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O mapeamento de potencial de superfícies de ptfe, náilon, kapton e bopp, além de seu decaimento ao longo do tempo. O estudo foi realizado através da triboeletrização de materiais de baixo custo, incluindo ptfe (polietrafluoretileno), náilon (poliamida), kapton (poliimida) e bopp (polipropileno biorientado). O documento discute os mecanismos envolvidos na transferência de carga entre materiais isolantes e apresenta resultados de medições elétricas, como densidade de carga e energia armazenada em capacitores.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Kelly Schneider Moreira
Santa Maria, RS 2018
Kelly Schneider Moreira
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Química Bacharelado, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Química.
Orientador: Prof. Dr. Thiago Augusto de Lima Burgo
Santa Maria, RS 2018
AUTHOR: Kelly Schneider Moreira ADVISOR: Prof. Dr. Thiago Augusto de Lima Burgo
The conversion of mechanical energy into electrical energy from triboelectric phenomena has being actively searched due to growing demand for energy worldwide and proof of concept and applications are being made by using nanostructured triboelectric generators. However, such devices are produced using expensive materials and costly techniques, which restricts large-scale productions. In this work, three 6 x 6 cm prototypes were built with PTFE (polytetrafluoroethylene), nylon (polyamide), Kapton (polyimide) and BOPP (biaxially oriented polypropylene), both low cost materials, in order to use them in the energy harvest from urban paviments. The prototypes were built in sandwich format and one of their faces was covered with copper, in order to the opposite charges to those generated on surfaces after triboelectrization were induced in the metal and therefore to induce a flow of current to an external source. The first one was built using PTFE and nylon, getting an output voltage close to 120 V. The second tribogenerator was built using PTFE and Kapton and the voltages obtained are close to 171,60 V. The last tribogenerator was built using one face of BOPP virgin and another chemically modified with KMnO 4 and H 2 SO 4. The voltages obtained were close to 163,70 V. Surface characterizations measurement were made too, like contact angle, surface energy and electric characterization using the Kelvin method.The prototypes were able to, in some seconds, store enough energy to light up many LEDs. The results obtained in this work demonstrate that the tribogenerators developed could be applied in the energy harvesting from urban pavements to application in devices that demand low energy density, such as LED panels.
Keywords: Tribogenerators. Energy Harvesting. Polymers. Triboelectricity.
Tabela 1 – Energias de superfície obtidas para os polímeros. ............................................................... 36 Tabela 2 – Carga total obtida para as superfícies triboeletrizadas. ....................................................... 46
TENG Nanogerador Triboelétrico (do inglês, Triboelectric Nanogenerator )
IoT Internet das coisas (do inglês, Internet of Things )
PTFE Politetrafluoretileno
PDMS Polidimetilsiloxano,
PET Politereftalato de etileno
BOPP Polipropileno biorientado (do inglês “ Biaxially oriented polypropylene ”)
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Nas últimas décadas, a crescente demanda energética a nível mundial somada a limitada disponibilidade de combustíveis fósseis e ao aquecimento global, faz com que a busca por novas fontes de energia, que sejam sustentáveis ou ambientalmente corretas, seja um grande desafio da sociedade atual. Energias renováveis mais comuns como a energia solar e a energia eólica, que visam contribuir para as principais redes de transmissão elétrica e atender necessidades em larga escala, têm requisitos gerais como alta estabilidade e alta eficiência, mas também um custo elevado (WANG; CHEN; LIN, 2015). O interesse da comunidade científica em coletar energia de ambientes antrópicos ou naturais para aplicações em redes de sensores sem fio, dispositivos médicos implantados, eletrônicos vestíveis e outros sistemas eletrônicos de baixa potência, tem sido amplamente considerada como uma abordagem viável e atraente para a geração de energia verde (MENG et al., 2014). De fato, diversas tecnologias têm sido desenvolvidas com o objetivo de converter energia mecânica, que seria usualmente desperdiçada, em energia elétrica, tendo em vista a grande abundância deste aparente desperdício principalmente em atividades cotidianas, como em caminhadas ou pelo simples fato de digitar no celular. Quando uma pessoa caminha, a energia de suas passadas é dissipada por ondas mecânicas absorvidas no piso ou por atrito. Por outro lado, se um sistema for capaz de coletar essa energia desperdiçada, pode usá-la posteriormente para acionar dispositivos eletroeletrônicos, sem a necessidade de usar energia elétrica da rede convencional (Figura 1).
Figura 1 – Captação de energia a partir de atividades cotidianas utilizando tribogeradores.
Fonte: Autoria própria.
