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Title:
EQUIPMENT FOR DETERMINING THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF CONDUCTIVE POLYMERIC MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/006845
Kind Code:
A1
Abstract:
A description is given of the invention of equipment for determining the electrical conductivity of conductive polymeric materials, which makes it possible to determine the electrical conductivity of conductive elastomeric materials as a function of the pressure to which the material is subjected, comprising a first electrically insulated electrode (10) positioned on the bench for positioning the sample (100) and connected to an ammeter (120) that measures the intensity of the flow of electrical current in the sample (100), and a second electrode (11) fastened to the base of a pneumatic piston (20), said second electrode (11) moving vertically in the direction of the surface of the first electrode (10) and being connected to a deformation measuring device (130) that measures the change in thickness of the sample (100), with the data from the ammeter (120) and from the deformation measuring device (130) being processed by a computer (200).

Inventors:
JOB ALDO ELOIZO (BR)
BATISTTONE GABRIEL GALBES (BR)
DE ALMEIDA ROSEMEIRE BONFIM (BR)
ZARA MARCOS FELIPE (BR)
LINCON DA SILVA AGOSTINI DEUBER (BR)
SANTANA DA SILVA GEUSILANGE (BR)
Application Number:
PCT/BR2014/000238
Publication Date:
January 22, 2015
Filing Date:
July 16, 2014
Export Citation:
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Assignee:
UNIV ESTADUAL PAULISTA JULIO D (BR)
International Classes:
G01N27/02
Other References:
J. SÁNCHEZ-GONZÁLEZ ET AL.: "Electrical conductivity of carbon blacks under compression", CARBON, vol. 43, no. 4, 2005, pages 741 - 747, XP004738876, DOI: doi:10.1016/j.carbon.2004.10.045
FERNANDO A. OLIVEIRA: "Study of the Thermomechanical and Electrical Properties of Conducting Composites Containing Natural Rubber and Carbon Black", JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, vol. 106, no. 2, 15 October 2007 (2007-10-15), pages 1001 - 1006
Attorney, Agent or Firm:
DE MORAES SPIANDORELLO, Fabíola (BR)
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Claims:
REIVINDICAÇÃO

EQUIPAMENTO PARA DETERMINAÇÃO DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS CONDUTORES

caracterizado por compreender:

a) um primeiro eletrodo (10) isolado eletricamente posicionado na bancada de posicionamento da amostra (100) e conectado a um amperímetro (120);

b) um segundo eletrodo (11 ) fixado na base de um pistão pneumático (20), dito segundo eletrodo (11 ) que se desloca verticalmente em direção à superfície do primeiro eletrodo (10) e conectado a um medidor de deformação (130);

c) um pistão pneumático (20) provido de uma célula de carga (30) atuada por eletroválvulas (E) controladas por uma placa de controle (140) que direciona o fluxo de ar recebido do manómetro (40) para as câmaras (C1 e C2) da célula de carga (30);

d) um motor de passo (150) conectado a uma placa de controle (140) interligada a um computador (200) que recebe os dados do amperímetro (120) e do medidor de deformação (130).

Description:
EQUIPAMENTO PARA DETERMINAÇÃO DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS CONDUTORES CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção descreve um equipamento para determinação da condutividade elétrica de materiais poliméricos condutores. Mais especificamente descreve um equipamento que permite determinar a condutividade elétrica de materiais elastoméricos condutores em função da pressão a qual o material está submetido. ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Dentre as várias propriedades físicas da matéria, o conhecimento da propriedade elétrica de um material é de extrema importância para o direcionamento de sua aplicação.

Os materiais podem ser classificados quanto às propriedades elétricas em condutores, semicondutores e isolantes. Materiais metálicos como, por exemplo, o ouro, o alumínio e o cobre, são classificados como excelentes condutores, já os plásticos polietileno e polipropileno são isolantes elétricos. Esta classificação está associada ao valor da condutividade elétrica, ou seja, a capacidade de portadores de cargas elétricas de fluir pelo material.

A preparação e a caracterização de materiais poliméricos condutores tem sido feita usando materiais puros ou misturados com outros polímeros para a obtenção de blendas e compósitos, despertando interesse em aplicações tecnológicas, conforme relatado na literatura técnica [Fernando A. Oliveira, Neri Alves, José A. Giacometti, Carlos J. L. Constantino, Luiz H. C. Mattoso, Ana M. O. A. Balan, Aldo E. Job. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 106, 1001-1006 (2007)].

