DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENHO E CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO
GERADOR DE JATO DE PLASMA FRIO À PRESSÃO
ATMOSFÉRICA PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS
ARLINDO BALBINO DO NASCIMENTO NETO
Dezembro 2013
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENHO E CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO
GERADOR DE JATO DE PLASMA FRIO À PRESSÃO
ATMOSFÉRICA PARA APLICAÇÕES BIOMÉDICAS
ARLINDO BALBINO DO NASCIMENTO NETO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, do Centro de Tecnologia, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Custódio L. de Brito Guerra Neto Co-orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Júnior
Dezembro 2013
FICHA CATALOGRÁFICA
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede Catalogação da Publicação na Fonte
Nascimento Neto, Arlindo Balbino do.
Desenho e construção de um protótipo gerador de jato de plasma frio à pressão atmosférica para aplicações biomédicas / Arlindo Balbino do Nascimento Neto.– Natal, RN, 2013.
77 f. : il.
Orientadora: Profº. Dr. Custódio L. de Brito Guerra Neto. Co-orientador: Prof. Dr. Clodomiro Alves Junior.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.
1. Plasma atmosférico – Dissertação. 2. Plasma DBD – Dissertação. 3. Plasma frio – Dissertação. 4. Tratamento de biomateriais – Dissertação. I. Guerra Neto, Custódio L. de Brito. II. Alves Junior, Clodomiro III. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. IV. Título.
Dedicatória
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por ter dado as condições necessárias para realização desse trabalho.
Ao Prof. Dr.Custódio L. de Brito Guerra Neto, por me apresentar o mundo científico, pela dedicação nas correções e orientações neste período de aprendizado.
Ao Prof. Dr. Clodomiro Alves júnior, pelo auxílio e aprendizado transferido durante o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Thércio Henrique de Carvalho Costa e a Prof. Drª Michelle Cequeira Feitor pelas observações, discussões e contribuição para execução desse trabalho.
Ao Prof. Dr. William Fernandes de Queiroz pelo aprendizado e visão de como atacar os problemas para extrair suas soluções.
Ao Prof. Dr. Ronaldo de Andrade Martins pela constante disponibilidade em ajudar.
A todos os Professores da graduação e Pós-Graduação pelos ensinamentos.
A equipe de trabalho do LABPLASMA pela troca de experiência, discussões e sugestões que sempre agregaram valor científico. Em especial a Ivan Alves de Souza pela disponibilidade e contribuição para o entendimento e enriquecimento deste trabalho.
A UFRN por disponibilizar as ferramentas necessárias para essa formação.
A empresa POTYCHIP TECNOLOGIA e sua equipe pela disponibilidade e ajuda para a realização desse trabalho.
Epígrafe
“As raízes dos estudos são amargas, mas seus frutos são doces.”
Sumário
1. INTRODUÇÃO ... 16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 Plasma ... 18
2.2 Descarga em Barreira Dielétrica (DBD) ... 21
2.3 Configurações para a produção do Jato de plasma APNP -J ... 23
2.3.1 Jato sem dielétrico (SD) ... 23
2.3.2 Jato em descarga por barreira dielétrica (DBD) ... 24
2.3.3 Jato em descarga por barreira dielétrica ( DBD-Like) ... 26
2.3.4 Jato com um simples eletrodo (SE) ... 27
2.4 Parâmetros que influenciam o jato de plasma ... 28
2.4.1 Material e disposição entre eletrodos ... 28
2.4.2 Regime de escoamento do gás ... 29
2.4.3 Fonte de tensão elétrica ... 30
2.5 Método da figura de Lissajous ... 32
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 35
3.1 Desenho, construção e montagem de uma fonte de tensão ... 35
3.2 Desenho, construção e montagem do protótipo... 39
3.3 Parâmetros que influenciam o jato de plasma ... 46
3.4 Caracterização do jato de plasma e seus efeitos ... 48
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 52
4.1 Protótipo gerador de jato de plasma frio atmosférico... 52
4.2 Características elétricas ... 53
4.3 Caracterização do comprimento e intensidade do jato de plasma ... 56
4.4 Caracterização da superfície do titânio ... 64
4.5 Microscopia ótica ... 66
4.6 Microscopia de força atômica ... 68
5. CONCLUSÃO ... 69
Listas de Figuras
Figura 1: Desenho esquemático do jato SD (Babayan et al., 1998)... 24
Figura 2: Desenho esquemático dos tipos de jato de plasma DBD (Lu, Laroussi e Puech, 2012). ... 25
Figura 3: Desenho esquemático de dispositivos de jato de plasma DBD - like (Lu, Laroussi e Puech, 2012). ... 26
Figura 4: Desenho esquemático de dispositivos de jato de plasma DBD - like (Lu, Laroussi e Puech, 2012). ... 28
Figura 5: Desenho esquemático do arranjo experimental para análises elétricas de reatores DBD (Kostov et al., 2010). ... 32
Figura 6: Figura de Lissajous Q-V de uma DBD (Santos, 2010). ... 33
Figura 7: Fluxograma esquemático do experimento. ... 35
Figura 8: Esquemático do circuito da fonte HV. ... 36
Figura 9: Projeção em perspectiva da fonte HV e seus componentes. ... 38
Figura 10: Projeção em perspectiva do braço suporte para protótipo gerador de plasma DBD e fixação do porta amostra. ... 39
Figura 11: CAD da mesa com altura ajustável. ... 40
Figura 12: Projeção em perspectiva do controlador de fluxo (l/min). ... 41
Figura 13: Desenho técnico dos componentes do dispositivo gerador de jato de plasma. ... 42
Figura 14: Vista explodida do dispositivo gerador de jato de plasma DBD. ... 43
Figura 15: CAD destacando o local de entrada do cabo HV e gás (a) e corte parcial para detalhamento da parte interna do dispositivo (b). ... 44
Figura 16: Desenho CAD com um corte transversal do dispositivo montado. ... 44
Figura 17: Desenho da montagem final do protótipo. ... 45
Figura 18: Desenho esquemático das posições geométricas entre os eletrodos interno e externo. ... 47
Figura 19: Esquema do arranjo experimental para medidas elétricas e ópticas da descarga. ... 49
Figura 21: Protótipo gerador de jato de plasma. Vista frontal (a); vista lateral (b) e
ampliação do dispositivo gerador de plasma (c). ... 52
Figura 22: Figura de Lissajous, para a posição 1, destacandoa energia por ciclo para tensão de 15 KV e freqüências de 600, 800 e 1000 Hz. ... 53
Figura 23: Figura de Lissajous, para a posição 2, destacandoa energia por ciclo para tensão de 10 KV e freqüências de 600, 800 e 1000 Hz. ... 54
Figura 24: Figura de Lissajous, para a posição 2, destacandoa energia por ciclo para tensão de 15 KV e freqüências de 600, 800 e 1000 Hz. ... 55
Figura 25: Gráfico correlacionando a influência da tensão elétrica na formação do jato de plasma. ... 57
Figura 26: Gráfico correlacionando a influência da frequência na formação do jato de plasma. ... 59
Figura 27: Fotografias dos jatos de plasma produzidos na posição I. ... 60
Figura 28: Fotografias dos jatos de plasma produzidos na posição II. ... 62
Figura 29: Fotografias dos jatos de plasma produzidos na posição III. ... 63
Figura 30: Fotografia do jato de plasma DBD. ... 65
Figura 31: Dispositivo gerador de plasma direcionado para um disco de titânio desligado (a) e ligado (b). ... 65
Figura 32: Microscopia ótica do titânio sem tratamento (a) e (c); com tratamento (b) e (d). ... 67
Listas de Tabelas
Tabela 1: Principais características do plasma LTE e não equilíbrio – lte (Moisan et al.,
1996). ... 20
Tabela 2: Parâmetros utilizadas no estudo. ... 47
Lista de abreviaturas e siglas
LTE / LET
Local ThermodynamicEquilibrium / Local em Equilíbrio Termodinâmico
N-LTE/ LDT
Non – Local ThermodynamicEquilibrium / Local em Desequilíbrio Termodinâmico
MHCD/ DMCO
Micro Hollowcathodedischarge / Descarga por Micro-Cátodo Oco
DBD/ DBD
DielectricBarrierDischarge / Descarga em Barreira Dielétrica
VD/ DV
Volumdischarge / Descarga em volume
SD/ DS
SurfaceDischarge/ Descarga em superfície
APPJ / JPPA
AtmosphericPressure Plasma Jet / Jato de Plasma a Pressão Atmosférica
APNT – J / JPNPA
Atmospheric Pressure Non-equilibrium plasma jets / Jato de Plasma em Não equilíbrio a Pressão Atmosférica
HV/ AT
High Voltage/ Alta tensão
