EVIDÊNCIAS DE UM MECANISMO MECANOQUÍMICO NA
TRIBOELETRIZAÇÃO DE ISOLANTES
Autores: Lia Beraldo da Silveira Balestrin1 e Fernando Galembeck1,2
Afiliações: 1Instituto de Química, Unicamp, CP 6154, Campinas - SP, 13083970
2
Laboratório Nacional de Nanotecnologia e Centro Nacional de Pesquisa em
Energia e Materiais, Campinas - SP, 13083-970
INTRODUÇÃO
Os experimentos de eletrização por contato são conhecidos pela baixa
reprodutibilidade. [1] Um fato pouco conhecido é a eletrização nãohomogênea de superfícies isolantes, apresentando descontinuidades no
padrão elétrico. [2] A carga de um material em um experimento de
triboeletrização pode ser prevista através de séries triboelétricas. Porém,
tais séries são empíricas e não são acompanhadas por dados quantitativos
que possibilitem o desenvolvimento de uma teoria. [3] Além disso, a
literatura relata eletrização de materiais idênticos, o que não é previsto por
séries triboelétricas. [4]
Este trabalho tem como finalidade principal a investigação e o
aprofundamento no conhecimento do mecanismo de eletrização de
superfícies, especialmente de sólidos isolantes, como polímeros.
MÉTODOS
Filmes de PEAD e PTFE (5 x 5 cm²) foram colocados em um porta-amostra
metálico sobre uma balança e então atritados com tarugos (Ø = 1,12 cm)
de PTFE ou PEAD e espuma (Ø = 1,5 cm) de PEBD, fixados ao mandril de
uma microfuradeira a 5000 rpm, por 3s e com pressão controlada pela
massa aferida por uma balança semi-analítica (AM 5500 Automarte,
resolução de 10 mg). Em seguida, foi realizado o mapeamento do potencial
através de um eletrodo de Kelvin com limite de detecção de ± 3300 V e
resolução espacial de 9 mm² conectado a um voltímetro (modelo 347, Trek
Inc.).
A análise por microscopia eletrônica de varredura foi feita com amostras
recobertas com Au-Pd ou C em um metalizador MCS 010, Bal-Tec, utilizando
o microscópio JEOL LV-JSM 6360 em modos SEI, BEI e EDS. Potencial de
aceleração: 15 kV.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 mostra mapas de potencial elétrico da superfície de polímeros
que foram triboeletrizados.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 1. Mapas de potencial elétrico de (a) placa de PTFE atritada com (b)
espuma de PEBD. Nos dois casos formam-se regiões positivas (na escala de
cor, claras) e negativas (escuras). Mapas de potencial elétrico de (c) placas
de PTFE atritadas com tarugos de PTFE e de (d) placas de PEAD atritadas
com tarugos de PEAD. Nos mapas, as circunferências em laranja delimitam
a região de contato.
As figuras 1 (a) e 1 (b) indicam a formação de domínios positivos e
negativos em uma superfície triboeletrizada, diferentemente do comumente
esperado por séries triboelétricas, em que um material deveria ficar positivo
e o outro negativo. Entretanto, a carga líquida em cada um dos materiais
está de acordo com o previsto pela série triboelétrica. Já as figuras 1 (c) e 1
(d) mostram a eletrização de materiais idênticos. A hipótese de Grzybowski
[4] para esse fato inesperado é congruente com um modelo de eletrização
por contato devido a pequenas, porém inerentes, flutuação da composição
química das superfícies.
A composição química do tarugo de PEAD triboeletrizado com uma placa de
PTFE foi determinada por EDS/SEM, através do método de pontos (Figura 2).
Figura 2. Micrografia de um tarugo de PEAD atritado com um filme de PTFE
no modo BEI (esquerda) e composição atômica de diferentes regiões do
PEAD triboeletrizado (direita).
A análise de pontos mostrou que as regiões 1 e 2 são ricas em nitrogênio e
oxigênio. Como nenhum dos polímeros utilizados possuem O ou N em sua
composição, a origem de tais elementos só pode ser atmosférica,
ocorrendo, sob campos elétricos elevados, a formação de um triboplasma
[5]. Já as demais áreas são ricas em F, caracterizando um mecanismo de
eletrização que envolve a transferência de fragmentos poliméricos
carregados, que surgem em reações mecanoquímicas durante o atrito das
duas superfícies. [3]
AGRADECIMENTOS
CNPq, FAPESP e INOMAT (Instituto Nacional de Ciência, Tecnologia e
Inovação em Materiais Complexos Funcionais)
____________________
REFERÊNCIAS
[1] Diaz A. F.; Felix-Navarro R. M. J. Electrostat., 62, 277, 2004;
[2] C. A. Rezende, R. F. Gouveia, M. A. Silva e F. Galembeck, J. Phys.:
Condens Matter, 21, 263002, 2009;
[3] Burgo,T. A. L.; Ducati, T. R. D.; Francisco, K. R.; Clinckspoor, K. J.;
Galembeck, F.; Galembeck e S. E. Langmuir, 28, 7407, 2012;
[4] H. T. Baytekin, A. Z. Patashinski, M. Branicicki, B. Baytekin, S. Soh e B. A.
Grzybowski. Science, 333, 308, 2011;
[5] Heinicke, G.; Tribochemistry, Hanser, Munich.