Desenvolvimento e caracterização de sensores em malhas de algodão e poliéster utilizando polianilina condutora e grafite

Abstract

O presente estudo buscou desenvolver sensores químicos utilizando como substrato tecidos de malha de Algodão (CO) e de Poliéster (PES) recobertos com Polianilina (PAni) dopada com ácidos clorídrico (HCl) e fosfórico (H3PO4). Tanto a deposição da PAni sobre as malhas, como a síntese de polimerização e dopagem do monômero de anilina, foram realizadas por reação in situ. Dispersão de grafite foi utilizada na confecção dos eletrodos dos sensores, que foram preparados de maneira diferente para cada substrato. Nos sensores desenvolvidos em malha de PES utilizou-se tiras de malha estampada com pasta de serigrafia e impregnada de grafite, aderida ao corpo do sensor com auxílio de fita adesiva de carbono, e para os sensores desenvolvidos em malha de algodão, previamente estampada, a dispersão foi aplicada diretamente sobre o material em forma de trilhas. As técnicas de caracterização por MEV, FTIR e UV-Vis confirmaram a obtenção da Polianilina (PAni) em seu estado de sal esmeraldina (ES), e evidenciaram o recobrimento dos substratos têxteis com a mesma. As micrografias de MEV permitiram observar o bom recobrimento das fibras individuais nos substratos e analisar a morfologia do filme formado, que se mostrou altamente poroso, de relevo bastante irregular e formação nodular. A sensitividade dos sensores à umidade relativa (UR %) foi testada em câmara de umidade, com atmosfera de N2 em ciclos de secagem e umidificação. A resposta elétrica também foi medida em mudança rápida de ambiente, isto é, ao ar ambiente estático (ar do laboratório) seguido de exposição ao N2 seco, à pressão e a temperatura ambiente, em câmara fechada. Foi investigado o comportamento resistivo dinâmico dos sensores umedecidos durante a secagem em N2 seco. Foram observadas diferenças significativas na capacidade de detecção de umidade dos sensores desenvolvidos, em função do tipo de ácido dopante e do tipo de substrato, o que deixa evidente a grande influência destes fatores no desempenho destes. Em todos os testes realizados a resposta dos sensores às variações de condições ambientes foi muito boa, mostraram que além de serem flexíveis, de fácil reprodução e baixo custo de obtenção, apresentam resultados positivos e bom desempenho, demonstrado pelo rápido tempo de resposta à UR %, boa sensitividade (valores de até 34 %) e alta reversibilidade (de 70 % e 100 %). O comportamento da sensitividade e reversibilidade dos sensores com o tempo de exposição em cada teste também foi analisado, e mostrou que as sucessivas mudanças de condição atmosférica (ciclos) não prejudicam a eficácia dos sensores, nem causam alteração de seu comportamento.

ABSTRACT: The aim of the present study was to develop chemical sensors using cotton (CO) and polyester (PES) fabrics knit as substrate. Both textiles were coated with polyaniline (PAni) doped with hydrochloric (HCl) and phosphoric (H3PO4) acids. Deposition of polyaniline on the knit and polymerization synthesis as well as doping of the aniline monomer, were performed by in situ reaction. Graphite dispersion was used to make the electrodes of the sensors, which were prepared differently for each substrate. Sensors made of PES printed strips with vinylic paste (for screen printing) impregnated with graphite, adhered to the sensor body with adhesive carbon tape were used. For the sensors made from pre-printed CO, the dispersion was directly applied on the material in the form of tracks. Scanning Electronic Microscopy (SEM), FTIR and UV-Vis Spectroscopy confirmed the polyaniline was obtained in state of emeraldine salt and evidenced the coating of textile substrates. SEM observations showed that PAni coated individual fibers in substrates. Morphology of PAni film was highly porous, relief very irregular and nodular formation. The sensitivity of the sensors to relative humidity (RH %) was tested in the humidity chamber, with nitrogen (N2) atmosphere using drying and wetting cycles. In addition, electrical response was measured in rapidly changing of environment, i.e., in static ambient air (laboratory air) followed by exposure to dry N2 gas at room pressure and temperature in a closed chamber. In addition, an investigation of the resistive behavior of the wet sensor to drying in dry N2, was also initiated. Significant differences were observed in the behavior of sensory devices to humidity, according to the dopant and substrate type, which makes evident the great influence of these factors on the performance of the sensors. In all tests, the sensors response to variations in ambient conditions was very good. With a rapid response to changes in relative humidity (RH %), good sensitivity (values up to 34 %) and high reversibility (around 70 % and 100 %). The behavior of the sensitivity and reversibility of sensors with the exposure time for each test was also analyzed, and showed that the successive changes of atmospheric condition (cycles) do not undermine the effectiveness of the sensors nor causes alteration of their behavior.