SD Sem dielétrico
Lista de símbolos
Vt(t) Tensão em função do tempo
Va Tensão aplicada nos eletrodos
Eel Energia elétrica consumida
ET Energia elétrica total
Pc Potência consumida
fp Frequência do pulso
tt Tempo total de tratamento
D Distância entre eletrodos
d Espessura do dielétrico
eV Elétron volt
SD Superfície de descarga
VD Volume de descarga
fres Frequência de ressonância
Te Temperatura eletrônica
Th Temperatura do gás
Re Número de Reynolds
Ø Diâmetro do tubo de escoamento do gás
A Área da seção transversal do tubo de escoamento do gás Viscosidade dinâmica do fluido
Densidade do fluido
Resumo. Pesquisas na busca por materiais com melhor desempenho para aplicações biomédicas
são constantes. Assim, estudos recentes buscam o desenvolvimento de novas técnicas para modificações de superfícies. O plasma a baixa pressão vem se destacando pela sua versatilidade e por ser ambientalmente correto, obtendo-se bons resultados na modificação das propriedades físico-químicas dos materiais. Porém, esta técnica necessita de um sistema de vácuo de alto custo e não é capaz de gerar modificações superficiais em regiões pontuais. Além disso, limita seu uso em materiais poliméricos e termosensíveis, devido às altas temperaturas do processo. Diante disso, foram criadas novas técnicas capazes de gerar um plasma frio a pressão atmosférica (APPJ). Com o objetivo de realizar tratamentos superficiais em biomateriais em regiões pontuais, foi construído um protótipo capaz de gerar um jato de plasma frio. O protótipo gerador de plasma consiste em uma fonte de alta tensão, um braço suporte, um porta amostra e uma ponteira por onde passa o argônio ionizado. Dentro desta ponteira existe um tubo dielétrico e dois eletrodos. Neste estudo foram variados alguns parâmetros como: posição entre eletrodos, tensão e frequência elétrica para verificar o comportamento das descargas luminescentes. Tratou-se disco de titânio grau II polido e verificou-se a energia elétrica consumida, comprimento, intensidade e modificações superficiais do titânio. A energia consumida durante as descargas foram verificadas pelo método da figura de Lissajous. Para verificar o comprimento dos jatos foi utilizado o software Image Pro Plus. As modificações na superfície do titânio foram verificadas por microscopia ótica (MO) e de força atômica (MFA). O trabalho mostrou que variações dos parâmetros de tensão, frequência e posição geométrica entre os eletrodos influenciam na formação do jato de plasma. Foi possível concluirque o jato de plasma próximo à temperatura ambiente e a pressão atmosférica foi capaz de provocar modificações superficiais no titânio.
Abstract. Research for better performance materials in biomedical applications are constants.
Thus recent studies aimed at the development of new techniques for modification of surfaces. The low pressure plasma has been highlighted for its versatility and for being environmentally friendly, achieving good results in the modification of physic chemical properties of materials. However, it is requires an expensive vacuum system and cannot able to generate superficial changes in specific regions. Furthermore, it is limits their use in polymeric materials and sensitive terms due to high process temperatures. Therefore, new techniques capable of generating cold plasma at atmospheric pressure (APPJ) were created. In order to perform surface treatments on biomaterials in specific regions was built a prototype capable of generating a cold plasma jet. The prototype plasma generator consists of a high voltage source, a support arm, sample port and a nozzle through which the ionized argon. The device was formed to a dielectric tube and two electrodes. This work was varied some parameters such as position between electrodes, voltage and electrical frequency to verify the behavior of glow discharges. The disc of titanium was polished and there was a surface modification. The power consumed, length, intensity and surface modifications of titanium were analyzed. The energy consumed during the discharges was observed by the Lissajous figure method. To check the length of the jets was realized with Image Pro Plus software. The modifications of the titanium surfaces were observed by optical microscopy (OM ) and atomic force microscopy (AFM ). The study showed that variations of the parameters such as voltage, frequency and geometric position between the electrodes influence the formation of the plasma jet. It was concluded that the plasma jet near room temperature and atmospheric pressure was able to cause modifications in titanium surface.
16 1. INTRODUÇÃO
Pesquisas na busca por materiais de melhor desempenho para aplicações biomédicos são constantes. Assim,estudos recentes têm como objetivo o desenvolvimento de novas técnicas para modificações de superfície. As pesquisas na área de plasma em baixa pressão vem se destacando pela sua versatilidade e por ser ambientalmente correta, obtendo-se bons resultados na modificação das propriedades físico-químicas de materiais (Alves Jr et al.,
2005). Porém, esta técnica necessita de um sistema de vácuo de alto custo e complexo (Li et
al., 2013).
Diante disso, foram desenvolvidos vários dispositivos geradores de jatos de plasma a pressão atmosférica (APPJ) capazes de promover modificação em materiais termosensíveis e não termosensíveis (Mariotti e Sankaran, 2010; Lu, Laroussi e Puech, 2012). Entre elas podemos destacar quatro categorias, jato sem dielétrico (SD), jato em descarga por barreira dielétrica (DBD), jato DBD-like e jato com simples eletrodo (SE) (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
Dentre elas, a técnica com configuração DBD e DBD-like se destacam em aplicações biomédicas por operar com descargas uniformes e temperatura próxima à atmosférica (Park
et al., 2012). Isso se deve ao fato de que o plasma formado não está em equilíbrio
termodinâmico. Embora a temperatura eletrônica seja alta, a temperatura média do gás é próxima da temperatura ambiente (300K) (Choi et al., 2009). Dessa forma, a maior parte da
energia fornecida ao plasma é usada para produzir uma alta densidade de espécies quimicamente reativas (Hong et al., 2013). Assim pode-se, modificar e esterilizar uma
superfície sem alterar a estrutura interna dos materiais (Santos, 2010). Outra vantagem desta técnica é a possibilidade de se produzir o plasma em forma de jato, capaz de realizar, pontualmente, o tratamento da superfície de forma eficiente, reduzindo desperdícios de energia (Kogelschatz, 2003).
A técnica DBD trabalha com pulsos de voltagem na faixa de 5 a 40 kV e frequências entre 0,05 a 80 kHz (Eliasson e Kogelschatzu, 1991; Napartovich, 2001), aplicada entre dois eletrodos onde pelo menos um é revestido com material dielétrico (Lu, Laroussi e Puech, 2012). No momento em que a tensão de ruptura é alcançada, várias microdescargas se distribuem na superfície do dielétrico dando origem ao plasma DBD, em regime filamentar. Quando essas microdescargas são mais numerosas, homogêneas e distribuídas dão origem ao plasma DBD em regime difuso (Pietsch, 2001).
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descargas com a mesma configuração. Desta forma, dispositivos configurados nessa categoria podem operar no regime DBD e pode mudar para o regime de descarga sem dielétrico (SD) dependendo do material a ser tratado. Caso o material seja não condutor elétrico o regime funciona no regime DBD e caso seja um condutor elétrico o regime muda para SD (Lu, Laroussi e Puech, 2012). O regime DBD é indicado para materiais termosensíveis e o SD para materiais não termosensíveis. Assim, com uma mesma configuração é possível operar com características distintas e apropriadas para cada situação (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
Porém, novas pesquisas relacionadas ao domínio e compreensão dos mecanismos químicos, físicos e biológicos necessitam ser realizados (Fridman et al., 2008; Yousfi et al.,
2013).
