Correlação entre a metodologia de fabricação e propriedades eletromecânicas de compósitos à base de poli(estireno-b-etileno-ran-butileno-b-estireno) com nanotubos de carbono

Abstract

Sensores eletromecânicos flexíveis são importantes para o progresso da robótica, bem como para o desenvolvimento de próteses inteligentes capazes de responder a estímulos externos, como a sensação de toque, a noção de peso ao levantar um objeto bem como da sua textura e seu formato. Sendo alguns tipos de sensores eletromecânicos os seguintes: piezoelétricos, piezocapacitivos e piezoresistivos. Embora já existam alguns produtos que utilizam como requisito esses sensores flexíveis, ainda há espaço para o aperfeiçoamento, já que muito foi pesquisado acerca da composição destes sensores. Porém a correlação entre o método de fabricação com a estrutura e as propriedades eletromecânicas destes materiais ainda não foi amplamente estudada na literatura. Sendo assim, o presente trabalho aborda o desenvolvimento de sensores eletromecânicos do tipo piezoresistivo formados por poli(estireno-b-etileno-ran-butileno-b-estireno) (SEBS) e nanotubos de carbono (CNT) a partir da mistura dos materiais em solvente comum por diferentes metodologias de fabricação. Neste contexto, foram desenvolvidas quatro rotas de fabricação levando em consideração a ordem de incorporação da dispersão de CNT em tolueno no polímero solubilizado. O comportamento da dispersão de CNT em tolueno foi avaliado a partir de imagens fotográficas e microscópio eletrônico de varredura por emissão de campo (SEM-FEG). O estado de dispersão é influenciado pela concentração de CNT no solvente, isto é, observou-se a formação de um gel a partir de 6 mg/mL (CNT/tolueno). Com base nesta informação, foram propostas diferentes metodologias de incorporação do gel na solução de SEBS para a produção de filmes de SEBS/CNT. Foi demonstrado que a microestrutura, condutividade elétrica e propriedades piezoresistivas variam de acordo com a metodologia empregada pelas rotas 0D, 1D, 2D e 3D. A partir destas diferentes metodologias, foi possível fabricar compósitos piezoresistivos para diferentes faixas de tensão de compressão (de 0,27 à 1,08 MPa), em particular, a amostra contendo 1 %m da rota 2D foi a que apresentou resposta eficiente para toda a faixa de tensão aplicada sem se aproximar do limite de detecção. Com base nos resultados apresentados nesta dissertação foi possível desenvolver metodologias para fabricar compósitos de SEBS/CNT com potencial para serem utilizados em sensores piezoresistivos e correlacionar a influência da metodologia de fabricação com as propriedades eletromecânicas

Abstract: Flexible electromechanical sensors are important for the progress of robotics, as well as for the development of intelligent prosthesis capable of responding to external stimuli, such as the sensation of touch, the notion of weight when lifting an object as well as its texture and shape. Some types of electromechanical sensors are the following: piezoelectric, piezocapacitive and piezoresistive. Although there are already some products that use these flexible sensors as a requirement, there is still room for improvement, since much has been researched about the composition of these sensors. However, the correlation between the manufacturing method with the structure and the electromechanical properties of these materials has not been widely studied in the literature. Thus, the present work addresses the development of piezoresistive electromechanical sensors formed by poly(styrene-b-ethyleneran-butylene-b-styrene) (SEBS) and carbon nanotubes (CNT) from the mixture of materials in common solvent by different manufacturing methodologies. In this context, four manufacturing routes were developed considering the order of incorporation of the CNT dispersion in toluene in the solubilized polymer. The behavior of the dispersion of CNT in toluene was evaluated using photographic images and a field emission gun scanning electron microscope (SEM-FEG). The dispersion state is influenced by the concentration of CNT in the solvent, that is, the formation of a gel from 6 mg/mL (CNT/toluene) was observed. Based on this information, different methodologies for incorporating the gel into the SEBS solution have been proposed to produce SEBS/CNT films. It has been shown that the microstructure, electrical conductivity and piezoresistive properties vary according to the methodology employed by the fabrication routes (0D, 1D, 2D and 3D). From these different methodologies, it was able to produce piezoresistive composites applying a large range of compressive stress (from 0,27 MPa to 1,08 MPa), in particular, the sample containing 1 wt% from 2D route was the one that presented an efficient response for the applied stress range without approaching the limit of detection. Based on the presents results in this dissertation, it was possible to develop methodologies to manufacture SEBS/CNT composites with the potential to be used in piezoresistive sensors and to correlate the influence of the fabrication methodology and the electromechanical properties.