| Summary: | Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2012 === Made available in DSpace on 2013-06-25T22:58:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1
312238.pdf: 7758439 bytes, checksum: a54a25bc25452f0d460408668df133e4 (MD5) === O presente trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento e a caracterização de materiais poliméricos com propriedades mecanocrômicas através de duas rotas: pela formação de cristais fotônicos e formação de excímeros. O domínio da técnica de fabricação de cristais fotônicos com propriedades elásticas ainda é recente e abre um imenso potencial para o estudo de propriedades mecanocrômicas, possibilitando o desenvolvimento de sensores e dispositivos. Com relação ao desenvolvimento dos cristais fotônicos a reação de síntese do látex do terpolímero de estireno-acrilato de butila-ácido acrílico foi conduzida por polimerização em emulsão utilizando-se como iniciador o persulfato de amônia (APS) e como surfactante o lauril sulfato de sódio (SLS). Paralelamente avaliou-se o efeito de diferentes percentuais dos monômeros (37,8%, 47,2%, 50%, 57,8% e 61,2% de estireno em massa; 36,6%, 38,2%, 47,2%, 50% e 56,8% de acrilato de butila em massa e 0%, 5,4% e 5,6% de ácido acrílico em massa) e tempo de reação sobre a temperatura de transição vítrea (Tg), tamanho de partícula, monômero residual e propriedades crômicas e mecanocrômicas do látex produzido. Ao látex produzido, em alguns casos, foi adicionado, sob tratamento ultrassônico, uma solução de sílica (para impedir a coalescência das nanoesferas do terpolímero elástico) juntamente com o agente Tri(propileno glicol) diacrilato (TPA), que melhora a propriedade de alongamento do filme. Com o objetivo de obter estruturas ordenadas os filmes foram obtidos por deposição gravitacional sob placa petri em atmosfera controlada (temperatura de 21°C) ou por "spin-coating". Os resultados de tamanho médio de partícula apresentados pelo MET mostraram valores entre 230-410 nm, adequados à formação de uma estrutura auto-organizada periódica para obtenção do efeito de difração de Bragg no visível. Porém os resultados de polidispersão dos látices não foram satisfatórios, com valores de 0,09 a 0,29. Apesar dos efeitos crômicos alcançados, estes resultados mostram que são necessários ajustes no sistema reacional da polimerização em emulsão do terpolímero para podermos alcançar resultados que sejam considerados monodispersos (até 0,04), e assim obtermos resultados crômicos mais intensos. Os resultados apresentados por MET demonstraram que a redução do tempo de reação de 14 horas para 7 horas não afetou significativamente o tamanho médio de partícula. Esta redução no tempo de reação também foi confirmada através da análise de cromatografia gasosa (CG), demonstrando que 7 horas de reação foram suficientes para obter um baixo percentual de monômero residual, ficando em menos de 0,25% para o estireno e menos que 0,12% para o acrilato de butila. Em alguns casos, verificou-se o fenômeno crômico nos filmes opacos coalescidos após o contato com etanol ou água, o que se deve à repelência das nanopartículas ao solvente, restaurando sua forma esférica original. Foi possível apresentar teste de estiramento manual onde o filme com sílica e TPA apresentou propriedade mecanocrômica. Ensaios de tração revelaram que o agente TPA confere maior elasticidade ao filme, aumentando em até 140% o alongamento dos mesmos. Na rota onde se utilizou a formação de excímeros para a obtenção do fenômeno mecanocrômico foi explorado um pigmento fotocrômico 4,40-Bis(2-benzoxazolil)-stilbeno (BBS) pela incorporação via extrusão e posterior prensagem a quente em matrizes poliméricas de PP, PEAD e EVA. O objetivo foi estudar a variação de cor sob irradiação UV das matrizes poliméricas quando submetidas a uma deformação mecânica (tração) a temperatura ambiente. Foram investigadas diferentes concentrações de pigmentos nas matrizes sob irradiação UV (360nm) e também com diferentes condições de processamento (resfriamento rápido e lento, temperatura de processamento maior e menor) e sua habilidade na quebra dos agregados de pigmento sob tração mecânica. As análises de fluorescência foram apresentadas verificando-se o aumento da intensidade da banda excímero com o aumento da concentração de BBS, e os resultados de fluorescência dos filmes antes e depois de serem estirados a uma taxa constante de deformação. Constatou-se que com o aumento da concentração de pigmento BBS, ocorre o aumento da banda excímero em 500nm em todas as matrizes estudadas (PP, EVA e PEAD). Os resultados de fluorescência demonstraram que em todas as matrizes estudadas houve a diminuição da banda excímero após a tração mecânica. Visualmente também foi possível observar alguma diferença de cor, apesar de discreta, sob irradiação UV dos filmes tracionados. Os resultados demonstraram que em praticamente todas as condições de processamento, a quebra dos agregados ocorreu a uma taxa de 1mm/min.