Job (Job, A. E.; Oliveira, F. A.; Alves, N.; Giacometti, J. A,; Mattoso, L. H. C. Synth Met. 2003, 135/136, 99-100) utilizou amostras de borracha natural com negro de fumo em diferentes proporções, e dois eletrodos para medir a condutividade elétrica e a pressão mediante a colocação de pesos de massas conhecidas sobre a amostra. Neste experimento, ao variar a pressão de 0 até 2,4 MPa, a condutividade elétrica variava entre 1 ,2 x 10 "2 até 3,9 x 10 ~2 S/cm para amostras obtidas na proporção de 80/20, ou seja, 80% de borracha natural e 20% de negro de fumo, aproximadamente 2,9 x 10 ~8 até 7,8 x 10 "8 S/cm para amostras de 90/ 0 e aproximadamente 0,1 x 10 ~8 até 1 ,6 x 10 "8 S/cm para amostras de 95/5.

González [J. Sánchez-González, A. Macías-García, M.F. Alexandre-Franco, V. Goómez-Serrano. Electrical conductivity of carbon blacks under compression. Carbon 43 (2005) 741-747] utilizou um método similar para medir a condutividade em função da pressão de amostras com negro de fumo, que consistia em colocar a amostra dentro de um cilindro de dimensões conhecidas e pressioná-la com dois eletrodos metálicos. Em uma de suas amostras, variando-se a pressão de 25 até 742 kPa, foi obtida uma variação na condutividade de 21 ,2 até 214,6 S/m.

Materiais elastoméricos estão sendo utilizados na fabricação de sensores de pressão em biomédica para sistemas de segurança na aplicação de anestesia regional intravenosa automatizada (IVRA). Este tipo de sensor utiliza um elastômero estruturado como um elemento sensorial de um condensador de placas paralelas. Modificações mecânicas simples permitem sensibilidade no ajuste de calibração. O dispositivo é particularmente sensível para detectar condições de perigo que podem acontecer durante o procedimento de IVRA convencional. Assim, o desenvolvimento novos materiais para a construção de sensores para aplicação em robótica é um dos desafios da ciência.

O estado da técnica descreve sistemas de sensores que consistem de uma combinação de um transdutor de piezeletricidade (PZT) e um elemento de sensor de pressão. Sensor de pressão piezo- resistivo utilizando uma membrana de borracha de silicone apresenta a sensibilidade de pressão de aproximadamente 4,75 mV/kPa e a não linearidade da medida é menor que 1 % do fundo de escala.

Outro sistema utiliza um elemento de sensor de PZT (disco- moldado) formando um circuito ressonante. Em contato com um objeto de teste, este sistema responde mudando a sua frequência de ressonância, conforme a impedância acústica do objeto.

É sugerido que estes sensores podem ser úteis em aplicações que envolvem robótica no campo biomédico e pode ser incorporado na próxima geração de sistemas operacionais virtuais.

A literatura técnica descreve o desenvolvimento de novos materiais com propriedades elastoméricas, utilizando borracha natural e ou sintética, visando diversas áreas de aplicação. Dentre estes materiais, destacam-se aqueles com propriedades condutivas, aplicados em dispositivos eletrocrômicos, materiais para proteção antiestática e eletromagnética em embalagens, sensores e outros. Os dispositivos eletrocrômicos, em especial, são interessantes pelas possíveis aplicações como mostradores e armazenadores de informação, espelhos e retrovisores para automóveis e janelas com controle de transmissão de luz para a arquitetura. No entanto, para aplicações em dispositivos eletrocrômicos, se faz necessário melhorar as propriedades dos polímeros condutores, de forma que novas blendas com elastômeros ou termoplásticos têm sido estudados. Compósitos de borracha com materiais condutivos têm sua condutividade dependente da pressão à qual é submetido. Devido a esta propriedade, estes compósitos têm sido usados como elemento ativo na produção de sensores de pressão. Estes transdutores têm várias vantagens: são finos, flexíveis, capazes de responder rapidamente à variação de pressão, permitem realizar medidas dinâmicas e estáticas e podem ser moldados de acordo com a aplicação desejada. A utilização de blendas de borracha com polímeros condutores na produção de sensores de pressão tem grande potencial tecnológico, embora necessite ainda de muito desenvolvimento para a sua produção, avaliação de sua qualidade e eficácia.

Os sensores de pressão usando borracha misturada com partículas condutoras metálicas ou com negro de fumo (borracha condutiva) são aplicados em palmilhas apropriadas para medir a pressão sob o pé, em estudos da marcha humana; estudos do contato e movimento da patela; medida da pressão sob os dedos das mãos para estudar a biomecânica do movimento de agarrar com as mãos; medidas da distribuição de força nas juntas do punho; produção de sensor tátil e outros.

