Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010

Montagem do sistema de plasma para tratamento superficial de borracha EDPM

Paula Helena da S. Cirilo (Bolsista PIBIC-CNPq) engmatcirilo@gmail.com

Jaison Vieira da Maia jaison@ita.br Dr. Argemiro S. Da Silva Sobrinho argemiro@ita.br

Instituto Tecnológico de Aeronáutica - Endereço: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias. CEP 12.228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil

Resumo. O objetivo deste trabalho foi acompanhar e auxiliar a montagem de um sistema de plasma micro-ondas adquirido com recursos da FAPESP. Com o reator montado propôs-se uma familiarização com o equipamento buscando facilitar a execução das etapas seguintes. Realizou-se ainda um acompanhamento da evolução bibliográfica de trabalhos relacionados ao tema e que fazem uso de técnicas de caracterização como a actinometria e titulação gasosa para a caracterização dos plasmas gerados neste reator. Em conjunto com este estudo foi feito o acompanhamento de experimentos realizados por pós-graduandos nesta área de conhecimento.O sistema de plasma foi montado com êxito e se encontra em pleno funcionamento no Laboratório de Plasmas e Processos do Departamento de física do ITA. Palavras chave: plasma, micro-ondas, actinometria, titulação NO.

1. Introdução

Segundo Dutra, 2002 e Moraes, 2007 a indústria aeronáutica brasileira utiliza como proteção termomecânica

dos motores com propelentes sólidos do Veículo Lançador de Satélites a borracha nitrílica (NBR). Esta borracha possui alta densidade e elevado custo. A borracha de etileno-propileno-dieno-monômero (EPDM) surge então como uma alternativa, pois apresenta baixo custo e baixo peso específico (Junior, 2009), mas em contrapartida possui baixa energia de ativação, pois apresenta grupos apolares em sua superfície da borracha, o que dificulta a colagem da mesma a outras superfícies de alta energia.

Com o intuito de solucionar este problema destaca-se a tecnologia de plasmas micro-ondas por possibilitar a modificação da superfície dos polímeros sem alterar suas propriedades de volume e sem deixar resíduos (Ricard,1991; Monna, 2001).

Este trabalho visa à utilização de plasmas de micro-ondas em pós-descarga para modificar a energia de superfície da borracha EPDM. Os parâmetros de plasma possíveis de serem variados são: tipos de gases no reator (argônio, hidrogênio, oxigênio e o nitrogênio e mistura destes), pressão e vazão de cada um desses gases, potência da fonte, tempo de exposição da amostra no plasma e posição com relação ao plasma.

O laboratório de Plasmas e Processo do ITA, em colaboração com o Departamento de Química do IAE, ambos pertencentes ao DCTA (Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial), há mais de cinco anos se uniram e vem realizando trabalhos de ativação de borracha EPDM por meio de plasmas RF e micro-ondas.

Num trabalho inicial, foi construído um reator de plasma excitado por micro-ondas, utilizando peças de forno micro-ondas doméstico pelo aluno de mestrado Mauro Santos, o que nos deu indícios da viabilidade e eficiência nesse tipo de plasma.

Para o desenvolvimento deste projeto de doutorado fez-se uso de um reator de plasma de micro-ondas (MO) na configuração de descarga e pós-descarga construído com recursos da FAPESP (processo nº 2007/07525-0), para tratamento da borracha EPDM e futuros trabalhos que envolvam o plasma micro-ondas aplicado aos polímeros. 2. Metodologia

A seguir, são descritas todas as atividades realizadas durante o projeto, conforme Figura 1.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 1: Diagrama esquemático dos trabalhos realizados. 2.1 Montagem do reator

  1ª ETAPA: Usinagem e soldagem. As peças que fariam parte do equipamento foram usinadas, a maioria delas na própria oficina do IEF-ITA (Divisão de Ciências Fundamentais do Instituto Técnológico de Aeronáutica), e a parte de soldagem foi realizada por uma empresa de prestação de serviços (Figura 2). 

Figura 2: Peças e flanges para conexão da câmara. 2ª ETAPA: Montagem mecânica do equipamento. Suportes para a fixação e apoio do equipamento foram construídos, assim como, cortes de chapas para tampo do cavalete e tampas frontais do mesmo, furações de fixação, e ajustes para alinhamento das inúmeras peças, ilustrados na Figura 3.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 3: Vista do equipamento anterior a pintura.