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Este processo é conhecido como colheita de energia (do inglês “ energy harvesting ”) onde a energia que estaria sendo desperdiçada é colhida e/ou armazenada para uso em dispositivos que demandem baixa densidade de energia como em sistemas autômomos e/ou sem fio, no caso da Internet das Coisas (IoT, do inglês “ Internet of Things ”) (WANG; CHEN; LIN, 2015). Atualmente, os TENGs (do inglês “ Triboeletric Nanogeneratos ) têm sido capazes de suprir energia elétrica para uma ampla variedade de aplicações e situações, com alguns operando com densidades de energia próximas a 9,8 mW/cm^2 (BAI et al., 2013). Neste sentido, a demonstração de geradores triboelétricos nanoestruturados têm ganhado atenção da comunidade científica internacional, por ser uma fonte capaz de gerar potência considerável a partir da colheita de energia de atividades cotidianas (WANG; CHEN; LIN, 2015; HOU et al., 2013; WANG S.; LIN; WANG Z., 2012). Geradores triboelétricos geram energia a partir da triboeletrização. Este fenômeno ocorre quando há formação de cargas elétricas no atrito ou no contato entre superfícies, como resultado da transferência de carga entre essas superfícies. Tribogeradores foram amplamente empregados já no século XIX como parte de importantes tecnologias, por exemplo, fontes de raios X e aceleradores de partículas, primeiramente com dispositivos como o de Wimshurst (PORTER, 1896) e mais tarde com aceleradores do tipo Van de Graaff (GRAAFF, 1931). Por outro lado, ambos tribogeradores apenas acumulam cargas geradas pela triboeletrificação e, eventualmente, descarregam estas cargas quando a constante dielétrica do meio é rompida. De fato, um gerador triboelétrico tradicional é uma fonte de alta tensão, e não há corrente útil para produzir energia. No caso dos TENGs, estes são distintos dos geradores eletrostáticos tradicionais, no sentido de que a indução eletrostática é introduzida para a potência de saída e não acumulada no dispositivo. O ritmo acelerado nesta área sugere que unidades de escala de demonstração podem aparecer em breve, mas isto não deverá ser possível usando dispositivos nanoestruturados de alto custo, como os empregados até o momento. Na prática, quase todos os geradores triboelétricos descritos na literatura são construídos usando materiais caros e processos custosos como a litografia. Por outro lado, nesse trabalho foi utilizado PTFE (politetrafluoretileno), náilon (poliamida), Kapton (poliimida) e BOPP (polipropileno biorientado) para a construção de 3 tribogeradores, os quais são materiais de baixo custo, sendo o último encontrado em embalagens alimentícias, o que viabilizará a aplicação desses dispositivos em larga escala.
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O estudo da eletricidade estática é por muitos considerado o primeiro experimento científico da humanidade e, frequentemente, essa descoberta é creditada a Tales de Mileto. Percebeu-se que ao atritar pedaços de âmbar, este era capaz de atrair corpos de menor massa, como por exemplo, pedaços de palha (BAILEY, 2001). Isto ficou mais tarde conhecido como efeito âmbar (IVERSEN; LACKS, 2012) e, atualmente, conhecido como triboeletricidade. Entretanto, foi somente a partir do século XVII que fenômenos eletrostáticos voltaram a atenção de cientistas, entusiastas e hobbistas. No mesmo século, o físico inglês e médico da família real, William Gilbert, demonstrou que diversos materiais, como ceras, resinas, mica, vidros e gemas, poderiam ser eletrificados por atrito e, por consequência, atrair corpos menores (MAGIE, 1963). Posteriormente, em 1663, Otto von Guericke, físico alemão responsável pela invenção da esfera de enxofre – uma máquina geradora de cargas – demonstrou que os fenômenos eletrostáticos tanto de repulsão quanto de atração eram encontrados em materiais após atritados (IVERSEN; LACKS, 2012; MAGIE, 1963). Mais tarde, Stephen Gray demonstrou a diferença entre materiais condutores e isolantes. Já no século XVIII, o químico francês Charles Dufay definiu dois tipos de eletricidade, a vítrea que era produzida sobre vidros, rochas e lãs e a eletricidade resinosa, produzida sobre materiais como borracha e papel. Porém, esta classificação foi abandona em função da distinção entre cargas negativas e positivas proposta por Benjamin Franklin (OLENICK; APOSTOL; GOODSTEIN, 1986). Nos anos seguintes, muitos cientistas como Michael Faraday, Lorde Kelvin, Andre-Marie Ampère Ampére, Charles de Coulomb, Alessandro Volta, Nikola Tesla e James Clerk Maxwell contribuíram para o estudo de fenômenos eletrostáticos. De fato, diversos geradores e motores eletrostáticos têm sido descritos na literatura, sendo um dos primeiros a jarra de Leyden, a qual é atribuída a Pieter van Musschenbroek no século XVIII. Este dispositivo era capaz de armazenar energia de forma similar a um capacitor. A jarra de Leyden foi desenvolvida para armazenar eletricidade estática e contribuiu no desenvolvimento do primeiro telégrafo elétrico. Outro dispositivo baseado no estudo da eletrostática foi a máquina de Wimshurst, construída no século XIX, com extensa aplicação em geradores de raios X(PORTER, 1986). Em 1931, o físico Van de Graaff