18 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Plasma
O plasma é o quarto estado da matéria e constitui cerca de noventa e nove porcento do universo. O termo “plasma” se aplica a um gás contendo espécies neutras e eletricamente carregadas como elétrons, íons positivos, íons negativos, átomos e moléculas (Alves Jr, 1995). O plasma pode ser caracterizado, também, por ser por um conjunto de partículas, caregadas e neutras, quase-neutra, e que exibe um
comportamento coletivo. É caracterizado por um parâmetro D distância de Debye em
cm, igual a 6,9 (T/N)1/2 onde T é a temperatura em Kelvin e N é o total das partículas na esfera de Debye dado em partículas/cm3. E que D << L e N >> 1. L é a dimensão
característica do meio confinado. Ele pode ser produzido em laboratório através da aplicação de uma diferença de potencial entre dois eletrodos. Quando uma diferença de potencial é aplicada em um sistema hermeticamente fechado e a uma pressão suficientemente baixa, elétrons e íons são acelerados pelo campo elétrico, colidindo com outras partículas e produzindo o plasma (Alves Jr, 1995). A partir da fonte energética e da quantidade de energia transferida para o plasma, suas propriedades podem mudar em termos da densidade eletrônica ou temperatura (Tenderoet al., 2006). Na média, um plasma é eletricamente neutro porque qualquer desbalanceamento de carga resultará em campos elétricos que tendem a mover as cargas de modo a restabelecer o equilíbrio. Como resultado disso, a densidade de elétrons mais a densidade de íons negativos deve ser igual à densidade de íons positivos.
Existe uma distinção entre o plasma em equilíbrio termodinâmico local (Local
Thermodynamic Equilibrium (LTE)) e o Plasma em não equilíbrio termodinâmico(Non
– Local Thermodynamic Equilibrium (N - LTE)).
No plasma LTE, as transições e reações químicas são regidas por colisões e não por processos radioativos. Além disso, os fenômenos de colisão têm que ser pontualmente reversível (Moisan et al., 1996). Quando em equilíbrio, existe um elevado número de
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plasma térmico. Devido à alta temperatura média, esse plasma, é utilizado em processos industriais como soldagem, corte e destruição de resíduos (Lovascio, 2010).
No plasmaN - LTE os elétrons de elevada energia estão envolvidos em algumas colisões elásticas, enquanto que a maioria resulta em eficazes colisões inelásticas, produzindo espécies excitadas, radicais e íons. As partículas pesadas, se comparadas com os elétrons, podem ser consideradas estática, pois sua temperatura de translação permanece próximo do ambiente (~ 300 K). Como as partículas pesadas são as espécies mais abundantes no plasma, a temperatura do plasma em não equilíbrio pode ser chamadade plasma frio. Esses tipos de plasma são amplamente utilizadospara modificação de superfície em materiais termicamente instáveis e têm encontrado aplicação também no controle da poluição, na remoção de compostos orgânicos voláteis, na geração de ozônio e lâmpadas (Conrads e Schmidt, 2000). O plasma pode ser descrito através da: temperatura eletrônica ( ) ou da temperatura do gás ( ). A tabela 1 mostra características do plasma atmosférico LTE e não LTE.
20 Tabela 1:Principais características do plasma LTE e não equilíbrio – LTE (Moisan et al., 1996).
PLASMA LTE PLASMA NÃO - LTE
Nome usual Plasma quente Plasma frio
Propriedades Te
Alta densidade eletrônica:
1021– 1026 m -3
As colisões inelásticas entre os elétrons e as partículas criam espécies ativas no plasma enquanto as colisões elásticas aquecem as partículas (energia perdida pelos elétrons)
Te>>
Baixa densidade eletrônica:
< 1019 m-3
Colisões inelásticas entre elétrons e partículas gera uma atmosfera rica quimicamente.
Exemplos TOCHA A PLASMA
Te= ~ 10000K
PLASMA APPJ
Te~10000 – 100000 K
~300 – 1000 K
Recentemente, a obtenção de plasmas não térmicos, à pressão atmosférica, foi alcançado. Essa condição foi recebida de forma positiva por não necessitar de sistemas de vácuo que encarecem e limitam a escala dos processos. O plasma que trabalha em baixa pressão, além de necessitar de um sistema de vácuo, geralmente trabalha com elevadas temperaturas e não pode tratar diretamente um material em uma região pontual, diferentemente do jato de plasma frio a pressão atmosférica. Assim, na última década, grande atenção tem sido dada à tecnologia de plasma atmosférico, pois ele pode superar algumas desvantagens presentes no plasma quente (Napartovich, 2001; Alexandrov e Hitchman, 2005; Fridman, Chirokov e Gutsol, 2005; Tendero et al.,
21 2.2 Descarga em Barreira Dielétrica (DBD)
A descarga em barreira dielétrica (DBD) tem uma longa história. Sua descoberta é atribuído a Werner von Siemens, que em 1857 desenvolveu um novo tubo de descarga para produção de ozônio (Kogelschatz, 2003).
A descarga em barreira dielétrica ocorre quando uma alta tensão é aplicada na região entre dois eletrodos metálicos quando pelo menos um dielétrico é inserido entre os mesmos para formar o plasma (Laroussi e Akan, 2007). Quando a diferença de potencial é aplicada entre os eletrodos, cargas elétricas acumulam-se na superfície do dielétrico até romper a rigidez dielétrica do gás e do tubo dielétrico provocando uma microdescarga. Nesse momento um campo elétrico pontual, que originou a descarga, diminui e o microfilamento se extingue. A ruptura elétrica do gás que preenche o espaço entre os eletrodos leva a formação de um grande número de microdescargas que têm diâmetro da ordem de 10-4 m. Estas duram alguns nano segundos e se distribuem uniformemente sobre a superfície do dielétrico (Kogelschatz, 2002). Uma microdescarga é governada por processo de ionização, excitação atômica e molecular que se desenvolve do ânodo para o cátodo (Wagner et al., 2003). Para assegurar um
funcionamento estável do plasma, a distância entre os eletrodos é limitada a poucos milímetros.
A descarga pode ser ativada por uma fonte de alimentação senoidal (Jimenez et al.,
2002) ou pulsada (Jürgen, 1996).Como os valores de voltagem são bastante elevados, os microfilamentos de plasma surgem em diversos pontos aleatórios da superfície do dielétrico. Todo esse processo irá se repetir a cada meio ciclo do pulso de tensão aplicada entre os eletrodos, gerando de forma macroscópica na superfície do dielétrico o plasma DBD (Kogelschatz, Eliasson e Egli, 1997; Bogaerts et al., 2002; Laroussi e
Akan, 2007).
O dielétrico é imprescindível para o funcionamento de um dispositivo DBD, pois limita a corrente na descarga e a distribui sobre toda a área dos eletrodos, evitando a formação de arcos (Parket al., 2007; Rocha, 2009). Essa descarga constitui um método
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propriedades da descarga de volume e da descarga de superfície no DBD são diferentes. A descarga de volume é caracterizada por iniciar em um campo uniforme com uma lacuna de gás fixa, enquanto a descarga em superfície propaga-se em um campo não uniforme do eletrodo ao longo da superfície do dielétrico. Os padrões de intensidade luminosa, espécies ativas, radicais e íons do plasma são dependentes da composição dos gases, pressão, configuração da descarga, distância entre eletrodos, frequência, tensão aplicada e da polaridade do campo elétrico (Xu, 2001; Souza, 2013).
Existem basicamente dois regimes diferentes de operação para o plasma DBD: O regime filamentar e difuso. Na maior parte das aplicações industriais, as descargas produzidas pela técnica DBD são geradas no modo filamentar (Santos, 2010). Porém, no regime difuso conhecido como “descarga luminescente”, a descarga é mais
homogênea, sem a formação de arcos. Essa condição especial de operação é determinada pelo gás de operação, distância entre eletrodos, tensão e frequência do pulso de tensão (Souza, 2013). Estas descargas são obtidas mais facilmente em gases como hélio, neônio e nitrogênio (Síra et al., 2008). Portanto, o uso destes gases é
vantajoso para tratamento e esterilização de materiais, pois o plasma gerado por excitação e/ou ionização garante a uniformidade e facilidade de gerar o plasma em regime difuso (Rocha, 2009).
