e FC5 (ver Tabela 3). Nestes espectros são visíveis duas regiões, características dos pólarons, ao redor de 400 e 800 nm.
400 500 600 700 800 900 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 (d) (c) (b) (a) A b s o rv â n c ia Comprimento de onda (nm)
Figura 17. UV-Vis do branco H2O (a) e das condições 1 (b), 3 (c) e 5 (d), detalhadas na Tabela 3
A razão entre as intensidades das bandas localizadas ao redor de 825 nm e 420 nm é um indicativo da extensão da dopagem (Edp) da PAni.H2SO4 (ver Equação 5)
[58,67].
Edp = B2/ B1 Eq. 5
Na Equação 5, B2 é o valor máximo de absorção próximo ao comprimento de onda de 825 nm, B1 é o valor máximo de absorção próximo ao comprimento de onda em 420 nm.
Os valores da estimativa de extensão da dopagem (Edp) para as dispersões das fibras modificadas de acordo com as condições 1, 3 e 5 (ver Tabela 3) são iguais a 1,22±0,28; 1,28±0,26; e 1,44±0,33, respectivamente. Estes resultados, todos superiores a 1, indicam a presença de pólarons provenientes da protonação da polianilina [58,67].
Embora a razão entre a concentração de anilina e de APS tenha sido mantida constante, entre as amostras estudadas, a amostra preparada na condição 5 (ver Tabela 3) apresentou o maior valor de extensão de dopagem. Este resultado sugere que essa condição gerou o material com a maior concentração de pólarons e, possivelmente, de maior condutividade.
5.5 – DIFRAÇÃO DE RAIOS-X
Os difratogramas da fibra pura e das fibras modificadas com diferentes quantidades de anilina são mostrados na Figura 18.
Figura 18. Difratogramas da fibra pura (a) e das fibras modificadas de acordo com as condições 1 (b), 3
(c) e 5 (d), detalhadas na Tabela 3
A PAni.H2SO4 apresenta célula unitária pseudo-ortorrômbica caracterizada por picos
de difração em valores de 2θ iguais a 20,2°, 21,6°; 26,7° e 29,8°, Contudo, possivelmente devido a elevada intensidade da difração das fibras puras associada com a reduzida fração de polímero condutor sobre as fibras, não foi possível observar os citados picos nos materiais modificados com PAni.
A cristalinidade das fibras foi calculada seguindo o método de Ruland [68]. Os resultados obtidos são mostrados na Tabela 5.
Tabela 5 – Cristalinidade da fibra de coco e das fibras modificadas com PAni
PAni (%) Cristalinidade (%)
0 53±3
2,0±0,1 52±2
3,4±0,2 54±4
5,2±0,1 56±2
É importante destacar que os resultados de difração de raios X mostram que o processo de modificação das fibras não provoca perdas consideráveis da cristalinidade do material, indicando que a fração celulósica, possivelmente, não é afetada pelo processo de síntese da PAni.
5.6 – SAXS
O perfil SAXS foi obtido por subtração do espalhamento da fibra pura do espalhamento da fibra de coco modificada. Uma amostra contendo uma quantidade extrapolada, cerca de 7% de PAni.H2SO4 foi estudada e o seu espalhamento, após a
subtração mencionada, é mostrado na Figura 19. Com objetivo de comprovar a presença de nanopartículas de PAni na superfície da fibra modificada, foi utilizada, somente neste ensaio de SAXS, uma amostra com maior concentração de PAni. Esse perfil de espalhamento revela a presença de picos de correlação espacial na região entre 0,4 e 0,8 nm-1. Este sinal é resolvido por meio da deconvolução do
espalhamento em três picos gaussianos, que geram um envelope com correlação 0,962, em relação aos pontos experimentais.
A presença dos picos apresentados na Figura 19 indica a existência de heterogeneidades espaciais de tamanho nanométrico [22,69]. Os dados obtidos a partir da deconvolução gaussiana destes picos são mostrados na Tabela 6.
A distância média mais provável (dS) entre as heterogeneidades pode ser estimada de
dS =2π/qmax Eq. 6
Na Eq. 6, qmax é o módulo do vetor espalhamento no máximo do pico. As
heterogeneidades que produzem o espalhamento de raios X na PAni.H2SO4 estão
relacionadas com as diferenças de densidade eletrônica causadas pela existência de regiões cristalinas nanometricamente ordenadas, dispersas sobre a fibra [22]. Os valores de dS calculados são também mostrados na Tabela 6.
