A madeira é formada por vários tipos de células. As paredes das células da madeira são constituídas, essencialmente, por celulose. A celulose é um polissacarídeo formado pela ligação de milhares de monômeros de glicose produzidos durante a fotossíntese. As células da madeira são unidas por uma substância chamada lignina, que funciona como um cimento, dando-lhe rigidez e resistência. As fibras são formadas pelas interações entre as moléculas de celulose, proporcionadas pelas ligações de hidrogênio entre os grupos hidroxila dos monômeros de glicose. São essas ligações de hidrogênio que permitem a formação de folhas de papel (SANTOS et al., 2001).
Conforme Samistraro (2009), no Brasil o papel provém de várias espécies arbóreas de eucalipto e pinus, destacando-se Eucalyptus grandis, Eucalyptus saligna, Eucalyptus urophyla, Pinus elliottii, Pinus taeda e Pinus caribea. Algumas variáveis devem ser consideradas na qualidade do produto final, entre as principais destaca-se o comprimento das fibras, a espessura da parede celular e os danos físicos e químicos durante o processo fabricação do papel.
Neste sentido, o papel vem sendo estudado como um substrato eficiente na construção de strain gauges (medidores de tensão) uma vez que a sua estrutura flexível representa vantagens para a construção de sensores e pelo fato de ter baixo custo. A Tabela 6 apresenta algumas características do substrato.
Tabela 6. Características do Papel A4
Comprimento Largura Gramatura 29,7 cm 21 cm 79,3 g/m² Espessura 0,00889 cm
Módulo de Elasticidade 2,6 GPa
Fonte: Adaptado de Pedrali et al. (2017) e Yadegari et al. (2014)
Além do papel ser um bom material para detecção de pequenas deformações a utilização dele como substrato de sensores é uma forma mais econômica, rápida e de descarte simples Liu et al. (2011).
Existe uma grande variedade de dispositivos sensores baseados em papel tais como o Transistor de Efeito de Campo (FET) que tem a função de promover uma camada dielétrica no
transistor, além de ser usado como substrato em biosensores, sensores de tensão e de gás, entre outros (PEDRALI et al., 2017).
O grupo SIMMER desenvolve sensores utilizando grafite como material semicondutor piezoresistivo aplicado em substrato de papel como polímero detector de deformação mecânica. As propriedades do papel são influenciadas pelo tipo de fibra, peso, rugosidade e impurezas (GABBI et al., 2017). O semicondutor depositado sobre o papel possui uma espessura muito menor que o próprio papel, isso significa que as tensões mecânicas aplicadas são transmitidas completamente ao semicondutor de acordo com a teoria das pequenas deflexões (RASIA et al., 2017).
Um polímero é uma substância macromolecular constituída por unidades estruturais repetitivas, unidas entre si por ligações covalentes (DUNN, 1994). Os polímeros com as suas vantajosas propriedades, tais como baixa densidade, boas propriedades mecânicas, resistência à corrosão, podem ser associados a outros constituintes, formando compósitos poliméricos (CARVALHO, 2014).
A celulose é um polímero natural de maior abundância na natureza e seus derivados têm sido utilizados nos mais variados segmentos industriais. Suas fibras podem ser funcionalizadas para que suas propriedades como permeabilidade e reatividade, possam ser adaptadas conforme necessário. A folha de papel é tipicamente composta de micro fibrilas com diâmetros de vários nanômetros a um mícron e comprimentos de até 40 mm tendo celulose a estrutura cristalina como sugerido por análise de difração de raios X, que mostra picos de difração a 15,6º e 23º correspondentes a os planos (110) e (200), como mostrado na Figura 13.
Figura 13. Picos de difração de raios X da celulose
Os planos cristalográficos são importantes para a deposição de filmes de grafite pelo processo GoP - Graphite on Paper e determinação dos fatores de sensibilidade dos piezoresistores (GABBI et al., 2017).
A Figura 14 mostra uma análise microscópica óptica dos filmes de grafite depositados no substrato de papel com gramatura de 75 g / m2. Nessa análise é possível observar as regiões de fibras de substrato e de acúmulo de grãos de grafite que são importantes para a compreensão dos mecanismos de condução no material (PEDRALI et al., 2017).
Figura 14. Microscopia de filme de grafite em papel
Fonte: Adaptado de PEDRALI et al (2017).
A condutividade e outras características físicas do grafite são devidas ao arranjo de átomos no material, formando estruturas semelhantes a chapas, atraídas por ligações fracas (PEDRALI et al., 2017).
A Figura 15 mostra as microfibras da celulose indicando que ordenou regiões cristalinas e regiões amorfas desordenadas, o que permite escolher a melhor posição para a deposição de filmes piezoresistivos na superfície do papel.
Figura 15. Estrutura da celulose e superfície para deposição de filmes de grafite
Fonte: Adaptado de Kim, Yun and Ounaies, (2006).
Na natureza, a celulose nunca ocorre como uma cadeia única, mas existe a partir do momento de sua síntese como um arranjo cristalino de muitas microfibras de cadeias paralelas e orientadas, que são unidades estruturais fundamentais. Uma microfibra de celulose possui domínios amorfos e cristalinos (KIM, YUN e OUNAIES, 2006).
Nos últimos anos, uma ampla gama de dispositivos e sensores baseados em papel e filmes de grafite piezoresistivos foi desenvolvida, incluindo strain gages, supercondensadores, armazenamento de energia, sensores de pressão, entre outros (SILVA et al., 2017).
A gramatura, medida em (g/m²) está associada com a distribuição ou arranjo das fibras na estrutura do papel conforme ilustra a Figura 16. A medição se realiza, em corpos de prova condicionados, por meio de uma balança analítica ou uma balança na qual é possível ler diretamente a massa em gramas por metro quadrado, quando se pesa uma folha de área determinada (KLOCK, 2013).
Figura 16. Gramatura da folha de papel
Fonte: Klock (2013).
A densidade aparente é assim denominada, por incluir os espaços do papel preenchidos por ar; é considerada uma das mais importantes propriedades do papel, influenciando as propriedades físicas e ópticas, exceto a gramatura (KLOCK, 2013).
A maneira do papel resistir à ação de forças externas, da umidade e do calor, depende de sua composição fibrosa e de sua formação. A resistência do papel é muito importante nos casos onde o papel deve resistir a um esforço aplicado. Esta resistência, sendo um termo vago, precisa ser identificada quanto à sua natureza, como, por exemplo, resistência à tração, resistência ao rasgo resistência ao arrebentamento ou estouro (MELO, 2018)
Os papéis devem resistir, pelo menos, aos diferentes tipos de força que encontram ao longo do processo de produção e utilização. Para a determinação da resistência à tração, submete-se um corpo de prova de largura e comprimento especificados a um esforço de tração uniformemente crescente até a sua ruptura (MELO, 2018)