Entretanto, se houver a concentração de impurezas no ambiente da descarga ou instabilidade dos parâmetros de operação, poderá levar a descarga ao regime filamentar que em determinadas aplicações não é interessante (Wagner et al., 2003; Borcia,
Anderson e Brown, 2004).
As propriedades químicas das descargas do plasma não térmico são determinadas através das colisões entre elétrons e outros componentes do gás de trabalho. Tanto na pressão atmosférica como, também, em baixa pressão, as reações químicas são principalmente iniciadas pelo impacto de elétrons com oxigênio e nitrogênio. Os produtos básicos destas colisões são o oxigênio atômico, oxigênio metaestável e o nitrogênio, com colisões reativas subsequentes que produzem uma mistura de espécies neutras, iônicas e/ou excitadas (Gaunt, Beggs e Georghiou, 2006). A aplicação da voltagem em pulsos em faixas de submicrosegundos em plasmas DBD aumenta o potencial químico das descargas (Liu e Neiger, 2001; Laroussi et al., 2004; Laroussi e
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(OH e oxigênio atômico) que são oxidantes e desta forma muito eficiente para a inativação bacteriana (Liu e Neiger, 2001; Laroussi et al., 2004; Laroussi e Lu, 2005).
Assim, os jatos de plasma DBD apresentam varias vantagens. Em primeiro lugar, devido à baixa potência entregue ao plasma, a temperatura do jato permanece próxima a do ambiente. Em segundo lugar, devido à utilização do dielétrico não existe formação de arcos. Esse plasma, também, apresenta uma grande densidade de espécies quimicamente ativas (Laroussi e Lu, 2005). Essas condições são muito importantes para aplicações na área biomédica (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
Todos esses fatores conferem ao plasma produzido por DBD um grande número de aplicações, incluindo a produção de ozônio, tratamento de gases poluentes e resíduos tóxicos, excitação de lasers de CO2, esterilização de materiais, deposição de filmes finos
e modificação de superfícies (Eliasson e Kogelschatzu, 1991; Wagner et al., 2003;
Borcia, Anderson e Brown, 2004; Kogelschatz, 2004; Wang e He, 2006).
2.3 Configurações para a produção do Jato de plasma APNP -J
Vários tipos de jato de plasma a pressão atmosférica em não equilíbrio térmico (APNP-J) com diferentes configurações têm sido estudados, onde são usados essencialmente gases nobres com a possibilidade de usar um pequeno percentual de gás reativo, como O2. Jatos de plasma operado com gases nobres podem ser classificados
em quatro categorias, jato sem dielétrico (SD), jato em descarga por barreira dielétrica (DBD), jato DBD-like e jato com um simples eletrodo (SE) (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
2.3.1 Jato sem dielétrico (SD)
24 Figura 1: Desenho esquemático do jato SD (Babayan et al., 1998).
Para essa configuração se fez necessário à utilização de arrefecimento e a temperatura do jato varia entre 50°C e 300°C, dependendo da intensidade da fonte RF. Várias características do jato SD são evidenciadas, a presença de arcos na formação das descargas quando não são usadas misturas de gases e alimentação de tensão ideal. Comparando com as fontes usadas pelos jatos DBD e DBD-like, a potência fornecida aos jatos SD é muito maior. Devido à alta potência fornecida, a temperatura do jato de plasma é bastante elevada e fora do intervalo aceitável para aplicações biomédicas. Por outro lado, a potência relativamente elevada pode entregar mais energia ao jato tornando-o muito reativo. Este tipo de jato de plasma é adequado para aplicações de tratamento de materiais não sensíveis a temperaturas (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
2.3.2 Jato em descarga por barreira dielétrica (DBD)
25 Figura 2: Desenho esquemático dos tipos de jato de plasma DBD (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
A figura 2 (a) foi reportada pela primeira vez por (Teschke et al., 2005), onde o
dispositivo consiste em um tubo dielétrico com dois eletrodos de metal na forma de anel colocados sobre a parte externa do tubo dielétrico. Inserindo um fluxo de gás dentro do tubo dielétrico e ligando estes eletrodos em uma fonte de alta tensão (HV), um jato de plasma será formado. O jato de plasma DBD produzido possui a temperatura próxima a ambiente. A velocidade do gás na saída dos dispositivos são inferiores a 20 m.s-1. O jato de plasma estudado mostrou-se homogêneo (Teschke et al., 2005). Os autores (Lu,
Laroussi e Puech, 2012) acreditam que o campo elétrico desempenha um papel importante para a propagação do jato de plasma.
A figura 2 (b) elimina um eletrodo na forma de anel diminuindo a intensidade de descargas dentro do tubo dielétrico (Li et al., 2009). A figura 2 (c) substitui um eletrodo
na forma de anel por um eletrodo central na forma de haste que é envolvido por um tubo dielétrico com sua extremidade direita fechada (Lu, X. et al., 2008). Assim, a interação
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A figura 2 (d) mostra uma configuração estudada por (Lu, Xinpei et al., 2008), onde
foi removido o eletrodo na forma de anel que era aterrado, mesma condição encontrada na figura 2 (b) e em ambas as condições que apresenta apenas um eletrodo a descarga dentro do tubo é enfraquecida. As descargas mais intensas dentro do tubo dielétrico foram os casos mostrados na figura 2 (a) e (c) condições essas que favoreceram a geração de mais espécies reativas (Lu, Laroussi e Puech, 2012). A configuração da figura 2 (e) desenvolvida por (Laroussi e Lu, 2005) foi um forma diferente dos dispositivos de jato DBD antes estudados. Os dois eletrodos na forma de anel foram centralizados e fixados na superfície de dois discos dielétricos furados. Os furos dos discos apresentavam diâmetro de aproximadamente 3 mm. A distância entre os dois discos foi de aproximadamente 5 mm. Para essa configuração foi possível obter vários centímetros de jato de plasma (Lu, Laroussi e Puech, 2012). Todos os dispositivos geradores de plasma discutidos anteriormente podem ser excitados por fonte AC em KHz ou DC pulsada.
Assim, os jatos de plasma DBD apresentam varias vantagens. Em primeiro lugar, devido à baixa potência entregue ao plasma, a temperatura do jato permanece próxima a do ambiente. Em segundo lugar, devido à utilização do dielétrico não existe formação de arcos. Essas duas condições são muito importantes para aplicações na área biomédica (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
2.3.3 Jato em descarga por barreira dielétrica(DBD-Like)
Os dois dispositivos mostrados na figura 3 são chamados de jato de plasma DBD-like. Esse tipo de configuração apresenta um comportamento dual. Onde no mesmo dispositivo gerador de plasma pode-se operar em dois regimes distintos (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
27
Quando o jato de plasma não entra em contato com nenhum objeto condutor elétrico, a descarga é configurada como jato DBD. Entretanto, quando o jato de plasma está em contato com um objeto condutor elétrico, a descarga passa direto do eletrodo HV para o objeto condutor. Para tal circunstância, ele não é mais caracterizado como um jato DBD e sim como um jato sem dielétrico (SD) (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
A figura 3 (b) substitui o eletrodo HV sólido por um eletrodo cilíndrico (figura 3 (a)) (Leveille e S., 2005; Shashurin et al., 2009). O benefício desse tipo de configuração
é a possibilidade de usar dois diferentes gases de alimentação, além de poder trabalhar em duas condições distintas. O papel e vantagem do eletrodo de anel nas figuras 3 (a) e (b) é o mesmo que no caso dos jatos de plasma DBD (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
Quando os jatos de plasma DBD-like são usados para aplicações na medicina, o objeto a ser tratado pode ser células ou tecido. Neste caso, estes tipos de dispositivos de jato devem ser usados com cuidado devido ao risco de formação de arco. Porém, essa configuração pode ser usada para tratar materiais condutores, pois mais energia pode ser entregue na formação das descargas. Então, os jatos DBD-like possuem suas vantagens pela possibilidade de alcançar aplicações tanto para tratamento de materiais termosensíveis quanto para materiais não termosensíveis (Lu, Laroussi e Puech, 2012). Os dispositivos mostrados na figura 3 podem ser excitados por uma fonte de tensão AC em KHz, por radio frequência (RF) ou por uma fonte dc pulsada (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
2.3.4 Jato com um simples eletrodo (SE)
28 Figura 4: Desenho esquemático de dispositivos de jato de plasma DBD – like (Lu, Laroussi e
Puech, 2012).
