CONGRESO CONAMET/SAM 2004
MODIFICAÇÃO DO ÂNGULO DE CONTATO DE AMOSTRAS DE
BORRACHA NATURAL SUBMETIDA A TRATAMENTO POR
DESCARGA CORONA
Fabricio A. Buzeto, João S. C. Campos
Departamento de Tecnologia de Polímeros / FEQ / UNICAMP / Campinas – SP – C.P. 6066, 13083-970 –
[email protected] - [email protected]
RESUMO
A borracha natural foi exposta a descarga corona em diferentes tempos e alturas, sendo estudadas
posteriormente o ângulo de contato formado por uma gota de água depositada na sua superfície. Após a
analise foi observado a diminuição do ângulo de contato. Esses experimentos foram realizados seguindo
um planejamento fatorial 22 utilizando-se pontos axiais. Os resultados obtidos foram representados num
gráfico de superfície, sendo visualizado o aumento da molhabilidade da superfície da borracha natura.
Palavras-Chaves: Descarga Corona, Borracha Natural, Ângulo de contato, Planejamento
Experimental, Molhabilidade.
1.
INTRODUÇÃO
A modificação da superfície dos polímeros vem se
tornando uma importante área de pesquisa na
indústria de polímeros. Muitos desses polímeros
possuem boas propriedades mecânicas e
apresentam baixos custos, no entanto, muitas das
aplicações industriais requerem propriedades
superficiais especiais, bem como compatibilidade
com cargas.
Os tratamentos superficiais são capazes de alterar
as propriedades físicas e químicas das superfícies
poliméricas sem afetar suas propriedades
mecânicas e convertem o material, a priori, de
baixo custo a um elevado valor agregado. Os
tratamentos de superfície mais utilizados são:
Tratamento químico, tratamento térmico ou por
chama, tratamento por irradiação de fótons,
tratamento por feixe de íons, tratamento por
plasma e tratamento por descarga corona.
1.2 BORRACHA NATURAL
A borracha natural é definida como um polímero
de alto peso molecular, constituído de unidades de
isopreno, predominantemente na configuração cis,
com um grau de polimerização na ordem de 5000 e
ampla faixa de distribuição de peso molecular.
Apresenta desde sua extração, uma estrutura prédeterminada que pode levar a obtenção de
elastômeros com excelentes propriedades físicas,
tais como: permeabilidade a gases, resistência a
chama e a óleos, resistência a abrasão, boa adesão
entre outras. Essas propriedades acabam não sendo
suficientes para determinadas aplicações, sendo
necessário então a incorporação de cargas como
negro de fumo, silicatos, carbonatos entre outros.
A incorporação de cargas no polímero é
empobrecida, sendo então necessário realizar
tratamento na carga ou no substrato para a
compatibilização das partes.
H3C
H
C C
H2C
CH2
n
Figura 1 – Estrutura do poli-cis-isopreno
1.3 TRATAMENTO POR DESCARGA
CORONA
O tratamento por descarga corona é provavelmente
o tratamento superficial mais empregado
industrialmente e possui várias vantagens como:
simplicidade, rapidez, baixa produção de resíduos
e condições de operação a pressão e temperatura
ambientes. [1]
Um sistema bastante utilizado para produzir
corona é o sistema ponta-plano. Este sistema é
composto por uma ponta corona, uma placa plana,
uma fonte de tensão e medidores de corrente
corona e de carga. [2]
Ponta
Polímero
Plano
Tensão AC
Figura 2 - Esquema do dispositivo de descarga
corona: ponta-plano e fonte de tensão
A descarga é gerada a partir de uma diferença de
potencial elétrica aplicada entre a ponta e o plano.
Ao redor da extremidade da ponta, a qual
apresenta uma região de elevado campo elétrico, a
descarga corona aparece como uma luminescência
de cor azul clara e os elétrons gerados interagem
com as moléculas gasosas originando espécies
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ativas tais como íons, radicais e moléculas
excitadas. Estas espécies são depositadas na
superfície
do
material,
podendo
causar
modificações nas suas propriedades de superfície.