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desenvolveu um gerador eletrostático que era capaz de fornecer altas tensões adequadas para pesquisas nucleares (GRAAFF, 1931). Os geradores de Wimshurst e Van de Graaff estão entre os geradores de maior importância desenvolvidos com base nos fenômenos eletrostáticos. Atualmente, diversos processos e tecnologias são baseados no estudo eletricidade estática, estando entre eles impressoras a laser (SCHEIN, 1992), fotocopiadoras (SCHEIN, 1999; DESSAUER; CLARK, 1965), separadores de partículas (KAWAMOTO; UMEZO, 2007) e reciclagem de polímeros (LUNGU, 2004). A vasta aplicação de fenômenos eletrostáticos em processos e tecnologias vem despertando nos últimos anos o interesse da comunidade científica em estudar os mecanismos envolvidos no processo de eletrização de superfícies, principalmente triboeletrização, de tal forma que diversos artigos vêm sendo reportados na literatura a fim de estudar os fenômenos envolvidos na transferência de carga entre materiais isolantes.
3.2 MECANISMOS DE TRIBOELETRIZAÇÃO
O mecanismo de eletrização por contato envolvendo condutores e semicondutores é bem conhecido entre os cientistas e envolve a banda de condução do metal, a qual é infimamente maior em energia quando comparada ao estado de valência preenchido. Desta forma, quando duas superfícies condutoras/semicondutoras entram em contato, ocorre a transferência de elétrons de uma superfície a outra. Essa transferência é facilmente explicada através do conceito de níveis de Fermi, o qual é o nível de energia do orbital mais alto ocupado em um material condutor ou semicondutor no zero absoluto (0 K). Assim, quando dois materiais entram em contato, os elétrons são transferidos do material com maior energia de Fermi para o material com menor energia de Fermi, até que os níveis sejam equilibrados (GALEMBECK, et al., 2014; LACKS; SANKARAN, 2011; HOUSECROFT; SHARPE, 2013). Em contrapartida, o mecanismo de triboeletrização dos isolantes ainda é controverso. Há na literatura pelo menos três mecanismos que explicam o fenômeno de formação de cargas elétricas no atrito ou no contato de superfícies não condutoras, os quais se baseiam na transferência de elétrons (LIU; BARD, 2008), íons (MCCARTY; WHINTESIDES, 2008) ou fragmentos de massa (BURGO et al., 2012). O primeiro mecanismo foi estudado por Liu e Bard, que demonstraram que reações de oxirreduções podem ser identificadas em superfícies carregadas, como PTFE e acrílico. Para demonstrar esse mecanismo, os autores atritaram diversos pedaços de PTFE em acrílico que em seguida foram imersos em algumas soluções,
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Os mecanismos de triboeletrização de superfícies isolantes descritos acima são ilustrados na Figura 2.
Figura 2 – Mecanismos de triboeletrização.
Fonte: Autoria própria.
A tendência de um dado material em adquirir cargas positivas ou negativas quando em contato com outro é resumida na série triboelétrica, cuja é apresentada na Figura 3. Uma série triboelétrica é uma lista de materiais ordenados empiricamente de acordo com a tendência em adquirir cargas positivas ou negativas quando são colocados em contatos e então separados. Foi primeiramente descrita por Shaw (SHAW, 1917), embora no século XVII o físico Willian Gilbert já houvesse investigado a atração eletrostática entre diferentes materiais (MAGIE, 1963). O resultado ao analisar a série triboelétrica (como descrito na Figura 3) é bastante simples: um material listado em determinado ponto da lista adquire carga positiva quando colocado em contato com materiais listados abaixo dele ou carga negativa quando em contato com materiais acima do mesmo. Por exemplo, quando um fluoropolímero como o politetrafluoretileno (PTFE) é atritado com uma poliamida (náilon), o resultado é o PTFE com uma carga líquida negativa e o náilon com uma carga líquida positiva.
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Figura 3 – Série triboelétrica
Fonte: Adaptado de Galembeck, F. et al. (2014).