Por causa do risco de arcos as configurações mostradas na figura (a) e (b) não são as melhores para aplicações biomédicas (apenas por questões de segurança) (Stoffels, Kieft e Sladek, 2003). Para resolver esse problema foi desenvolvido um dispositivo similar ao jato de plasmas SE, como pode ser observado na figura 4 (c) (Lu et al.,
2009). O capacitor e o resistor possuem cerca de 50 pF e 60 KΩ, respectivamente. O
resistor e o capacitor são usados para controlar a corrente e tensão das descargas no eletrodo cilíndrico. Esse dispositivo foi alimentado por uma fonte de tensão dc pulsada com frequência de 10 KHz e amplitude de tensão de 8 kV. A vantagem dessa configuração de jato de plasma é pela capacidade de poder tocar o jato de plasma ou o eletrodo cilíndrico sem qualquer risco de choque, tornando o seu uso adequado para aplicações biomédicas (Lu, Laroussi e Puech, 2012).
2.4 Parâmetros que influenciam o jato de plasma
O comprimento do jato de plasma depende de vários parâmetros, tais como, material, disposição entre eletrodos, tipo e velocidade do gás e fonte de tensão elétrica (Jarrige, Laroussi e Karakas, 2010).
2.4.1 Material e disposição entre eletrodos
29
geradores de plasma com eletrodos de alumínio, de aço inoxidável e água (Wang, Zhang e Wang, 2012). O estudo mostrou que para a mesma energia de entrada houve diferentes medições de cargas para os eletrodos estudados. Essa diferença gerou figuras de Lissajous com diferentes formatos. A área da figura de Lissajous discutida é o valor correspondente à energia da descarga consumida pelo dispositivo. O eletrodo de água foi o que consumiu a menor quantidade de energia seguido do Alumínioe de aço inox (Wang, Zhang e Wang, 2012).
Outro fator que influência na formação do jato de plasma é a configuração do dispositivo gerador de jato de plasma, que permite a interação do gás com o campo elétrico, em direção perpendicular ou axial ao sentido de escoamento do gás.
Para ambos os casos foram estudados e comparados o desempenho na formação do jato com os mesmos parâmetros de potência, gás e vazão de fluxo. A interação do campo elétrico de forma perpendicular à direção de passagem do fluxo de gás produziu um plasma confinado entre os eletrodos diminuindo o tamanho e a intensidade do jato na saída do dispositivo. Para o campo elétrico de forma linear, no sentido axial ao fluxo do gás, foi obtido um comprimento e intensidade maior na saída do jato. Desta forma, um dispositivo configurado com um campo elétrico linear é o mais indicado, pois é o que produz uma maior intensidade de espécies ativas na saída dos dispositivos geradores de plasma (Walsh e Kong, 2008; Li et al., 2013).
2.4.2 Regimede escoamento do gás
Segundo, Xian et al., 2012, existem evidências que mostram a influência do fluxo
do gás na dinâmica do jato gerado. Pode-se afirmar, também, o aumento da taxa do fluxo do gás, até um valor crítico, é produzido um aumento no comprimento da descarga gerada na saída do dispositivo (Jiang, Ji e Cao, 2009; Li et al., 2009; Li et al.,
2013).
30
do escoamento do gás em laminar ou difuso. Assim, é importante especificar o fluxo do gás de trabalho ideal, para produzir um escoamento no regime laminar.
O número de Reynolds pode ser calculado de acordo com a equação (1)
Onde é a densidade do gás (1,6228 Kg/m3), Q é a taxa do fluxo de argônio (em m3/s), é o diâmetro do tubo (m), A é a área da seção transversal do tubo onde passa o fluido e é a viscosidade dinâmica do gás (2,12x10-5N.s/m2). O número de Reynolds crítico é de aproximadamente 2320 para determinar se o regime do fluido que passa pelo tubo é laminar ou turbulento (Shaoet al., 2011).
Quando o escoamento do fluido é caracterizado no regime laminar, a concentração de átomos e/ou moléculas do gás dentro do tubo é direcionada e apresenta uma maior capacidade de ionizar e injetar para fora do dispositivo. Quando o número de Reynolds ultrapassa o valor crítico o fluido apresenta vórtices instáveis e o fenômeno turbulento é estabelecido. Desta forma, o fluxo do gás de trabalho não escoa pelo tubo na direção axial e essa condição não é favorável para a propagação do jato de plasma (Li et al.,
2009; Shao et al., 2011).
O jato de plasma a pressão atmosférica não é um jato contínuo, mas sim pulsos luminosos. Uma alta energia e um grande número de excitação e ionização de partículas são transportados em pulsos sob uma tensão mais elevada. Assim, é alcançado um comprimento mais longo no APPJ (Shaoet al., 2011).
2.4.3 Fonte de tensão elétrica
O tipo de tensão elétrica possui um efeito significativo na formação dos jatos de plasma. A forma de alimentação pode definir características específicas aos jatos de plasma. Desta forma, pode ser controlado o comprimento, intensidade e temperatura dos jatos (Ye e Zheng, 2008; Li et al., 2013).
31
temperatura do gás aumentou ao ponto de ser necessário o uso de um sistema de refrigeração a água. Assim, houve a necessidade de buscar uma fonte energética capaz de produzir jatos reativos, mas capazes de tratar materiais termicamente sensíveis sem provocar danos estruturais. Portanto, foram usadas novas tecnologias capazes de solucionar esses problemas. Onde, foi estudado e comparado o uso de uma fonte de tensão a rádio frequência (RF), operando em baixa freqüência, para a geração de jatos de plasma. Os resultados mostraram que os jatos de plasma excitados com baixa frequência gerou um longo jato de plasma a baixa temperatura (Kim et al., 2007).
Também, foram realizados estudos com uma fonte elétrica para ionizar o gás através de micro-ondas e foi verificada a geração de um jato denso e quente (Arnoult et al., 2008).
Comumente, as faixas de frequência de alimentação de fontes de tensão são divididas em faixas de baixa frequência, radio frequência e micro-onda. Estudos compararam as três formas de alimentação e foi verificado que os jatos de plasma ionizados com fonte operando em baixa frequência obtiveram jatos longos e com temperaturas baixas. Os jatos produzidos com micro-ondas obtiveram jatos não recomendados para tratamento de matérias termosensíveis devido a sua temperatura (Arnoult et al., 2008).
Para fontes geradoras de jato de plasmas a pressão atmosférica em estado de não equilíbrio (APNP-J), os elétrons comparados com os íons e moléculas e/ou átomos do gás possuem mais energia podendo gerar muitos radicais reativos quimicamente. Durante o processo, os elétrons com alta energia podem transferir momento para os átomos e moléculas do gás através de colisões inelásticas que pode levar ao aumento da temperatura. E desta forma, a alta temperatura pode gerar danos ao material tratado. A solução para evitar o aumento da temperatura do gás foi operar no regime pulsado (Kim
et al., 2007; Arnoult et al., 2008; Walsh e Kong, 2011). Esse comportamento pode ser
atribuído a dois fatores. O primeiro é pela descarga terminar antes dos elétrons terem tempo suficiente para transmitir energia para as moléculas e/ou átomos do gás. O segundo é o resfriamento do gás entre os intervalos de descarga (Li et al., 2013).
32
Martisovits, 2008) ou nanosegundo (Janda, Martisovits e Machala, 2011) foram usadas para diminuir a temperatura do jato de plasma. Onde é recomendável a produção de jatos através de pulsos produzidos a partir de fonte elétrica dc, pois são mais econômicas e convenientes.
