montagem e automatização de um sistema de...

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Departamento de Electrónica Industrial

Pedro Miguel Dourado Portela

Montagem e Automatização de um

Sistema de Electrospinning

Outubro de 2010

ii Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning


Escola de Engenharia

Departamento de Electrónica Industrial

Pedro Miguel Dourado Portela

Montagem e Automatização de um Sistema de

Electrospinning

Dissertação submetida à Universidade do Minho

para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia

Electrónica Industrial e Computadores

Dissertação efectuada sob a orientação científica

de:

Professor Doutor José Gerardo Vieira da Rocha

Departamento de Electrónica Industrial da


Professor Doutor Senentxu Lanceros-Méndez

Departamento de Física da Universidade do Minho

Outubro de 2010

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning iii

Agradecimentos

Pretendo expressar os meus sinceros agradecimentos ao meu orientador, Prof. Dr.

Gerardo Rocha, que me deu a oportunidade de escolha e me orientou neste projecto.

Pelos seus conselhos, estímulo e apoio estou muito agradecido.

Estou de igual forma agradecido ao meu co-orientador, Prof. Dr. Senentxu

Mendéz, pela oportunidade de fazer parte da dinâmica deste grupo de trabalho.

Aos membros dos Departamentos de Electrónica Industrial (DEI) e Física (DF) da

Universidade do Minho, pela formação e a possibilidade de obter o título de mestre

nesta instituição.

Quero agradecer aos membros do grupo do Laboratório de Electrónica pelas suas

singulares discussões, apoio e companheirismo. Um especial agradecimento a todos os

que directa ou indirectamente, contribuíram para o progresso do projecto.

Expresso igualmente a minha gratidão, aos técnicos das oficinas de Electrónica,

nomeadamente à Sra. Ângela, Sr. Joel, e Sr. Carlos, pela contagiante boa disposição e

apoio técnico incondicional, na resolução dos problemas não só ao longo do projecto,

mas também durante o percurso académico.

Finalmente, gostaria de expressar os meus agradecimentos aos meus pais, pelo

apoio durante esta jornada.

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning v

Resumo

A técnica de electrospinning (deposição electrostática) representa um método

simples e vantajoso para produzir fibras a partir de materiais poliméricos, compósitos

ou cerâmicos com composições porosas ou ocas, uniformes no diâmetro, variando na

escala das dezenas de nanómetros a centenas de micrómetros e normalmente extensas

em comprimento. A morfologia das superfícies fibrosas e, as estruturas poli-

dimensionais, associadas às propriedades físicas e químicas da organização fibrosa, são

objecto de estudo intenso na busca de aplicações úteis e inovadoras.

Apesar das potencialidades do electrospinning realizado na sua configuração

básica, existem limitações que condicionam o controlo dos parâmetros da solução e de

processamento, uma vez que o processo não é realizado isoladamente das variações

ambientais. Paralelamente, é requerido frequentemente aos sistemas de electrospinning,

o controlo e a monitorização dos parâmetros de processamento, através de diferentes

configurações colectoras e comando automatizado.

Este trabalho apresenta uma descrição comportamental dos parâmetros

intervenientes no processo electrospinning, bem como uma nova metodologia para a

produção contínua de nanofibras de polímeros como alternativa à configuração

convencional, amplamente utilizada em deposições laboratoriais. A metodologia

proposta envolve a construção de uma câmara de deposição devidamente isolada. Uma

interface num computador permite; (i) aceder ao controlo de uma mesa com um sistema

de três eixos para o posicionamento das agulhas, relativamente à área de projecção,

assim como, (ii) à programação dos dispositivos de bombagem e à monitorização da

temperatura, humidade e pressão atmosférica. Adicionalmente, o sistema perspectiva

orientar a deposição das nanofibras em três colectores, adaptados especificamente em

função das aplicações desejadas, e também o controlo da alta tensão aplicada. A

elaboração do projecto a partir da origem alcançou, durante o tempo estabelecido, a

contribuição de todas as funcionalidades inicialmente previstas. Com a implementação

do controlo independente dos três eixos que movimentam as seringas e da velocidade de

rotação do colector, foi concedida maior dinâmica e versatilidade ao sistema de

electrospinning. A programação dos dispositivos de bombagem revela-se mais acessível

ao utilizador através da interface desenvolvida e, a introdução de sensores na câmara de

deposição irá contribuir para a detecção de anomalias processuais.

Palavras - Chave: electrospinning, nanofibras, parâmetros do processo,

colectores, monitorização, controlo.

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning vii

Abstract

The electrospinning technique (electrostatic deposition) represents a simple and

advantageous method to produce fibers from polymeric, composite or ceramic materials

with solid, porous or hollow interiors. These fibers are very uniform across their

diameter, ranging in scale from tens of nanometers to hundreds of micrometers, and

exceptionally long. The morphology of fibrous surfaces and their multi-dimensional

structures, associated to the physical and chemical properties of the fibrous structure,

are subjected to an intense study in the search for useful and innovative applications.

Despite the large amount of potential of the electrospinning technique when used

in its basic configuration, there are some limitations that restrain the control of several

parameters of solution and processing, because the process is not undergone fully

isolated from environmental conditions. At the same time, it is frequently required to

the electrospinning systems the control and monitoring of the processing parameters,

through different collector configurations and automatized command.

The present work exhibits a behavioural description of the parameters that

intervene in the electrospinning process, as well as a new methodology to the

continuous production of polymeric nanofibers as an alternative to the conventional

configuration, widely used in laboratorial depositions. The proposed methodology

involves the construction of a properly isolated deposition chamber. A simple computer

interface allows (i) the control of a tri-axial system, used to properly position the

needles according to their projection area, as well as (ii) the programming dos the

pumping devices and the temperature, humidity and pressure monitoring. Furthermore,

the system will allow the deposition in three different collectors, specifically adapted

according to the desired applications and the control of the high voltage applied.

This project, starting from scratch, did allow, during the established time, to attain

the contribution of all functionalities initially planned. With the implementation of an

independent control of the axles that move the needles and the rotation speed of the

collector, allows the electrospinning process to be more dynamic and versatile. The

programming of the pumping devices shows to be more accessible to the user when

using the designed interface and the introduction of sensors in the deposition chamber

will allow the detection of processing anomalies.

Keywords: electrospinning, nanofibers, process parameters, collectors,

monitoring, control.

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning ix

Índice

Resumo ................................................................................................................................................. v

Abstract .............................................................................................................................................. vii

Lista de Figuras ................................................................................................................................... xi

Lista de Tabelas .................................................................................................................................. xv

Lista de Símbolos e Abreviaturas ..................................................................................................... xvii

CAPÍTULO 1 Introdução ............................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento ......................................................................................................................... 2

1.2. Motivações ............................................................................................................................... 3

1.3. Objectivos................................................................................................................................. 4

1.4. Organização da Dissertação ....................................................................................................... 5

CAPÍTULO 2 Revisão da Literatura .............................................................................................. 7

2.1. Introdução................................................................................................................................. 7

2.2. Revisão Histórica ...................................................................................................................... 7

2.3. Produção de Nanofibras por Electrospinning ........................................................................... 11

2.3.1. A Montagem Básica ..................................................................................................... 12

2.3.2. Tipos de Montagens ..................................................................................................... 14

2.3.3. Áreas de Aplicação das Nanofibras Depositadas ........................................................... 27

2.4. Outros Métodos de Produção de Fibras .................................................................................... 33

2.4.1. Drawing ....................................................................................................................... 34

2.4.2. Template Synthesis ....................................................................................................... 35

2.4.3. Phase Separation ......................................................................................................... 36

2.4.4. Self-Assembly ............................................................................................................... 37

2.5. Conclusões ............................................................................................................................. 38

CAPÍTULO 3 Caracterização da Técnica de Electrospinning ..................................................... 39

3.1. Introdução............................................................................................................................... 39

3.2. Materiais ................................................................................................................................. 39

3.3. Parâmetros ou Propriedades da Solução ................................................................................... 42

3.3.1. Tensão Superficial ........................................................................................................ 43

3.3.2. Peso Molecular do Polímero ......................................................................................... 44

3.3.3. Concentração da Solução .............................................................................................. 45

3.3.4. Viscosidade da Solução ................................................................................................ 46

3.3.5. Evaporação do Solvente / Volatilidade da Solução ........................................................ 47

3.3.6. Condutividade Eléctrica da Solução .............................................................................. 49

3.4. Parâmetros ou Condições de Processamento ............................................................................ 50

3.4.1. Tensão Aplicada e Corrente Fornecida .......................................................................... 50

3.4.2. Fluxo da Solução .......................................................................................................... 54

3.4.3. Temperatura da Solução ............................................................................................... 54

3.4.4. Posicionamento e Diâmetro da Agulha ......................................................................... 55

3.4.5. Distância entre a Extremidade da Agulha e o Colector .................................................. 55

3.5. Parâmetros do Ambiente ......................................................................................................... 57

3.5.1. Temperatura Ambiente ................................................................................................. 57

3.5.2. Humidade Relativa do Ar ............................................................................................. 58

3.5.3. Tipo de Atmosfera........................................................................................................ 60

Índice

x Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning

3.5.4. Pressão ......................................................................................................................... 62

3.6. Conclusões ............................................................................................................................. 62

CAPÍTULO 4 Implementação do Sistema de Electrospinning ..................................................... 63

4.1. Introdução............................................................................................................................... 63

4.2. Requisitos do Sistema ............................................................................................................. 63

4.2.1. Hardware ..................................................................................................................... 63

4.2.2. Software ....................................................................................................................... 64

4.3. Hardware Seleccionado .......................................................................................................... 64

4.3.1. ATMEL AT90USBKey ................................................................................................ 65

4.3.2. Sistema de Eixos Cartesiano ......................................................................................... 65

4.3.3. Motores de Passo ......................................................................................................... 66

4.3.4. Dispositivos de Infusão ................................................................................................ 67

4.3.5. Fonte de Alta Tensão em Corrente Contínua ................................................................. 77

4.3.6. Colectores das Nanofibras ............................................................................................ 78

4.3.7. Motor Trifásico e Variador de Velocidade .................................................................... 79

4.3.8. Sensor de Temperatura ................................................................................................. 82

4.3.9. Sensor de Humidade ..................................................................................................... 85

4.3.10. Sensor de Pressão Atmosférica ..................................................................................... 87

4.4. Implementação dos Circuitos de Accionamento e Leitura ........................................................ 89

4.4.1. Controladores dos Motores de Passo ............................................................................. 89

4.4.2. Accionador do Variador de Velocidade do Motor Trifásico ........................................... 92

4.4.3. Circuito de Leitura dos Sensores ................................................................................... 94

4.5. Diagrama de Controlo / Monitorização .................................................................................... 96

4.5.1. Descrição do Protótipo ................................................................................................. 97

4.6. Diagrama Geral de Funcionamento .......................................................................................... 98

4.7. Interface Gráfica ................................................................................................................... 101

4.8. Conclusões ........................................................................................................................... 104

CAPÍTULO 5 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ....................................................... 105

5.1. Conclusões ........................................................................................................................... 105

5.2. Sugestões de Trabalho Futuro................................................................................................ 108

Referências ....................................................................................................................................... 111

Anexos............................................................................................................................................... 123

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning xi

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Esquema representativo da última patente de Formhals (adaptado de [18]). .......................... 8

Figura 2.2 - Montagem básica para o processamento em laboratório [29]. ............................................. 10

Figura 2.3 - Sistema Elmarco para a produção industrial de nanofibras [30].......................................... 11

Figura 2.4 - Comparação das fibras de Poli (etileno tereftalato) com um cabelo humano [1]. ................. 12

Figura 2.5 - Relação entre a área da superfície e o diâmetro das fibras (adaptado de [31]). .................... 12

Figura 2.6 - Diagrama esquemático do equipamento usado no processo de electrospinning. .................. 13

Figura 2.7 - Sistema de electrospinning. (a) Com soluções dispostas lado a lado em capilar único.

(b) Com capilares coaxiais. ................................................................................................................... 15

Figura 2.8 - Diagramas esquemáticos dos vários tipos de montagens existentes para o

electrospinning: (a) Colector cilíndrico rotativo; (b) Colector de eléctrodos paralelos; (c) Colector de

rotação constituído por cilindro de fios; (d) Colector cilíndrico com fio enrolado sobre a superfície;

(e) Colector de disco; (f) Tubo colector rotativo com eléctrodos tipo “facas”; (g) Colector de lâminas

dispostas em linha; (h) Colector formado por conjunto de contra-eléctrodos; (i) Colector de anéis

dispostos em paralelo; (j) Colecção de fios fibrosos usando banho de água; (k) Configuração de

múltiplos capilares. ............................................................................................................................... 17

Figura 2.9 - Fibras de PCLEEP depositadas com diâmetro médio de 5,01 ± 0,24 µm (adaptado de [43]). .................................................................................................................................................... 17

Figura 2.10 - Imagens exibindo a orientação das nanofibras de PVP num colector com um intervalo

no centro. (a) Fibras depositadas no intervalo formado por duas barras de silício. (b) Extremidade de

uma barra com fibras desordenadas e o intervalo com as fibras alinhadas (adaptado de [44]). ................. 18

Figura 2.11 - (a) Cilindro com fios de cobre de espaçamento uniforme. (b) Resultado do

alinhamento axial das fibras de Nilon para 5 minutos de deposição (adaptado de [45]). .......................... 19

Figura 2.12 - (a) Feixe de fibras depositado na superfície de um colector cilíndrico separado pelo

enrolamento de cobre. (b) Imagem de alta resolução das fibras alinhadas do feixe descrito em (a)

(adaptado de [46]). ............................................................................................................................... 20

Figura 2.13 - (a) Linhas do campo eléctrico criadas entre o capilar - condutor positivo (V = 9 kV) na

parte superior e o colector ligado à massa (vista frontal). (b) Módulo do campo eléctrico e as linhas equipotenciais do capilar e do disco (adaptado de [47]). ........................................................................ 20

Figura 2.14 - Imagem das fibras alinhadas de PEO [47]. ....................................................................... 21

Figura 2.15 - (a) Resultado das fibras de Policaprolactona (PCL) alinhadas pelas barras paralelas de

alumínio. (b) Em cima – fibras depositadas em volta do tubo de Teflon; em baixo – imagem das

fibras da camada superior do tubo de Teflon, mostrando a sua direcção de alinhamento (adaptado de

[48]). .................................................................................................................................................... 22

Figura 2.16 - Fibras depositadas entre as extremidades das lâminas de alumínio [49]. ........................... 23

Figura 2.17 - Feixe de fibras apresentando elevado grau de alinhamento antes do tratamento com

água [49]. ............................................................................................................................................. 23

Figura 2.18 - (A) Feixes de fibras transferidos para o substrato e separados por 1 mm. (B) Conjunto

de feixes de fibras manualmente depositados uns sobre outros. (C) Torção manual de dois feixes de

nanofibras. (D) Trança de microfibras realizada com três feixes [49]. .................................................... 23