O tamanho médio destas heterogeneidades, LC, provê uma estimativa do tamanho
do “super-cristal” desordenado e é calculado de acordo com a Equação 7 [70]:
LC= 4π/∆q Eq. 7
Na Eq. 7, ∆q é a largura a meia altura (FWHM) do pico. Os valores de LC calculados
são também mostrados na Tabela 6.
Figura 19. Deconvolução gaussiana do espalhamento da fibra de coco modificada com cerca de 7% de
Tabela 6 – Dados obtidos via deconvolução do perfil 1D do SAXS da fibra de coco modificada com cerca de 7% de PAni
Pico Centro (nm-1) Largura (nm-1) d
s (nm) Lc (nm)
1 (3,86±0,04)x10-1 (7,7±0,2)x10-2 16,3±0,2 163±19
2 (4,76±0,06)x10-1 (1,5±0,2)x10-2 13,2±0,1 83±10
3 (6,36±0,05)x10-1 (2,9±0,3)x10-2 9,9±0,1 44±4
A PAni.H2SO4 que recobre as fibras de coco apresentou três picos, após a
deconvolução da curva experimental. O primeiro pico, centrado ao redor de 3,86x10- 1 nm-1, apresenta valor de L
c igual a (163±19) nm e valor de dS igual a (16,3±0,2)
nm. Por sua vez, o segundo pico, centrado ao redor de 4,76x10-1 nm-1, apresenta
valor de Lc igual a (83±10)nm e valor de dS igual a (13,2±0,1)nm. Já o terceiro pico,
centrado ao redor de 6,36x10-1 nm-1, apresenta valor de L
c igual a (44±4)nm e valor
de ds igual a (9,9±0,1)nm. A existência de três conjuntos distintos de valores de Lc e
de ds indica a presença de diferentes cristais de PAni.H2SO4, o que está de acordo
com outros resultados reportados na literatura científica [22, 70-73]. Assim, os resultados de SAXS são um forte indício da obtenção de nanopartículas de PAni sobre a superfície das fibras de coco, servindo como indicador de que, o uso de quantidades menores de PAni nas outras fibras pode também ter produzido um recobrimento composto por nanopartículas deste polímero.
5.7 – MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
As imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura foram utilizadas para avaliar as modificações na morfologia da fibra de coco durante o tratamento com NaOCl e a modificação com PAni.
A Figura 20(a) apresenta as fotomicrografias por MEV da fibra de coco pura. É observada uma superfície rugosa, com uma camada de cera e ácidos graxos [44] na superfície da fibra. Na Figura 20(b) observa-se o resultado da fibra de coco após o tratamento de 3 horas com NaOCl. É verificada a eliminação parcial da camada superficial aumentando a área de contato pela exposição das reentrâncias das fibrilas.
Figura 20. Microscopias eletrônicas de varredura da fibra de coco pura (a) e fibra tratada com NaOCl
(b), ambas com aumento de 1000X
Após o processo de modificação da fibra com PAni, nota-se que a fibra foi recoberta por inúmeras partículas de PAni formando várias camadas na superfície da fibra de coco. Isso pode ser observado analisando as Figuras 21 (a), (b) e (c) que demonstram a perda das reentrâncias das fibrilas com o aumento da concentração da solução de PAni, tornado a superfície da fibra modificada mais uniforme.
(a)
Figura 21. Microscopias eletrônicas de varredura das fibras modificadas com PAni, segundo as
condições FC1 (a), FC3 (b) e FC5 (c). Todas com aumento de 1000X
Cada imagem de MEV foi impressa em uma folha de papel A4 (30x25cm), essas imagens foram divididas em quatro quadrantes e dentro de cada quadrante foram escolhidas aleatoriamente dez partículas, as quais foram determinadas o diâmetro com o auxílio de uma régua milimetrada. Os valores do diâmetro das partículas de PAni presentes nas fibras modificadas foram convertidos para a escala da imagem (nm) e são mostrados na Tabela 7. Os resultados da Tabela 7 apontam para tamanhos médios de partículas iguais a 1290±836 nm, 1387±886nm e 1508±881nm para as amostras preparadas segundo as condições FC1, FC3 e FC5 (ver Tabela 3).
