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dc.contributor.advisor1Rodrigo Lambert Oréficept_BR
dc.contributor.referee1Davies William de Lima Monteiropt_BR
dc.contributor.referee2Hallen Daniel Rezende Caladopt_BR
dc.contributor.referee3Jose Roberto Tavares Brancopt_BR
dc.contributor.referee4Fabrício Carvalho Soarespt_BR
dc.creatorDiego Oliveira Mirandapt_BR
dc.date.accessioned2019-08-13T03:54:58Z-
dc.date.available2019-08-13T03:54:58Z-
dc.date.issued2017-12-15pt_BR
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/1843/BUBD-AYJM8C-
dc.description.abstractIn the last decades, the study and development of polymers has became one of the most attractive and challenging in the world of science and technology. Advances involving the synthesis of new materials, together with the nanometric structures creation allowing to extend its field of application in the most diverse areas. Examples are polymers dedicated to biomedical applications such as artificial muscles, controlled drug delivery systems, sensors and other devices capable of interacting with living organisms. Areas such as emergy, previously dominated by metals and ceramics are now heavily invested in developing lighter materials that provide good efficiency, low cost and the possibility of miniaturization, such as photovoltaic solar cells, mobile devices screens, batteries and capacitors. In this work we investigated the properties of crosslinked polymers in the form of hydrogels, based on acrylic acid and acrylamide in the production of electro-actuating electroactive devices that can modify their shape by the application of an electric signal. We will use concomitantly to the hydrogels a conjugated polymer in its conductive form called Polyaniline (PANI) because it allows to amplify the electroactive action by reducing the general conductivity of the final product, thus seeking to meet the demands in the literature for devices that work in low voltage electrical ( 1V) and with an angular velocity response of the order of 20 °/ s. In addition, we evaluated some of these materials in the production of a dye-sensitized solar cell known as DSS (Dye Sensitized Solar Cells) in order to further extend its applicability in device construction. As the electrochemical processes involved in the responses of these devices depend on the diffusion of ions, we developed techniques and improvements in the synthesis that allowed the obtaining of these materials in the nanostructured form, so that, with a greater specific area, it was possible to accelerate the necessary interactions, thus reaching higher materials efficient and responsive. In summary, the scope of the experiments consisted primarily in the production of samples in the form of hydrogels films by photopolymerization, in order to obtain an ideal composition between the constituents Acrylamide, Acrylic Acid and the poly (ethylene glycol diacrylate) (PEGDA) crosslinker. it is observed that in these materials the smaller proportions of the crosslinking agent lead to the formation of a hydrogel with less modulus of elasticity, capable of absorbing more water (450%), which demonstrate faster electroactive responses but slightly less able to transmit force due to deformation itself of the actuator, which is largely compensated by the highest actuation speed. The effect observed for the crosslinker is similar to that of the addition of acrylamide, showing the strong influence of the ionizable groups present in the acrylic acid with the intensification of the electroactive response of the actuators, but at the same time identifying the importance of maintaining a minimum of acrylamide that provides greater mechanical stability.From these previous conclusions, we hear the incorporation of nanostructured and selfmanaged PANI. We implemented a new technique with in situ polymerization of aniline, the reaction being controlled by diffusion at the interface of viscous liquids partially miscible and ultraviolet assisted. This technique proved to be able to create nanobastones and PANI nanofibers inside the hydrogel in reduced times (<10min). In a second configuration, such hydrogels were prepared in the form of nanofibers by the technique of electrofying with ultraviolet in situ polymerization, termed reactive electrowinning. This technique is known