Para a avaliação da viabilidade do uso destes materiais como sensor de pressão, é fundamental determinar a condutividade elétrica em função da pressão à qual o material está submetido. No entanto, o estado da técnica não descreve nem sugere um equipamento que permite caracterizar as amostras de novos materiais poliméricos condutores, de diferentes espessuras e propriedades mecânicas, como sensor de pressão.

SUMÁRIO É característica da invenção um equipamento para determinação da condutividade elétrica de materiais poliméricos condutores em função da pressão a qual o material é submetido.

É característica da invenção um equipamento para determinação da condutividade elétrica de materiais poliméricos condutores que permite caracterizar um sensor de pressão.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1 apresenta a vista esquemática do equipamento para determinação da condutividade elétrica de materiais poliméricos condutores.

A figura 2 apresenta a representação esquemática das eletroválvulas que promovem o controle de direcionamento do fluxo de ar para as câmaras da célula de carga de forma a movimentar o pistão pneumático.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O equipamento para determinação da condutividade elétrica de materiais poliméricos condutores, objeto da presente invenção, compreende uma bancada onde é fixado um primeiro eletrodo (10) isolado eletricamente alinhado com um segundo eletrodo (11) isolado eletricamente e fixado na base de um pistão pneumático (20) que se desloca verticalmente em direção à superfície do primeiro eletrodo (10) onde é posicionada uma amostra (100) para análise da condutividade elétrica.

Uma célula de carga (30) promove a movimentação vertical do pistão (20) mediante atuação de eletroválvulas controladas por uma placa de controle (140) que direciona o fluxo de ar recebido do manómetro (40) para as câmaras (C1 e C2) da célula de carga (30).

Conforme exemplificativamente apresentado na figura 2, quando o eixo da célula de carga (30) está sendo deslocado descendente, as eletroválvulas E1 e E3 devem estar abertas e as eletroválvulas E4 e E2 devem estar fechadas, de forma que o ar comprimido passa pela eletroválvula E1 e preenche a primeira câmara (C1 ) da célula de carga (30), enquanto o ar presente na segunda câmara (C2) é deslocado para a eletroválvula E3 onde ocorre o escape. Para ocorrer a elevação do eixo da célula de carga (30), a placa de controle realiza a inversão da ordem de abertura, de forma que as eletroválvulas E1 e E3 são fechadas e as eletroválvulas E4 e E2 são abertas.

O manómetro (40) controla a pressão do ar recebido do compressor (110) para o pistão pneumático (20), apresentando uma válvula para ajuste da pressão durante o processo de caracterização da amostra (100).

O primeiro eletrodo (10) fixado na bancada do equipamento é conectado a um amperímetro (120) que mede a intensidade do fluxo da corrente elétrica na amostra (100) quando submetida a uma determinada pressão.

O segundo eletrodo (11 ) fixado na extremidade do pistão (20) recebe voltagem através de fiação específica, dito segundo eletrodo (11 ) conectado a um medidor de deformação (130) que mede a variação da espessura da amostra (100) quando submetida à pressão do pistão (20), sendo os dados obtidos pelo medidor de deformação (130) transferidos a um computador (200).

Um motor de passo (150) é conectado à placa de controle (140) interligada ao computador (200), dito motor de passo (150) que regula a pressão do ar comprimido no pistão (20).

No computador (200), um programa de computador específico permite o cadastramento da amostra (100), com campos específicos para a inserção de dados referentes a nome, espessura, formulação, entre outros.

O operador informa em campo específico do programa de computador o intervalo de pressão e o intervalo de tensão desejado, de forma que o número de testes efetuados será o produto cartesiano dos intervalos de pressão e tensão configurados pelo operador.

A amostra (100) posicionada entre o primeiro eletrodo (10) disposto na base e o segundo eletrodo (11 ) disposto no pistão (20) recebe pressão do dito pistão (20), sofrendo compressão. Neste momento, o medidor de deformação (130) mede a variação da espessura da amostra (100). Em seguida, é aplicada uma tensão elétrica nos eletrodos (10) e (11 ) e o amperímetro (120) mede a intensidade do fluxo da corrente elétrica na amostra (100).

Os dados recebidos da placa de controle (140) referente à pressão aplicada na amostra e os dados recebidos do medidor de deformação (130) referente às alterações na espessura da amostra (100) são processados no computador (200), sendo gerado o valor da resistência elétrica e da condutividade elétrica na amostra (100).

Os dados obtidos são gravados, sendo possibilitada a geração de relatórios e gráficos dos parâmetros de espessura Inicial, espessura final, deformação, tensão, resistência, condutividade, pressão e corrente, com a opção de geração de gráficos e relatórios.