(a)
(b)
Tabela 7 – Medidas do diâmetro das fibrilas e dos aglomerados de partículas de PAni
Diâmetro das Partículas de PAni FC1 (nm) FC3 (nm) FC5 (nm) 2581 1613 645 968 1290 1290 645 1935 2581 968 645 1935 645 968 1290 645 645 1290 645 645 645 3871 645 645 1290 1290 645 645 323 645 645 645 645 645 645 1290 968 968 1290 1613 1935 1935 968 2581 1290 645 645 1935 1935 968 645 1935 1935 1290 1935 1290 1935 1290 1935 1935 1613 968 645 1935 645 1290 645 1935 1935 3226 1935 1613 645 1290 1290 1613 645 1935 645 645 3226 645 645 5161 645 1290 2581 1290 1935 1935 645 1935 1290 645 3871 1290 1290 2903 1290 1290 3871 2581 2581 1290 1935 968 1290 645 323 645 645 1290 968 1290 968 323 645 3226 2903 1290
Além da questão do recobrimento contínuo e consideravelmente homogêneo, os resultados de tamanho de partículas obtidos por MEV indicam que as fibras foram recobertas por uma camada de polianilina formada por partículas deste polímero condutor que se aglomerou formando superestruturas maiores que as inferidas por SAXS. Este resultado está relacionado com a capacidade de resolução da técnica
de SAXS, capaz de determinar o tamanho das nano partículas que compõe as superestruturas depositadas sobre as fibras [58].
5.8 – RESISTIVIDADE VOLUMÉTRICA
Os resultados calculados de resistividade volumétrica são apresentados na Tabela 8. A fibra de coco não modificada apresentou valores de resistividade da ordem de 107 Ohm.cm enquanto as fibras modificadas com as menores quantidades de PAni,
ao redor de 2%, apresentaram valores de resistividade da ordem de 103 Ohm.cm.
Tabela 8 – Conjunto de resultados de resistividade volumétrica e de variação da condutividade em função da pressão aplicada sobre as fibras de coco modificadas com polianilina PAni (%) Resistividade volumétrica (Ohm.cm) Variação da condutividade sob pressão
dScMax (%) dSdMax (%) Hist 6,60x107 (5,1±0,5)x101 (5,2±0,5)x101 (0,3±0,6)x101 0 8,30x107 (5,9±0,5)x101 (6,0±0,6)x101 (0,8±1,5)x101 7,10x107 (2,4±0,2)x101 (2,5±0,3)x101 (0,7±1,3)x101 1,50x103 (2,4±0,2)x103 (2,4±0,2)x103 (5±1)x102 2,0±0,1 1,60x103 (3,5±0,1)x103 (3,6±0,1)x103 (1,20±0,03)x103 1,70x103 (2,8±0,3)x102 (2,9±0,2)x102 (5,3±0,3)x101 8,30x102 (9±2)x102 (10±2)x102 (2,3±0,3)x102 2,6±0,2 9,20x102 (1,1±0,4)x103 (1,2±0,4)x103 (2±1)x102 1,90x103 (1,8±0,2)x103 (1,8±0,2)x103 (3,3±0,8)x102 2,20x102 (1,1±0,2)x103 (1,1±0,3)x103 (2,2±0,5)x102 3,4±0,2 2,30x102 (4±1)x102 (4±1)x102 (7±4)x101 2,30x102 (8±4)x102 (9±4)x102 (2±1)x102 1,90x102 (5±3)x102 (5±3)x102 (7±4)x101 4,3±0,2 2,10x102 (1,3±0,2)x103 (1,3±0,2)x103 (1,2±0,5)x102 3,60x102 (3,0±0,5)x102 (3,0±0,5)x102 (3±2)x101 4,20x101 (7±1)x102 (7±1)x102 (1,1±0,3)x102 5,2±0,1 4,60x101 (1,0±0,1)x103 (1,0±0,1)x103 (1,2±0,3)x102 1,50x102 (1,5±0,2)x103 (1,5±0,2)x103 (2±1)x102
Quantidades maiores de polianilina produziram diminuições ainda maiores da resistividade dos materiais de modo que as fibras modificadas com 2,0; 2,6; 3,4; 4,3
e 5,2% de PAni apresentaram aumentos de condutividade de cerca de 46.000; 60.000; 320.000; 290.000 e 920.000 vezes, respectivamente em relação a fibra pura. O aumento de condutividade das fibras modificadas já com pequenas quantidades de PAni permite a fácil utilização destas fibras como componentes resistivos em circuitos elétricos sensíveis a variações de temperatura e de pressão, conforme reportado em trabalhos anteriores do grupo [15,58,60,74].