[3]
A placa plana geralmente é coberta com um
material isolante para prevenir a formação de arco
entre os eletrodos. Os parâmetros que influenciam
as propriedades superficiais do polímero tratado
são: potência empregada, distância ponta-plano,
umidade relativa e temperatura. [2]
Numa descarga elétrica ocorrem diferentes
processos de produção e perda de partículas que
constituem o meio ionizado. Estes processos
acontecem pela interação entre os diferentes tipos
de partículas. [4]
- Espalhamento
- Transferência de
Energia Cinética
Proc essos
Colisão
Elástica
Transferência de Energia Cinética
Colisão
Inelástica
Troca de Energia
Potencial
- Excitação
- Dissociação
- Ionização
- Troca de carga
- Recombinação
- Captura
Figura 3 – Esquema dos principais processos
colisionais formados numa descarga elétrica
2.
EXPERIMENTAL
2.1 PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL
Para um melhor desenvolvimento do experimento
foi realizado um planejamento experimental
fatorial 22 incluindo pontos axiais (-α e +α) e
ponto central. Este tipo de planejamento foi
utilizado para estimar os pontos ótimos de
utilização da descarga corona em relação à
diminuição do ângulo de contato da superfície da
borracha natural.
Os ensaios foram realizados em diferentes
intervalos, sendo representativos para os resultados
obtidos.
Tabela I – Codificação e intervalos utilizados nos
ensaios:
Codificação -α
-1
0
+1
+α
Tempo (s)
5
29
53
76
100
Altura (mm) 1,0 2,0 3,0
4,0
5,0
2.2 MÉTODO DE PREPARAÇÃO DAS
AMOSTRAS
DE
BORRACHA
NATURAL
A matéria prima utilizada para o estudo foi do tipo
SMR L – Standard Malaysian rubber, importado
da Malásia pela Del Química e cedida pela
empresa Rhodia do Brasil Ltda., o material foi
processado por um moinho aberto de rolos
funcionando numa temperatura de 70ºC com
rotação de 19 rpm no rolo frontal e 23 rpm no rolo
traseiro, este procedimento foi realizado com a
finalidade de obter-se laminas de espessura
elevada (aproximadamente 50 mm) e também para
eliminar tensões do material. Os filmes de 50 mm
foram então colocados num molde de compressão
por 3 minutos numa temperatura de 100ºC e
pressão de 5 toneladas, para a obtenção de filmes
de espessura de 1 mm.
O filme de borracha foi cortado em amostras de
forma arredondada de aproximadamente 3 cm
diâmetro.
2.3 TRATAMENTO POR DESCARGA
CORONA NAS AMOSTRAS
A amostra de borracha natural com espessura de 1
mm e diâmetro de aproximadamente 30 mm, foi
colocada no equipamento de descarga corona,
onde, através do planejamento experimental, foram
realizadas
as
descargas
em
diferentes
configurações de distância da ponta/amostra e de
tempo de tratamento, sendo a tensão elétrica
aplicada fixa de 5 kV. A temperatura da sala foi de
21ºC, umidade relativa de 60% e pressão
atmosférica ambiente.
2.4 MEDIDAS
CONTATO
DE
ÂNGULO
DE
O método direto mais utilizado para medidas de
ângulo de contato consta da medida do perfil da
gota de líquido ou de uma bolha depositada sobre
uma superfície sólida. Estes se referem ao método
da gota séssil.
No método da gota séssil, uma gota de um líquido
devidamente purificado é depositada sobre a
superfície de um sólido por meio de uma micro
seringa. A gota é observada com uma lente de
baixo aumento, e o ângulo de contato é medido
através de um goniômetro. Este tipo de medida é
chamado de estático. O valor do ângulo de contato
de uma gota de líquido depende da energia de
superfície da amostra e da tensão superficial do
líquido. Se a gota se esparramar por toda superfície
do material seu ângulo de contato será de
aproximadamente zero, mas se o espalhamento for
parcial o ângulo de contato variará de 0 a 180
graus.
O líquido selecionado determina o grau de
molhabilidade e de interação com a superfície do
substrato. Este líquido deve reunir as seguintes
propriedades:
baixa
volatilidade,
baixa
viscosidade, ser estável e não atacar ou reagir com
a superfície do substrato, diz-se que um líquido
molha um substrato quando o ângulo de contato
formado entre o líquido e o sólido é menor que
90°. [5, 6]
O líquido mais adequado para o estudo, levando
em consideração a molhabilidade e a não
polaridade da superfície do substrato, foi a água.