Figura 2.19 - Malha de nanofibras de PVP depositadas entre os pares de eléctrodos comutados [50]. .... 24

Figura 2.20 - Estrutura tri-dimensional das fibras PCL suspensas entre os anéis 60 segundos após a

aplicação da tensão [51]. ....................................................................................................................... 25

Figura 2.21 - Fibras de PCL formando um fio com multi-filamentos [51]. ............................................ 25

Figura 2.22 - Processo de formação do fio fibroso [52]. ........................................................................ 26

Figura 2.23 - Fibras de PVDF de concentrações diferentes. (a) Solução PVDF 15 wt%, com

bastantes glóbulos observados e fibras de diâmetros reduzidos. (b) Solução PVDF 20 wt%, exibindo

reduzido número de glóbulos e diâmetro considerável (adaptado de [52]). ............................................. 26

Lista de Figuras

xii Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning

Figura 2.24 - Rede de nanofibras de PVA/CA produzidas a diferentes fluxos [40]. ............................... 27

Figura 2.25 - Fibras e estruturas fibrosas a partir Poliestireno (adaptado de [94]). ................................. 34

Figura 2.26 - Esquema das etapas para o desenho de uma fibra baseada no método Drawing. ............... 35

Figura 2.27 - Diferentes diâmetros de fibras obtidos no mesmo procedimento (adaptado de [94]). ......... 35

Figura 2.28 - Esquema para o processamento de nanofibras por Template Synthesis.............................. 35

Figura 2.29 - Superfície da membrana de óxido de alumínio anódico [95]............................................. 36

Figura 2.30 - Esquema genérico do processo Phase Separation. ........................................................... 37

Figura 2.31 - (a) Nanofibras de PLLA. (b) PLLA/dioxano/água à escala de 50 µm [98]. ....................... 37

Figura 2.32 - Ilustração do processo de crescimento e auto formação de nanofibras de CdWO4

[100]. ................................................................................................................................................... 38

Figura 2.33 - Nanofibras de CdWO4 obtidas após o tratamento hidrotermal com CTAB [100]. ............. 38

Figura 3.1 - Variação taxa de formação de glóbulos pela adição de etanol: (a) solução de PEO e (b)

solução de PVA [65]............................................................................................................................. 44

Figura 3.2 - Evolução da formação das fibras em função da variação da concentração: (a)

electrospinning em regime de concentração diluída (b) regime de concentração semi-diluída e (c)

regime de concentração óptimo [119]. ................................................................................................... 46

Figura 3.3 - Estruturas porosas associadas à evaporação do solvente (adaptado de [8]). ......................... 48

Figura 3.4 - Evolução do jacto fibroso com o incremento da tensão aplicada. ........................................ 50

Figura 3.5 - (a) Esquema representativo do processo electrospinning. (b) Circuito equivalente

(adaptado de [136])............................................................................................................................... 51

Figura 3.6 - Ajuste da corrente eléctrica em função de um distúrbio provocado [139]. .......................... 53

Figura 3.7 - Nanofibras de PVP obtidas para diferentes valores da corrente eléctrica: (a) 45, (b) 55,

(c) 65, (d) 75, (e) 85 e (f) 95 nA [139]................................................................................................... 53

Figura 3.8 - Diâmetro das fibras em função da distância entre a extremidade da agulha e o colector

[138]. ................................................................................................................................................... 56

Figura 3.9 - Diâmetro médio das nanofibras de PVP em função da temperatura (adaptado de [150]). .... 58

Figura 3.10 - Evolução das superfícies e estruturas fibrosas de PS e Ti(OiPr)4/PVP com o aumento da HR do ar. (a) Fibras de PS processadas à HR <25%. (b) HR 50-59%. (c) HR 60-72%. (d) Fibras

cerâmicas (Ti(OiPr)4/PVP) processadas à HR 30%. (e) HR 70% (adaptado de [103,115]). ..................... 59

Figura 3.11 - Diâmetro médio das fibras de Poli (óxido de etileno) processadas a diferentes

humidades relativas [152]. .................................................................................................................... 60

Figura 3.12 - Fibras de PVDF produzidas a partir da solução de PVDF-DMAc a 20 wt% com CO2 à

temperatura ambiente (~220C): (a) pressão ambiente; (b) 56 bar; (c) 65 bar. (d) Fibras de PVDF

produzidas a partir da solução de PVDF-DMAc a 15wt% com CO2 à temperatura ambiente e pressão

65 bar [32]............................................................................................................................................ 61

Figura 4.1 - Placa de desenvolvimento AT90USBKey. ......................................................................... 65

Figura 4.2 - Sistema de eixos cartesiano. (a) Perspectiva em três dimensões. (b) Perspectiva de

perfil. (c) Perspectiva de topo................................................................................................................ 66

Figura 4.3 - Motores de passo Trinamic. (a) Modelo QSH5718-55-30-098. (b) Modelo QSH4218-51-10-049. ............................................................................................................................................ 67

Figura 4.4 - Syringe Pump. (a) Modelo NE-1000. (b) Modelo NE-1600 (adaptado de [155])................. 68

Figura 4.5 - Comunicação via RS-232 e TTL I/O. ................................................................................ 70

Figura 4.6 - Software de comunicação/controlo/monitorização via RS-232. .......................................... 71

Figura 4.7 - Terminal emulador desenvolvido pela New Era Syringe Pump........................................... 71

Figura 4.8 - Painel frontal de controlo e monitorização. ........................................................................ 73

Figura 4.9 - Programa com duas taxas de infusão para 30 ml de volume (adaptado de [157]). ............... 76

Figura 4.10 - Infusão variada do fluxo da solução (adaptado de [157]). ................................................. 77

Lista de Figuras

Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning xiii

Figura 4.11 - Fontes de alta tensão em corrente contínua. (a) Série ML60P05.0. – Glassman High

Voltage, Inc. (b) Série HVP050P5000 – Voltage Multipliers, Inc. (c) Série SLM60*300 – Spellman,

Inc........................................................................................................................................................ 78

Figura 4.12 - Ilustração dos colectores pretendidos. .............................................................................. 79

Figura 4.13 - Motor trifásico WEG (sem escala)................................................................................... 80

Figura 4.14 - Variador de velocidade CFW – 08 Vector Inverter. ......................................................... 81

Figura 4.15 - HMI do CFW – 08 Vector Inverter. ................................................................................. 82

Figura 4.16 - Diagrama dos pinos do DS1620. ..................................................................................... 83

Figura 4.17 - Formato do registo da temperatura. ................................................................................. 83

Figura 4.18 - Operação da saída do termóstato em função da temperatura medida. ................................ 84

Figura 4.19 - Transferência dos dados de leitura/escrita. ....................................................................... 85

Figura 4.20 - Módulo sensor de humidade HU1015NA [158]. .............................................................. 85

Figura 4.21 - Circuito de medição do módulo HU1015NA. .................................................................. 86

Figura 4.22 - Evolução da tensão de saída com a variação da humidade relativa.................................... 87

Figura 4.23 - Sensor de pressão atmosférica MPX4115A (Case 867 – 08). ........................................... 87

Figura 4.24 - Diagrama da constituição interna do sensor (adaptado de [159]). ..................................... 88

Figura 4.25 - Tensão de saída vs pressão absoluta (adaptado de [159]).................................................. 88

Figura 4.26 - Motor bipolar e seus enrolamentos. ................................................................................. 89

Figura 4.27 - Circuito controlador para o motor QSH4218-51-10-049................................................... 90

Figura 4.28 - Circuito controlador para os motores QSH5718-55-30-098. ............................................. 90

Figura 4.29 - Diagrama representativo do circuito de controlo. ............................................................. 91

Figura 4.30 - Circuito de Isolamento. ................................................................................................... 91

Figura 4.31 - CI lógico L297de controlo e CI lógico L298 de potência para o accionamento. ................ 92

Figura 4.32 - Conector XC1 para accionamento. .................................................................................. 93

Figura 4.33 - Circuito de accionamento do variador de velocidade. ....................................................... 94

Figura 4.34 - Circuito de leitura para os sensores. ................................................................................. 95

Figura 4.35 - Diagrama esquemático do controlo e monitorização pretendidos. ..................................... 96

Figura 4.36 - Representação gráfica do protótipo. ................................................................................. 98

Figura 4.37 - Diagrama geral simplificado do funcionamento do sistema. ........................................... 100

Figura 4.38 - Diagrama de funcionamento na sequência das interrupções. ........................................... 101

Figura 4.39 - Interface de controlo e monitorização das Syringe Pump e da fonte de alta tensão. ......... 102

Figura 4.40 - Interface de controlo dos eixos e do colector.................................................................. 103

Figura 4.41 - Interface de monitorização da temperatura, humidade e pressão atmosférica. ................. 104

Figura A.1 - Circuito da placa para o motor QSH4218-51-10-049. ..................................................... 125

Figura A.2 - Circuito da placa para o motor QSH5718-55-30-098. ..................................................... 126

Figura A.3 - Circuito da placa do variador de velocidade. ................................................................... 127

Figura A.4 - Circuito da placa de leitura. ............................................................................................ 128

Figura A.5 - Desenho da placa controladora para o motor QSH4218-51-10-049. ................................. 129

Figura A.6 - Desenho da placa controladora para o motor QSH5718-55-30-098. ................................. 129

Figura A.7 - Desenho da placa de accionamento do variador de velocidade. ....................................... 130

Figura A.8 - Desenho da placa de leitura. ........................................................................................... 130

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning xv

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Alguns materiais e solventes mais utilizados no processo de electrospinning [54]. ............. 42

Tabela 4.1 - Descrição dos Led‟s do painel........................................................................................... 74

Tabela 4.2 - Exemplos da conversão da temperatura para 9 bits. ........................................................... 84

Tabela 4.3 - Características e gamas de operação do módulo HU1015NA. ............................................ 86

Tabela A.1 - Efeito das alterações dos parâmetros de processamento do electrospinning na

morfologia das fibras. ......................................................................................................................... 123

Tabela A.2 - Configuração dos pinos TTL de entrada e saída. ............................................................. 124

Montagem e automatização de um sistema de Electrospinning xvii

Lista de Símbolos e Abreviaturas

Símbolos

Cos φ Factor de Potência

I Corrente Eléctrica

Mw Peso Molecular

Pmec Potência Mecânica

V Tensão Eléctrica

η Rendimento

Abreviaturas

ADC Analog-to-Digital Converter

CC Corrente Contínua

CI Circuito Integrado

CO2 Dióxido de Carbono

DAC Digital-to-Analog Converter

DMA Dimetilacetamida

DMF Dimetilformamida

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

HMI Human Machine Interface

HR Humidade Relativa

LCD Liquid Crystal Diode

LSB Least Significant Bit

MEC Matriz Extra Celular

NBC Nucleares, Biológicos e Químicos

PBI Polybenzimidazol

PC Personal Computer

PCI Placas de Circuito Impresso

PCL Policaprolactona

PEO Óxido de Polietileno

Lista de Símbolos e Abreviaturas

xviii Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning

PET Poli (etileno tereftalato)

PID Proporcional Integral e Derivativo

PS Poliestireno

PUE Poliuretanos

PVC Policloreto de Vinilo

PVDF Poli (difluoreto de vinilideno)

PVP Polivinilpirrolidona

PWM Pulse Width Modulation

SI Sistema Internacional (de Unidades)

SRAM Static Random Access Memory

TE Tissue Engineering

THF Tetrahidrofurano

USB Universal Serial Bus

VI Virtual Instrument

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning 1

CAPÍTULO 1

Introdução

Actualmente, um dos maiores interesses divulgados diariamente pelo Homem

incide na Nanotecnologia. A capacidade de criar estruturas e novos materiais,

empregando técnicas e ferramentas para o posicionamento ordenado de cada átomo ou

molécula, constitui o desafio da Ciência e Engenharia. A Nanotecnologia encontra-se

associada a diversas áreas de pesquisa e produção, nomeadamente a electrónica, física,

química, medicina, biologia e a engenharia dos materiais, nas escalas micro e

nanométricas. Motivada pelas aplicações nestas áreas, a comunidade científica tem

revelado desde há aproximadamente duas décadas, especial interesse sobre os processos

de sintetização de materiais em nano escalas.

A maior parte das técnicas de sintetização de fibras, apresenta gamas

dimensionais a variar desde as escalas milimétrica à nanométrica, dependendo do

método utilizado. Facilmente pode reparar-se que as escalas micro e milimétricas, até

aos dias de hoje, têm sido muito recorrentes em diversas aplicações (e.g. indústria têxtil,

cablagem). No entanto, a manifestação das potencialidades da Nanotecnologia ao

serviço das áreas mencionadas, revela-se um dos principais motivos para o uso das

nanofibras.

Um dos métodos mais versáteis para a produção de estruturas nanofibrosas

denomina-se electrospinning [1], que, dadas as suas características, permite produzir

longas fibras de polímeros com diâmetros reduzidos. Devido à sua elevada relação

superfície/volume e o seu notável desempenho mecânico, estas fibras demonstraram

grande potencial para aplicações tais como a filtração, a regeneração de tecidos

humanos, o fabrico de sensores, ou vestuário de protecção. Contudo, a transmissão

desta tecnologia para a indústria de produção em escala, carece da superação de

algumas limitações. Os três maiores obstáculos a transpor enumeram-se: (i) baixa taxa

de deposição das fibras, (ii) produção das fibras com diâmetros controlados e

consistentes, e (iii) produção isenta de defeitos inerentes ao controlo desajustado dos

parâmetros do processo. Em função destes pontos, é imperativo a investigação deste

método para a correcta identificação dos problemas que permitam determinar a direcção

ideal na busca de soluções.

Perante as vantagens e limitações enunciadas, a necessidade de desenvolver um

protótipo capaz de superar as carências de processamento é cada vez mais exigido.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletr%C3%B4nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Medicina

http://pt.wikipedia.org/wiki/Biologia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_dos_materiais

Capítulo 1 – Introdução

2 Montagem e Automatização de um Sistema de Electrospinning

Baseado nesta reflexão, surge o problema principal desta dissertação: como

implementar um sistema electrospinning dotado de mecanismos que possibilitem o

fabrico de nanofibras a partir de vários tipos de materiais, controlando individualmente

os parâmetros do processo.

Neste contexto, emerge a necessidade do planeamento, montagem e

automatização de uma estrutura suficientemente completa (em termos de

funcionalidades) e robusta (fisicamente e em termos de fiabilidade do software). Para

isso, pretende-se que façam parte do sistema: i) dois dispositivos de bombagem ou

injecção da solução polimérica por meio de uma ou mais seringas (número máximo - 7),

ii) uma fonte de alta tensão em corrente contínua (60 kV), iii) um colector passível de

ser configurado de acordo com a orientação e a aplicação pretendida das nanofibras, iv)

uma mesa com sistema de eixos cartesiano (x, y, z) que permita a escolha do

posicionamento da agulha da seringa, v) sensores de pressão, temperatura e humidade e

vi) uma interface gráfica desenvolvida em LabVIEW para interacção do sistema com o

utilizador a executar num computador. Perspectiva-se que todos estes dispositivos sejam

organizados numa bancada de preparação, isolados das temperaturas e humidades

externas.