2.5 Método da figura de Lissajous
O método da figura de Lissajous pode ser utilizado para a caracterização elétrica de uma descarga em barreira dielétrica, pois, fornece dados precisos da energia elétrica consumida no processo e potência do sistema DBD (Rosenthal e Davis, 1975). A figura de Lissajous são geradas pela carga transportada para um capacitor ligado em série com a saída do reator em função da tensão aplicada ao sistema. A figura 5 mostra de forma esquemática como se podem obter as figuras de Lissajous. O valor da carga em função do tempo é obtido medindo a diferença de potencial também em função do tempo no capacitor , e é calculado usando a equação 2.
Figura 5: Desenho esquemático do arranjo experimental para análises elétricas de reatores
33
Onde é a tensão medida no capacitor, é a capacitância do capacitor utilizado no circuito e a carga calculada em função do tempo. A figura 6 é uma ilustração de um paralelogramo, figura típica formada neste tipo de descarga, e que pode ser subdividida em quatro regiões bem definidas, são elas: a região AB, BC, CD e DA.
A primeira informação importante que podemos obter dessa figura é a energia elétrica , consumida no processo de produção de plasma, que é dada pelo cálculo da área interna no paralelogramo (Rosenthal e Davis, 1975) obtida pela integral abaixo, equação 3.
∫ ∫
Onde é a voltagem aplicada nos eletrodos e é um elemento infinitesimal de carga acumulada no capacitor C.
Segundo Wang, a potência consumida é outro parâmetro conseguido através das figuras de Lissajous, este valor é obtido multiplicando a energia elétrica pela frequência do pulso de tensão aplicada (Wang et al., 2010), como demonstrado pela
equação 4.
∫ .
34
Para aplicações industriais, outro dado importante a ser mencionado é a energia total , consumida num determinado tratamento, pois esse dado permite avaliar se é viável ou não a modificação superficial com a técnica utilizada (Souza, 2013). Para tratamentos com jatos DBD, o método da figura de Lissajous também permite obter este dado, multiplicando diretamente o valor da potência pelo tempo do tratamento , equação 5.
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3. MATERIAIS E MÉTODOS
Para uma melhor execução do dispositivo o capítulo materiais e métodos foi dividido em cinco etapas. Na primeira etapa realizou-se o desenho e construção de uma fonte de alta tensão. Na segunda etapa foi desenvolvido o desenho, construção e montagem das partes mecânicas do protótipo. Na terceira etapa analisou-se a influência da tensão, frequência e posição dos eletrodos na formação do jato de plasma. Na quarta etapa realizou-se um tratamento com o jato de plasma na superfície de titânio para verificação dos efeitos. Por fim, foram feitas caracterizações elétricas, avaliações no comprimento dos jatos e caracterizações no disco de titânio para verificar as possíveis modificações.
Figura 7: Fluxograma esquemático do experimento.
3.1 Desenho, construção e montagem de uma fonte de tensão
A fonte de Alta Tensão pulsada ou do inglês High Voltage (HV) foi motivada pelo
37
O fusível (F1) está em série com o transformador (TR1). Para esse circuito o fusível (F1) foi dimensionado para 0,4A. Para ligar e desligar o circuito utilizou-se a chave (SW1). Utilizou-se um transformador 12 +12 V para converter a tensão de 220V em 12V para alimentar o circuito da fonte HV.
Utilizou-se o diodo (D1) junto com o capacitor eletrolítico (C1) para retificar a tensão de saída do transformador. O resistor (R1) foi inserido para limitar a corrente do led (D3) que foi inserido para indicar quando a fonte estiver ligada. O resistor (R2) e o potenciômetro (RV1) estão ligados em série com o objetivo de controlar a tensão na base do transistor (Q2). Através do potenciômetro (RV1) é possível fazer um controle da tensão na base do transistor Q2, controlando, assim, a corrente de saída do transistor (Q1) e, consequentemente a tensão de saída final desejada na bobina (TR2).
Utilizou-se o capacitor cerâmico (C2) para eliminar ruídos ou instabilidades na base do transistor (Q2). Ligou-se os transistores de potência (Q1) e (Q2) fazendo uma conexão Darlington com o objetivo de formar uma fonte de corrente. O resistor (R9) foi usado para quantificar a corrente de saída do transistor (Q1).
Os resistores R3, R4, R5, R6, R7, R8 juntamente com os capacitores C4, C5 e C6, os transistores Q3 e Q4 e o potenciômetro RV2 compõem o circuito do estável, o qual cria pulsos para a base do transistor Q5. O circuito foi dimensionado para operar compulsos de frequência na saída de 500Hz a 1,3 Khz podendo ser ajustada pelo potenciômetro RV2.
Os transistores Q5 e Q6 foram ligados de forma a controlar a corrente que passa pela bobina, e por sua vez, está sendo controlado pelos pulsos do estável. Quando o estável informava um nível alto para a base do transistor Q5, a corrente que deixava o transistor Q1 passava pela bobina e prosseguia até o terra, pois o transistor Q6 estava conduzindo. Quando o estável passou para nível baixo, os transistores Q5 e Q6 não conduzem, e a corrente na bobina reduziu subitamente, provocando uma elevada tensão eletromotriz.
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Finalizando o circuito da fonte HV, desenhou-se uma carcaça de encapsulamento do circuito em acrílico transparente para proteger os componentes eletrônicos e servir de base para o braço de apoio do gerador de jato de plasma DBD. Escolheu-se o acrílico transparente com o propósito de facilitar a visualização de todo o protótipo. Para a realização dos desenhos utilizou-se o software Solid Works versão 2010. O desenho da fonte com os principais componentes são mostrada na figura 9.
Figura 9: Projeção em perspectiva da fonte HV e seus componentes.
Representou-se uma simulação de montagem da fonte para verificar o espaço necessário para posicionar todos os componentes eletrônicos. A fonte HV possui uma chave liga/desliga com um led vermelho que acende quando o equipamento está ligado. A fonte HV apresenta três conectores para medir carga e/ou corrente durante as descargas do plasma gerado. A fonte foi projetada para ser ligada em uma rede de 220 volts.
39 3.2 Desenho, construção e montagem do protótipo
Durante a concepção do projeto foi utilizado um modelador CAD para simular as condições de funcionalidade e montagem antes de fabricar as peças reais. Esse recurso foi utilizado, com o objetivo de evitar retrabalho e desperdiçar materiais. Assim, foi utilizado o modelador Solid Works 2010 para desenhar todos os componentes do protótipo gerador de jato de plasma DBD.
3.2.1 Braço suporte em acrílico
Confeccionou-se um braço de acrílico para ser utilizado como suporte de fixação para o dispositivo gerador de jato de plasma frio. Neste braço também existe um espaço
“oco”para a passagem de uma mangueira de gás (1/4”) e um cabo elétrico (Ø 5 mm). O cabo elétrico apresenta uma camada espessa de isolante elétrico para impedir possíveis induções.
A estrutura foi feita de acrílico transparente para facilitar a visualização detalhada do protótipo.
Figura 10: Projeção em perspectiva do braço suporte para protótipo gerador de plasma DBD e fixação do porta amostra.
40
no braço suporte através de parafusos inseridos nos furos para fixação do porta amostra (3). Para o porta amostra ser encaixado fez-se necessário a criação do rasgo (7) para a fixação do manipulo controlador de distância. Para o encaixe e fixação do dispositivo gerador de jato de plasma DBD foi criado um furo (2). Por fim, foi idealizado uma tampa (1) para o braço suporte para inserção da mangueira de gás, cabo de alta tensão e do dispositivo gerador de jato de plasma DBD (figura 10).
3.2.2 Porta amostra
O protótipo foi idealizado para realizar modificação de superfícies de materiais. Diante disto, foi idealizado um porta amostra capaz de ajustar a distância do jato de plasma para a superfície a ser tratada. Acoplou-se uma mesa com um conjunto pinhão cremalheira capaz de variar em até 100 milímetros (figura 11).
Figura 11: CAD da mesa com altura ajustável.
41
acoplada a uma cremalheira. Essa montagem permite ao usuário girar o manipulo e controlar a distância desejada do jato a amostra.