A partir da série triboelétrica, é possível notar que materiais listados próximos uns aos outros apresentam propriedades físico–químicas similares. Ao analisar a acidez e basicidade de Lewis, a série triboelétrica revela que os materiais com maior caráter de ácido de Lewis (aceptor de elétron) tendem a ficar carregados negativamente, enquanto que os materiais dispostos no topo da série apresentam um caráter de base de Lewis (doador de elétrons), tendendo a adquirir cargas positivas (GOODING; KAUFMAN, 2014). A disposição dos materiais na série triboelétrica também aponta um padrão em termos de hidrofilicidade e energia de superfície. De fato, materiais com maior tendência hidrofóbica e consequentemente menor energia de superfície, como PTFE, estão dispostos próximos à base da série triboelétrica, enquanto que materiais hidrofílicos e de maior energia de superfície se encontram próximos do topo da lista (OWENS; WENDT, 1969).
3.4 MÉTODO DE KELVIN
O método de Kelvin permite medir o potencial eletrostático de forma não destrutiva e sem entrar em contato com a superfície analisada. A superfície a ser examinada pode ser condutora, semicondutora ou até mesmo isolante. Essa técnica é baseada na formação de um capacitor de placas paralelas entre o eletrodo e a superfície, sendo que o seu funcionamento tem como base a equação:
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Equação (3)
Uma mudança na distância entre os eletrodos em um intervalo de tempo demanda que certa quantidade de carga seja retirada ou entregue ao eletrodo, tendo em vista que o potencial V é constante. Desta forma, obtém-se a seguinte equação:
( (^) ( )) Equação (4)
A função é definida como a corrente que flui do eletrodo ou para ele quando a
distância é variada em um intervalo de tempo D(t). Sendo assim, para determinar o potencial elétrico de uma superfície, um potencial deve ser aplicado ao eletrodo de Kelvin (Figura 4) e a corrente elétrica resultante deve ser monitorada. Quando a corrente se igualar a zero, a diferença de potencial (|V 1 – V 2 |) será igual a zero, sendo V 1 = V 2. Assim, o potencial da superfície analisada terá o mesmo potencial aplicado ao eletrodo de Kelvin (BURGO, 2013).
Nos últimos anos, a busca por novas fontes energéticas têm sido alvo de inúmeras pesquisas, principalmente devido à crescente demanda de energia a nível mundial (HOU et al., 2013). Diversas tecnologias têm sido desenvolvidas com o objetivo de converter energia mecânica em elétrica através de ações humanas, como correr e dirigir. Desta forma, nanogeradores vêm sendo apresentados na literatura como fonte capaz de converter energia mecânica através de dois efeitos: piezoelétrico (HOWELLS, 2009) e triboelétrico (FAN; TIAN; LIN, 2012). A piezoeletricidade é um efeito produzido por alguns materiais onde a deformação mecânica de cristais produzida por uma força externa induz no cristal piezoelétrico uma diferença de potencial que pode ser induzir um fluxo de corrente até uma fonte externa. Nos últimos 10 anos, foram reportados na literatura diversos sistemas piezoelétricos, tendo o grupo do Professor Wang da Georgia Tech como líder nesta pesquisa, sendo responsável pelo
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desenvolvimento de um sistema piezoelétrico a partir de nanofios de ZnO, cuja tensão e densidade de corrente máxima chegaram a valores próximos a 58 V e 12 μA/cm^2 respectivamente (WANG, 2006). Alternativamente, fenômenos eletrostáticos associados ao contato ou atrito entre superfícies (triboeletricidade) levaram a construção de nanogeradores triboelétricos. Os nanogeradores triboelétricos podem ser aplicados para coletar todo tipo de energia mecânica que está disponível e é frequentemente desperdiçada através de atividade diária. Desta forma, inúmeros tribogeradores vêm sendo descritos na literatura a fim de melhorar o desempenho e eficiência, através da vasta escolha de materiais, como polímeros e metais bem como técnicas para modificação superficial, cujas são geralmente baseadas em micro ou nanopadrões, o que leva ao aumento da área de contato e consequentemente melhor triboeletrização. O primeiro tribogerador descrito na literatura foi construído em formato “sanduíche” utilizando Kapton e PET (Politereftalato de Etileno) como polímeros a serem triboeletrizados com dimensões de 4,5 cm x 1,2 cm. Ambas as superfícies desses materiais foram cobertas por um fino filme de ouro utilizando a técnica sputter coating. Tendo em vista que após a triboeletrização cargas estáticas são geradas, a deposição de um filme condutor se faz necessária para cargas opostas às geradas no polímero sejam induzidas e então atuem como eletrodos direcionando as cargas a um circuito externo, podendo carregar uma bateria ou capacitor. A diferença de potencial (ou tensão) gerada entre as duas superfícies recém atritadas bem como a corrente obtida a cada ciclo de deformação do tribogerador chegaram a valores próximos a 3,3 V e 0.6 mA, respectivamente (FAN; TIAN; LIN, 2012). O tribogerador é apresentado na Figura 5.
