Efeitos da pressão mecânica nas propriedades elétricas ac em compósitos elastoméricos a base de fibras naturais recobertas com polímero condutor

Abstract

O estudo sistemático das propriedades elétricas de filmes, compósitos e dispositivos poliméricos submetidos a pressão mecânica é, sem dúvida, atual e atraente, tanto do ponto de vista científico, quanto ambiental e economicamente. Isso se deve, sobretudo, à abundância de materiais naturais e sintéticos, e também devido ao baixo custo de produção destes sistemas via técnicas comuns e usuais da eletrônica orgânica. Para compreender os efeitos da pressão mecânica nas características condutivas e dielétricas de sistemas orgânicos, este trabalho teve por objetivo central investigar as propriedades elétricas de compósitos elastoméricos heterogêneos a base de silicone (polidimetilsiloxano — PDMS) reforçado com fibra natural (açaí — FNA), previamente recoberta com polimero condutor (polianilina — PAND. Os compósitos PDMS:xFNA:PANIx foram preparados a partir de proporções em massa de FNA/PANI em PDMS, com 0 <x < 0,10. Curvas de impedância complexa e condutividade alternada desses compósitos, na faixa de frequência (f) de 1 Hz a 200 kHz, foram investigadas sob efeito de amplo intervalo de pressão (P), entre 0 a 250 kPa. A dependência da impedância em baixas frequências com P mostrou-se linear, com sensibilidade máxima de 0,4 unidades/Pa para x = 0,07. Tais resultados mostraram-se típicos de sistemas de percolação governados pela conectividade entre as inclusões condutoras (FNA:PANJ). Já as curvas de condutividade alternada, σ*(/) = σ'(f) + iσ"(f), por sua vez, mostraram-se típicas de sistemas desordenados, com características dielétricas dependentes de x e com condução por salto governadas pela PANI, obedecendo, assim, às relações quasi-universais do tipo σ'(f) ∞ fs (s≈0,6)e σ” (f) ∞ f.εr (5 <.εr< 50), com s sendo o parâmetro de salto de portadores e e a permissividade média do compósito. Modelos fenomenológicos de circuitos equivalentes, de Distribuição de Energias Livres Aleatórias para os processos de salto de portadores de carga e de Aproximações de Meio Efetivo foram utilizados para descrever o processo de percolação e os comportamentos universais de σ'(f) e σ"(f) em função de s, x, εr e P, bem como da forma geométrica (colunar) das inclusões, de acordo com a morfologia dos compósitos. Os resultados obtidos mostram, pela primeira vez, a correlação entre a morfologia das fibras, a pressão e o comportamento universal da condutividade de compósitos elastoméricos heterogêneos e condutivos sob efeito de percolação induzida por pressão, do tipo o(P, t) ∞ P t, com t ≈ 3,6.

The systematic study of the electrical properties of films, composites and polymeric devices under mechanical pressure is undoubtedly current and attractive, from the scientific, environmental and economic point of view. This is due especially to the abundance of natural and synthetic materials, and also due to the low cost of production of these systems via common and usual techniques of organic electronics. In order to understand the effects of mechanical pressure on the conductivity and dielectric characteristics of organic systems, the mam objective of this work was to investigate the electrical properties of heterogeneous silicone- based elastomeric composites (polydimethylsiloxane - PDMS) reinforced with natural fiber (acai - FNA) previously coated with conductive polymer (polyaniline - PAND. The composites PDMS1-xFNA:PANIx; were prepared from mass proportions of FNA/PANI in PDMS, being 0 < x < 0,10. Complex impedance and alternating conductivity curves of these composites, in the frequency (f) range of 1 Hz a 200 kHz, were investigated under a wide pressure range (P), between 0 and 250 kPa. The impedance dependence at low frequencies with P was linear, with maximum sensitivity of 0,4 unites/Pa to x = 0,07. Such results have been shown to be typical of percolation systems governed by the connectivity between conductive inclusions (FNA:PANJ). On the other hand, the alternating conductivity curves, σ*(f) = σ'(f) + iσ "(f), were typical of disordered systems, with dielectric characteristics dependent on x and with conduction by hopping governed by PANI, thus obeying quasi-universal relations of the type σ'(f) ∞ fs (s≈0,6)e σ” (f) ∞ f.εr (5 <.εr< 50), with s being the parameter of carrier hopping and e the average permittivity of the composite. Phenomenological models based on resistor- capacitor (RC) circuits, of Random Free Energy Barrier Model and of Effective Medium Approximation were used to describe the percolation process and the universal behavior σ' (f) e σ”(f) in function of's, x, ε and P, as well as the geometric shape (columnar) of the inclusions, according to the morphology of the composites. The results show, for the first time, the correlation between fiber morphology, pressure and the universal conductivity behavior of heterogeneous and conductive elastomeric composites under pressure induced percolation, type σ(P, t) ∞ P t, with t ≈ 3,6.