<br> === Abstract : The present work has as main objective the development and characterization of polymeric materials with mechanochromic properties obtained by two routes: by formation of photonic crystals and by excimer formation. The technique for fabrication of photonic crystals with elastic properties is still new and opens a huge potential for the study of mechanochromic properties, enabling the development of sensors and devices. Regarding the development of photonic crystals, the reaction of synthesis of terpolymer latex of styrene-butyl acrylate-acrylic acid was conducted by emulsion polymerization using as initiator ammonium persulfate (APS) and sodium lauryl sulfate (SLS) as surfactant. In parallel, the effect of different percentages of monomers (37.8% to 47.2%, 50%, 57.8% and 61.2% by weight of styrene, 36.6%, 38.2%, 47 2%, 50% and 56.8% by weight of butyl acrylate and 0%, 5.4% and 5.6% by weight of acrylic acid) was evaluated, as well as the influence of reaction time on the glass transition temperature (Tg), particle size, residual monomer and chromic and mechanochromic properties of the produced latex. In some cases a solution of silica was added to the latex produced, under ultrasonic treatment (to prevent coalescence of the terpolymer elastic nanospheres) as well as tripropylene glycol diacrylate (TPA), which improves the elongation properties of the film. In order to obtain ordered structures films were also produced either by gravity controlled deposition under controlled atmosphere (21 °C) in petri dishes or by spin-coating. The results presented for average particle size by TEM showed values between 230-410nm, which are appropriate for the fabrication of a self-organized periodic structure that shows Bragg diffraction in the visible range. However, the polydispersity of the latices were not satisfactory, with values ranging from 0.09 to 0.29. Although chromic effects were achieved, the high polydispersity shows that adjustments are needed in the reaction system of emulsion polymerization of the terpolymer in order to achieve latices that are considered monodisperse (up to 0.04) and yield, therefore, more intense chromic effects. The results presented by TEM showed that the reduction of reaction time of 14 hours for 7 hours does not significantly affect the average particle size. This reduction in reaction time was also confirmed by analysis of gas chromatography (GC), showing that 7 hours of reaction were sufficient to obtain a low percentage of residual monomer, being less than 0.25% for styrene and less than 0.12% for butyl acrylate. In some cases, the a chromic effect was observed in opaque films coalesced after contact with ethanol or water, which is due to repellency of the nanoparticles to the solvent, resuming to its original spherical shape. Films containing silica and TPA were submited to manual stretching, showing mechanochomic properties. Tensile tests revealed that the TPA agent provides greater elasticity to the film, increasing elongation up to 140%. In order to obtain mechanochromic properties by formation of excimer formation, the photochromic dye 4.40-Bis (2-benzoxazolyl)-Stilbene (BBS) was incorporated into polymeric matrices of PP, HDPE and EVA, by extrusion and hot pressing. The aim was to study the color change under UV irradiation of the polymeric matrices when subjected to a mechanical deformation (tensile) at room temperature. Different concentrations of dye were tested in the matrices under UV irradiation (360nm) and also under different processing conditions (rapid and slow cooling; higher and lower processing temperature) and the ability of breaking the dye aggregates under mechanical traction was evaluated. Fluorescence analyses verified an increase in intensity of the excimer band with increasing concentration of BBS and the results of fluorescence of the films before and after being drawn at a constant rate of deformation. It was found that with increasing dye concentration, there is an increase in the excimer band at 500 nm in all matrices investigated (PP, EVA and HDPE). Fluorescence results showed that in all matrices investigated excimer band decreases after tensile strain. Visually it was also possible to observe some difference in color under UV irradiation of films, although discrete, after tensile strain. Results demonstrated that in almost all processing conditions, the breaking of the aggregates was observed at the rate of 1mm/min.
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