3.2.3 Controlador de fluxo
Para regular o fluxo de gás utilizou-se um controlador de fluxo capaz de controlar vazão de 0 (zero) a 10 (dez) litros por minuto (L/min), como mostrado na figura 12.
Figura 12: Projeção em perspectiva do controlador de fluxo (L/min).
O controlador de fluxo é formado por uma entrada de gás, uma saída de gás, um manipulo, um mostrador de vazão e esfera. Esse dispositivo mostrado na figura 12 foi comprado, onde o desenho CAD foi realizado apenas para a visualização de todos os componentes do protótipo.
3.2.4 Dispositivo gerador de jato de plasma DBD
42
fixador de borracha (7) para o tubo dielétrico, um tubo dielétrico de vidro (8) e um eletrodo externo na forma de anel de cobre (9) (figura13 e 14). O eletrodo cilíndrico interno de aço Inoxidável (5) apresenta três cortes como pode ser visualizado no
“detalhe A” da figura 14. Esses cortes servem para a entrada e escoamentodo gás injetado pela extremidade do eletrodo interno. A outra extremidade do eletrodo interno de Inox (5) é fechada.
43
A figura 13 mostra que a tampa (1) apresenta um diâmetro de Ø 30 mm e comprimento de 10 mm. O corpo (3) de teflon apresenta Ø 30 mm e comprimento de 35 mm. O eletrodo cilíndrico interno de inox (5) apresenta diâmetro interno Ø 4,2 mm e diâmetro externo Ø 6,4 mm com um comprimento de 70mm. O anel de borracha (7) apresenta diâmetro interno Ø 7,4 mm e diâmetro externo Ø 8,9 mm um comprimento de 15 mm. O tubo dielétrico de vidro (8) apresenta diâmetro interno Ø 9 mm e diâmetro externo Ø 12,1 mm com um comprimento de 40 mm. O comprimento do eletrodo cilíndrico interno de inox posicionado para fora do corpo de teflon (3) corresponde a 30 mm. O conector de gás (2) não foi apresentado na figura 13, pois o mesmo foi comprado, onde sua referência é: conector, macho 68C (1/4)”.
Figura 14:Vista explodida do dispositivo gerador de jato de plasmaDBD.
44 Figura 15: CAD destacando o local de entrada do cabo HV e gás (a) e corte parcial para detalhamento da parte interna do dispositivo (b).
A figura 15 (a) mostra o dispositivo gerador de plasma evidenciando a região da entrada do cabo de alta tensão e gás de alimentação. A figura 15 (b) mostra um corte de detalhamento evidenciando os três rasgos no eletrodo cilíndrico de inox para possibilitar o escoamento do gás até a saída do dispositivo gerador de jato de plasma.
Para mostrar a montagem dos componentes do dispositivo gerador de plasma foi realizado uma modelagem CAD com uma vista de corte total (figura 16).
45
O eletrodo cilíndrico interno de alta tensão de inox (5) foi fixado no anel centralizador e fixador (4) que foi montado no corpo de teflon (3). O anel retentor (6) foi montado no corpo (3) passando pelo eletrodo cilíndrico interno de alta tensão de inox (5). O anel retentor (6) serve como centralizador da outra extremidade do eletrodo cilíndrico interno de alta tensão de inox (5) e serve para conter o gás inserido dentro do corpo (3). Para todas as montagens foi utilizado um ajuste com interferência para não ocorrer folgas e/ou vazamentos. Dessa forma quando se injeta gás comprimido dentro do dispositivo a única região para escoar é pelos rasgos presentes no eletrodo cilíndrico interno de inox (5) escoando pela região interna e sendo expelido para fora do dispositivo. Em seguida, fixou-se o anel de borracha (7) no eletrodo cilíndrico interno de alta tensão de inox (5). Depois foi montado o tubo dielétrico de vidro (8) sobre o anel de borracha (7). Antes de fixar a tampa de teflon (1) no corpo (3) fixou-se o cabo de alta tensão no eletrodo cilíndrico interno de alta tensão de inox (5). E por fim, inseriu-se o anel de cobre (9) sobre o tubo dielétrico de vidro (8).
Finalizado o desenvolvimento dos itens individuais do protótipo gerador de jato de plasma montou-se a fonte HV (base), braço suporte, porta amostra, controlador de fluxo e o dispositivo gerador de plasma (figura 17). Fixou-se o dispositivo gerador de jato de plasma na parte superior do braço suporte, onde cabos de energia e mangueiras de alimentação de gás passam por dentro do braço suporte, para alimentar o dispositivo.
46 3.3 Parâmetros que influenciam o jato de plasma
Com o objetivo verificar o comportamento do jato de plasma produzido pelo protótipo gerador de plasma variaram-se posição entre os eletrodos e os parâmetros de voltagem e frequência.
Variando-se a posição geométrica entre os eletrodos, voltagem e frequência entre os eletrodos possibilitou-se gerar jato de plasma na saída do dispositivo. Os valores dos parâmetros utilizados neste trabalho estão mostrados na tabela 1.
Para determinar o fluxo de gás apropriado para obter um escoamento no regime laminar foi empregada a equação (1) que corresponde ao número de Reynolds que determina o regime de escoamento do fluido.
Para encontrar o valor de vazão do gás se faz necessário isolar a variável Q que corresponde a taxa de vazão do gás ( m3s-1), assim temos que:
Considerando a densidade do argônio = 1,6228 Kg/m3, o diâmetro do tubo de escoamento = 4,2.10-3m, área da seção transversal do tubo A = 1,385.10-5 m2, viscosidade dinâmica do argônio = 2,125x10-5 N.s/m2 e o número de Reynolds crítico igual a = 2320 obteve-se uma valor de Q = 1,002.10-4 m3s-1. Porém, foi necessário realizar uma conversão, pois o equipamento de controle de vazão opera com uma escala em L/min. Assim, foi obtido o valor de Q = 6,011 L/min. Identificado o valor do fluxo crítico foi definido o fluxo de argônio de 5 L/min para todos as condições estudadas.
47
distância 0 (zero) figura 18 (b) e posição 3 com uma distância – 5 figura 18 (c). A figura 18 mostra a capacidade de modificar a posição do tubo dielétrico.
Figura 18: Desenho esquemático das posições geométricas entre os eletrodos interno e externo.
A primeira coluna da tabela 2 indica as condições experimentais usadas nesse trabalho. Onde, a primeira letra e número indicam, respectivamente, “P” de posição e
seu respectivo número (1, 2 ou 3) que indica a posição entre os eletrodos como mostra a figura 18. Assim, P1 corresponde à posição +5, P2 vale 0 e P3 indica -5 como destacado
pelo eixo de referência, em vermelho, da figura 18. A segunda letra “V” indica tensão
elétrica e o número mostrado do seu lado direito indica o valor de tensão usado. Por fim, a letra “F” indica frequência e o número ao seu lado identifica a frequência utilizada (figura 18).
Tabela 2: Parâmetros utilizadas no estudo.
Condição Distância (mm) Tensão (KV) Frequência (Hz) Vazão (L/min)
P1V10F6 +5 10 600 5
P1V10F8 +5 10 800 5
P1V10F10 +5 10 1000 5
P1V15F6 +5 15 600 5
P1V15F8 +5 15 800 5
P1V15F10 +5 15 1000 5
P1V20F6 +5 20 600 5
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P1V20F10 +5 20 1000 5
P2V10F6 0 10 600 5
P2V10F8 0 10 800 5
P2V10F10 0 10 1000 5
P2V15F6 0 15 600 5
P2V15F8 0 15 800 5
P2V15F10 0 15 1000 5
P2V20F6 0 20 600 5
P2V20F8 0 20 800 5
P2V20F10 0 20 1000 5
P3V10F6 -5 10 600 5
P3V10F8 -5 10 800 5
P3V10F10 -5 10 1000 5
P3V15F6 -5 15 600 5
P3V15F8 -5 15 800 5
P3V15F10 -5 15 1000 5
P3V20F6 -5 20 600 5
P3V20F8 -5 20 800 5
P3V20F10 -5 20 1000 5
Para verificar a potencialidade do jato de plasma, na modificação de superfície condutoras elétricas e biocompatíveis, foi tratado um disco de titânio grau II com superfície espelhada (polido), com diâmetro de 19 mm e espessura de 1 mm, por 15 minutos. O disco de titânio foi colocado a uma distância de 5 mm da saída do dispositivo gerador de jato de plasma. Durante todo o tratamento a amostra foi movimentada horizontalmente sobre a mesa do porta amostra de forma aleatória, para alcançar uma maior área de tratamento.
