Efeitos do Fluxo em Filmes de Carbon Black-Silicone

Elastômeros de silicone preenchidos com negro de carbono (CB) estão chamando atenção para uso em sensores e eletrônicos flexíveis. Esses materiais conseguem conduzir eletricidade se tiver bastante negro de carbono adicionado. Mas ainda não se entende bem como a estrutura deles afeta as propriedades. Este artigo investiga os efeitos do fluxo durante a produção de filmes de silicone com CB e como isso influencia as Propriedades Elétricas e mecânicas dos materiais.

#O que é Negro de Carbono?

Negro de carbono é um aditivo comum em borracha e elastômeros de silicone. Quando adicionado, pode mudar a resistência mecânica do material e torná-lo condutivo se usado em quantidade suficiente. Essa propriedade faz com que elastômeros preenchidos com negro de carbono sejam bons para aplicações como eletrodos flexíveis e sensores de deformação.

#Relações Estrutura-Propriedade

Para melhorar a eficácia dos elastômeros preenchidos com CB para eletrônicos, é essencial entender como a disposição do negro de carbono dentro do silicone afeta as propriedades elétricas e mecânicas do material. Pesquisas mostram que vários fatores podem influenciar essas propriedades, como o tamanho e a forma das partículas de negro de carbono, como elas interagem com o silicone e o método usado para processar os elastômeros.

O jeito que o material é processado, especialmente os padrões de fluxo durante a produção, pode levar a diferentes arranjos do negro de carbono dentro da matriz de silicone. Esses arranjos diferentes podem mudar bastante o comportamento dos materiais.

#Anisotropia Induzida por Fluxo

Quando a mistura líquida de negro de carbono e silicone é espalhada durante a produção, o fluxo pode fazer com que as partículas de negro de carbono se alinhem em direções específicas. Isso é conhecido como anisotropia induzida por fluxo. Este estudo examina como esse efeito acontece durante um método chamado revestimento com lâmina de doutor, onde a mistura é espalhada uniformemente por uma superfície.

Os resultados mostraram que os filmes curados tinham propriedades elétricas ligeiramente diferentes dependendo da direção da medição. A resistência elétrica era maior quando medida paralelamente à direção do fluxo do que quando medida perpendicularmente a ele. Além disso, quando os filmes de silicone eram esticados, a mudança na resistência elétrica era mais significativa quando esticados perpendicularmente à direção de revestimento.

#Visão Geral do Experimento

Filmes de silicone preenchidos com diferentes quantidades de negro de carbono (7%, 9% e 11%) foram produzidos usando revestimento com lâmina de doutor. Os filmes foram então curados e suas propriedades elétricas foram testadas em duas orientações: paralela e perpendicular à direção do revestimento. O objetivo era ver como o fluxo durante o revestimento afetava as propriedades finais dos materiais.

#Propriedades Elétricas de Filmes Não Deformados

Ao medir a resistência elétrica de filmes não deformados, foi encontrado que a resistência era geralmente maior quando medida ao longo da direção do revestimento, comparado a quando medida perpendicularmente. A razão entre as resistências nessas duas direções era relativamente baixa, o que indica anisotropia elétrica fraca nos filmes.

Apesar dos valores baixos, a consistência dessa observação em diferentes concentrações de negro de carbono e condições de revestimento enfatiza o impacto que o processamento tem nas propriedades elétricas dos filmes de silicone.

#Sensibilidade Piezorresistiva

Piezorresistividade se refere à mudança na resistência elétrica quando o material é deformado mecanicamente. O estudo mediu como a resistência elétrica mudava à medida que os filmes eram esticados nas direções paralela e perpendicular ao revestimento. Foi encontrado que a resistência aumentava mais rapidamente para estiramentos perpendiculares à direção de revestimento.

Os achados sugerem que a disposição do negro de carbono dentro do silicone desempenha um papel crucial em como o material responde ao estresse mecânico. O efeito piezorresistivo foi novamente mais pronunciado ao esticar perpendicular à direção de revestimento, indicando que a anisotropia induzida por fluxo influencia significativamente a responsividade do sensor.

#Propriedades Mecânicas

Além de medir as propriedades elétricas, as respostas mecânicas dos filmes foram analisadas. A relação tensão-deformação foi examinada, mostrando que não havia anisotropia mecânica notável nos filmes-significando que a resposta ao estresse era similar, independentemente da direção de estiramento.

Isso contrasta com as medições elétricas, destacando uma diferença chave entre respostas mecânicas e elétricas nesses materiais. Os achados implicam que a condutividade elétrica é mais influenciada pela estrutura da rede de negro de carbono do que pelas propriedades mecânicas da matriz de silicone.

#Técnicas de Análise Estrutural

Vários métodos foram usados para analisar a estrutura dos filmes. A Difração de Raios X em Ângulo Pequeno (SAXS) foi utilizada para estudar a nanoestrutura dos materiais, enquanto o Mapeamento Nanomecânico Quantitativo PeakForce (PeakForce QNM) forneceu informações sobre as propriedades dos materiais em uma escala menor.

Ambas as técnicas contribuíram para entender como o fluxo e a cura subsequente afetaram a estrutura geral do negro de carbono dentro da matriz de silicone. Os resultados sugeriram que, apesar das mudanças nas propriedades elétricas e mecânicas, o arranjo estrutural básico do negro de carbono foi mantido sem alterações significativas em escala nanométrica.

#Descobertas e Implicações

O estudo revelou que, enquanto as propriedades elétricas dos filmes exibiam anisotropia pronunciada, as propriedades mecânicas permaneciam largamente isotrópicas. Essa distinção é importante para aplicações onde o material deve responder de forma previsível sob estresse mecânico, enquanto ainda fornece funcionalidade elétrica.

As descobertas também ressaltam a necessidade de controlar cuidadosamente as condições de processamento ao fabricar elastômeros de silicone preenchidos com CB. Ajustar fatores como a concentração de negro de carbono, altura da folga durante o revestimento e velocidade de revestimento pode alterar significativamente as propriedades finais dos filmes.

#Aplicações Práticas e Direções Futuras

Os resultados deste estudo têm implicações práticas para o desenvolvimento de sensores flexíveis e dispositivos eletrônicos. Compreender como o fluxo afeta as propriedades dos filmes de silicone com CB pode ajudar na personalização dos materiais para aplicações específicas.

Por exemplo, ao projetar sensores esticáveis, pode ser benéfico selecionar condições de processamento que minimizem os efeitos anisotrópicos indesejados. Por outro lado, em aplicações onde propriedades anisotrópicas são desejáveis, como sensores adaptáveis, entender como otimizar esses materiais pode levar a um melhor desempenho.

Trabalhos futuros devem continuar explorando o comportamento estrutural desses materiais, especialmente sob diferentes condições de processamento. Isso pode envolver o uso de técnicas de imagem avançadas para observar como as partículas de negro de carbono se alinham durante o fluxo e como isso influencia tanto o comportamento elétrico quanto mecânico.

#Conclusão

Em resumo, o estudo da anisotropia induzida por fluxo em elastômeros de silicone preenchidos com negro de carbono trouxe à tona as complexas relações entre estrutura, processamento e desempenho. Manipulando as condições de fluxo durante a produção, é possível melhorar as propriedades elétricas e mecânicas desses materiais para várias aplicações. A exploração contínua nessa área é essencial para desbloquear totalmente o potencial dos compósitos de silicone com CB no campo de eletrônicos flexíveis e sensores.