Desenvolvimento de membranas poliméricas eletrofiadas de poli(metilmetacrilato) e polianilina para seu uso em sensores de gás de amônia e isopropanol

Abstract

Sensores são componentes sumamente importantes nos sistemas de controle e são aplicados a uma grande variedade de áreas como informática, medicina, indústria e monitoramento ambiental. Alguns gases, quando acumulados, podem causar intoxicações graves. No caso da amônia, sua ação ocorre principalmente nas mucosas do trato respiratório e nos olhos, causando irritação. Os sensores semicondutores baseados em filmes poliméricos de materiais como a polianilina (PAni) estão entre os sensores de gás mais utilizados atualmente devido à sua capacidade de trabalhar à temperatura ambiente. A sensibilidade de um sensor químico de gás é fortemente afetada pela superfície de detecção específica, com uma área de superfície maior levando a uma maior sensibilidade do sensor. Nesse contexto, propõe-se o uso da técnica de eletrofiação para a fabricação das membranas de poli (metilmetacrilato) (PMMA)/polianilina (PAni), por ser uma técnica eficiente, relativamente simples e de baixo custo, que produz membranas compostas de fibras micrométricas a nanométricas, que causam um incremento significativo da área superficial da membrana. Um estudo foi realizado para determinar os parâmetros de eletrofiação adequados para a obtenção de membranas contendo fibras uniformes e com morfologia adequada para a detecção de gases. Após isso, foram adicionadas diferentes porcentagens de PAni (2,5, 5 e 7,5 %) para investigar o seu efeito na microestrutura, nas propriedades físico-químicas e na resposta perante a adsorção/dessorção dos gases NH4OH e C3H8O. As membranas obtidas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), Microscopia Eletrônica de Varredura por Emissão de Campo (MEV-FEG), análise termogravimétrica (TGA), espectroscopia no infravermelho (FTIR), análise da porosidade e condutividade elétrica. Fibras com as características necessárias para o uso pretendido foram obtidas a partir da eletrofiação de uma solução de 2,5 %m de PMMA dissolvidos em DMF e THF, com os seguintes parâmetros: tensão elétrica de 24 kV; distância agulha/coletor de 25,5 cm e vazão de 2,5 mL.h-1 , umidade relativa do ar de 50±5 % e temperatura de 15±5 °C. As membranas de PMMA/PAni apresentaram microestrutura adequada e foi observado que a estabilidade térmica aumentou com a incorporação de PAni. Quando submetidas ao processo de adsorção/dessorção do NH4OH e o C3H8O, a membrana de PMMA contendo 5% de PAni mostrou uma diminuição significativa da resistência elétrica quando a membrana entrou em contato com os gases, estabilidade ciclo após ciclo e um curto tempo de resposta, pelo que exibiu o desempenho mais satisfatório para a aplicação em sensores.

Abstract: Sensors are very important components in control systems applied to a large variety of areas like informatics, medicine, industry and environmental monitoring. Some gases when accumulated can cause severe poisoning. In the case of ammonia, its action occurs mainly in the mucous membranes of the respiratory tract and in the eyes, causing irritation. Semiconductor sensors based on polymeric films of materials like polyaniline (PAni) are among the most widely used gas sensors today due to its ability to work at room temperature. The sensitivity of a chemical gas sensor is strongly affected by the specific detection surface, with a larger surface area leading to a higher sensor sensitivity. In this context, we propose the use of the electrospinning technique for the manufacture of poly (methyl methacrylate) (PMMA)/polyaniline (PAni) membranes, because it is an efficient, relatively simple and low-cost technique which produces membranes composed of micrometric to nanometric fibres, which cause a significant increment of the membrane surface area. We carried out a study to determine the appropriate electrospinning parameters to produce membranes containing uniform fibers. Posteriorly, different percentages of PAni (2,5, 5 e 7,5 %) were added to investigate its rolle on microstructure, physicochemical properties and response to NH4OH and C3H8O gases adsorption / desorption. PMMA/PAni membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM), emission scanning microscopy field (SEM-FEG), thermogravimetric analysis (TGA), infrared spectroscopy (FTIR), porosity analysis and electrical conductivity analysis. Uniform fibers were obtained from the electrospinning of a 2.5 m% PMMA solution dissolved in DMF and THF, with the following parameters: 24 kV electrical voltage; needle / collector distance 25.5 cm and flow rate 2.5 mL.h1, relative humidity 50 ± 5% and temperature 15 ± 5 ° C. The PMMA / PAni membranes presented adequate microstructure and it was observed that the thermal stability increased with the incorporation of PAni. When subjected to the NH4OH and C3H8O adsorption / desorption process, the PMMA membrane containing 5% PAni showed a significant decrease in electrical resistance when the membrane came into contact with the gases, thus exhibiting the most satisfactory performance for sensor applications.