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Sendo assim utilizada para avaliar a mudança de
propriedade da superfície da borracha natural após
a descarga corona.
Os tipos de interações que podem ocorrer entre o
líquido e a superfície sólida podem ser de caráter
químico ou de forças intermoleculares. As energias
envolvidas são associadas entre duas moléculas e
tem amplitudes diferentes. [7]
Tabela II – Tipos de interações e suas respectivas
forças:
Tipo de Força
EL
(Kcal/mol)
Iônicas
140 – 150
Química
Intermoleculares
Covalentes
15 – 70
Metálica
27 – 83
Hidrogênio
≤ 12
Dispersão
≤ 10
Dipolo-dipolo
≤ 05
Dipolo-dipolo
induzido
≤ 0,5
Tabela IV - dados mostrados na forma de valores
obtidos nos ensaios:
Tempo (s)
Altura (mm)
Ângulo de
Contato (θ)
29
2
49
76
2
30
29
4
83
76
4
81
53
1
53
53
5
81
5
3
77
100
3
62
53
3
55
53
3
54
O tratamento corona na superfície da borracha
natural se mostra efetivo, diminuindo o ângulo de
contato e por conseqüência aumentando a sua
molhabilidade.
As medidas de ângulo de contato foram realizadas
num goniômetro marca Tantec modelo CAMmicro, numa sala com temperatura de 21ºC e
umidade de 60%.
3
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Através da tabela III que apresenta a codificação
para os dados do planejamento experimental, temse a distribuição para a realização do experimento:
Tabela III – Codificação utilizada, obtida através
do planejamento experimental:
Tempo
Altura
-1
-1
+1
-1
-1
+1
+1
+1
0
-α
0
+α
0
-α
0
+α
0
0
0
0
Figura 4 – Gráfico mostrando o ângulo de contato
obtido em relação ao tempo e altura da
ponta/amostra empregado no tratamento
Na análise de superfície de resposta o ponto ótimo
para a diminuição do ângulo de contato e
conseqüente aumento da molhabilidade da
superfície do polímero ocorre nos seguintes pontos
altura ≈1mm e tempo de ≈ 80 s.
4
CONCLUSÃO
O tratamento corona na superfície da borracha
natural se mostra efetivo, diminuindo o ângulo de
contato e por conseqüência aumentando a sua
molhabilidade.
Visando economia para utilização em processos
industriais, os pontos de maior interesse são os que
reduzem o ângulo de contato em menor tempo, já
que a altura não acrescenta custo a operação.
AGRADECIMENTOS: Ao CNPq pelo auxílio
financeiro e a empresa Rhodia do Brasil Ltda pelo
fornecimento das amostras
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5
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]. RICARD, A. The Production of Active Plasma
Species for Surface Treatments. J. Physics D:
Applied Physics, v. 30, 2261-2269, 1997
[2]. CHAN, C. M. Polymer Surface Modification
and Characterization. Munich, Hanser/Gardner
Publications Inc, 1994, 285 p.
[3]. SCHÜTZE, A.; JEONG, J.Y.; BABAYAN,
S.E.; PARK, J.; SELWYN, G.S.; HICKS R.F. The
Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and
Comparison to Other Plasma Sources. IEEE
Transactions on Plasma Science, v.26, n.6, p.16851693, 1998
.P., n.228, 1988
[4]. MASSI, M., “Formação e Caracterização de
Plasma Duplo com Geração do Plasma Fonte por
Acoplamento Indutivo de RF”, 1994. Dissertação
de Mestrado
[5]. MARTINEZ, J.M.M., "Adhesión y Unións
Adhesivas”, Universidad de Alicante, Laboratorio
de Adhesión y Adhesivos, Alicante, España, 1998
[6]. RABOCAI, T., “Interface Líquido-Sólido”,
Físico-Química de Superfícies – PRDCT –
Washington, D.C., p.47-52, 1979
[7]. GRANIER, A.; BOISSE-LAPORTE, C.;
PIRET, S.; PASQUIERS, S.; BLOYET, E.;
LEPRINCE, P.; MAREC, J., “Traitement de
Surface du Polypropylene par Plasma Microonde
Argon/Oxygen”,
Rapport
L