1.1. Enquadramento

O actual projecto integra-se na Tese de Dissertação para obtenção do grau de

Mestre no curso do Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e

Computadores ministrado pela Universidade do Minho. Esta proposta de dissertação

incide na montagem, automatização e controlo de um sistema de electrospinning

elaborado de raiz e vocacionado para a produção de nanofibras de polímeros com

posterior utilização em aplicações biomédicas, industriais, energéticas, electrónicas,

têxteis, entre outras.

O centro da concepção deste projecto teve o seu espaço no Departamento de

Física da Universidade do Minho. Tratando-se de uma necessidade para o grupo de

investigação do referido departamento e o facto de se apresentar como um processo

pioneiro dentro da Universidade, confere-lhe um estatuto dotado de grandes

expectativas face às funcionalidades que dispõe.

A multidisciplinaridade inerente ao projecto, integrando disciplinas como a

mecânica, a electrónica, a física e a química, facilitou a divisão das etapas relativas ao

seu desenvolvimento. Assim, cada área esteve confinada a um elemento, num grupo

constituído por três pessoas. Cada um teve à sua responsabilidade, a superação das



tarefas segundo os pressupostos solicitados pelo grupo de investigação. Por outras

palavras, a planificação da estrutura mecânica contou com a colaboração do grupo e a

implementação electrónica (software e hardware) constitui o cerne desta dissertação.

1.2. Motivações

Baseado no número de publicações científicas nesta área e tomando como base o

número crescente de montagens associadas à técnica de electrospinning, verifica-se

paralelamente um aumento progressivo e cada vez mais entusiasmante da sua

aplicabilidade. Motivado pela escalada de aplicações a partir do processamento de

polímeros, o grupo de investigação revê neste projecto, oportunidades de interesse para

aquisição/renovação de conhecimentos inerentes ao processo. A propósito disso, a

possibilidade de adquirir domínio sobre a morfologia das fibras a partir das condições

apropriadas de processamento (controlo individual dos parâmetros), é considerado um

requisito que a montagem deverá proporcionar, tendo em vista a multiplicidade das

aplicações. Por conseguinte, esta é a principal motivação do projecto visando o

desenvolvimento de um sistema de electrospinning.

Adicionalmente, evidenciado pela sua interdisciplinaridade, o processo requer a

reunião de diferentes áreas académicas para o seu bom funcionamento, nomeadamente

nas teorias relativas ao campo eléctrico, à mecânica dos fluidos, à electrodinâmica e à

química dos polímeros. Dada a variedade de disciplinas intervenientes, o

comportamento do processo é considerado instável, admitindo-se dificuldades em

estabelecer um modelo do sistema, mais concretamente, o modelo matemático do jacto

fibroso. Por esse motivo, admite-se que a forma de contribuir para a evolução relativa à

caracterização mais detalhada e universal do processo é facultando a ligação das

diferentes áreas de estudo.

Esta técnica surge também como forte candidato à revolução da indústria têxtil,

que até agora emprega preferencialmente processos de elongação mecânica de materiais

fundidos a determinadas temperaturas para a produção de fios ou fibras. As técnicas de

formação de fibras convencionais não são capazes de produzir fibras de diâmetros

menores que 2 μm. Por exemplo, tipicamente, uma fibra comercial de poliéster tem um

diâmetro de, aproximadamente, 10 μm [2]. Para muitas aplicações, incluindo aplicações

têxteis, as fibras com diâmetros entre 10 e 50 μm são suficientes e apropriadas para a

devida finalidade. No entanto, estas técnicas bem desenvolvidas na indústria têxtil,

possuem limitações relacionadas principalmente com a instabilidade hidrodinâmica e as

propriedades mecânicas [3]. Nos casos onde as características estruturais e morfológicas



são de importância decisiva, o electrospinning torna possível a produção de fibras com

diâmetros que podem ir até aos 100 nm [1,4,5,6,7].

A actual utilização das nanofibras principalmente em aplicações biomédicas, ou

para o desenvolvimento de nano dispositivos electrónicos, constitui uma outra

motivação e um teste à capacidade de resposta do sistema. Nas aplicações biomédicas

(diagnóstico, libertação controlada de medicamentos no organismo, próteses, etc), as

estruturas desenvolvidas revelam características interessantes, nomeadamente a

flexibilidade, a degradação controlada e aspectos morfológicos da superfície fibrosa [8].

Também na fabricação de sensores, o objectivo é obter uma maior superfície de

contacto num menor volume. Em sensores baseados em filmes finos, essa relação

denota-se importante devido à quantidade de material a depositar. Por esse motivo, o

processo de electrospinning é também inovador pela capacidade de criar nanofibras

com uma razão área/volume consideravelmente elevada.

Em síntese, o facto de o projecto estar envolto num ambiente académico, não

retira o objectivo de expandir as funcionalidades a ambientes de produção em larga

escala, dada a oportunidade de desenvolver estruturas funcionais e diferenciadas pelos

diâmetros ultra finos das fibras.

1.3. Objectivos

O presente projecto apresenta como objectivo sumário, o desenvolvimento de um

sistema de electrospinning orientado para a produção de nanofibras. Para o

cumprimento deste propósito, são exigidas etapas essenciais como a planificação, a

implementação, e o controlo de todos os elementos que constituem o sistema.

Os objectivos inerentes à etapa da planificação referem-se à aquisição dos

dispositivos necessários à montagem do electrospinning, o estudo da disposição ideal

dos dispositivos na bancada, a realização da planta da bancada, a definição dos

parâmetros a ajustar continuamente durante o processamento, a definição das variáveis a

monitorizar, a escolha da ferramenta para desenvolver o interface gráfico e, por último,

o estudo dos métodos de controlo adequados.

Na etapa da implementação, objectiva-se a construção de uma mesa de eixos (x, y,

z), o desenvolvimento dos drivers de controlo dos motores de passo, o circuito de

accionamento do motor trifásico e o circuito de leitura dos sensores (pressão, humidade,

temperatura). Por último, pretende-se a construção da bancada de processamento onde,

posteriormente, serão incluídos os dispositivos (sistema de eixos, bombas de injecção,



motor trifásico, colectores, fonte de alimentação de alta tensão em Corrente Contínua

(CC), os circuitos de accionamento/controlo e 2 fontes de alimentação para os circuito

de accionamento/controlo).

Para a automatização de todo este sistema pretende-se que seja dada a

possibilidade ao utilizador de controlar os seguintes parâmetros: o fluxo de saída da

solução polimérica, a diferença de potencial aplicada pela fonte de alta tensão em CC, o

sentido e a velocidade de rotação do colector, a distância e posição da agulha

relativamente ao colector e a monitorização das grandezas mencionadas no ambiente de

projecção das nanofibras. Estas são as cinco funcionalidades mais relevantes que o

utilizador/investigador deverá dispor.

Em consequência do que foi referido, o utilizador deve ter à sua disposição um

terminal de controlo/monitorização, desenvolvido em LabVIEW (a executar num

computador) e que lhe confira a legitimidade de estabelecer contacto com as

funcionalidades do sistema.

1.4. Organização da Dissertação

A dissertação está organizada em 5 capítulos: introdução, revisão da literatura,

caracterização da técnica de electrospinning, implementação do sistema de

electrospinning, conclusões e sugestões de trabalho futuro.

No capítulo introdutório é feita a identificação do problema e a proposta para a

automatização do sistema de electrospinning, o enquadramento enquanto projecto

integrado no âmbito do grupo de investigação do DF, as motivações direccionadas ao

aprofundamento do estudo do processo e às aplicações das nanofibras e, por último, a

descrição dos objectivos do trabalho.

No segundo capítulo é efectuada uma análise à evolução da técnica

electrospinning, realçando o princípio de funcionamento da montagem básica, alguns

tipos de montagens e uma pequena descrição do estado da arte no que toca às áreas de

aplicação das nanofibras. Adicionalmente, o capítulo termina com uma breve descrição

dos métodos alternativos de produção de fibras.

Seguidamente, no capítulo três, são apresentadas e descritas as evoluções

comportamentais dos diversos parâmetros da solução, processamento e ambiente como

factores influentes nas morfologias resultantes das nanofibras.

No capítulo seguinte, capítulo quatro, descreve-se a implementação prática

realizada até ao momento, relativa ao processamento da técnica, baseada no controlo



orientado por computador. As considerações de ordem prática sobre a estrutura,

particularmente o accionamento dos dispositivos, são exploradas neste capítulo.

Finalmente, no quinto e último capítulo são sumariadas as conclusões mais

relevantes desta tese e apresentam-se um conjunto de propostas de trabalho a

implementar futuramente, com o objectivo de promover a caracterização ainda mais

completa das nanofibras.


CAPÍTULO 2

Revisão da Literatura

2.1. Introdução

A revisão da literatura descrita neste capítulo, deve-se à investigação disponível e

reportada particularmente a artigos/revistas de investigação. A revisão aborda, em

primeiro lugar, a evolução histórica do método de produção de nanofibras em estudo.

Neste contexto, é revelada a origem do método e o seu progresso até à actualidade,

focando igualmente o crescimento exponencial do número de publicações científicas.

Em seguida, é apresentada a montagem convencional e as variantes do processo.

Posteriormente, são abordadas as áreas de aplicação adequadas ao processo. Por último,

apresenta-se a descrição de alguns métodos alternativos para produção de nanofibras

utilizados actualmente.

2.2. Revisão Histórica

O estudo do comportamento das gotas e dos jactos de líquidos electricamente

carregados tem vindo a ser investigado há alguns séculos. Segundo Stanger et al. [9], no

final do ano 1500, William Gilbert iniciou a descrição do comportamento dos

fenómenos magnéticos e electrostáticos em fluidos. O seu trabalho revelou que uma

porção de âmbar1 devidamente friccionada (acumulando cargas eléctricas), em contacto

com uma gota de água origina um cone do qual pequenas gotas são expelidas. Inicia-se

com esta experiência, a primeira observação registada do electrospraying [10] –

dispersão de um jacto líquido em forma de micro gotículas, a qual, posteriormente, dará

origem ao electrospinning [11,12].

Em 1902, J. F. Cooley apresentou uma patente nos Estados Unidos da América,

intitulada "Apparatus for electrically dispersing fibres” [13], estabelecendo a primeira

descrição de um processo reconhecido como electrospinning. Nesta patente, descreveu

um método baseado em fontes de alta tensão para produzir filamentos. A técnica

permitiu a criação de fibras, em vez das gotas que William Gilbert observou. Mesmo

nesta fase inicial, o seu conhecimento apontava que, para haver sucesso, três factores

haviam de ser cumpridos: i) utilização de um fluido suficientemente viscoso, ii) os

solventes teriam de ser suficientemente voláteis para evaporarem e permitirem a

1 Âmbar: género de resina fóssil com a propriedade de adquirir cargas eléctricas pela fricção.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Resina

http://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%B3ssil

Capítulo 2 – Revisão de Literatura


regeneração do polímero sólido e iii) a intensidade do campo eléctrico deveria ser

ajustada a um valor ideal.

Em 1914, John Zeleny realizou um novo desenvolvimento significativo,

publicando um trabalho sobre o comportamento dos líquidos nas extremidades dos

capilares metálicos. Zeleny iniciou os estudos para modelar matematicamente o

comportamento dos fluidos sob a acção de forças electrostáticas [14].

Entre 1934 e 1944, Anton Formhals revolucionou a produção contínua das fibras

com a patente intitulada “Process and apparatus for preparing artificial threads” [15].

Nas revistas e publicações científicas desta área é considerado o grande mentor do

método, dadas as enumeras patentes concebidas [16,17,18]. A primeira montagem

desenvolvida por Formhals era composta por um reservatório para fornecimento da

solução, um dispositivo colector vocacionado para o alongamento e alinhamento das

fibras depositadas e uma fonte de alta tensão em corrente contínua com dois eléctrodos

posicionados entre a saída da solução e o colector. Usando esta técnica, Formhals

produziu fibras de acetato de celulose, empregando como solvente, uma solução de

acetona/álcool a uma diferença de potencial de 57 kV. O mecanismo inovador que

implementou veio acrescentar evoluções significativas no método electrospinning.

Contudo, pela observação da proximidade entre o colector e a saída da solução de

polímero, constatou a necessidade de estabelecer uma distância óptima entre os

mesmos. A justificação desta necessidade foi explicada pela existência de um tempo

mínimo para a evaporação do solvente, antes do contacto das fibras com a zona de

projecção. Este tempo é indispensável para a solidificação das fibras. Em consequência

da alteração deste parâmetro, concebeu estruturas fibrosas livres de defeitos. Em 1944,

Formhals patenteou um novo processo no qual a solução de polímero se depositava

directamente sobre uma base móvel, a partir de um conjunto de agulhas contendo a

mesma solução [18]. Um diagrama exemplificativo da sua montagem pode ser

observado na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Esquema representativo da última patente de Formhals (adaptado de [18]).

Capítulo 2 – Revisão da Literatura


Entre 1964 e 1969, Geoffrey Ingram Taylor [20] concebeu o modelo matemático

relativo ao comportamento de uma gota de fluido em resposta a um campo eléctrico. A

deformação da gota numa geometria cónica ficou conhecida como o Cone de Taylor.

Taylor reportou ainda a formação de um jacto emitido a partir da zona mais fina desse

cone, motivo pelo qual o electrospinning é usado para produzir fibras com diâmetros

significativamente mais reduzidos que o diâmetro da agulha ou capilar.

Após Taylor, diversos investigadores conduziram estudos para compreender as

relações entre os parâmetros de processamento e as propriedades estruturais das fibras.

A análise foi iniciada em 1971 por Baumgarten [21], investigando a correlação entre o

diâmetro das fibras, o comprimento do jacto, a viscosidade da solução, o fluxo e o gás

do meio. O resultado demonstrou que o diâmetro das fibras e o comprimento do jacto

eram tanto maiores quanto mais viscosa fosse a solução. O efeito do fluxo polimérico

no diâmetro das fibras revelou-se pequeno, e os efeitos do gás do meio dependem da

humidade.

Aproximadamente uma década depois das publicações de Baumgarten, surgiram

novos métodos de manipular as propriedades estruturais das fibras. Mandley e Larrondo

obtiveram fibras, em resultado da fusão de Polietileno (PE) e Polipropileno (PP) [22]. O

resultado demonstrou fibras de diâmetros superiores às obtidas a partir das soluções de

polímero. Adicionalmente, descobriram que a temperatura de fusão dos polímeros é

inversamente proporcional ao diâmetro das fibras, sendo este também influenciado pela

tensão aplicada e a viscosidade do polímero fundido.

