Post on 06-Jun-2020
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Adillys Marcelo da Cunha Santos
Laboratório de Tecnologia de Materiais – LTM
Unidade Acadêmica de Engenharia de Materiais - UAEMa / UFCG
Importância da Engenharia de Materias
Fratura bilateral de úmero proximal
O que é Engenharia de Materias?
Metais
Polímeros Cerâmicas
Compósitos
Primeiras evidências do uso da nanotecnologia
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Idade média (456 – 1453) e durante a renascença (XIV – XVI) : uso de uma tinta feita com nanopartículas de prata e cobre
Aço de Damasco Indiano (600 BC) : continham nanotubo de carbono e nanopartículas de cementita
Artesãos na Mesopotamia (XIX) : usaram nanopartículas de cobre a óxido de prata para dar brilho a cerâmicas
Primeiras ideias sobre nanociência
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
• Gravidade se torna menos importante;
• Tensão superficial e as forças de Van Der Walls tem maior importância
• Escassez de tecnologia
Quem cunhou o termo nanotecnologia?
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Norio Tiniguchi (Tokyo University of Science, 1974) : Descreveu processos de materias semicondutores por deposição de filmes finos com controle morfologico da ordem de nanômetros
Quem popularizou o termo nanotecnologia?
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Erick Dexler (MIT, 1980) : “Molecular Engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation,”
Livro: ”Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology”, 1986
Invenção do microscópio de tunelamento em 1980
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Gerd Binning (esquerda ) e Heinrich Rohrer (direita) ganharam o prêmio Nobel de Física em 1981 pela a invensão do microscópio de tunelamento
Ocorreu um grande ”BOOM”nos estudos voltados a nanociência
Avanços nos estudos de interface e colóides (“disperão de partíluas em um meio com tamamanho infeior a 1um”)
Descoberta do Fulenero
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Buckyball C60 - estrutura baseada em hexágonos e pentágonos e na forma de nanotubos de carbono
Resitência térmica e supercondutivodde
Descoberto em 1985 por HW Kroto e R Smalley
1.1 nm
Nanociência: “estudo dos fenômenos e manipulação dos materiais na escala atômica e molecular onde as proriedades se diferenciam significativamente de escala maiores”
Nanotecnologia:” desenho, produção, caracterização e aplicação de estruturas, dispositivos e sistemas através do controle da forma e tamanho numa escala nanométrica”
Algumas definições
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
”Nano”, do grego nánnos: ”anão”
1/1.000.000.000
ou 10-9
A bilionésima parte do metro
1 nm
10 átomos
6,5 cm
Nano não é visto a olho nu…
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Resolução: 0.2 mm
”Fibras”: definição
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Do ponto de vista geométrico: ”um material delgado, alongado, com uma estrutura tipo fio”
Fibra possui alta razão de aspecto; com grande relação comprimento diâmetro (L/d)
Nanofibra <= 100 nm, definição acadêmica; A indústria tem dado maior flexibilidade na definação para 300 nm ou mesmo 500 nm
ALTA ÁREA SUPERFICIAL … D = 10 µm ----------------- Asup = 0.4 m2/gD= 100 nm ----------------- Asup = 40 m2/g
A natureza inventou a fibra e nós a copiamos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Cabelo humano
Nanofibras
Fio de cabelo humano sobre uma manta de nanofibras
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
80 µm
Hemácia coberta por nanofibras
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Hemácia do ser humano
Nanofibra6 µm
Esporo de pólen sobre uma manta de nanofibras
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Esporo de pólen
Manta de nanofibras
Curiosidade
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Quanto de polímero precisamos para cobrir a distância entre a lua e a terra (cerca de 384400 km) se usássemos uma nanofibra de diâmetro igual a 100 nm?
