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Revestimentos tintas (cond. amb.) Adesivos (cond. amb.) anti-aderentes (culinário) Protetores de placas de trânsito/ estrada (cond. amb.) cosméticos Estrutura X Propriedades impermeabilizantes (têxtil) microeletrônica

Apresentação do PowerPoint · S SL LV cos Young Energia livre superficial (tensão superficial) do sólido em equilíbrio com o vapor do meio ou Energia livre interfacial (tensão

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  • Revestimentos

    tintas (cond. amb.)

    Adesivos (cond. amb.)

    anti-aderentes (culinrio)

    Protetores de placas de trnsito/ estrada (cond. amb.)

    cosmticos

    Estrutura

    X

    Propriedades

    impermeabilizantes (txtil)

    microeletrnica

  • Propriedades fsico-qumicas de superfcies slidas

    Molhabilidade Energia superficial Potencial eltrico

    rea Rugosidade Composio qumica Orientao molecular

  • Superfcie slida: Natureza qumica e topografia

    Liquido: Natureza qumica e molhabilidade

    Interfaces slido-lquido

  • cosLVSLS

    Young

    SV

    LV

    SL

    No equilbrio:

    Mtodo da gota sssil: Molhabilidade

    SV

    LV

    SL

    gua

    5o

    http://www.attension.com/contact-angle

  • cosLVSLS Young

    Energia livre superficial (tenso superficial)

    do slido em equilbrio com o vapor do meio

    ou

    Energia livre interfacial (tenso interfacial)

    Slido-vapor

    Energia livre interfacial (tenso interfacial)

    Slido-lquido

    Energia livre superficial

    (tenso superficial)

    do lquido em equilbrio

    com o seu vapor

    ngulo de contato

    Energia livre superficial ou tenso superficial

    Definio: o trabalho necessrio para aumentar a superfcie

    em uma unidade de rea, por um processo isotrmico e reversvel

    Unidade: N/m ou J/m

  • (Tf ~330oC)

    SV

    LV gua

    ~110o

    SL PTFE

    Poli(tetrafluoretileno), PTFE

    Teflon

    PTFE

    SV

    LV gua 90o

    SL PS

    PS

    Poliestireno, PS

    Hidrofbico

    > 90o

    Hidrofbico

    = 90o

    http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polystyrene_formation.PNG

  • SV

    LV gua

    ~ 40o

    SL CMC

    Carboximetilcelulose, CMC

    PMMA

    SV

    LV gua

    ~65o

    SL PMMA

    Poli(metacrilato de metila), PMMA

    pouco hidroflico

    < 90o

    Hidroflico

    < 90o

    http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/Carboxymethyl_cellulose.pnghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Methyl-methacrylate-skeletal.png

  • Lquido Lquido

    Efeito da rugosidade na medida de ngulo de contato

    Alta histerese no ngulo de contato = avano - recesso devido presena de ar aprisionado nos vales

    Wenzel cosap = R . cos , R = rea real / rea projetada

  • Efeito Lotus

    Superfcies auto-limpantes ou

    superhidrofbicas

    Hierarquia estrutural

    Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 32403255 Liu, K.; Yao, X.; Jiang, L.

  • Hierarquia estrutural

    Superfcies auto-limpantes

    ou superhidrofbicas

  • Superfcies auto-limpantes

    ou superhidrofbicas

  • S = d

    S+ p

    S

    2H

    S24 D

    A

    dS

    Constante de Hamaker

    ~ 14000 setae/mm

    Alta adeso:

    Foras de van der Waals

    potencializadas pela

    hierarquia de estruturas

    Atrito lateral:

    Fibrilas flexveis e inclinadas

    J. Israelachvili

    J. Phys. Chem. B 2009, 113, 3615

    J. Phys.: Condens. Matter 2009, 21, 464132

    Langmuir 2009, 25, 7486

    D =distncia mdia

    entre duas molculas AH: 6,5 x 10

    -20 J silica

    2,8 x 10-20 J carbohidrato

  • Langmuir 2009, 25, 7486

  • Lquido Lquido

    Efeito da heterogeneidade qumica na medida de ngulo de contato

    Alta histerese no ngulo de contato = avano - recesso

    Cassie cosap = f1.cos 1 + f2.cos 2

    1 2

  • cosLVSLS Young

    W SLLVSSL -Dupr

    Trabalho de adeso/rea

    (N/m)

    Quando a superfcie deve ser inerte WSL min

    Quando a superfcie deve ser aderente WSL mx

    (1)

    (2)

    Combinando (1) e (2) 1) (cosLVSL

    W (3)

    Polmero WSL (mN/m)

    PTFE 110o

    PS 90o

    PMMA 65o

    CMC 40o

    vidro 5o

    LV H2O = 72 mN/m

  • Estrutura

    X

    Propriedades

    Implicaes no desenvolvimento de produtos!