Em 1995, o processo Electrospinning foi redescoberto por Doshi e Reneker [23]

como fonte potencial para a produção de material nano-estruturado, dado o seu interesse

no campo da Nanotecnologia. Enquanto investigavam o processo electrospraying,

observaram que as fibras poderiam ser facilmente formadas com diâmetros à escala do

nanómetro. Primeiramente, Doshi [24] recorreu a um modelo matemático para explicar

a formação das fibras usando poli (oxido etileno) (PEO) como solução. A propósito,

descreveu que as cargas eléctricas são movimentadas pela acção do campo eléctrico e

estas transferem movimento ao fluido. Segundo as teorias comprovadas também por

outros investigadores, o jacto transporta cadeias portadoras de carga desde o capilar até

ao colector, completando um circuito eléctrico que proporciona a energia necessária

para manter o fluxo. Com a diminuição do diâmetro do jacto, devido ao seu estiramento

e à evaporação do solvente, as forças radiais provocadas pelas cargas eléctricas são de

ordem suficiente para superar as forças de coesão entre as moléculas. Pelas suas

observações, o resultado deste acontecimento é a ramificação do jacto, podendo ocorrer



vezes indefinidas antes da deposição das fibras. Contudo, Reneker usando câmaras de

vídeo de alta velocidade, verificou que o jacto não se dividia múltiplas vezes em fibras

mais finas após o seu estiramento, mas que o mesmo jacto iniciava uma trajectória em

espiral até alcançar o colector. Perante estas indefinições, alguns estudos teóricos

[25,26,27,28] foram realizados na tentativa de descrever o processo, mas ainda sem a

manifestação de uma teoria conclusiva que explique este fenómeno.

A partir da década de 90, concretamente após o impulso de Doshi e Reneker, o

número de publicações descrevendo a influência das condições de processamento

aumentou paralelamente com os protótipos. Diversos modelos têm sido desenvolvidos

constantemente, com o objectivo de diminuir as limitações do processo. A título de

comparação com a primeira montagem proposta por Formhals, a Figura 2.2 apresenta

um dos vários modelos desenvolvidos para o processamento das nanofibras pelo método

electrospinning.

Figura 2.2 - Montagem básica para o processamento em laboratório [29].

Embora conceitualmente seja um processo relativamente simples, o

electrospinning tem desafios significativos, sendo um deles a exposição em ambientes

industriais (Figura 2.3). No entanto, ao longo dos anos, não tem sido um desafio

acessível dado que uma das principais críticas à técnica tem origem na reduzida relação

produção/tempo, comparativamente aos processos convencionais de produção de fibras.

A técnica industrial designada “dry spinning” fabrica filamentos à taxa de 200 – 1500

m min-1

, enquanto os filamentos criados pelo processo de electrospinning são obtidos a

uma taxa de 30 m min-1

.



Figura 2.3 - Sistema Elmarco para a produção industrial de nanofibras [30].

De notar também, embora reconhecidas as limitações, existem empresas no

mercado dedicadas à utilização das fibras obtidas pelo processo de electrospinning e

com grande sucesso comercial. Algumas empresas, como eSpin Technologies,

NanoTechnics e KESKato Tech estão fortemente empenhadas na aplicação dos

benefícios oferecidos pelas nanofibras nos seus produtos. Empresas como a Donaldson

Inc., Spider-Web® e Donaldson Endurance™ são provavelmente desde os anos 70, os

maiores produtores de filtros (ar e combustível) baseados em nanofibras. Associadas ao

fenómeno, também a Biotech, Healthcare e indústrias fabris, deixam prever um aumento

significativo na exploração desta técnica.

2.3. Produção de Nanofibras por Electrospinning

A produção das nanofibras relaciona-se directamente com a Nanotecnologia,

diversificando as suas opções e promovendo o seu desenvolvimento em diferentes

frentes. A essência da Nanotecnologia é a concepção e a utilização de materiais e

dispositivos ao nível dos átomos, moléculas, e estruturas supra-moleculares, no

desenvolvimento de propriedades e matérias únicas de 1 a 100 nm. Dentro dos

paradigmas da Nanotecnologia e materiais nanoestruturados, a nanofibra geralmente

designa uma fibra possuindo diâmetros menores que 100 nm. No entanto, também se

pode atribuir a mesma conotação a fibras com diâmetros menores que 500 nm,

produzidas pela técnica de electrospinning. As nanofibras são também interessantes

pelo destaque na comunicação entre o mundo da nano e da macro escala, uma vez que

os diâmetros são observados na gama dos nanómetros, e os comprimentos em vários

metros. A comparação do diâmetro real das fibras enquadrado nos valores citados pode

ser observada na Figura 2.4, onde se exibe a diferença de escalas entre as nanofibras de

Poli (etileno tereftalato) (PET) e um cabelo humano.



Figura 2.4 - Comparação das fibras de Poli (etileno tereftalato) com um cabelo humano [1].

Uma característica importante deste processo é a capacidade de obter uma elevada

relação da área por volume cerca de 100 vezes maior que o cabelo humano. A área de

superfície (m2/g) é uma grandeza com uso recorrente na caracterização de uma estrutura

fibrosa, e fornece a relação da área superficial ocupada pela massa das nanofibras. Esta

relação implica que a área de superfície seja inversamente proporcional ao diâmetro das

fibras, como se pode observar nas fibras de Nylon 6,6 caracterizadas no gráfico da

Figura 2.5.

Figura 2.5 - Relação entre a área da superfície e o diâmetro das fibras (adaptado de [31]).

2.3.1.A Montagem Básica

Em geral, o sistema de deposição electrospinning consiste em três componentes

básicos: uma fonte de alta tensão em Corrente Contínua (CC) ligada electricamente a

um fluido (polímero diluído ou fundindo), um colector (onde podem ser adicionados

substratos) e um dispositivo de infusão (“bomba”) para realizar a injecção do fluido



armazenado numa seringa convencional dotada de uma agulha. Na grande maioria das

experiências, o desempenho é considerável, usando uma agulha metálica e uma folha de

alumínio revestindo o colector, o eléctrodo da fonte de tensão pode ser imerso no fluido

ou acoplado directamente na agulha metálica.

Um campo eléctrico é criado entre a agulha e o colector, ao mesmo tempo que a

bomba injectora força uma determinada taxa a saída do fluido. Por conseguinte, a força

eléctrica contacta com a superfície do líquido, “quebrando” a sua tensão superficial.

Neste momento, um jacto de fluido é automaticamente libertado da agulha, adquirindo

velocidade e reduzindo a espessura, até ser projectado no colector. Se a distância

(variável na ordem dos milímetros) entre a zona de expedição do jacto e o colector é

reduzida, o jacto desloca-se directamente para o colector quase em linha recta; se a

distância for ampliada, o jacto torna-se instável, criando-se uma espiral até contactar o

colector. Uma descrição gráfica do princípio de funcionamento deste processo pode ser

observada na Figura 2.6.

Figura 2.6 - Diagrama esquemático do equipamento usado no processo de electrospinning.

Este processo utiliza campos eléctricos de alta tensão (5-60kV) e baixa corrente

(0,1-1µA) para produção de fibras de diâmetro reduzido. Quando o campo eléctrico é

suficientemente intenso para superar a tensão superficial da gota que se encontra

suspensa na sua extremidade do capilar, esta torna-se fortemente electrificada,

deformando-se numa forma cónica (Cone de Taylor). Sempre que a tensão ultrapassa

Fonte de

Alta Tensão CC

Colector

Solução de

Polímero

Cone de

Taylor

Malha de

Nanofibras

Bomba de

Infusão

Jacto de

Fibras

kV



um valor crítico, as forças electrostáticas superiorizam-se à tensão superficial do fluido

e forçam a injecção deste a partir do cone. Este é o resultado das repulsões

electrostáticas entre as cargas do mesmo sinal na superfície do fluido, assim como das

atracções perante as cargas de sinal oposto, localizadas no colector. Como o solvente

evapora rapidamente durante o processo, o diâmetro do jacto é constantemente

reduzido, conduzindo à formação de fibras ultra finas. Dependendo das propriedades

reológicas da solução e dos outros parâmetros de processamento, o diâmetro das fibras

resultantes pode ser ajustado.

2.3.2.Tipos de Montagens

A montagem básica da técnica de electrospinning caracteriza-se pela

simplicidade, fácil funcionalização e possibilidade de adaptação a modelos mais

avançados. Em função destas características, a produção de nanofibras realiza-se

maioritariamente à escala laboratorial. Contudo, a necessidade de melhorar o

processamento com o objectivo de aumentar as funcionalidades das estruturas fibrosas

resultantes, conduziu à introdução de modificações na montagem, em particular na

agulha e no colector (nota: a agulha é normalmente referida como capilar na literatura

do electrospinning).

Dependendo da aplicação, podem ser utilizadas um conjunto de configurações dos

capilares. Existem configurações capilares com orifício único, orifício único para

emulsão, capilares dispostos lado a lado, ou capilares coaxiais. A configuração

convencional, e também a mais simples, é a técnica de um único orifício [32]. Nesta

configuração, as soluções que fluem através do capilar, podem ser soluções de um único

polímero [33], ou misturas à base de polímeros solúveis num solvente comum [34].

Embora as misturas de polímeros sejam frequentemente utilizadas, pode não ser

possível utilizar uma configuração de capilar com orifício único se os polímeros não são

solúveis num solvente comum. Para contornar esta limitação, Gupta e Wilkes [35] e

Schreuder-Gibson et al. [36] mostraram que um capilar dividido (em isolamento físico

ou por soluções imiscíveis), contendo duas soluções dispostas lado a lado, poderia ser

usado para depositar nanofibras compostas (Figura 2.7 (a)). Devido a esta disposição,

soluções com diferentes condutividades podem originar dois cones de Taylor distintos,

quando sujeitos a um campo eléctrico elevado.

Em outra abordagem, torna-se útil produzir nanotubos que permitam incorporar

ou encapsular outros materiais nas nanofibras. Note-se que o doping – dopagem – ou o



encapsulamento de materiais é muitas vezes necessário para aplicações como os

catalisadores, sensores químicos ou libertação de fármacos. Para contornar esta

limitação, Wang et al. [37] e Loscertales et al. [38], demonstraram que através de

agulhas coaxiais é possível obter estruturas de composições distintas, originando

nanotubos (Figura 2.7 (b)). Nesta configuração, duas soluções de polímero fluem

através de dois capilares diferentes, que são coaxiais com um pequeno capilar no

interior de um capilar maior.

Figura 2.7 - Sistema de electrospinning. (a) Com soluções dispostas lado a lado em capilar único. (b)

Com capilares coaxiais.

A utilização de múltiplos capilares foi também investigada como forma de

aumentar o rendimento do electrospinning [39,40]. Outros dispositivos sem o uso de

capilares têm sido explorados por alguns investigadores. Yarin e Zussman

desenvolveram um sistema de duas superfícies separadas, perante as quais a aplicação

de um campo eléctrico a determinada distância deste sistema origina perturbações na

superfície da solução com posterior ejecção vertical [41].

A existência das diversas configurações relativas aos colectores deve-se, em

grande parte, à controlabilidade do electrospinning. Sabemos que a controlabilidade do

electrospinning é crítica, ou seja, o comportamento de instabilidade revelada no jacto

provoca a deposição “caótica” ou aleatória das fibras no colector. Esta situação implica

a adaptação de colectores que permitam, não só a direcção do alinhamento das

nanofibras conforme a aplicação pretendida, mas também a transferência posterior

dessas estruturas fibrosas para superfícies de substratos sólidos. Muitos trabalhos têm

Solução B

V

Solução A

Capilar

Agulha metálica

Jacto coaxial

Colector

Fonte

(a) (b)

Solução BSolução A

Colector

V

Fonte



emergido neste campo, com o objectivo de resolver esta desvantagem, nomeadamente a

aplicação de um campo eléctrico externo, colectores rotativos, eléctrodos paralelos,

entre outros.

A Figura 2.8 apresenta algumas das montagens já exploradas. Seguidamente, é

apresentada uma breve descrição relativa a cada uma das configurações, expondo a

função, as vantagens e as limitações inerentes, tomando sempre em consideração que ao

capilar é aplicado um potencial positivo.

Rotação

Eléctrodos

Rotação

(a) (b) (c)

Fios

Rotação

Rotação

“Facas”

com

Tensão Negativa

(d) (e) (f)

Rotação

Eléctrodos

(g) (h) (i)

Anéis Tensão Negativa

1

2

3

4



Figura 2.8 - Diagramas esquemáticos dos vários tipos de montagens existentes para o electrospinning:

(a) Colector cilíndrico rotativo; (b) Colector de eléctrodos paralelos; (c) Colector de rotação constituído

por cilindro de fios; (d) Colector cilíndrico com fio enrolado sobre a superfície; (e) Colector de disco; (f)

Tubo colector rotativo com eléctrodos tipo “facas”; (g) Colector de lâminas dispostas em linha; (h) Colector formado por conjunto de contra-eléctrodos; (i) Colector de anéis dispostos em paralelo; (j)

Colecção de fios fibrosos usando banho de água; (k) Configuração de múltiplos capilares.

a) Colector Cilindro Rotativo - Figura 2.8 (a):

Neste tipo de configuração, o colector é um cilindro de diâmetro e velocidade

variável (dependente da aplicação) e revestido de um material condutor com ligação

directa com o terminal terra do sistema. Caracteriza-se por uma montagem

relativamente simples de construir, onde uma vasta área de fibras é depositada com um

determinado alinhamento. Embora uma vantagem desta configuração seja o

alinhamento das fibras, o processo fica limitado e de difícil execução, quando o

alinhamento pretendido é muito exigente.

Matthews et al. [42] demonstrou o efeito da rotação do cilindro no alinhamento de

fibras de colagénio. Para velocidades menores que 500 rpm, as fibras depositavam-se

aleatoriamente no colector. Quando a velocidade de rotação aumentou até 4500 rpm, as

fibras depositadas sofreram alinhamento ao longo do eixo de rotação. Quando a

velocidade de rotação do cilindro é muito elevada para a solução utilizada, pode ocorrer

quebra das fibras. A Figura 2.9 mostra o grau de alinhamento das fibras de

Caprolactona e Fosfato de Etileno Etílico (PCLEEP) para um colector cilíndrico

(revestido a alumínio), com 10 cm de diâmetro e velocidade de rotação de 2200 rpm.

Figura 2.9 - Fibras de PCLEEP depositadas com diâmetro médio de 5,01 ± 0,24 µm (adaptado de [43]).