3.4 Caracterização do jato de plasma e seus efeitos
49
segunda, foram realizadas análises do regime (filamentar e difuso), intensidade e comprimento dos jatos de plasma através de uma câmera fotográfica e do software Image Pro Plus. Na terceira, foi usado os recursos oferecidos pela Microscopia Ótica (MO) e por último Microscopia de Força Atômica (MFA). Estas técnicas foram usadas para obter com bastante precisão os parâmetros elétricos, comprimento, intensidade e modificação de superfície provocadas pelo jato de plasma.
3.4.1 Figuras de Lissajous
As medidas elétricas foram realizadas utilizando-se um osciloscópio Agilent modelo DSO 1012A, que permite obter até 2 giga amostras/s e resolução de banda de 0.014 s, juntamente com uma sonda de alta tensão 1000:1 30 KV 50 MHz modelo Agilent N2771B. Para calcular a carga e potência consumida em cada ciclo e período de produção de plasma foi colocado um capacitor de 2,22nF em série com a saída do dispositivo gerador de plasma. Todas as medidas elétricas foram realizadas conforme ilustrado esquematicamente na figura 19.
50
Para gerar a figura de Lissajous na tela do osciloscópio, os sinais de voltagem medidos com o auxílio da sonda de alta tensão 1000: 1 e do capacitor ligado em série com a saída no dispositivo gerador de plasma, estes dois dados foram colocados em dois canais diferentes do osciloscópio. No eixo “x” foram inseridos os valores da voltagem aplicada no eletrodo internodo dispositivo gerador de plasma e no eixo “y” os valores da tensão medida no capacitor. Estes procedimentos fornecem o gráfico conhecido como figura de Lissajous, onde a área do gráfico corresponde a energia dissipada por ciclo de pulso, conforme foi discutido no capítulo 2.5.
Através da figura de Lissajous foi obtida a potência do dispositivo e o seu consumo total pelo período de tratamento, conforme discutido no capítulo 2.5.
3.4.2 Medição do comprimento do jato de plasma
Para mensurar o comprimento dos jatos de plasma em cada condição de estudo foram realizadas fotografias. Essas fotografias foram exportadas para o software Image
Pro Plusversão 4.5.1.22 para o Windows (número serial 41N41000-29998) Copyright
1993-2002 Media Cybernetics, Inc.
A partir de um tamanho conhecido foram realizados regra de proporção simples, para mensurar o comprimento do jato de plasma. A equação (6) possibilita a conversão do valor fictício para o valor real em milímetros.
51 Figura 20: Medição do jato de plasma através do Image Pro Plus versão 4.5.1.
A figura 20 mostra a tela do software Image Pro Plus como uma fotografia do jato
de plasma arbitraria para demonstração de como foram obtidos os comprimentos dos jatos de plasma. Sobre a imagem do jato pode-se observar as linhas L1 e L2 com seus
valores arbitrários mostrados na coluna “Length”. Esses valores juntamente com a
constante foram inseridos na equação (6) para mensurar o comprimento do jato.
3.4.3 Análise de superfície
As amostras foram investigadas por microscopia ótica (MO) de luz refletida, com o objetivo de identificar modificações na superfície do titânio. Utilizou-se para isso um microscópio óptico Olympus BX 60M - Japan acoplado a um software Image-Pro Plus
versão 4.5.1.22 para o Windows (número serial 41N41000-29998) Copyright
1993-2002 Media Cybernetics, Inc. Posteriormente, foi utilizado um microscópio de força
atômica (MFA), modelo MFP – 3D Asylum Research para investigação da topografia
52 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Protótipo gerador de jato de plasma frio atmosférico
O protótipo gerador de jato de plasma frio a pressão atmosférica reuniu no mesmo equipamento uma fonte de alta tensão com controle de tensão e frequência, controlador de fluxo acoplado, porta amostra e dispositivo gerador de jato de plasma (figura 21). Assim, foi possível controlar parâmetros elétricos, de fluxo de gás e distância de tratamento. O protótipo apresentou bom desempenho e não apresentou fugas de corrente em lugares indevidos. Mostrando que os cabos usados, espessura do corpo de teflon foram adequados. Comumente, quando se utiliza alta tensão é verificada a presença e formação de fugas elétrica (arcos) em lugares indesejados. Isso gera perdas elétricas e a possibilidade de choque ao usuário. O presente protótipo utilizou um braço suporte vazado que impediu a possibilidade de qualquer contato com o cabo de alta tensão, e desta forma não ocorreu acidentes e/ou incidentes. Essa robustez possibilitou o controle de todos os parâmetros de forma ágil, confortável e seguro.
53 4.2 Características elétricas
Foram realizadas medições elétricas para cada condição descrita na tabela 2. Porém, foi possível analisar somente a energia elétrica consumida por ciclo de pulso das condições mostradas nas figuras 22, 23 e 24. Todas as outras condições geraram ruídos e não puderam ser analisadas. Esses ruídos podem ser explicados pelo regime de arco (filamentar) que provoca oscilações nas medições, e desta forma, impossibilitá a formação da figura de Lissajous.
Foi verificado que a condição 1 com tensão de alimentação em 15 KV e frequências de 600, 800 e 1000 Hz, produziram resultados elétricos capazes de gerar a figura de Lissajous e, posteriormente, o cálculo da energia dissipada a cada ciclo de descarga. A condição na posição 1 com tensão de 15 KV e frequência 600Hz obteve o maior gasto energético com o valor de 0,015 mJ para cada ciclo de pulso de descarga.
Para a frequência de 800 Hz houve um consumo de 0,006 mJ e, por último, a frequência de 1000 Hz com o consumo de 0,005 mJ. Contudo, para essa posição foi observado que não houve uma variação considerável da energia consumida para as frequências de 800 e 1000 Hz. Indicando que existe uma frequência de saturação com relação ao gasto energético.
54
A posição 2 com tensão de 10 KV e frequências de 600, 800 e 1000 Hz revelou um maior consumo para a condição com a frequência de 600 Hz. Seguido das frequências de 800 e 1000 Hz (ver figura 23). Esses resultados mostraram o mesmo comportamento discutido na posição 1.
-5000 0 5000 10000
56 58 60 62 64 24 25 26 27 28 29 12 13 14 15
-5000 0 5000 10000
0,077mJ C a rg a (n C ) Tensão (V) P2_V10F_6 0,025 mJ C a rg a (n C ) P2_V10F_8 0,024 mJ C a rg a (n C ) P2_V10_F10
Figura 23: Figura de Lissajous,para a posição 2, destacandoa energia por ciclo para tensão de 10 KV e freqüências de 600, 800 e 1000 Hz.
55
0 7000 14000
24 26 28 30 32 34 34 36 38 40 42 44 8 10 12 14 16 18
0 7000 14000
0,091 mJ C a rg a (n C ) Tensão (V) P2_V15_F6 C a rg a (n C ) P2_V15_F8 0,059 mJ 0,090mJ C a rg a (n C ) P2_V15_F10
Figura 24: Figura de Lissajous,para a posição 2, destacandoa energia por ciclo para tensão de 15 KV e freqüências de 600, 800 e 1000 Hz.
Através da análise das energias consumidas por ciclo de descargas, mostrado pela figura de Lissajous (figuras 22, 23 e 24), foi possível observar um comportamento inverso do aumento da frequência com o consumo energético para as diferentes condições apresentadas. Esse comportamento mostra que houve uma relação crescente do gasto energético com a diminuição da frequência. Isso pode ser explicado pelo valor da frequência usada. Onde uma frequência menor possui um maior tempo para acúmulo de cargas para provocar uma descarga. E desta forma acumula mais energia que são liberadas, aumentando o consumo.
