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Tipo do documento: Dissertação
Título: Dispositivos microfluídicos: uma nova ferramenta para preparação de fibras de grafeno e derivados
Autor: Rocha, Jaqueline Falchi da 
Primeiro orientador: Castro e Silva, Cecilia de Carvalho
Primeiro coorientador: Gongora-Rubio, Mario Ricardo
Primeiro membro da banca: Maroneze, Camila Marchetti
Segundo membro da banca: Guimarães, Kleber Lanigra
Resumo: Devido às propriedades mecânicas, ópticas, térmicas e elétricas diferenciadas do grafeno, este vem atraindo a atenção global de muitos pesquisadores para o desenvolvimento de tecnologias em diversos campos. Neste sentido destacam-se as fibras de grafeno, que exibem propriedades superiores as convencionais fibras de carbono, com os maiores valores de resistência à tração e módulo de Young já noticiados, 130 GPa e 1,1 TPa, respectivamente. Porém, o grande desafio reside em preparar de forma escalável as fibras de grafeno, de modo contínuo e mantendo as propriedades diferenciadas destas. Neste sentido, novas tecnologias necessitam ser desenvolvidas para superar estas dificuldades. Deste modo, o presente trabalho demonstra o uso de dispositivos microfluídicos de focalização de fluxo 3D, elaborados a base de cerâmica, empregando a tecnologia LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), para o desenvolvimento de fibras de óxido de grafeno (GO). O GO foi sintetizado pelo método de Hummers modificado e caracterizado pela técnica de espectroscopia Raman. A técnica de fiação a úmido foi utilizada para estudos preliminares da formação das fibras, para otimizar parâmetros como concentração ideal da dispersão de GO, vazão da dispersão de GO e agentes coagulantes. A condição otimizada para formação das fibras de GO com estabilidade mecânica apropriada foi alcançada para uma dispersão de GO de 5 mg mL-1, com uma vazão de entrada de 2,5 mL min-1 utilizando um banho coagulante de brometo de hexadeciltrimetilamônio (CTAB) (0,5 mg mL-1). As fibras formadas pelo método convencional de fiação a úmido apresentaram condutividade elétrica satisfatória após a redução com o tratamento térmico em duas etapas (recozimento a 300oC em atmosfera de Ar/H2, por 30 minutos, seguido de tratamento em micro-ondas, 100 W de potência por 2 segundos), atingindo valores de condutividade elétrica de 1,19x104 ± 2,38 S m-1. Os ensaios de obtenção das fibras de GO utilizando o dispositivo microfluídico 3D à base de cerâmica com dimensões de canais 43,63 mm de comprimento e 1,43 mm de largura, mostraram grande efetividade para a confecção de fibras longas (50 cm). Além disso, o dispositivo se mostrou capaz de modular o diâmetro das fibras em razão da vazão entre os fluxos da dispersão de GO e solução de CTAB, sendo possível obter fibras de 89 a 22 μm de diâmetro. As microfibras de GO, de tamanho média de 7 cm de comprimento de 90 μm de diâmetro, apresentaram suportar massas de 6,02 ± 0,81 g antes de se romper. O dispositivo microfluídico de focalização hidrodinâmica 3D mostrou potencialidade para o desenvolvimento de microfibras de outras materiais bidimensionais.
Abstract: Due to the distinctive mechanical, optic, thermal and electric properties of graphene, it has been gaining global attention from a lot of researchers for the development of nanofibers, which present superior properties with respect to the carbon fibers, with the higher values reported of tensile strength and Young modulus, 130 GPa and 1,1 TPa, respectively. However, the biggest challenge resides in preparing the graphene fibers in a scalable way, in a continuous manner and maintaining its unique properties. In this regard, it is crucial the development of new technologies to surpass these difficulties. In this way, the present work shows the employment of 3D flow focalization of microfluidic devices, based on ceramics, using LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) technology for the development of graphene oxide fibers. The GO was synthesized by the modified Hummers method and characterized by the Raman spectroscopy technique. The wet spinning technique was used for preliminary studies of the formation of fibers, to optimize parameters such as ideal concentration of GO dispersion, flow rate of GO dispersion and coagulating agents. The optimized condition for the formation of GO fibers with appropriate mechanical stability was achieved for a GO dispersion of 5 mg mL-1, with an inlet flow of 2.5 mL min-1 using a hexadecyltrimethylammonium bromide coagulant bath (CTAB ) (0.5 mg mL-1). The fibers formed by the conventional wet spinning method showed satisfactory electrical conductivity after reduction with two-stage heat treatment (annealing at 300oC in an Ar / H2 atmosphere for 30 minutes, followed by microwave treatment, 100 W of power for 2 seconds), reaching electrical conductivity values of 1.19x104 ± 2.38 S m-1. The tests for obtaining GO fibers using the 3D ceramic-based microfluidic device with channel dimensions 43.63 mm long and 1.43 mm wide, showed great effectiveness for making long fibers (50 cm). In addition, the device was able to modulate the diameter of the fibers due to the ratio between the flow of GO dispersion by the flow of CTAB solution, making it possible to obtain fibers from 89 to 22 μm of diameter. The microfibers of GO, with an average size of 7 cm in length and 90 μm in diameter, presented to support weight of 6.02 ± 0.81 g before breaking. The 3D hydrodynamic microfluidic focusing device showed potential for the development of microfibers from other two-dimensional materials.
Palavras-chave: fibras de grafeno
óxido de grafeno
microfluídica
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Presbiteriana Mackenzie
Sigla da instituição: UPM
Departamento: Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Programa: Engenharia de Materiais e Nanotecnologia
Agencia(s) de fomento: Instituto Presbiteriano Mackenzie
Agencia(s) de fomento (Outros): FIPT/IPT/Novos Talentos
Citação: ROCHA , Jaqueline Falchi da. Dispositivos microfluídicos: uma nova ferramenta para preparação de fibras de grafeno e derivados. 2020. 3? f.. Dissertação (Engenharia de Materiais e Nanotecnologia) - Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo.
Tipo de acesso: Acesso Embargado
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: http://tede.mackenzie.br/jspui/handle/tede/4698
Data de defesa: 15-Jul-2020
Aparece nas coleções:Mestrado - Engenharia de Materiais e Nanotecnologia

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