Banho de

coagulação

(j) (k)



b) Colector de Eléctrodos Paralelos - Figura 2.8 (b):

Um colector composto por eléctrodos paralelos, consiste em duas barras de

substrato com condutividade eléctrica, separadas por um intervalo cuja distância pode

ser ajustada desde as centenas de micrómetros até alguns centímetros. As fibras com

cargas positivas são direccionadas até aos dois eléctrodos (ligados à terra) originando

matrizes alinhadas com enormes áreas. Esta montagem é também muito simples,

permitindo um grau de alinhamento maior relativamente à configuração anterior. As

fibras são facilmente transferidas a outro substrato para sofrer tratamentos ou serem

introduzidas em outras aplicações.

Dadas as características desta montagem, não é possível obter camadas fibrosas

muito espessas e existe um limite para o comprimento das fibras alinhadas. Isto deve-se

à quebra da camada fibrosa devido ao próprio peso, assim como o efeito das repulsões

electrostáticas aplicadas pelas fibras que ainda não contactaram o colector [44]. A

Figura 2.10 apresenta a deposição de fibras Polivinilpirrolidona (PVP) em dois

substratos de Silício (Si) condutor, distanciados a menos de 1 cm, originando fibras com

150 nm de diâmetro.

Figura 2.10 - Imagens exibindo a orientação das nanofibras de PVP num colector com um intervalo no

centro. (a) Fibras depositadas no intervalo formado por duas barras de silício. (b) Extremidade de uma barra com fibras desordenadas e o intervalo com as fibras alinhadas (adaptado de [44]).

c) Colector de rotação constituído por Cilindro de Fios - Figura 2.8 (c):

A técnica utiliza fios de cobre com espaçamento uniforme, sob a forma de um

cilindro colector. Katta et al. [45] utilizou uma configuração deste tipo para a produção

de “folhas” de nanofibras alinhadas com 1 cm de largura. O cilindro possui dois discos

de acrílico não condutores circulares de 12,7 cm de diâmetro, com um furo 1,2 cm de

diâmetro no centro. Cada disco possui 6 mm de espessura, montados num tubo de PVC

e espaçados 30 cm. O fio de cobre encontra-se ligado à terra e esticado entre as bordas

(a) (b)



dos discos, como exemplifica a Figura 2.11 (a). As “folhas” de nanofibras alinhadas

podem ser formadas facilmente, conferindo a esta estrutura simplicidade e robustez,

embora sujeita ao hábil fabrico do cilindro.

A disposição das fibras perante este tipo de configuração pode ser observada na

Figura 2.11 (b) sob condições de processamento de 20 kV, 50 cm de distância do capilar

ao colector e velocidade de rotação de 1 rpm. Contudo, tendo como base os resultados

obtidos por Katta e seus colaboradores, à medida que o tempo de deposição avança, as

fibras tendem a formar estruturas menos alinhadas e com diâmetros maiores.

Figura 2.11 - (a) Cilindro com fios de cobre de espaçamento uniforme. (b) Resultado do alinhamento

axial das fibras de Nilon para 5 minutos de deposição (adaptado de [45]).

d) Colector cilíndrico com fio enrolado sobre a superfície - Figura 2.8 (d):

Nesta configuração é utilizado um cilindro construído com material isolante e, um

enrolamento de fio condutor (e.g. cobre - ligado à terra) disposto sobre a sua superfície.

Este simples arranjo confere elevado grau de alinhamento às fibras e permite o ajuste da

área alinhada pela alteração da distância entre o enrolamento. Possui como vantagem

adicional, a produção de camadas fibrosas de espessura variável pela modificação do

diâmetro do fio condutor. Bhattarai et al. [46] realizaram um estudo onde a utilização

desta configuração permitiu obter uma estrutura fibrosa com elevado alinhamento.

Neste estudo, a ponta da seringa e a superfície do fio de cobre foram mantidos a 20 cm.

A velocidade de rotação do colector foi variável de 100 a 5000 rpm.

A Figura 2.12 (a) e (b) mostra uma imagem exemplar do feixe de fibras

depositadas entre o intervalo de um fio com 0,2 mm de diâmetro. O feixe contém um

diâmetro de aproximadamente 50 µm e é constituído por fibras com 115 ± 10 nm de

diâmetro.

(a) (b)



Figura 2.12 - (a) Feixe de fibras depositado na superfície de um colector cilíndrico separado pelo enrolamento de cobre. (b) Imagem de alta resolução das fibras alinhadas do feixe descrito em (a)

(adaptado de [46]).

e) Colector de disco - Figura 2.8 (e):

Esta montagem é baseada num simples disco com aproximadamente 5 mm de

espessura, com a extremidade ou a borda afilada segundo um determinado ângulo e

largura. Para o sistema de electrospinning típico, o jacto sofre instabilidade

(dependendo da distância ao colector) e por isso a área de deposição é maior para o

colector plano. No entanto, quando um colector de disco é empregue, o jacto converge

para a sua borda, segundo as linhas do campo eléctrico exemplificadas na Figura 2.13

(a), sendo posteriormente alinhadas ao longo da borda. Theron et al. [47], através de um

colector deste tipo, observaram uma forte convergência do campo eléctrico, perante um

disco com um ângulo θ = 26,6º de borda, girando a uma distância h=150 mm abaixo da

gota suspensa de fluido (Figura 2.13 (b)).

Figura 2.13 - (a) Linhas do campo eléctrico criadas entre o capilar - condutor positivo (V = 9 kV) na parte superior e o colector ligado à massa (vista frontal). (b) Módulo do campo eléctrico e as linhas

equipotenciais do capilar e do disco (adaptado de [47]).

Como é possível observar na Figura 2.14, Theron e seus colaboradores

produziram fibras alinhadas de Óxido de Polietileno (PEO) aplicando ao colector uma

(a) (b)

(a) (b)



velocidade de rotação de 1070 rpm e um campo eléctrico de 8,5 kV entre o capilar e a

borda do disco.

Figura 2.14 - Imagem das fibras alinhadas de PEO [47].

Perante este tipo de colectores, é possível obter feixes de fibras de diâmetros

controlados pela largura da borda do disco e, ao mesmo tempo, alinhadas pela aplicação

do movimento rotacional. Contudo, é difícil manter o elevado alinhamento quando, para

a mesma velocidade de rotação, as fibras depositadas são mais espessas.

f) Tubo colector rotativo com eléctrodos tipo “facas” - Figura 2.8 (f):

O tubo colector rotativo, sobreposto a um eléctrodo (ou contra-eléctrodo),

formado por “facas” dispostas paralelamente, foi elaborado por Teo et al. [48] para a

produção de estruturas tubulares porosas com orientação controlada. Estas estruturas

são formadas pela deposição das fibras sobre um tubo colector, resultando num tubo

fibroso de espessura uniforme com elevada robustez mecânica. Nesta configuração,

como foi referido, um conjunto de barras rectangulares com geometria semelhante a

“facas” ou “lâminas”, são postas em contacto com um eléctrodo de potencial oposto ao

aplicado no capilar. Através do campo electrostático criado, obtém-se uma estrutura

tubular (espessura variável), revestido por fibras alinhadas de acordo com a disposição

das “facas”. Esta configuração, para ser eficaz, necessita do uso de potenciais negativos

e tubos colectores de diâmetros reduzidos.

A aplicabilidade desta montagem é demonstrada por Teo e seus colaboradores no

fabrico de fibras de Policaprolactona (PCL). O PCL é um polímero conhecido por ser

biodegradável e largamente usado na produção de “engineering scaffolds”. As

estruturas obtidas com alinhamento considerável encontram-se representadas na Figura

2.15 (a), e o resultado final pode ser observado na Figura 2.15 (b).



Figura 2.15 - (a) Resultado das fibras de Policaprolactona (PCL) alinhadas pelas barras paralelas de

alumínio. (b) Em cima – fibras depositadas em volta do tubo de Teflon; em baixo – imagem das fibras da

camada superior do tubo de Teflon, mostrando a sua direcção de alinhamento (adaptado de [48]).

Estes resultados foram obtidos através de uma rede de contra-eléctrodos paralelos

de alumínio situados debaixo do tubo de Teflon, com diâmetro de 4 mm. O tubo

colector de Teflon foi posto em movimento à velocidade de rotação de 838 rpm. Ao

capilar foi aplicado um potencial positivo de 12 kV enquanto que o contra-eléctrodo

ficou sujeito a um potencial negativo de 8 kV.

g) Colector de lâminas dispostas em linha - Figura 2.8 (g):

Nesta configuração, duas lâminas dispostas em linha com uma distância entre si,

são utilizadas como contra-eléctrodos, constituindo o colector. O feixe de fibras é

depositado entre a abertura, com uma ponta na extremidade de uma lâmina, e outra

ponta na extremidade da lâmina oposta. A produção de estruturas fortemente ordenadas

é possível, uma vez que o feixe das fibras é robusto o suficiente para ser trabalhado,

sendo também simples de o transferir para um substrato. A desvantagem desta

configuração encontra-se na dimensão limitada do feixe.

Teo e Ramakrishna [49] comprovaram as potencialidades desta montagem,

expressas na Figura 2.16. Na experiência foram utilizadas duas barras revestidas a

alumínio, isoladas com Poliestireno na zona inferior e separadas por uma distância de 3

cm. Os eléctrodos foram sujeitos ao potencial negativo de 3 kV e o capilar ao potencial

positivo de 12 kV.

(a) (b)



Figura 2.16 - Fibras depositadas entre as extremidades das lâminas de alumínio [49].

A organização da estrutura final é apresentada na Figura 2.17, onde se observa o

notório alinhamento da maior percentagem das nanofibras de Policaprolactona (PCL),

depositadas entre os contra-eléctrodos.

Figura 2.17 - Feixe de fibras apresentando elevado grau de alinhamento antes do tratamento com água

[49].

Segundo o procedimento seguido por Teo e Ramakrishna, as fibras são

mergulhadas em água antes da secagem completa, para obter um feixe de fibras

alinhadas de diâmetro micrométrico. Após este passo, as fibras podem ser transferidas

para o substrato, de modo a criar uma estrutura com vários feixes de fibras, podendo ser

torcidos ou entrelaçados manualmente (Figura 2.18).

Figura 2.18 - (A) Feixes de fibras transferidos para o substrato e separados por 1 mm. (B) Conjunto de

feixes de fibras manualmente depositados uns sobre outros. (C) Torção manual de dois feixes de

nanofibras. (D) Trança de microfibras realizada com três feixes [49].



h) Colector formado por conjunto de contra-eléctrodos - Figura 2.8 (h):

Esta configuração surgiu da necessidade de aperfeiçoar as limitações presentes

nos colectores denominados de rotativos. Segundo Li et al. [50] esta montagem permite

não só o alinhamento das fibras, como também a transferência da estrutura depositada

para uma superfície de substrato (quartzo, para o caso em estudo).

A montagem é constituída por quatro barras, dispostas duas a duas, em linhas

perpendiculares, formando uma cruz com uma lacuna central. O princípio de

funcionamento baseia-se na ligação do terminal terra às barras ou eléctrodos, dispostos

na mesma linha. Por outras palavras, as fibras são depositadas nos eléctrodos que

possuem ligação com a terra. Essa ligação é comutada entre os pares de eléctrodos (1-3

ou 2-4 ver Figura 2.8), com intervalos de tempo definidos, permitindo a formação de

uma malha com camadas duplas de fibras, como se observa na Figura 2.19. Contudo,

esta montagem também possui limitações, nomeadamente: a área de deposição é

relativamente reduzida e a estrutura fibrosa não pode ser demasiadamente espessa para

não provocar o desprendimento dos eléctrodos pelo seu peso.

Figura 2.19 - Malha de nanofibras de PVP depositadas entre os pares de eléctrodos comutados [50].

i) Colector de anéis dispostos em paralelo - Figura 2.8 (i):

O processamento das nanofibras também pode ser executado quando dois anéis

ligados à terra são dispostos equidistantes ao capilar, dando origem à deposição de

fibras entre eles. Esta configuração permite rapidamente produzir fibras suspensas no ar,

com formas tri-dimensionais e volume considerável, embora com comprimentos

limitados. Dalton et al. [51] produziram estruturas orientadas, com comprimentos a

variar entre os 40 e 100 mm, constituídas por fibras de 1,26 ± 0,19 µm de diâmetro. A

Figura 2.20 mostra a configuração utilizada na deposição das fibras de PCL, quando

aplicado um potencial positivo de 15 kV ao capilar.



Figura 2.20 - Estrutura tri-dimensional das fibras PCL suspensas entre os anéis 60 segundos após a

aplicação da tensão [51].

Estas fibras suspensas entre os anéis podem ser convertidas num fio de multi-

filamentos (ou feixe) com diâmetro abaixo dos 5 µm e comprimentos de 50 mm, pela

rotação de apenas um dos anéis de deposição (Figura 2.21).

Figura 2.21 - Fibras de PCL formando um fio com multi-filamentos [51].

A produção de fibras orientadas tendo como base esta montagem, encontra

aplicações para a engenharia dos tecidos – “tissue engineering” – nomeadamente, em

sistemas nervosos, tendões, músculos, ou em implementações para uma matriz extra-

celular artificial.

j) Colecção de fios fibrosos usando banho de água - Figura 2.8 (j):

Esta técnica consiste na deposição do jacto fibroso para um reservatório colector,

contendo água destilada. As fibras são alinhadas na água, formando um fio multi-

filamentoso antes de serem removidas pelo colector rotativo. A Figura 2.22 ilustra a

interacção das fibras com a água, até ao momento em que uma malha “caótica” de fibras

se molda num feixe com múltiplos filamentos. A tensão superficial da água na rede

fibrosa força a que estas se agrupem numa estrutura tri-dimensional “torneada”. Este

processo só é possível pela instalação de um eléctrodo (ligado à terra) no fundo do

reservatório.



Figura 2.22 - Processo de formação do fio fibroso [52].

Smith et al. [52] realizaram a produção de estruturas baseadas nesta configuração,

com o objectivo de estudar a influência da concentração da solução de Poli (difluoreto

de vinilideno) (PVDF). Os resultados permitiram concluir que, quando um fio

produzido a partir de uma solução de PVDF a 15 wt% (Figura 2.23 (a)) é comparado a

outro de concentração de 20 wt% (Figura 2.23 (b)), observa-se que a concentração mais

baixa conduz a diâmetros médios de 294 nm, com formação de bastantes glóbulos,

enquanto que na solução mais concentrada, resultam fibras com diâmetro médio de 1

µm e com poucos glóbulos.

Figura 2.23 - Fibras de PVDF de concentrações diferentes. (a) Solução PVDF 15 wt%, com bastantes glóbulos observados e fibras de diâmetros reduzidos. (b) Solução PVDF 20 wt%, exibindo reduzido

número de glóbulos e diâmetro considerável (adaptado de [52]).

