Influência da topografia na força de atrito em papéis para embalagens

Abstract

O fenômeno da fricção influencia de várias formas o uso do papel, desdea manipulação e controle do deslizamento das folhas de papel emgrandes máquinas industriais até o processo de transferência de tinta emcanetas esferográficas. O papel é constituído principalmente deestruturas celulósicas, onde suas contribuições no atrito ainda sãodesconhecidas. Neste trabalho foi realizado um estudo em nívelmacroscópico e nanoscópico do atrito em papéis kraft utilizados emembalagens. Nos experimentos realizados em macroescala do atrito paraamostras de papel kraft monolúcido e apergaminhado, através dométodo do plano inclinado, foi observado um maior coeficiente de atritoentre superfícies lisas em relação às rugosas. A partir do microscópio deforça atômica (AFM) e de força de atrito (FFM), foi determinada acontribuição das fibras, macrofibrilas e microfibrilas de celulose nasforças em nanoescala exercidas sobre uma ponteira de silício, a qualmove-se através da superfície de amostras de papel kraft monolúcido.Através das imagens de topografia e erro de sinal, obtidas com o AFM,foram identificadas a morfologia e as dimensões das fibras de eucalipto,macrofibrilas e microfibrilas de celulose. As forças opostas aomovimento da ponteira de silício foram atribuídas ao travamento,medido principalmente em contatos extensos na lateral das fibras, e àfricção intermolecular, sendo esta observada no topo das macrofibrilas emicrofibrilas de celulose. A relação entre a força lateral e normal emescala nanoscópica foi obtida através da Lei de Amonton modificada,caracterizando a ocorrência de múltiplos contatos entre as superfíciesdas amostras de papel monolúcido e a ponteira do AFM. Neste caso, ocoeficiente de atrito nanométrico para a face brilho apresentou-sesuperior ao da face fosco das amostras de papel kraft monolúcido, sendoeste mesmo resultado observado em escala macroscópica no atrito entrepapéis. A partir das medidas de nanoindentação com o AFM, foiobservado que a face brilho das amostras de papel monolúcido apresentaum menor módulo de elasticidade comparada à face fosca, podendo-seatribuir a esta propriedade mecânica como causa do coeficiente de atrito,em níveis macroscópico e nanoscópico, ser maior para a face brilho dasamostras de papel monolúcido analisadas neste trabalho. Ao analisar ocomportamento da força lateral e a rugosidade superficial, foi observadoum aumento na intensidade da força lateral para maiores valores derugosidade superficial. No estudo da relação entre o coeficiente de atritonanoscópico e a rugosidade superficial, foi observado que o coeficientede atrito em escala nanométrica diminui com o aumento da rugosidadesuperficial média. Esta correlação está relacionada ao regime de contatoelástico da interação entre a ponteira do AFM e as superfícies dasamostras de papel kraft monolúcido. Neste caso, para pequenos valoresde rugosidade, possivelmente o mecanismo de atrito encontra-serelacionado ao aumento da área de contato entre a ponteira do AFM e asuperfície das amostras de papel kraft monolúcido, predominando asforças de interação intermolecular.<br>

Abstract : Friction affects the use of paper in many ways, from manipulation andslippage control of paper sheets in large industrial machines to rollingand inking transfer in ballpoint pens. Paper is mainly constituted ofcellulosic structures, whose contribution to friction is still obscure. Inthis work, a study of macroscopic and nanoscopic level of friction at thekraft paper used in packaging is addressed. In the macroscale frictionexperiments by the inclined plane method, for monolucid kraft paperand parchment samples, a greater coefficient of friction between smoothsurfaces compared to rough ones was obtained. The contribution offibers, macrofibrils and cellulose microfibrils in the nanoscale forcesexerted on a silicon tip, which moves across the surface of monolucidkraft paper samples was measured by atomic-force (AFM) and frictionforce(FFM) microscopies. The surface topography of monolucid kraftpaper was measured by atomic-force (AFM) and friction-force (FFM)microscopies. Eucalyptus fibers, and entangled macrofibrils andmicrofibrils were observed. Their aspect ratios were measured and theircontribution to friction with a nanoscale silicon tip was determined. Theforces opposing the motion of the tip were attributed to tripping andintermolecular friction. The former was measured mainly at extendedcontacts at the lateral of eucalyptus fibers, while the latter was mainlyobserved at point contacts on-top of macrofibrils and microfibrils. Themodified Amonton?s Law was applied in the relationship between thelateral and normal force in nanoscale, characterizing the occurrence ofmultiple contacts between the surfaces of monolucid paper samples andthe tip of the AFM. The nano-friction coefficient was greater in thegloss face of monolucid kraft paper samples. Interestingly, the sameresult was observed in the friction between papers. Nanoindentationsmeasurements, made with the AFM, show that the gloss face has a lowermodulus of elasticity than the matte side. This mechanical property canbe the cause the friction coefficient in macroscopic and nanoscopiclevels is greater in the gloss face of monolucid paper samples analyzedin this work. An increase of the intensity of lateral force for largervalues of surface roughness was observed, while the nano-frictioncoefficient decreases with increasing roughness surface. These resultscome from the elastic contact regimes of interaction between the tip ofthe AFM and samples of monolucid kraft paper surfaces. In this case,for lower roughness values, it is possible that the friction mechanism isrelated to increase of the contact area between the AFM tip and thesurface of kraft paper monolucid samples, where the intermolecularinteractions are dominant.