Avaliação das propriedades piezoresistivas de membranas eletrofiadas de poliuretano termoplástico/ nanotubos de carbono para aplicação em sensores de compressão

Abstract

Sensores eletromecânicos são dispositivos que ao serem submetidos à esforços mecânicos de compressão ou tração apresentam variação na resposta elétrica (mudança de resistividade e condutividade). Os sensores eletromecânicos obtidos por membranas eletrofiadas possuem uma elevada área de superfície, com maior área de contato para a formação de caminhos condutores, possibilitando uma maior sensibilidade de resposta. Nesse trabalho foram produzidas membranas eletrofiadas de compósitos poliméricos condutores com matriz de poliuretano termoplástico (TPU) e cargas condutoras de nanotubos de carbono (NTCs) pelo processo de eletrofiação. Para fins comparativos, também foram produzidos filmes densos por solução (casting) com as mesmas composições. Foram estudados os parâmetros de processo mais adequados para a fabricação de membranas eletrofiadas de TPU/NTC. As estruturas e as propriedades das membranas eletrofiadas produzidas foram analisadas através de Microscopia eletrônica de varredura (MEV), condutividade elétrica, espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise termogravimétrica (TGA), análise termodinâmica-mecânica (DMA) e ensaio eletromecânico. Observou-se uma mudança da morfologia das membranas com a variação dos parâmetros de eletrofiação, um aumento de condutividade com o aumento da concentração dos NTCs nas membranas, uma mudança da estabilidade térmica do TPU com a adição dos NTCs. As membranas eletrofiadas com diferentes concentrações de TPU apresentaram resposta piezoresistiva, com variação da resistividade elétrica sob tensão de compressão, devido à reorganização estrutural das fibras. A resposta foi estável com a aplicação de tensão de compressão de 0,25 MPa e 5 ciclos de compressão e descompressão com variação de aproximadamente uma ordem de grandeza da resistividade elétrica para todas as concentrações de NTC. Com o aumento da tensão de compressão para 0,5 MPa, a variação da resistividade elétrica das membranas foi similar a resposta quando aplicada tensão de compressão de 0,25 Mpa. Quando comparada às membranas densas a resposta das membranas eletrofiadas foi um pouco superior.

Abstract: Electromechanical sensors are devices that, when subjected to mechanical efforts of compression or traction, vary in electrical response (change in resistivity and conductivity). The electromechanical sensors obtained by electrospun membranes have a high surface area, with a greater contact area for the formation of conductive paths, enabling greater response sensitivity. In this work, electrospun membranes were produced from conductive polymeric composites with a thermoplastic polyurethane (TPU) matrix and conductive charges of carbon nanotubes (CNTs) by the electrospinning process. For comparative purposes, dense films were also produced by solution (casting) with the same compositions. The most suitable process parameters for the fabrication of electrically spun TPU / NTC membranes were studied. The structures and properties of the electrospun membranes produced were analyzed using scanning electron microscopy (SEM), electrical conductivity, infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), thermodynamic-mechanical analysis (DMA) and electromechanical testing. There was a change in the morphology of the membranes with the variation of electrospinning parameters, an increase in conductivity with the increase in the concentration of the NTCs in the membranes, a change in the thermal stability of the TPU with the addition of the NTCs. Electrospun membranes with different concentrations of TPU showed a piezoresistive response, with variation in electrical resistivity under compression stress, due to the structural reorganization of the fibers. The response was stable with the application of a compression stress of 0.25 MPa and 5 cycles of compression and decompression with variation of approximately an order of magnitude of the electrical resistivity for all concentrations of NTC. With the increase of the compression stress to 0.5 MPa, the variation of the electrical resistivity of the membranes was similar to the response when applied a compression stress of 0.25 Mpa. When compared to dense membranes, the response of electrospun membranes was slightly higher.