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BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUÍMICA
UNICAMP

 
TESE DE DOUTORADO
 
Autor: Burgo, Thiago Augusto de Lima
Título: Triboeletrização de Polímeros Dielétricos: Mosaicos Macroscópicos de Carga e seus Efeitos sobre as Forças de Atrito em Interfaces
Ano: 2013
Orientador: Prof. Dr. Fernando Galembeck
Departamento: Físico-Química
Palavras-chave: Triboeletrização, Portadores de carga, Coeficiente de atrito, Adesão, Microscopia de força lateral
Resumo: A triboeletrização de polímeros gera domínios macroscópicos de carga positiva e negativa, verificando a geometria fractal de mosaicos de carga previamente detectados por microscopia de sonda elétrica. Utilizando métodos analíticos adequados (espectroscopia de perda de energia de elétrons, microespectroscopia infravermelho/Raman e carbonização/colorimetria) e cálculos teóricos, espécies positivas foram identificadas como hidrocarbocátions e espécies negativas como fluorocarbânions. A triboeletrização de PTFE com PE é entendida como segue: a ruptura homolítica mecanoquímica da cadeia é seguida por transferência eletrônica dos radicais livres de hidrocarbonetos para os radicais mais eletronegativos do fluorocarbono. Os íons gerados pelos fragmentos de cadeia sofrem auto-ordenamento de acordo com a teoria de Flory- Huggins, formando os padrões macroscópicos observados experimentalmente. Estes resultados mostram que a triboeletrização só pode ser compreendida considerando os eventos químicos complexos provocados por ação mecânica, acoplados a conceitos bem estabelecidos pela físico-química. Além disso, o atrito entre superfícies dielétricas produz padrões de carga fixos e estáveis que contribuem para interações eletrostáticas entre superfícies. Medidas de coeficiente de resistência de rolamento de esferas de vidro sobre PTFE triboeletrizado, bem como de atrito estático de pellets de polietileno e imagens de microscopia de força lateral, mostraram que as forças de atrito aumentam muitas vezes em superfícies triboeletrizadas, nas quais as contribuições das interações eletrostáticas podem suplantar todas outras contribuições. Estes resultados são explicados considerando um mecanismo segundo o qual a indução de carga por uma superfície triboeletrizada no contato com outra superfície dissipa energia durante o atrito, sugerindo novas abordagens para controlar atrito em interfaces pelo controle da formação de tribocargas.
Abstract: Tribocharged polymers display macroscopically patterned positive and negative domains, verifying the fractal geometry of electrostatic mosaics previously detected by electric probe microscopy. Using suitable analytical techniques (electron energy-loss spectral imaging, infrared/Raman microspectrophotometry and carbonization/colorimetry) and theoretical calculations, the positive species were identified as hydrocarbocations and the negative species as fluorocarbanions. A comprehensive model is presented for PTFE tribocharging with PE: mechanochemical chain homolytic rupture is followed by electron transfer from hydrocarbon free radicals to the more electronegative fluorocarbon radicals. Polymer ions self-assemble according to Flory-Huggins theory, thus forming the experimentally observed macroscopic patterns. These results show that tribocharging can only be understood by considering the complex chemical events triggered by mechanical action, coupled to well-established physicochemical concepts. Also, friction between dielectric surfaces produces patterns of fixed, stable electric charges that in turn contribute electrostatic components to surface interactions between the contacting solids. The coefficient of rolling resistance of glass beads on tribocharged PTFE was measured, as well as the static friction coefficient of polyethylene pellets on PTFE and friction force on the scanning probe during lateral-force microscopy imaging. Results show that friction coefficients may increase many-fold on tribocharged surfaces and the contribution of electrostatic interactions may supersede all other contributions to friction. These results are explained considering a mechanism according to which charge induction by an electrified surface on a contacting body accounts for energy dissipation during friction suggesting new approaches to control friction coefficients, by controlling tribocharge formation.
Arquivo (Texto Completo): 000921228.pdf ( tamanho: 52MB )

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