    Canetas tipo hidrocor no escrevem sobre plsticos

    Frutas so revestidas com ceras (parafina) para estender o tempo de

    prateleira

    Folhas de muitas plantas e penas de patos so hidrofbicas

    Material para fase estacionria de colunas cromatogrficas

  • Determinao de energia superficial (tenso superficial) de lquidos

    LV = LVd + LV

    p

    Mtodo do capilar

    h g = 2 cos / r

    Na prtica s usado para = 0, pois difcil de se medir corretamente.

    Outra dificuldade: o dimetro interno do capilar deve ser uniforme.

    Mtodo do anel

    = k F/ 4 R

    F a fora medida , k um fator de correo

    (compensa as foras de tenso no verticais) e R o raio do anel.

  • Mtodo da gota pendente Uma gota pendente de lquido projetada ou fotografada.

    calculada a partir da forma assumida pela gota

    Mtodo da placa de Wilhelmy Uma pequena placa de Pt suspensa por um brao de uma balana e

    mergulhada no lquido. O recipiente contendo o lquido

    abaixado lentamente at o momento da separao.

    Para uma placa de comprimento x, largura y e peso P (m.g):

    Fsep P = 2 l cos

    Considera-se = 0

  • Determinao de energia superficial (tenso superficial) de slidos

    2/1pLV

    pS

    2/1dLV

    dSLV 2 cos1

    Modelo geomtrico:

    Modelo harmnico:

    pLV

    pS

    pLV

    pS

    dLV

    dS

    dLV

    dS

    LV 4 cos1

    S = Sd + S

    p

    Good-Girifalco-Fowkes

    Wu

  • Determinao de energia superficial (tenso superficial) de slidos

    Para uma superfcie homognea e lisa mede-se o ngulo

    de contato usando lquidos de polaridades diferentes.

    Por exemplo:

    H2O (LVd = 21.8 mN/m e LV

    p = 50.2 mN/m)

    CH2I2 (LVd = 50,8 mN/m e LV

    p = 0 mN/m)

    Depois substitui os valores nos modelos.

  • Determinao de energia superficial e de ngulo de contato de fibras ou fios

    Semelhante ao mtodo da placa de Wilhelmy usa-se uma balana de alta

    preciso, onde a fibra de comprimento l mergulhada no lquido e depois o recipiente afastado lentamente at o momento da separao.

    Mede-se a massa de lquido aderida fibra.

    Fsep P = 2 l cos

    Single Fibre Wilhelmy Method

  • Determinar grau de dano em fios de cabelo virgem,

    cabelo comum e cabelo descolorido (pontas dos fios)

    Tabela I- Valores tabelados para tenso superficial (com as respectivas

    Componentes dispersiva e polar) dos diferentes lquidos usados a 20o C.

    Lquidos LV (mJ/m2) LV

    d (mJ/m2) LVp (mJ/m2)

    gua 72,8 21,8 51,0

    Etileno glicol 47,7 30,9 16,8

    n-Hexano 18,4 18,4 0

    CH2I2 50,8 50,8 0

  • Determinao do grau de dano em fios de cabelo virgem,

    cabelo comum e cabelo descolorido (pontas dos fios)

    Tabela II- ngulos de contato dinmicos determinados para etileno glicol, gua e n-

    hexano sobre a superfcie dos fios de cabelo.

    Etileno

    Glicol

    gua

    n-Hexano

    Cabelo comum

    784

    819

    0

    Cabelo padro

    virgem

    593

    1004

    0

    Cabelo

    descolorido

    575

    7611

    0

  • Determinao do grau de dano em fios de cabelo virgem,

    cabelo comum e cabelo descolorido (pontas dos fios)

    Tabela III. Trabalho de adeso determinado para cada um dos trs tipos de cabelos em

    contato com cada lquido utilizado.