3ª ETAPA: Desmontagem da parte mecânica para pintura e remontagem definitiva. Toda parte mecânica foi

desmontada para lixamento, limpeza e pintura do cavalete e suportes, aumentando a durabilidade dos mesmos e conferindo uma melhor estética. Após a pintura e o devido tempo de secagem das peças, a parte mecânica ilustrada na Figura 4, foi reestruturada e alinhada para instalação definitiva do reator de micro-ondas.

Figura 4: Equipamento em montagem após pintura. 4ª ETAPA: Montagem da parte elétrica. O passo inicial foi montar o painel elétrico para se ter controle dos motores das bombas de vácuo mecânica e roots, dos dispositivos de segurança como disjuntores e chaves dos demais equipamentos. Em sequência prosseguiu-se para a montagem do medidor de pressão, fluxímetros e sistema micro-ondas, ilustrados na Figura 5.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 5: A – Painel elétrico; B - Acoplagem do sistema elétrico. 5ª ETAPA: Montagem das ligações dos gases, fluxímetros e sistema de refrigeração. Foram realizadas ligações de gases desde a alimentação dos fluxímetros, mass flow controler (dispositivo usado para medir e controlar o fluxo dos gases), válvulas do tipo fole até a conexão com a câmara. Em seguida cuidou-se do sistema de refrigeração: alimentação da água, ligações do filtro e todas as devidas conexões do sistema, como mostra a Figura 6.

Figura 6: A - Alimentação das válvulas de gás; B - Alimentação de água.

2.1. Revisão bibliográfica de técnicas de caracterização Sabe-se que vários processos físicos e químicos ocorrem na interação plasma-material, porém, a fenomenologia envolvida é demasiadamente complexa. Sendo assim, para justificar as modificações nas propriedades superficiais da borracha requer-se uma visão fenomenológica do plasma. Uma comparação entre as principais diferenças entre a actinometria e a titulação gasosa foi realizada para contribuir no entendimento dos fenômenos decorrentes na superfície das amostras. 3. Resultados

Os resultados de todo o trabalho de montagem e estudo das técnicas de caracterização estão descritos a seguir:

3.1. Montagem final e familiarização com o equipamento

Com o equipamento montado (Figura 7), buscou-se a familiarização e interação com os parâmetros de operação do equipamento.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 7: Equipamento montado e em funcionamento.

Este equipamento possui uma configuração de pós-descarga do plasma muito vantajosa, pois, o material em

tratamento não fica em contato com o plasma, e portanto, está livre do ataque de espécies de elevada energia produzidas, como: elétrons, íons e radiação ultravioleta. Deste modo, a superfície do material em tratamento se expõe apenas aos radicais de alta reatividade química (neutros estáveis, elétrons, fragmentos moleculares - radicais, íons negativos e positivos e neutros excitados, formados na região do plasma e transportados até a superfície em tratamento através do sistema de bombeamento, conferindo modificações superficiais desejadas sem alterar as propriedades de volume do material.

Os parâmetros de plasma a serem variados são: tipos de gases no reator (argônio, hidrogênio, oxigênio e o nitrogênio e mistura destes), pressão e vazão de cada um desses gases, potência da fonte, tempo de exposição da amostra no plasma e posição com relação ao plasma. As propriedades do plasma, como temperatura eletrônica e densidade de elétrons e íons serão estudadas por espectroscopia ótica, espectrometria de massa e sonda de Langmuir. A caracterização da superfície da borracha será realizada por goniometria.

3.2. Actinometria e titulação gasosa O objetivo dessa revisão bibliográfica foi entender algumas das técnicas de caracterização que serão empregadas ao decorrer do experimento, compreender a evolução dos trabalhos publicados, fundamentar os experimentos realizados no equipamento do ITA e justificar os dados experimentais obtidas. Os artigos estudados são de autoria de André Ricard, um dos precursores das técnicas empregadas em experimentos similares aos que serão realizados no ITA. Na Figura 8, são apresentados os artigos estudados em ordem cronológica de publicação.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 8: Diagrama evolucionário dos artigos de André Ricard. Através destes artigos fez-se uma comparação entre os principais diferenças entre a actinometria e a titulação gasosa, descritas na Tabela 1.