A resistividade das fibras modificadas com PAni em função da pressão foi estudada e os resultados das triplicatas também são mostrados na Tabela 8. Já a Figura 22 mostra a variação de condutividade em função da pressão aplicada para algumas das amostras testadas. Os resultados da Tabela 8 permitiram calcular os dados médios de variação da condutividade em função da pressão, apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 – Variação média da condutividade em função da pressão e da quantidade percentual de PAni sobre as fibras
PAni (%) dScMax (%)* dSdMax (%)* Histerese (%)
0 (4,5±1,8)x101 (4,6±1,8)x101 (6,3±2,5)x101 2,0±0,1 (2,0±1,6)x103 (2,1±1,7)x103 (5,8±5,8)x102 2,6±0,2 (1,3±0,5)x103 (1,3±0,5)x103 (2,7±0,6)x102 3,4±0,2 (7,6±3,7)x102 (7,8±3,7)x102 (1,6±0,8)x102 4,3±0,2 (6,9±5,5)x102 (7,0±5,6)x102 (7,4±4,3)x101 5,2±0,1 (1,1±0,4)x103 (1,1±0,2)x103 (1,4±0,4)x102
Figura 22. Variação de condutividade em função da pressão aplicada sobre a fibra de coco (a) e a
Entre as amostras estudadas, a fibra de coco não modificada apresentou, conforme esperado, os menores valores de variação de condutividade ao longo dos semi- ciclos de compressão e de descompressão. A variação de condutividade observada para as fibras de coco não modificadas está relacionada com uma maior compactação das fibras, que gera um melhor contato entre as fibras e o eletrodo, diminuindo assim a resistividade medida.
Por outro lado, as amostras modificadas com polianilina apresentaram variações da condutividade sobre esforços compressivos muito maiores que as apresentadas pela fibra pura, indicando que a polianilina, além de aumentar a condutividade elétrica, possibilita o uso destas fibras para as aplicações propostas. Assim, as fibras modificadas com 2,0; 2,6; 3,4; 4,3 e 5,2% de PAni apresentaram variações de condutividade durante o semi-ciclo de compressão ao redor de 4600; 2900; 1700; 1600 e 2400%, respectivamente, maiores que a da fibra pura. Esses valores são muito semelhantes aos observados para os mesmos materiais ao longo dos semi- ciclos de expansão.
Desta forma, de acordo com os dados da Tabela 9, as amostras produzidas segundo a condição 1 (recobertas com cerca de 2% de PAni) são os materiais que apresentam os maiores valores de variação de condutividade ((2.0±1.6)x103 %),
associados com valores de resistividade relativamente baixos (da ordem de 103
Ohm.cm), que os tornam, como demonstrado em outros trabalhos do grupo [60,66,74], perfeitamente aplicáveis no preparo de dispositivos sensíveis a variações de pressão. Como vantagem extra, esse material é o que possui a menor quantidade de PAni o que, além de reduzir custos de produção, confere um caráter mais ecologicamente amigável ao mesmo.
6 – CONCLUSÃO
A modificação de fibras de coco com polianilina proposta no presente trabalho é viável. Os resultados obtidos mostraram que é possível obter quantidade controlada do recobrimento condutor sobre a superfície da fibra. Mais do que isso, este recobrimento possui uma coloração esverdeada característica da polianilina na forma esmeraldina, um indicativo da bem sucedida polimerização da anilina sobre as fibras. Estes resultados são apoiados pelos de FTIR-ATR e pelos de UV-Vis.
Por sua vez, os resultados de SAXS mostram a existência de três conjuntos distintos de valores de LC e de dS, indicando a presença de diferentes tipos de estruturas
nanométricas da PAni.H2SO4 sobre a superfície da fibra.
Outra conclusão muito importante é que as fibras modificadas são capazes de conduzir eletricidade e que essa capacidade de condução está relacionada com a quantidade de PAni sobre as mesmas. Esse resultado é muito encorajador, uma vez que a condutividade elétrica é um pré-requisito para a aplicação de um dado material no campo de sensores resistivos de pressão. Especificamente em relação aos sensores de pressão, as fibras recobertas com cerca de 2% de PAni são as mais indicadas para aplicações nestes dispositivos, uma vez que apresentam os maiores valores de variação de condutividade, associados com valores de resistividade relativamente baixos. Como vantagem extra, esse material é o que possui a menor quantidade de PAni, o que, além de implicar em menores custos de produção, confere um caráter mais ecologicamente correto ao mesmo.