As fibras produzidas por intermédio desta configuração, normalmente, são

relativamente longas e bem alinhadas para velocidades de colecção reduzidas. A

experiência conduzida por Smith et al. demonstra que teoricamente, a taxa média de

produção de fibras situa-se nos 180 m por hora, utilizando um só capilar.

k) Configuração de múltiplos capilares - Figura 2.8 (k):

Esta configuração obedece a uma montagem relativamente simples, com a

capacidade a partir de diferentes capilares, realizar a mistura de soluções a diferentes

(a) (b)



fluxos aumentando a capacidade de deposição. Os colectores podem ser planos,

rotativos ou com outro tipo de formato, embora para qualquer um se faça notar a

interferência electrostática entre os jactos [40]. A Figura 2.24 apresenta o resultado das

fibras depositadas num colector rotativo, através de quatro capilares, contendo soluções

de PVA e Acetato de Celulose (CA), de viscosidades e condutividades diferentes e

testadas para vários fluxos.

Figura 2.24 - Rede de nanofibras de PVA/CA produzidas a diferentes fluxos [40].

2.3.3.Áreas de Aplicação das Nanofibras Depositadas

A simplicidade de processamento das nanofibras, associada à versatilidade na

conjugação da montagem experimental, resulta em estruturas multi-funcionais e fazem

do electrospinning uma técnica poderosa na produção de fibras ultra finas a partir de

diferentes tipos de materiais.

A elevada relação de área por volume, a flexibilidade das estruturas e o

desempenho mecânico superior (por exemplo, rigidez e resistência à tracção), em

comparação com outros materiais conhecidos [53], fazem desta técnica e das estruturas

resultantes, atractivas para um amplo número de aplicações.

Com base nos resultados apresentados por Ramakrishna et al. [54], 60% dos

investigadores dedicam as suas pesquisas ao estudo do processamento e caracterização

de nanofibras de polímeros. No seguimento desta motivação, são capazes de controlar a

morfologia das nanofibras, o diâmetro e a repetibilidade da deposição. Estes

desenvolvimentos fornecem diariamente impulsos para encontrar aplicabilidade em

áreas como a Engenharia Biomédica, Engenharia Ambiental & Biotecnologia, Energia,

Electrónica e Defesa ou Segurança.



Aplicações Biomédicas

Do ponto de vista biológico, quase todos os tecidos e órgãos humanos são

organizados em formas ou estruturas de nanofibras. Os exemplos incluem: ossos,

dentina2, colagénio, cartilagem e pele. A oportunidade das nanofibras servirem a

medicina nos seus diversos ramos, deve-se sobretudo às suas capacidades de adaptação

nos parâmetros clínicos. A grande variedade de aplicações nesta área é motivação

suficiente para revelar o maior interesse dos investigadores.

Próteses Médicas

As nanofibras obtidas via electrospinning têm sido propostas para reconstituição

de tecidos ou estruturas que, directa ou indirectamente, possam ser aplicadas em vasos

sanguíneos artificiais [55], cartilagens [56], ossos [57], nervos [58] e coração [59].

Através de um polímero biocompatível, as nanofibras podem ser depositadas como uma

camada fina e porosa, sobre o dispositivo protésico implantado no corpo humano. Esta

película de revestimento com estrutura fibrosa funciona como interface entre o

dispositivo protésico e os tecidos do receptor. Com este método, espera-se reduzir

eficazmente a incompatibilidade e a rigidez entre o tecido/dispositivo e,

consequentemente, evitar a rejeição após a implantação.

Implantes de Tecidos

A implantação de tecidos tem como objectivo fornecer suportes de apoio temporal

às células para regenerar uma nova matriz extracelular (MEC), destruída por uma

doença ou defeitos congénitos. A produção dos tecidos deve partir de polímeros

biocompatíveis e biodegradáveis, projectados para se degradarem lentamente no

organismo, desaparecendo à medida que as células começam a regenerar. A taxa de

degradação deve coincidir com a taxa de regeneração do tecido e a compatibilidade

deve existir, tanto na forma original, como degradada. A possibilidade de fabricar

estruturas com superfícies porosas facilita a adesão celular, permite a difusão de

nutrientes do sangue e imita as propriedades mecânicas do tecido natural [60].

2 Dentina - tecido calcificado, formado por pequenos “tubos” e consiste na segunda camada do

dente.



Tratamento de Lesões

As nanofibras de polímero também podem ser usadas no tratamento de lesões

traumáticas ou queimaduras de pele humana, através de pensos, compressas ou

dispositivos hemostáticos3. Actualmente, em literatura verifica-se a utilização de

dispositivos de electrospinning portáteis, para aplicação directa das nanofibras em

feridas [61,62]. Estes materiais, quando em contacto com a pele, revelam propriedades

fundamentais, impulsionando o tratamento da ferida pela incorporação de compostos

terapêuticos; incentivam a formação e o crescimento normal da pele; manifestam

conformidade com o contorno da ferida (dada pela flexibilidade e elasticidade);

proporcionam a permeabilidade controlada através da estrutura porosa, permitindo a

respiração e hidratação das células e prevenindo a dessecação; possuem também uma

taxa de absorção de água entre 17,9 – 21,3% enquanto, curativos de filmes típicos

demonstram absorção de 2,3% [63] e, por último, eliminam a formação de tecido

cicatricial presente num tratamento tradicional e facilitam a sua própria remoção. Além

disso, as membranas porosas de que são constituídos, geralmente com poros variando

entre 500 nm e 1 µm, protegem a ferida da penetração bacteriana introduzida por

partículas existentes no ar.

Cosmética

As máscaras actuais de tratamento da pele como cremes, loções ou pomadas,

podem incluir poeiras ou sprays líquidos mais propensos que os materiais fibrosos de

migrar para áreas sensíveis do corpo (nariz e olhos), quando a máscara de pele é

aplicada no rosto. As nanofibras de polímeros foram testadas em máscaras de

cosméticos para limpeza, cicatrização e tratamentos da pele, bem como em outras

propriedades terapêuticas ou médicas, com ou sem aditivos [64]. Estas máscaras de

nanofibras com nano poros, permitem acelerar a taxa de transferência dos aditivos para

a pele, impondo a máxima extracção do seu potencial. A aplicação pode ser realizada

suavemente e sem dor, directamente na pele para proporcionar a cura ou tratamento.

Libertação de medicamentos e compostos farmacêuticos no organismo

A ingestão de medicamentos/compostos farmacêuticos para os pacientes pelo

método mais fisiologicamente aceitável tem sido sempre uma preocupação importante

3 Hemostáticos – material que permite a coagulação do sangue.



da medicina. Em geral, quanto menor as dimensões do medicamento e do material de

revestimento necessário para o encapsular, melhor será o processo de absorção realizado

pelo organismo. A libertação de substâncias através de nanofibras é baseada no

princípio do aumento da taxa de dissolução das partículas com a área superficial do

medicamento e seu portador. Mesmo que a libertação controlada de fármacos em forma

de nanofibras permaneça ainda em estágio inicial, investigações são frequentemente

operadas com o objectivo de optimizar a eficiência do processo [65,66,67,68].

Face às propriedades funcionais manifestadas pela morfologia das nanofibras de

polímero, as composições farmacêuticas podem ser concebidas para proporcionar a

libertação ou dissolução de forma rápida ou mais lenta, sustentada ou pulsada.

Uma vez que o medicamento e o material transportador podem ser misturados

entre si, os modos de associação destes produtos nano estruturados podem ser: (i) as

substâncias são ligadas ou suspensas na superfície transportadora, (ii) as substâncias e o

portador em forma de nanofibras são entrelaçados entre si, (iii) a fusão do medicamento

e o material de transporte integrado num único tipo de fibras e (iv) o material de suporte

é produzido em forma tubular na qual as substâncias são encapsuladas.

Vestuário de Protecção Militar

O vestuário para protecção relacionado com o ramo militar, deve estar capacitado

para aumentar a eficiência na retenção de partículas suspensas no ar, gases bioquímicos,

entre outros. Investigações recentes indicam que, em relação aos têxteis convencionais,

as nanofibras, devido à sua grande área de superfície e à sua elevada porosidade,

apresentam capacidades para neutralizar agentes químicos [69], reduzir a resistência ao

ar e aumentar a impermeabilidade à água [70]. Estes são aspectos importantes para a

eficácia do combate individual do soldado, permitindo maximizar a capacidade de

sobrevivência e sustentabilidade contra condições climáticas, balística e condições NBC

(Nucleares, Biológicas e Químicas) extremas.

Biossensores

Os biossensores normalmente são constituídos por uma membrana biofuncional e

um transdutor. Os parâmetros que afectam o desempenho de um sensor, geralmente

incluem a sensibilidade, a selectividade, o tempo de resposta, a reprodutibilidade e o

envelhecimento, que são directamente dependentes das propriedades da membrana.

Entre estes, a sensibilidade é particularmente importante, devido à forte necessidade da



detecção de gases e substâncias biológicas em baixa concentração. Para melhorar a

sensibilidade é exigido o uso de filmes com maior área de superfície por unidade de

volume. Esta exigência fornece uma oportunidade para a utilização de nanofibras de

polímero integradas nos biosensores [71,72].

Filtros

A eficiência de um dispositivo de filtração está directamente relacionada com a

composição da sua estrutura. Experiências provam que, quanto menor o diâmetro das

fibras, maior o desempenho do filtro, uma vez que, a dimensão dos poros presentes nas

estruturas do filtro é reduzida, o que favorece o aumento da sua densidade. Esta

organização estrutural é importante no processo de filtração para a captura das

partículas sólidas (vírus, poeiras, pólen, etc) ou partículas líquidas (solventes químicos,

poluição atmosférica, vapores de água, etc). Devido à área de superfície elevada em

relação ao volume, as partículas com dimensões menores que 0,5 µm podem facilmente

ser retidas através das nanofibras obtidas por electrospinning [53].

A utilização das nanofibras possui vantagens, não só pela elevada eficiência que

confere ao dispositivo de filtração, mas também pela capacidade de oferecer baixa

resistência ao ar em função da espessura da fibra. Na indústria, fibras com diâmetros

reduzidos são estudadas para a utilização em filtros coalescentes para ar comprimido

(Dry Fit®). Estes dispositivos são capazes de captar gotas de óleo até 0,3 µm, impedindo

a desintegração na sua presença, além de se manterem estáveis, mesmo em contacto

com o oxigénio do ar [73,74].

As nanofibras de polímeros também podem ser electrostaticamente carregadas, de

forma a modificar a capacidade de atracção electrostática de partículas. Perante esta

característica, a eficiência da filtração melhora, sem aumentar a queda de pressão. Neste

sentido, o processo de electrospinning garante boa resposta na produção de fibras com

propriedades electrostáticas a partir de diferentes polímeros [75,76].

Além de cumprir o objectivo principal da filtração, a membrana de nanofibras

fabricada a partir de alguns polímeros específicos e revestidos com alguns agentes

selectivos, também pode ser usada, por exemplo, em filtros moleculares [77]. Esses

filtros podem ser aplicados para a detecção e filtragem de agentes químicos e ameaças

biológicas [69].



Aplicações Electrónicas

As nanofibras com características condutoras são vistas com potencial para o

desenvolvimento de micro/nano dispositivos electrónicos, tais como junções Schottky,

sensores (térmicos, piezoeléctricos, bioquímicos e ópticos - com base em fluorenos para

monitorizar espécies químicas) e actuadores [78,79,80,81,82].

Devido ao facto bem conhecido de que a taxa de reacções electroquímicas é

proporcional à superfície do eléctrodo, as membranas de nanofibras condutoras também

são bastante adequadas para o uso em eléctrodos porosos no desenvolvimento de

baterias de elevado rendimento. As membranas condutoras (em termos eléctricos,

iónicos e fotoeléctricos) também têm potencial em aplicações, incluindo descarga

electrostática, protecção contra corrosão, blindagem electromagnética ou dispositivos

fotovoltaicos (células nano-solares).

Aplicações Energéticas

Na área do armazenamento da energia, concretamente em baterias, têm sido

testados polímeros condutores para catalisar a interface da solução electrolítica com o

eléctrodo. As perspectivas dos vários grupos indicam que a geometria destas baterias,

com acondicionamentos compactos e de reduzidas dimensões, terão como alvo os

dispositivos electrónicos portáteis, com evolução prevista para baterias de maiores

dimensões.

As razões que levam ao interesse das nanofibras de polímero nesta área devem-se,

como esperado, às estruturas porosas e às redes fibrosas compreendidas entre o nível

micro e o nano. As estruturas de poros presentes numa membrana fibrosa permitem

aumentar a percentagem de absorção de electrólitos4, ao mesmo tempo que a grande

área de superfície da rede fibrosa contribui para a condutividade iónica [83].

Existem três propriedades importantes das baterias de polímeros de nanofibras,

nomeadamente: (i) a condutividade iónica, (ii) a resistência entre a membrana das

nanofibras, imersa na solução electrolítica, e os eléctrodos e (iii) a estabilidade

electroquímica.

Experiências realizadas provaram que a absorção das soluções electrolíticas, por

intermédio das membranas fibrosas de polímero, é afectada pelo reduzido diâmetro

4 Electrólitos – material condutivo por meio do qual partículas carregadas - os iões - podem

mover-se facilmente.



médio das nanofibras. Condição que aumenta a condução iónica [84].

A resistência entre a membrana das nanofibras imersa na solução electrolítica e o

eléctrodo, geralmente aumenta com o tempo de carregamento da bateria. Esta é a

conclusão de um estudo com membranas de PVDF absorvidas numa solução de lítio.

No entanto, este tempo é relativamente menor, comparado com outros electrólitos e

polímeros em forma de gel [84].

A estabilidade electroquímica é conferida pela condutividade iónica e a

interconexão das nanofibras de polímero. Para a melhorar, os investigadores adoptaram

diferentes métodos para conceber uma elevada condutividade, aliada à estabilidade

mecânica, através da produção de compostos de nanofibras [85].

Para além das baterias, também a aplicação das nanofibras de polímeros

condutoras foi reportada na produção de supercondensadores. Kim et al. mencionaram

que as nanofibras de Polybenzimidazol (PBI), após um processo de carbonização a altas

temperaturas (850ºC), exibiram longos tempos de carregamento e descarregamento [86].

2.4. Outros Métodos de Produção de Fibras

Ao contrário das técnicas convencionais de “spinning” (wet spinning [87], dry

spinning [88], melt spinning [89] e gel spinning [90]), a técnica “electrostatic

spinning”, ou também electrospinning, requer uma força electrostática para produzir

fibras de diâmetros nanométricos. As técnicas convencionais de “spinning” fazem uso

de forças mecânicas para moldar e alongar o jacto do polímero no diâmetro apropriado.

Embora o patamar industrial actual seja mais notório para estas técnicas que o método

eletrospinning, existem limitações que não permitem a formação de fibras com

diâmetros menores que décimas de mícron, no melhor dos casos [3].