to be difficult to apply to hydrogels because of the need to lightpolymerize the nanofibers rapidly during the process and for this we use our own source of UV for this purpose. PANI was added to the hydrogel nanofibers in different concentrations, as well as confined to the core of the nanofibers (shell-core structure). The traditional techniques of characterization of hydrogels such as mass expansion, MEV, AFM, DSC and the evaluation of conductivity by the 4-point technique were used. In addition to these techniques, the interconnectivity of the conducting regions was evaluated by AFM with current probe (I-AFM). The swelling behavior in water was verified by AFM in liquid mode along with the mechanical properties evaluated by nanoindentation. As a parameter of electroactive property measurement we obtained the force and the displacement of the samples in aqueous medium. These responses were related to their composition and structure, showing that both the introduction of nanostructured PANI in the films and the formation of nanofibers promote a significant increase in the responses of the materials. It was obtained nanocomposites that provided performance immersed in water with voltage of 1V, consumption of powers in the 50W range, average speeds of 2mm / s or 24 ° / s and forces of the order of 70 N. In addition, nanostructured PANI hydrogels and nanofibre films were used in practical applications from the construction of 2 devices. The first one involved the use of films with nanostructures of PANI as against electrode of the already mentioned solar cells DSSC obtaining efficiencies of 2.1% using a natural dye extracted from shells of Jabuticaba (Myrciaria cauliflora), being this result considered a the best for this dye. The second device was composed of an actuator based on three layers of nanofibers, the two outer layers being formed by conductive hydrogels as a built-in electrode. This actuator was able to respond to electrical stimuli out of the water, being only moistpt_BR
dc.description.resumoNas últimas décadas, a área de estudo e desenvolvimento de polímeros se tornou uma das mais atrativas e desafiantes do mundo da ciência e da tecnologia. Os avanços envolvendo a síntese de novos materiais conjuntamente com a criação de estruturas nanométricas permitiu estender seu campo de aplicação as mais diversas áreas. Exemplo disso são os polímeros dedicados a aplicações biomédicas como músculos artificiais, sistemas de liberação controlada de fármacos, sensores e outros dispositivos capazes de interagir com organismos vivos. Áreas como a de energia antes dominadas por metais e cerâmicas recebem hoje grandes investimentos para desenvolver materiais mais leves que proporcionem boa eficiência, baixo custo e possibilidade de maior miniaturização, como é o caso de células solares fotovoltaicas, telas de dispositivos móveis, baterias e capacitores. Neste trabalho investigamos as propriedades de polímeros reticulados na forma de hidrogéis, baseados em ácido acrílico e acrilamida na produção de dispositivos eletroativos eletro-atuadores que são aqueles capazes de modificar a sua forma pela aplicação de um sinal elétrico. Utilizaremos concomitantemente aos hidrogéis um polímero conjugado em sua forma condutora denominado de Polianilina (PANI) por permitir ampliar a ação eletroativa pela redução da condutividade geral do produto final, buscando atender assim as demandas presentes na literatura por dispositivos que trabalhem em baixa tenção elétrica (1V) e com velocidade angular de resposta da ordem de 20°/s. Adicionalmente avaliamos parte desses materiais na produção de uma célula solar do tipo sensibilizada por corante conhecidas pela sigla DSSC (Dye sensitized solar cells) buscando ampliar ainda mais sua aplicabilidade na construção de dispositivos. Como os processos eletroquímicos envolvidos nas respostas destes dispositivos dependem da difusão de íons, desenvolvemos técnicas e aprimoramentos na síntese que permitissem a obtenção destes materiais na forma nanoestruturada, para que, com uma maior área específica fosse possível acelerar as interações necessárias chegando assim a materiais mais eficientes e com resposta mais rápida. Em resumo, o escopo dos experimentos consistiu primeiramente na produção de amostras na forma de filmes de hidrogéis por