    WSL em

    etileno

    glicol

    (mJ/m2)

    WSL em

    gua

    (mJ/m2)

    WSL em n-

    hexano

    (mJ/m2)

    Cabelo comum

    584

    8411

    36,8

    Cabelo padro

    virgem

    722

    605

    38,8

    Cabelo

    descolorido

    744

    9013

    36,8

  • Determinao do grau de dano em fios de cabelo virgem, cabelo comum e

    cabelo descolorido (pontas dos fios)

    A componente polar do n-hexano nula, portanto a

    componente dispersiva de cada fio:

    Sd = WSL

    2/ 4LVd S

    d = 18,4 mJ/m2

    Tabela IV. Valores de energia superficial, St, determinados para os trs tipos de cabelo e as

    respectivas componentes polar, Sp, e dispersiva, S

    d.

    S

    d

    (mJ/m2)

    Sp (mJ/m2)

    S

    t (mJ/m2)

    Cabelo comum

    18,4

    166

    346

    Cabelo padro

    virgem

    18,4

    52

    242

    Cabelo

    descolorido

    18,4

    209

    389

  • Determinao de ngulo de contato de materiais porosos,

    ps e granulados

    Mtodo de Washburn

  • 0 50 100 150 200 250 3000.0

    0.2

    0.4

    0.6

    m

    (g)

    t (s)

    A equao de Washburn combina a equao de Laplace

    para ascenso capilar e de viscosidade de Poiseuille:

    (m / t) = Cw (-1) cos

    onde Cw a constante de capilaridade, a densidade do lquido,

    a tenso superficial do lquido e a viscosidade do lquido.

    o ngulo de contato entre o lquido e o material poroso.

    Cw depende somente da

    geometria do capilar.

    Com n-hexano (cos = 1) e da

    determina-se Cw a partir da

    inclinao da reta de m em

    funo de t.

    A partir da as medidas so feitas

    com gau para determinar a

    molhabilidade.

  • Adsoro qumica de monocamadas sobre substratos slidos

    Reaes de silanizao de superfcies de slica

    hidroflico

    hidrofbico

  • Si Si Si Si

    O O O

    O

    O H H H H

    H

    H

    O

    H

    H

    O

    H

    H

    O

    H

    H

    Si

    +

    OCH 3

    OCH 3

    CH 3 O

    NH 2

    Si Si Si Si

    O O O O H H

    O O O O O O

    Si Si O O O

    NH 2 NH 2

    Si Si Si Si

    O O O O

    O O O

    Si

    (CH 2 ) 3 NH 2

    (reticulao no plano)

    (enxertia)

    Reaes de silanizao de superfcies de slica

    + 3CH3OH

    Haller, I. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 8050-8055. Vapor de APS, 18 h, filme rugoso

    Petri, D.F.S., Wenz, G., Schunk, P., Schimmel, T. Langmuir 1999, 15, 4520-4523.

    APS em tolueno (1 wt %), 4 min, monocamada homognea e lisa

    APTMS ou APS

  • Flotao:

    Tcnica usada para separar partculas dispersas num meio lquido

    Problema: densidade das partculas slidas > lquido

    Estratgia: se meio for aquoso, modifica-se a superfcie das partculas, deixando-as hidrofbicas ( > 70o) e depois borbulha-se ar. Por causa da superfcie hidrofbica, as partculas aderem s bolhas de ar (tambm hidrofbicas). Como a densidade do ar muito baixa, as bolhas sobem para a superfcie (na forma de espuma) arrastando as partculas metlicas.

  • Como hidrofobizar a superfcie das partculas? Adio de coletores (tensoativos), no caso de minrios Reaes de silanizao, no caso de silica

    Outras aplicaes prticas das interaes soldo-lquido Cromatografia Infeco viral

  • Introduo Qumica dos Colides e de Superfcies, Duncan J. Shaw, 1975, (Ed. Edgar Blcher

    Ltda e EDUSP). (Captulos 4 e 6)

    Physical Chemistry of Surfaces, Arthur W. Adamson, 5th ed. (?) 1990.

    Principles of Colloid ans Surface Chemistry, Paul C. Hiemenz & Raj Rajagopalan, 3rd ed. 1997,

    Marcel Dekker. (chapter 6)

    Chaudhury, M.K. (1996). Interfacial interaction between low-energy surfaces.

    Materials Science Engineering, 16, 97-159. (reviso)

    Bibliografia recomendada