Por outro lado, a criação de fibras com diâmetros consideravelmente reduzidos

tem gerado interesses significativos, devido ao impacto provocado em aplicações onde

são requeridas estruturas de uma (1D), duas (2D) e três dimensões (3D). Em função da

literatura disponível, estas estruturas podem ser produzidas por diversas técnicas, tais

como Drawing [91], Template Synthesis [92], Phase Separation [58] e Self-Assembly

[93], sobre as quais será realizada uma análise nesta secção.



2.4.1.Drawing

No método Drawing [94], as fibras são denominadas de “fibras suspensas” e são

fabricadas pelo contacto com uma gota de solução, depositada previamente com uma

sonda de poucos micrómetros de diâmetro. A sonda desenha uma fibra líquida que,

posteriormente, solidifica pela rápida evaporação do solvente. A fibra desenhada é então

ligada a uma outra gota de solução, resultando numa fibra suspensa.

A deposição prévia das gotas de solução limita significativamente a capacidade de

estender esta técnica, especialmente em configurações tridimensionais. Além disso, há

um tempo limitado, no qual as fibras podem ser desenhadas, pois a viscosidade da gota

aumenta continuamente com o tempo, devido à evaporação do solvente. A contínua

retracção no volume da gota afecta o diâmetro da fibra e, consequentemente, limita a

continuidade do processo. A Figura 2.25 mostra o resultado da utilização de

Poliestireno dissolvido em Xileno para a produção de fibras suspensas.

Figura 2.25 - Fibras e estruturas fibrosas a partir Poliestireno (adaptado de [94]).

O esquema na Figura 2.26 mostra os passos básicos de uma micro-pipeta de vidro

a executar o processo de desenho de uma fibra. O procedimento foi reportado por Nain

et al. [94] e descreve a fixação perpendicular de uma micro-pipeta a um determinado

substrato, que pode ser movido por um motor de elevada resolução posicional (nano-

posicional), para o deslocamento do substrato nas três dimensões cartesianas (x, y, z).

Em primeiro lugar, o substrato é conduzido ao contacto com a gota de polímero

localizada na ponta da micro-pipeta de vidro (etapa A). Em seguida, a pipeta é movida

verticalmente com uma velocidade constante e estaciona a uma altura definida, antes de

desenhar lateralmente uma fibra (Etapa B). Aqui, o tempo de espera após a interrupção,

ou seja, antes de desenhar uma fibra, oferece controlo sobre a viscosidade da solução de

polímero. O estágio posterior é o movimento da base do substrato ao longo de uma

trajectória (x, y) predefinida, com uma velocidade constante, formando assim a fibra

sólida de polímero após a evaporação do solvente (Etapa C). Depois de desenhar a fibra,

o substrato é colocado em contacto com a micro-pipeta de vidro, dando origem a uma

(a) (b)



fibra suspensa (etapa D). Finalmente, o substrato é recolhido rapidamente, rompendo o

contacto com a gota (Etapa E), ou continua a realizar o processo sequencialmente sem

quebrar o contacto.

Figura 2.26 - Esquema das etapas para o desenho de uma fibra baseada no método

Drawing.

Uma das principais vantagens na utilização do método é a versatilidade que

oferece na produção de diâmetros diferentes no mesmo ciclo de produção, ou seja, com

a mesma solução de polímero e o mesmo diâmetro da micro-pipeta, podem obter-se

fibras de diversos diâmetros. Esta característica é conseguida pelo controlo do tempo de

espera na Etapa B, como exibido na Figura 2.27. Aqui, um padrão em cruz é formado

por duas fibras, de 100 nm e 1 μm de diâmetro, respectivamente.

Figura 2.27 - Diferentes diâmetros de fibras obtidos no mesmo procedimento (adaptado de [94]).

2.4.2.Template Synthesis

A produção de nanofibras pelo método Template Synthesis requer o uso de um

molde para obter uma determinada estrutura de fibras (Figura 2.28).

Figura 2.28 - Esquema para o processamento de nanofibras por Template Synthesis.

O modelo desenvolvido por Feng et al. [95] apresenta uma membrana de óxido de

Etapa A Etapa B Etapa C Etapa D Etapa E

Água Pressurizada

Solução de Polímero

Nanofibra

Membrana

com Nanoporos

Solução de

Solidificação



metal, com poros de diâmetros na escala nanométrica (ver Figura 2.29). Aplicando água

pressurizada sobre a solução de polímero, a membrana oferece uma resistência à

passagem da solução pelas zonas porosas. Esta acção causa a extrusão do polímero que,

ao entrar em contacto com uma solução de solidificação, dá origem às nanofibras, cujos

diâmetros são determinados pelos poros.

Figura 2.29 - Superfície da membrana de óxido de alumínio anódico [95].

Segundo Cao e Liu [96], este método de preparação de nanofibras é considerado

pouco dispendioso e fortemente aconselhado para a sua produção em larga escala. O

diâmetro, a densidade e o comprimento das fibras são facilmente e independentemente

controlados. O processo oferece também a vantagem de reduzir o grau de

contaminações (devido às soluções preparadas) no ambiente de produção.

2.4.3.Phase Separation

Ma e Zhang foram os pioneiros na elaboração de matrizes 3D de nanofibras

através do processo de Phase Separation [97]. Esta técnica permite obter redes fibrosas

com diâmetro entre 5 e 50 nm. O principal mecanismo deste processo é a separação das

fases, devido à incompatibilidade física, onde o solvente se extrai das fases restantes. O

procedimento para a produção de nanofibras de PLLA descrito por Ma e Zhang consiste

em três etapas principais: (i) dissolução do polímero, (ii) gelificação e (iii) extracção do

solvente. Uma representação simplificada do processo de Phase Separation pode ser

observada na Figura 2.30.



Figura 2.30 - Esquema genérico do processo Phase Separation.

Liumin et al. [98], através deste método, obtiveram estruturas fibrosas a partir de

PLLA/THF e um sistema ternário PLLA/dioxano/água (ver Figura 2.31). Os resultados

da publicação indicaram a formação de nanofibras simétricas e compactas a partir de

PLLA/THF, quando gelificado durante 2 horas a -30ºC. Em contrapartida, uma matriz

com micro-poros interligados e uma rede de nanofibras foram obtidos a partir de

PLLA/dioxano/água durante o mesmo período de tempo a 12ºC.

Figura 2.31 - (a) Nanofibras de PLLA. (b) PLLA/dioxano/água à escala de 50 µm [98].

2.4.4.Self-Assembly

Self-Assembly [99] é o processo mais complexo de descrever, pelo que o seu

mecanismo genérico consiste em obter uma estrutura organizada, como consequência

das forças inter-moleculares, a partir de um sistema desordenado de pequenas unidades

moleculares. A propriedade da técnica Self-Assembly revela-se na espontaneidade da

auto-formação, em outras palavras, a nano-estrutura auto constrói-se.

A construção de nanofibras por intermédio deste método foi explorada por Wang

et al. [100], revelando que é possível obter determinadas morfologias de Tungstato de

Cádmio (CdWO4) através de um controlo exacto da reacção do processo. Este

Polímero

Etapa A Etapa B Etapa C

Solvente

DissoluçãoGelificação

Evaporação

do Solvente

Polímero

(a) (b)



procedimento experimental apresenta-se documentado na Figura 2.32.

Figura 2.32 - Ilustração do processo de crescimento e auto formação de nanofibras de CdWO4 [100].

Após a conclusão das reacções inter-moleculares é visível a formação de

estruturas fibrosas de CdWO4 (ver Figura 2.33). Importa também referir que o método é

dependente do tempo dispensado às reacções moleculares, pelo que as estruturas

fibrosas são mais evidentes e reforçadas para tempos de reacção até 24 horas.

Figura 2.33 - Nanofibras de CdWO4 obtidas após o tratamento hidrotermal com CTAB [100].

2.5. Conclusões

De todas as técnicas abordadas, o electrospinning é processo mais simples para

produção contínua de fibras com diâmetros nas escalas nanométricas e com potencial

para o processamento industrial. Os maiores desafios do electrospinning são a

uniformidade do diâmetro das fibras e controlar a sua orientação, para além do aumento

da taxa de produção. O tipo de estruturas produzidas pode também ser variado pelo uso

de diferentes configurações, em particular no capilar e colector. Estruturas tubulares,

fios multi-filares e malhas fibrosas podem ser produzidas de forma alinhada ou

aleatória, com diferentes composições, funcionalidades, morfologias ou propriedades

mecânicas. Tudo isto é possível pela manipulação de um campo eléctrico externo e

usando diferentes tipos de colectores. As áreas de aplicação com maior interesse na

actualidade para os materiais poliméricos são as da biotecnologia e da engenharia

biomédica.


CAPÍTULO 3

Caracterização da Técnica de Electrospinning

3.1. Introdução

Neste capítulo são inicialmente apresentados alguns materiais com propriedades

adequadas ao processamento por electrospinning, em particular os polímeros. O

objectivo deste capítulo consiste em descrever os aspectos teóricos por detrás da

técnica, examinar o efeito da alteração dos parâmetros do processo na morfologia das

fibras e, discutir os valores apropriados para o processamento eficaz. Estes parâmetros

podem ser divididos em três grupos principais: i) propriedades da solução, ii) condições

de processamento e iii) condições ambientais. Cada um dos grupos dos parâmetros

exerce influência na deposição das fibras e, nesse sentido, o seu controlo é discutido em

detalhe neste capítulo e apresenta-se resumido no Anexo I.

3.2. Materiais

Em função das características de processamento do electrospinning, diversos tipos

de polímeros e precursores1 podem ser seleccionados para produzir fibras. Os materiais

utilizados dependem das aplicações a que se destinam, pelo que a sua escolha determina

a morfologia e as propriedades das fibras. Materiais como polímeros e compósitos

podem ser empregues directamente pelo electrospinning. Do mesmo modo, é possível

incorporar materiais com propriedades eléctricas, ópticas, magnéticas ou biológicas na

solução polimérica para obter nanofibras multifuncionais. Outros materiais, como as

nanofibras cerâmicas e nano tubos de carbono, podem ser obtidos em resultado de

tratamentos dos polímeros ou compósitos de polímeros inorgânicos [101]. Dadas estas

características, torna-se essencial tomar conhecimento dos diferentes grupos de

materiais, antes de apurar o procedimento experimental, tendo em vista aplicações

específicas.

Particularizando os polímeros, estes são compostos químicos de elevada massa

molecular, resultantes de reacções químicas de polimerização. A sua composição

define-se em macro-moléculas, formadas a partir de unidades estruturais menores (os

monómeros). Estes materiais podem ser classificados em orgânicos, inorgânicos e

sintéticos ou de origem natural. Os polímeros sintéticos são materiais essenciais para

1 Precursores – composto que por meio de uma reacção química origina outro composto.

Capítulo 3 – Caracterização da Técnica de Electrospinning


quase todas as indústrias, sendo os mais conhecidos os PVCs, o Nylon, o isopor, o

teflon ou o acrílico. Entre os vários polímeros naturais citam-se a seda, o látex natural, a

celulose, o colágeno2 e a agarose

3.

A propósito das propriedades que os caracterizam com forte aplicabilidade na

medicina, os polímeros exibem dois tipos de morfologias no estado sólido: semi-

cristalino e amorfo. Os polímeros semi-cristalinos (contêm cadeias poliméricas

ordenadas) por apresentarem uma elevada resistência a tensões, possuem,

consequentemente, um limite de elongação baixo, são preferencialmente utilizados em

aplicações que sofrem carga (stress), como dispositivos de fixação ortopédica e suturas

biodegradáveis e bioabsorvíveis. Os polímeros amorfos (contêm cadeias poliméricas

ordenadas aleatoriamente) por apresentarem resistência inferior a tensões e elongação

mais flexível são mais atractivos em aplicações como sistemas de libertação controlada

de medicamentos.

No processo de electrospinning é documentado o uso de uma variedade de

polímeros sintéticos, naturais ou a mistura de ambos. A maioria dos polímeros é

dissolvida em solventes originando soluções poliméricas. Porém, polímeros fundidos a

altas temperaturas também podem ser utilizados para produzir nanofibras. A Tabela 3.1

fornece alguns dos polímeros mais utilizados no processo electrospinning, onde também

constam os solventes adequados para a dissolução e conservação da integridade química

do polímero.

A combinação de polímeros sintéticos e naturais é considerada vantajosa, não só

no ajuste da solubilidade (modificação química) dos polímeros naturais, mas também

pela facilidade de alteração das propriedades, conduzindo ao melhoramento da

processabilidade. Investigadores recorrem regularmente a esta combinação entre as

propriedades estruturais dos polímeros sintéticos e as bio-funcionalidades dos polímeros

naturais [60].

Os polímeros sintéticos mais indicados para uma determinada aplicação

dependem directamente das suas propriedades físicas, mecânicas, eléctricas, ópticas,

etc. Com a escolha adequada do polímero e do solvente, conseguem-se nanofibras de

diâmetros variados e também uniformemente controlados [102]. Dependendo do

2 Colágeno - proteína abundante no organismo e compõe os tecidos de sustentação, como pele,

ossos, tendões e cartilagens.

3 Agarose - composta de subunidades de galactose e quando dissolvida em água e arrefecida, torna

uma consistência gelatinosa. Esta propriedade é usada em investigação laboratorial, medicina, etc.



polímero especificado, uma vasta gama de propriedades pode ser obtida, destacando-se

a consistência, o peso, a porosidade e a funcionalidade da superfície fibrosa.

Um dos polímeros sintéticos mais utilizados é o Poliestireno (PS) amorfo devido à

sua relativa rigidez, baixo custo e a excepcional propriedade de isolamento. Pelo

processo de electrospinning as fibras de Poliestireno têm potenciais aplicações em

membranas de filtração e vestuário de protecção, devido às superfícies porosas e de

relativa flexibilidade [103]. Os Poliésteres alifáticos biodegradáveis são dos mais

frequentemente investigados para implementação em tecidos humanos. Igualmente, os

Poliuretanos (PUE) são amplamente utilizados em aplicações biomédicas, devido à fácil

síntese das suas superfícies em diferentes formas, tomando especial aplicação em

estruturas em contacto com o sangue. As aplicações actuais incluem cateteres e sistemas

artificiais de bombagem sanguínea. As fibras de origem deste polímero apresentam

também respostas promissoras na aplicação de tecidos para cicatrização [104].

Igualmente, o electrospinning de polímeros naturais tem sido cada vez mais

estudado devido ao crescente interesse na Bioengenharia [105]. Para muitas aplicações

biomédicas, as características mais importantes visam incluir a biocompatibilidade e o

desempenho mecânico. Em comparação com os polímeros sintéticos, os biopolímeros

naturais têm, geralmente, baixa taxa de imunogenicidade (capacidade de suscitar

reacção imunitária) e, portanto, são mais adequados para o corpo humano. No entanto,

apesar de possuírem características necessárias para as aplicações em engenharia

biomédica, a maioria dos polímeros naturais tem preparação complexa, devido à

dificuldade de manuseamento e à desnaturação parcial (perda das propriedades e da

estrutura) [106].

