Desenvolvimento de nanocompósito eletrofiado de poli(fluoreto de vinilideno) com nanoplacas de grafeno funcionalizadas com líquido iônico por método não-covalente para aplicação em sensores de compressão piezoresistivos

Abstract

A presente dissertação trata do uso do líquido iônico (LI) 1-butil-3-metilimidazólio trifluormetanossulfonato (BMIM(OTf)) como meio de melhorar as propriedades piezoresistivas de nanocompósitos eletrofiados de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF)-nanoplacas de grafeno (GNP) para uso em sensores de compressão a partir de um processo de funcionalização não-covalente. Focou-se na determinação dos efeitos que o LI exerce sobre a estrutura, morfologia e propriedades eletroativas, tanto do pó de GNP, quanto da nanofibra formada. A funcionalização não-covalente do GNP ocorreu pela sua maceração em uma solução de dimetilformamida e acetona contendo BMIM(OTf). As membranas eletrofiadas foram preparadas com a incorporação de diferentes frações de GNP (0,0%m, 0,5%m, 1,0%m, 1,5%m e 2,0%m tanto puro, quanto funcionalizado) na solução polimérica, a partir de etapas de agitação e sonicação. Avaliando-se apenas o GNP funcionalizado, foi possível determinar que não houve mudanças significativas na estrutura cristalina e no número de camadas do material a partir do processo de funcionalização. Observou-se também uma diminuição da condutividade das amostras, indicando que o LI atua encapsulando as nanopartículas. Esse processo de encapsulamento, no entanto, auxiliou a evitar a aglomeração das partículas após a maceração, com uma redução média de 38% do tamanho das partículas maceradas na presença do LI. Incorporando-se o GNP funcionalizado às nanofibras, foi possível notar uma intensificação na formação da fase ß do PVDF, junto da diminuição da fração de fase a, indicando um maior estiramento da fibra durante a eletrofiação. Com relação a morfologia das nanofibras, foi observado um aumento de 26% no diâmetro médio das fibras contendo o GNP funcionalizado em comparação as fibras formadas utilizando o GNP puro. No entanto, houve também uma redução aparente da densidade de defeitos nas fibras contendo o LI. Houve também uma diminuição da condutividade das nanofibras contendo o GNP funcionalizado, indicando, novamente, o encapsulamento das nanopartículas. Notou-se, no entanto, uma melhor homogeneidade dos valores de condutividade medidos em ambos os lados da fibra, apontando uma melhor dispersão da nanocarga no material. Avaliando-se a resposta piezoresistiva das nanofibras, foi possível notar uma melhoria considerável nas respostas das amostras com o uso do LI, sendo que todas as nanofibras eletrofiadas sem a presença dele apresentaram uma resposta semelhante à de um ruído, inviabilizando o seu uso como um elemento sensor. Por outro lado, o uso das nanopartículas de GNP funcionalizadas com BMIM(OTf) resultou em nanofibras com uma resposta piezoresistiva clara e previsível, indicando que o LI atuou evitando a formação de aglomerados de GNP na matriz, facilitando a formação de caminhos condutores com a compressão das fibras e intensificando as possíveis mudanças na resistividade do material. A partir disso, foi possível destacar a eficácia do uso do BMIM(OTf) como um meio de melhorar as propriedades piezoresistivas de nanofibras eletrofiadas de PVDF-GNP, com a possibilidade de uso de duas das nanofibras como sensores em duas faixas ideais distintas: a nanofibra contendo 1,0%m de GNP funcionalizado pode ser aplicada na faixa de 0 a 250KPa e a nanofibra contendo 1,5%m de GNP funcionalizado pode ser aplicada na faixa de 0 a 500KPa.

Abstract: The following dissertation deals with the use of the ionic liquid (IL) 1-Butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (BMIM(OTf)) as a means of improving the piezoresistive properties of electrospun poly(vinylidene fluoride) (PVDF)-graphene nanoplates (GNP) nanocomposites for use in compression sensors, by non-covalent functionalization. The work focus on determining the effects that the IL exerts on the structure, morphology and electroactive properties of both the GNP powder and the fabricated nanofibers. Non-covalent functionalization of GNP occurred by griding on a solution of dimethylformamide and acetone containing BMIM(OTf). The electrospun membranes were prepared through the incorporation of different fractions of GNP (0.0%wt, 0.5%wt, 1.0%wt, 1.5%wt and 2.0%wt both pure and functionalized) in the polymeric solution by stirring and sonication. Evaluating the functionalized GNP, it was possible to determine that there were no significant changes in the crystalline structure and in the number of layers of the material. A decrease in the conductivity of the samples was also observed, indicating that the IL acts by encapsulating the nanoparticles. This encapsulation process, however, help in avoiding the agglomeration of the particles after the maceration process, with an average reduction of 38% in the size of the particles macerated in the presence of the IL. By incorporating the functionalized GNP into the nanofibers, it was possible to notice an intensification in the formation of the ß phase of the PVDF, together with a reduction of the a phase, indicating a greater stretching of the fiber during electrospinning. Regarding the morphology of the nanofibers, an increase of 26% was observed in the mean fiber diameter of the fibers containing the functionalized GNP compared to the fibers obtained using pure GNP. However, there was an apparent reduction in the defect density on the fibers containing IL There was also a decrease in the conductivity of the nanofibers containing the functionalized GNP, indicating the encapsulation of the nanoparticles. However, there was a better homogeneity of the average fiber conductivity values on both sides of the fiber, suggesting a better particle dispersion in the material. Evaluating the piezoresistive response, it was possible to notice an improvement in the response using IL, where all the nanofibers obtained without the IL presence showed a response similar to that of a noise, making its use unfeasible as a sensor element. On the other hand, the use of functionalized GNP resulted in nanofibers with a clear and predictable response, suggesting that the IL worked by avoiding particles agglomeration on the matrix. Considering this, it was possible to highlight the effectiveness of using BMIM(OTF) to improve the piezoresistive properties of PVDF-GNP nanofibers, with the possibility of applying two of the nanofibers as sensors in two distinct ranges: the nanofiber containing 1,0%wt of functionalized GNP can be applied in the range of 0 to 250KPa and the nanofiber containing 1,5%wt of functionalized GNP can be applied in the range of 0 to 500KPa.