Tabela 1: Comparação entre actinometria e titulação NO.

Actinometria x Titulação NO

Consiste em medir a intensidade (I) das linhas espectrais para obter a densidade relativa de átomos, mantendo uma densidade constante de um outro elemento;

Método quantitativo relativo e qualitativo.

Mistura de um gás (titulador), o qual apresentará uma mudança na coloração do sistema analisado quando ocorrer a mistura em proporções estequiométricas;

Método quantitativo absoluto.

Desta revisão bibliografica, ficou evidenciado que a actinometria é uma tecnica relativamente simples de obter valores de densidade de especies produzidas em plasmas. Porém, é preciso ter em mente que os resultados obtidos por esta técnica nas maioria dos casos não representa os valores absolutos das concentrações, mas uma estimativa muito próxima destes. A técnica de titulação requer o uso de gases especiais como o NO que requer um sistema de proteção mais sofisticado. O LPP está providenciando a compra destes dispositivos para a utilização desta tecnica e comparação dos resultados com a actinometria. O reator está funcionando perfeitamente. Testes preliminares foram realizados para achar as melhores condições de inicialização de plasma no mesmo. Iniciou-se também estudos sobre as características óticas dos plasmas gerados em diferentes misturas gasosas para então começar o tratamento da superfície da borracha EPDM. 4. Conclusões Foi montado com sucesso um reator para geração de plasmas excitados por microondas. Todos os testes preliminares para a caracterização elétrica do sistema foram realizados com sucesso. O sistema está em perfeito funcionamento. Foi realizada uma profunda revisão bibliográfica sobre as técnicas de caracterização óptica utilizadas para a determinação das concentrações de espécies atômicas, principalmente o nitrogênio e o oxigênio atômico, que são de fundamental importância para o tratamento da superfície da borracha EPDM. A concentração destas espécies está diretamente relacionada com as propriedades da borracha EPDM após o tratamento. Os estudos utilizando estas técnicas já foram inicializados e estão em andamento.

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Destaca-se aspectos importantes como a contribuição deste trabalho tanto no aprendizado técnico quanto pessoal do aluno de iniciação científica. No aprendizado técnico, obteve-se a satisfação de poder acompanhar a montagem de uma câmara assistida por plasma que certamente fornecerá resultados importante para a compreensão de algumas etapas do programa de pesquisa e desenvolvimento do setor aeroespacial brasileira: e no campo pessoal, destacou-se o aumento de conhecimento científico, a responsabilidade e disciplina para cumprir as tarefas propostas com êxito. 5. Referências

Dutra, J. C. N.. 2002, “Modificação da superfície de borracha EPDM tratada por meio de processos a plasma frio”. Tese de Doutorado, UNICAMP. Junior, Mauro Santos de Oliveira. 2009, “Tratamento superficial do elastômero EPDM por processos a plasmas de micro-ondas”. Tese de Mestrado, ITA. Monna, V., A. Ricard, 2001, “Vacuum”, Vol. 61, pp. 409-412. Moraes, J. H. et al. 2007. Physica Status Solidi (a). Vol.204, pp. 956. Ricard, A., Tétreault, J. Hubert, 1991, “J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys”, Vol. 24, pp. 1115-1123. Ricard, A., Dony, M. F., Dauchot, Dauchot, M. Hecq, M. Wautelet, 1995, “Surface and Coatings Technology, Vol.74- 75, pp.479–484. Ricard, A., Monna, V., 2001, “Vacuum”, Vol. 61, pp.409-412. Ricard, A., Monnaa, V., Mozeticb, M., 2003, “Surface and Coatings Technology”, Vol.174 –175, pp. 905–908. Ricard, A., Jaoulb, C., Gaboriaua, F., Gherardic, N., Villeger, S., 2004, “Surface and Coatings Technology”, Vol.188– 189, pp.287– 293. Ricard, A., Henriquesa, J,. Villegera, S., Levatonc, J., Nagaid, J., Santanad, S., Amorimc, J., 2005, “Surface and Coatings Technology”, Vol.200, pp.814– 817. Ricard, A., Henriques, J., Cousty, S., Villeger, S., Amorim, J., “Plasma Process. Polym”, Vol.4, pp.S965–S968.