Elevada razão superfície-volume
Métodos de produção
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Micro e nanofibras de polímeros
Solution
Spinning
Melt
Spinning
Melt
Blowing
Dry
Spinning
Wet
Spinning
Electrospinning Solution Blow
Spinning
Métodos de produção: eletrofiação (”electrospinning”)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fibras poliméricas e cerâmicas
Métodos de produção: eletrofiação e limitações
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Baixa produtividade: manta de 2 mm leva 8h
Altas voltagens: riscos ao operador e limita aplicação em tecidos vivos;
Limitação da constante dielétrica de solventes;
Limitação para a produção em 3D
Alto custo: c.a. R$ 100.000,00
Parâmetros que afetam o processo de eletrofiação
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Concetração da solução
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Massa molar do polímero
Mw aumenta
Parâmetros que afetam o processo de eletrofiação
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Tensão superficial: solução de 4% m/m PVP/solventes
Parâmetros que afetam o processo de eletrofiação
Etanol MC DMF
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Parâmetros que afetam o processo de eletrofiação
Voltagem: maiores voltagens tendem a reduzir diâmetro de fibra
Taxa de alimentação: Não há um concenso, mas surege-se uso de baixa alomentação da solução polimérica;
Rotção do coletor: reduz diâmetro de fibra
Eletrofiação tipo core-shell / coaxial
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Esquemas para aumento de produtividade
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Good Year, vulcanização (1839)
Fiação por sopro em solução - SBS – (Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fiação por sopro em solução - SBS – (Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
“Pesquisa na mais é do que estudo e observação”
Alan MacDiarmid, compartilhou nobel de química sobre polímeros condutores
Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Prof. Eliton Medeiros
Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Coletor rotativo PMMA
PS PLA Escala 5 um
Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fiação por sopro em solução: vantagens
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fácil scale-up comercial;
30 – 100 x maior produtividade que a taxa da eletrofiação;
Sem necessidade de altas voltagens, condutividade de coletor ou limitação dielétrica de solvente;
Baixo custo
Deposição direta em tecidos vivos e confecção de estruturas 3D.
Parâmetros que afetam o processo
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Concentração da solução;
Massa molar do polímero
Pressão
Taxa de alimentação
Outros
Fiação por sopro em solução (SBS – Solution blow spinning)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Solução diluída
Solução semi-diluída
Solução concentrada
Air jet spinning; em busca da patente perdida…
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Solução diluída
Solução semi-diluída
Solução concentrada
Rotary spinning
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Número de papers SBS
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Nanofibras
Curativos
Engenhariade tecidos
Entrega de fármacos
Filtros
Roupas de proteção Materias de
reforço
Aplicaçõesópticas
Condutoreselétricos
Sensores
Aplicaçõesópticas
Prótesesmédicas
Dispositivoshemostáticos
Deposição direta em orgãos (in-situ)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Pulmão (A), Intestino (B), Fígado (C), Hérnia (D)
Aplicações
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Folhas contendo nanofibras com pesticidas
Nanofibras como barreira de proteção contra insetos
Aplicações roupas protetoras
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Apicações: sensores de gás a bases de SnO2
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
SnCl.2H2O + PVP/DMF/EtOH
Emanuel Pereira
Apicações: sensores de gás a bases de SnO2
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Emanuel Pereira
Aplicações: estudos de maturaçõa de frutos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Preparação de sensores de gás a base de nanofibras de PLA/PAni
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações: estudos de maturaçõa de frutos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações: Liberação de fármacos
Kaline Nascimento
Raquel leite
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações: degradação de corantes
Híbrido PVAc/TiO2
500o CTratamento em UV por 12 horas
Raquel leite
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações: antimicrobianas contra E.coli
Híbrido PVAc/TiO2
Tratamento em UV 500o C
Culture plate (bacteria)
Bonan, R. in preparation
Culture plate (bacteria)
Islands of bacteria (E.coli)
SB-Spun fibers (PLA+natural oils)
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aplicações: antimicrobianas contra bactérias
Híbridos PLA/nanopartícula de sílica Eng. de tecidos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Híbridos PLA/sílica para engenharia de tecidos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Aspecto tipo chumaço de algodão
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Híbridos PLA/sílica para engenharia de tecidos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Híbridos gelatina/sílica para engenharia de tecidos
Túbulos para angiogênese e regeneração de nervos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
A
B
CD
Rojerson Ramos
Déborah Santos
Híbridos PLA/PEG/Fosfatos de cálcio Eng. de tecidos
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Fibras PVA/precursores inorgâncos
1000o C
PLA/PEG/Fosfato
Fibra cerâmica
Fibras de Biovidro para regenação do tecido ósseo
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Eudes Leonnan
Morfologia antes e após queima
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Ensaios in vitro (SBF) e difração de raios-X
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Esponjas cerâmicas ultra-leves
63
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Polímero biodegradável + nutrientes para agricultura
64
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Liberação controlada de nutrientes para agricultura
65
Nanofibras: métodos diretos de produção e aplicações
Obrigado!