Polimeros condutores

[pic 1]

Química Industrial

Tecnologia de Polímeros

Polímeros Condutores

        

Ana Cristina Jesus Sá

Hugo Gontijo Machado

Vinícius Tomazzini

Anápolis-GO

2015

1. A descoberta das propriedades condutoras dos polímeros

Polímeros são macromoléculas constituídas pelo conjunto de monômeros, os quais devem possuir funcionalidade (número de pontos reativos na molécula) maior do que dois, unidos por ligações covalentes. Podem ser de ocorrência natural ou sintética. O início de sua utilização pelo homem se confunde com a história, entretanto o desenvolvimento sintético teve início no século 20 (GUIMARÃES, 2013).

Os polímeros apresentam diversas vantagens, as quais permitiram aos polímeros tornarem-se materiais frequentemente encontrados no cotidiano, como a facilidade e o baixo custo de processamento. Na indústria elétrica, os materiais poliméricos foram utilizados, inicialmente, para substituir os isolantes feitos a base de papel. Além de possuírem a alta capacidade isolante, utilização como materiais isolante foi um sucesso por serem materiais leves e baratos (ZOPPI, 1993).

Os primeiros polímeros com a capacidade elétrica, foram criados por volta dos anos 50 e foram chamados de polímeros condutores extrínsecos, pois as propriedades elétricas dos metais eram adicionadas às propriedades mecânicas dos polímeros pela incorporação de cargas condutoras (negro de fumo, fibras metálicas ou fibra de carbono) (FAEZ, 2000).

O primeiro polímero que conduz corrente elétrica sem a incorporação de cargas condutoras, foi preparado acidentalmente em 1976 no laboratório de Hideki Shirakawa no instituto de tecnologia de Tóquio e foi nomeado como polímero condutor intrínseco. Na tentativa de sintetizar um poliacetileno, que é um pó preto, um estudante produziu um filme prateado semelhante a uma folha de alumínio. Revendo a metodologia, ele verificou que havia utilizado uma quantidade de catalisador 1000 vezes maior do que a necessária. Posteriormente, Shirakawa realizou uma dopagem do acetileno com iodo e pôde observar a transformação do filme prateado flexível em uma folha metálica dourada que apresentava uma condutividade elétrica maior. Na década de 80, pesquisadores conseguiram incrementar ainda mais a condutividade do poliacetileno. Utilizaram um novo catalisador e obtiveram a condutividade semelhante à do cobre metálico à temperatura ambiente (106 S cm-1) (AUGUSTO, 2009). Há diversos grupos de pesquisas sobre o estudo dos polímeros condutores.

1. Estrutura molecular e propriedades de condução

Os polímeros intrinsecamente condutores têm atraído a atenção de inúmeros grupos de pesquisa desde a sua descoberta, tanto pela sua importância cientifica em se entender este novo fenômeno quanto pelo seu potencial em aplicações tecnológicas. Estes polímeros podem combinar as propriedades mecânicas e processabilidade dos polímeros convencionais com um comportamento elétrico, óptico e magnético semelhante ao dos metais e semicondutores inorgânicos. Esta característica faz com que estes materiais se enquadrem na categoria dos chamados “metais sintéticos” (AUGUSTO, 2009).

Os polímeros condutores, na maioria das vezes, são formados por cadeias contendo duplas ligações C=C conjugadas para que possa ocorrer o fluxo de elétrons. Passam de isolantes a condutores através de processos reversíveis de oxidação ou redução do sistema π conjugado. Os orbitais π, presentes na dupla ligação, permite a oxidação (doação de elétrons) e a redução (ganho de elétrons), formando íons positivos ou negativos, respectivamente. As cargas positivas e negativas formadas pelos processos de oxidação e redução são neutralizadas pela incorporação de cargas que são denominadas dopantes. Os dopantes podem ser adicionados a uma porcentagem de até 50% (SANTANA, 2012). Algumas estruturas dos principais polímeros utilizados como condutores estão representados na Tabela 1.

Pelo ¨modelo de bandas¨, a eletricidade dos polímeros condutores pode ser justificada. A interação da cela unitária com todos os seus vizinhos leva à formação de bandas eletrônicas em que os níveis eletrônicos ocupados de mais alta energia constituem a banda de valência e os níveis eletrônicos vazios de baixa energia constituem a banda de condução. Os níveis eletrônicos são separados por uma faixa de energia proibida chamada de bandgap, a qual determina as propriedades elétricas intrínsecas do material (GUIMARÃES, 2013).

Tabela 1. Estruturas dos principais polímeros utilizados como condutores

[pic 2]

Fonte: FAEZ, 2000.

1. Síntese de polímeros condutores

Polímeros condutores podem ser sintetizados por três métodos de polimerização: química, eletroquímica e fotoeletroquímica. A síntese química é a mais utilizada industrialmente por ser utilizada para a produção de materiais em larga escala. Algumas rotas de síntese são muito simples e podem ser adaptadas para escala piloto ou industrial (poli(p-fenilvinileno), polipirrol e polianilina) (FAEZ,2000).

Um dos polímeros condutores mais estudados é a polianilina (PANI), devido à estabilidade da sua forma condutora, à facilidade de polimerização e de dopagem e também ao baixo custo de obtenção do seu monômero, a anilina.

Para a síntese da polianilina são comumente usado dois métodos: método químico, por meio de reações químicas, e pelo método eletroquímico, por meio de aplicação de potencial elétrico. Na síntese química, o produto é obtido na forma de pó, e na síntese eletroquímica, o produto é obtido na forma de filmes finos (MEHL, 2011).

A síntese química da polianilina no estado de oxidação esmeraldina é realizada através de diversos agentes oxidantes, como MnO2, NH4S2O8, Cr2O4, H2O2 e meios ácidos inorgânicos, como HCl, H2SO4, H3PO4, sendo que o meio mais comum de síntese é por meio do NH4S2O8 em HCl, produzindo um pó verde onde todos os nitrogênios encontram-se protonados, caracterizando o sal de esmeraldina, forma condutora. A síntese eletroquímica é realizada por meio da oxidação anódica da anilina sobre um eletrodo inerte. As vantagens da síntese eletroquímica são: obtenção do polímero na forma de filmes finos, maior controle de síntese e o fato de que não é necessária a utilização de agentes oxidantes de catalisadores. Entretanto, apresenta a desvantagem de um menor rendimento e da dificuldade de remoção do polímero da superfície do eletrodo. (ZOPPEI, 1993).