fotopolimerização ,buscando-se obter uma composição ideal entre os constituintes Acrilamida, Ácido Acrílico e o reticulante poli(etilenoglicol diacrilato) (PEGDA) .Concluindo-se que nesses materiais as menores XX proporções do agente reticulante levam à formação de um hidrogel com menor módulo de elasticidade, capaz de absorver mais água (450%), que demonstram respostas eletroativas mais rápidas, mas ligeiramente menos apto a transmitir força devido a própria deformação do atuador, o que é compensado largamente pela mais elevada velocidade de atuação. O efeito observado para o reticulante é semelhante ao da adição de acrilamida, mostrando a forte influência dos grupos ionizaveis presentes no ácido acrílico com a intensificação da resposta eletroativa dos atuadores, mas ao mesmo tempo identificando a importância de se manter um mínimo de acrilamida que porporciona maior estabilidade mecânica. A partir destas conclusões prévias ouve a incorporação de PANI nanoestruturada e automontada. Implementamos uma nova técnica com a polimerização in situ da anilina, sendo a reação controlada pela difusão na interfase de líquidos viscosos parcialmente miscíveis e assistida por ultravioleta. Esta técnica se mostrou capaz de criar nanobastões e nanofibras de PANI no interior do hidrogel em tempos reduzidos (<10min). Numa segunda configuração, tais hidrogéis foram preparados na forma de nanofibras pela técnica de eletrofiação com polimerização in situ por ultravioleta, denominado de eletrofiação reativa, Esta técnica é conhecidamente de difícil aplicação para hidrogéis devido a necessidade de se fotopolimerizar as nanofibras rapidamente durante o processo e para isso utilizamos uma fonte própria de UV com este propósito. A PANI foi adicionada às nanofibras de hidrogéis em diferentes concentrações, assim como confinada no núcleo das nanofibras (estrutura casca-núcleo). Foram utilizadas as tradicionais técnicas de caracterização de hidrogéis como a expansão mássica, MEV, AFM, DSC e a avaliação da condutividade pela técnica de 4 pontas. Adicionalmente a estas técnicas, a interconectividade das regiões condutoras foi avaliada por AFM com sonda de corrente (IAFM). O comportamento de intumescimento em água foi verificado por AFM em modo líquido juntamente com as propriedades mecânicas avaliadas por nanoindentação. Como parâmetro de mensuração da propriedade eletroativa obtivemos a força e o deslocamento das amostras em meio aquoso. Estas respostas foram relacionadas a sua composição e estrutura mostrando que tanto a introdução de PANI nanoestruturada nos filmes quanto a formação de mantas de nanofibras promovem aumento significativo nas respostas de atuação dos materiais. Obtendo-se nanocompósitos que proporcionaram atuação imersos em água com tensão de 1V, consumo de potencias na faixa de 50µW, velocidades médias de 2mm/s ou 24°/s e forças da ordem de 70 µN. Além disso, usou-se os filmes de hidrogéis com PANI nanoestruturada e as mantas com nanofibras em aplicações práticas a partir da construção de 2 dispositivos. O primeiro envolveu a utilização dos filmes com nanoestruturas de PANI como contra eletrodo da já citada células solares DSSC obtendose eficiências de 2,1% utilizando-se um corante natural extraído de cascas de Jabuticaba (Myrciaria cauliflora), sendo este resultado considerado um dos melhores para este corante. O segundo dispositivo foi composto de um atuador baseado em três camadas de nanofibras, sendo as duas camadas externa formadas por hidrogéis condutores como eletrodo incorporado. Este atuador foi capaz de responder a estímulos elétricos fora da água, estando apenas úmidopt_BR
dc.languagePortuguêspt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Geraispt_BR
dc.publisher.initialsUFMGpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectEngenharia metalurgica materiais e de minaspt_BR
dc.subject.otherEngenharia metalúrgicapt_BR
dc.subject.otherEletrofiaçãopt_BR
dc.subject.otherCiência dos materiaispt_BR
dc.subject.otherNanoestruturapt_BR
dc.subject.otherCélulas solarespt_BR
dc.subject.otherPolímeros conjugadospt_BR
dc.titleDesenvolvimento e estudo do efeito de diferentes nanoestruturas no desempenho de dispositivos baseados em hidrogéis contendo polímeros conjugadospt_BR
dc.typeTese de Doutoradopt_BR
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