Entre os polímeros naturais, o colágeno é o biopolímero onde a sua aplicação na

engenharia de tecidos se fez notar pelo interesse na área cardiovascular [105,107,108].

Pode ser facilmente obtido por extracção a partir de tecido animal, tais como pele,

músculo e osso. A sua utilidade está presente na criação de vasos vasculares

biodegradáveis compostos por nanofibras. Por desnaturação do colágeno, pode ser

obtida a gelatina, conhecida por possuir biocompatibilidade e biodegradabilidade

semelhante ao colágeno. No entanto, existem poucas tentativas para formar nanofibras

de gelatina por electrospinning, e quando isso é realizado, as soluções resultantes

incluem solventes altamente tóxicos.

Igualmente, a partir de agarose, são conduzidas pesquisas no sentido de

implementar este polissacarídeo, em aplicações biomédicas e na Bioengenharia [109].

Outros exemplos de polímeros naturais utilizados como material neste método incluem



a quitosina [110], acetato de celulose [111], quitina [112], alginato [113] ou o

fibrinogénio [114].

Tabela 3.1 - Alguns materiais e solventes mais utilizados no processo de electrospinning [54].

Classe do Polímero Polímero Solvente

Polímeros de alto

desempenho

Poliamida

Ácido Poliamínico

Polieterimida

Fenol

m-Cresol

Cloreto de Metileno

Polímeros líquidos

cristalinos

Poliaramida

Poly-gamma-benyzyl-gumate

Poli (p-fenileno tereftalamida)

Ácido Sulfúrico

Dimethylformamide

Ácido Sulfúrico

Copolímeros Nylon 6- Poliamida Ácido Fórmico

Polímeros de

fibra têxtil

Poliacrilonitrila

Tereftalato de Polietileno

Nylon

Dimethylformamide

Ácido Trifluoroacético e Diclorometano fundidos em

vácuo

Ácido Fórmico

Polímeros condutores

eléctricos Polianilina Ácido sulfúrico

Biopolímeros

DNA

Polyhydroybutyrate-valerate

PLLA

Água

Clorofórmio

Methyene Chloride e

Dimethylformamide

Poli (D,L-ácido láctico) Dimethylformamide

PEO Água

PMMA Tolueno

PU Dimethylformamide

3.3. Parâmetros ou Propriedades da Solução

As propriedades da solução, incluindo a tensão superficial, peso molecular do

polímero, concentração, viscosidade, volatilidade e condutividade, têm uma importante

influência no processo de electrospinning e na morfologia das fibras. A tensão

superficial desempenha um papel importante na formação de glóbulos ao longo da

extensão da fibra. A viscosidade da solução e suas propriedades eléctricas determinam a

extensão do alongamento do jacto fibroso que, por sua vez, tem influência sobre o

diâmetro das fibras resultantes. Contudo, os efeitos das propriedades da solução são

difíceis de isolar, uma vez que a alteração de um parâmetro pode afectar as outras

propriedades da solução. Por exemplo, a variação da concentração afectará a tensão



superficial, como também a viscosidade.

3.3.1.Tensão Superficial

A tensão superficial refere-se à tensão aproximada na camada superficial de um

fluido. Quando a solução se encontra num estado de equilíbrio, as moléculas no interior

dessa solução são solicitadas igualmente em todas as direcções pelas forças de atracção

das moléculas vizinhas. As moléculas da superfície do fluido sofrem apenas atracção

lateral e inferior. Devido à interacção conjunta destas forças, existe uma tensão na

superfície que faz a mesma comportar-se como uma membrana elástica, originado uma

forma curva.

As unidades da tensão superficial representam-se pela força exercida numa

superfície por unidade de comprimento (N/m). Um fluido em contacto com uma

superfície sólida toma uma forma, determinada pela relação entre três forças: a força da

gravidade, a força da interacção entre as suas moléculas (forças de coesão) e a força de

interacção entre essas moléculas e as partículas da superfície sólida (forças de

aderência).

No processo electrospinning, quando um fluido é carregado electricamente, a sua

superfície actua em oposição à tensão superficial, provocando a alteração da sua forma

[23]. A tendência da tensão superficial é sempre em converter o fluido numa ou mais

pequenas gotas esféricas, de modo a minimizar a energia superficial. Por outro lado, as

repulsões electrostáticas entre as cargas do fluido tendem a aumentar a área superficial

[115]. Sempre que as cargas contidas na solução de polímero superam a sua tensão,

origina-se a estrutura geométrica em forma de cone de Taylor, já abordada.

O impacto da tensão superficial na morfologia e na dimensão das nanofibras surge

como um parâmetro de interesse na caracterização do processo de electrospinning. Fong

et al. [116] reportaram que esta propriedade da solução é um dos factores, além da

densidade e viscoelasticidade, que influenciam a formação de fibras com glóbulos ou

“beads”. Os resultados demonstram que a adição de etanol à solução de Poli (óxido de

etileno) (PEO) diminuiu a tensão superficial e, consequentemente, a formação de

glóbulos. O mesmo procedimento foi explorado por Zhang et al. [65] mas com a

solução de Poli (vinil álcool) (PVA). O resultado foi manifestamente oposto ao obtido

pela solução de PEO, ou seja, a percentagem de glóbulos aumentou.

A Figura 3.1 apresenta a diferença na morfologia das fibras obtidas pelo mesmo

procedimento nas duas soluções. Por um lado, estes resultados demonstram a



importância do conhecimento prévio das reacções manifestadas pela adição dos

solventes. Por outro lado, conclui-se que os parâmetros de processamento óptimos para

uma determinada solução podem conduzir a resultados não satisfatórios noutra.

Figura 3.1 - Variação taxa de formação de glóbulos pela adição de etanol: (a) solução de PEO e (b)

solução de PVA [65].

A propriedade da solução em discussão depende, não só da natureza do fluido,

mas também do meio envolvente e da temperatura do fluido. Em geral, a tensão

superficial diminui com a temperatura, já que as forças de coesão diminuem ao

aumentar a agitação térmica. A influência do meio exterior é compreendida, já que as

moléculas do meio exercem acções contrárias sobre as moléculas situadas na superfície

do líquido. Além disso, uma elevada tensão superficial da solução, inibe o processo de

electrospinning, quer devido à instabilidade do jacto ou à pulverização de micro gotas

direccionadas ao colector. Quando posta em níveis inferiores aos da sua natureza,

potencializa a aplicação de um campo eléctrico menor. Uma situação favorável acontece

quando a fonte de alta tensão não permite aplicar valores de tensão suficientes em

determinados fluidos [106].

3.3.2.Peso Molecular do Polímero

A propriedade peso molecular (Mw) ou massa molecular, representa a soma dos

pesos atómicos de todos os átomos que compõem uma molécula, sendo expressa em

unidades de massa atómicas (u) ou ainda dalton (Da). Como as cadeias de polímeros

são formadas por unidades de repetição (monómeros), o peso molecular do polímero é a

soma dos pesos das suas unidades individuais.

A influência do peso molecular nas estruturas produzidas pelo electrospinning

também foi investigada. Os resultados provam que, além do efeito nas propriedades

reológicas (viscosidade e elasticidade da solução), o peso molecular de um polímero

(a) (b)



tem efeito significativo sobre as propriedades eléctricas, como a tensão superficial,

condutividade e resistência dieléctrica da solução [117].

Diversas experiências foram realizadas com vários pesos moleculares e

concentrações da solução, para destacar as diferenças estruturais originadas. Koski et al.

[118] demonstraram que, para cada peso molecular, partindo de uma solução de PVA,

existe concentração mínima necessária para estabelecer estruturas fibrosas. Existe

também uma concentração máxima, a partir da qual a solução não pode ser utilizada.

Pela observação da morfologia das nanofibras, um baixo peso molecular origina a

formação de glóbulos, em vez de fibras, e uma solução de elevado peso molecular

origina fibras com maior diâmetro. Esta relação foi investigada por Gupta et al. [119]

através da sintetização de Poli (metilmetacrilato) (PMMA), variando o peso molecular

de 12.47 a 365.7 kDa.

3.3.3.Concentração da Solução

No processo de electrospinning, a concentração da solução polimérica determina a

formação ou ausência das nanofibras. Devido a essa razão, a solução deve ter um nível

concentrado de polímeros suficiente para se estabelecerem cadeias de ligações entre as

moléculas. Contudo, situações extremas não beneficiam o processamento, ou seja, a

solução não pode ser nem demasiado diluída ou demasiado concentrada. Pelos estudos

realizados, está comprovado que a concentração do polímero influencia tanto a

viscosidade, como a tensão superficial da solução, as quais são parâmetros muito

importantes no processo. Assim, para o caso de uma solução muito diluída, a fibra de

polímero irá forçosamente dividir-se em gotas antes de alcançar o colector, devido aos

efeitos da tensão superficial (Figura 3.2 (a)). No entanto, se a solução é muito

concentrada, as fibras não serão formadas devido à elevada viscosidade, dificultando o

controlo do fluxo da solução [120]. Diversos estudos revelam também que a baixa

concentração da solução potencia a geração de fibras com glóbulos. Com o aumento da

concentração, a presença dos mesmos é atenuada (Figura 3.2 (b). Por conseguinte, o

sucessivo aumento, até a um nível satisfatório (dependente do polímero), as fibras

tomam diâmetros superiores, em função da maior resistência do fluido (Figura 3.2 (c)

[119,121,122,123].



Figura 3.2 - Evolução da formação das fibras em função da variação da concentração: (a) electrospinning em regime de concentração diluída (b) regime de concentração semi-diluída e (c) regime de concentração

óptimo [119].

Outro estudo conduzido por Deitzel et al. [124] complementa que a variação da

concentração da solução (dentro de um intervalo) tem consequências na morfologia das

fibras. Para baixa concentração (solução de PEO/água a 4wt%), revela fibras

irregulares, com superfícies onduladas e grandes variações de diâmetro ao longo de uma

única fibra. Registam-se também bastantes cruzamentos e feixes de fibras. Em elevada

concentração (solução de PEO/água a 10wt%), as fibras são processadas em estruturas

regulares, cilíndricas e, em média, possuem diâmetros maiores e mais uniformizados,

como havia sido também comprovado nas investigações citadas anteriormente. Para

concentrações superiores (solução de PEO/água a 15wt%), as fibras apresentam-se

distendidas, numa morfologia cilíndrica, com relativamente poucos feixes e

cruzamentos.

3.3.4.Viscosidade da Solução

A viscosidade é a medida da resistência ou fricção interna de uma substância ao

fluxo/escoamento quando se encontra sujeito a uma tensão tangencial4. No sistema

internacional, a unidade de viscosidade é pascal segundo (Pa.s). Contudo, a unidade

de viscosidade mais usada em artigos de investigação é o poise (P), em homenagem ao

fisiologista francês Jean Louis Poiseuille (1799 – 1869).

Geralmente, a viscosidade da solução está relacionada com o grau de

emaranhamento das cadeias moleculares do polímero na solução. Quando a viscosidade

da solução é muito baixa, pode ocorrer electrospraying (formação de micro gotas), em

vez do jacto fibroso. Com baixa viscosidade, onde geralmente as ligações da cadeia

polimérica são de menor intensidade, há uma maior probabilidade de obter fibras

onduladas, em vez de fibras lisas. Portanto, factores que afectam a viscosidade da

4 Tensão tangencial - tensão gerada por forças aplicadas em sentidos opostos. Age tangencialmente

à superfície do material.

(a) (b) (c)



solução também afectarão o processo e as fibras dele resultante.

Um dos factores que afecta a viscosidade da solução é o peso molecular do

polímero. Normalmente, quando um polímero de peso molecular mais elevado é

dissolvido, a viscosidade da solução será mais elevada do que a solução do mesmo

polímero, mas de peso molecular mais baixo. Uma das condições necessárias ao

processamento do electrospinning consiste em garantir um peso molecular do polímero

suficiente e, consequentemente, um nível aceitável de viscosidade da solução. Esta

condição é necessária para manter a continuidade de um jacto uniforme durante o

electrospinning. Durante a dilatação da solução, se o número de ligações entre as

cadeias poliméricas for garantido, mais dificilmente suscitará a quebra do jacto [54].

Outro dos factores que afecta directamente o valor da viscosidade é a

concentração da solução. Esta tem o mesmo efeito dominante sobre o comportamento

do jacto (tal como o peso molecular), de tal forma que, se a concentração for baixa e

insuficiente para formar fibras, origina o electrospraying. Por outro lado, uma

concentração elevada impõe uma elevada viscosidade, causando a deslocação de

enormes massas de solução para o colector, impedindo assim o “estiramento” do jacto

[124]. Deste modo, é essencial aplicar valores harmoniosos à viscosidade da solução

para alcançar fibras em nano escala.

3.3.5.Evaporação do Solvente / Volatilidade da Solução

A escolha do solvente é igualmente crítica pelo facto de influenciar a morfologia,

a estrutura e as propriedades mecânicas das fibras. Para que a evaporação do solvente

ocorra entre a ponta da agulha e o colector, deve ser usado um solvente volátil que

mantenha a integridade da solução do polímero. O sucesso do processamento das

nanofibras depende, em muito, da selecção apropriada do solvente.

Quando o jacto fibroso viaja através da atmosfera em direcção ao colector, a

evaporação do solvente deve ocorrer antes da solidificação e deposição das fibras;

processo fortemente influenciado pela volatilidade do solvente. Se a taxa de evaporação

do solvente é muito baixa, de modo que a solução não evapore o suficientemente antes

do jacto fibroso atingir o colector, as fibras dificilmente serão formadas e, em vez disso,

é depositada uma película fina de solução de polímero.

Para ocorrer a formação das fibras, é necessária a presença de um solvente com

alta pressão de vapor [125]. Sistemas que utilizam água como solvente também

funcionam. Contudo, se a pressão de vapor não for suficientemente alta, pode haver a



formação excessiva de glóbulos (gotículas presas nas fibras).

Partindo de soluções com proporções diferentes de solventes Dimetilformamida

(DMF) e Tetrahidrofurano (THF), Megelski e os seus colaboradores examinaram as

propriedades estruturais das fibras do polímero poliestireno (PS). Após o

electrospinning das soluções com THF (mais volátil), verificaram uma densidade

elevada de poros nas fibras resultantes. Nas soluções de DMF (menos volátil)

testemunharam a formação de fibras com superfícies lisas [126].

A influência da evaporação do solvente na morfologia das fibras é apresentada na

Figura 3.3. A imagem ilustra estruturas porosas de Poliestireno (PS) diluído em

Clorofórmio sobre substratos de vidro [8].

Figura 3.3 - Estruturas porosas associadas à evaporação do solvente (adaptado de [8]).

As estruturas resultam de soluções concentradas de 1% e 12,5% e partilham as

imagens (a) e (b), respectivamente. A partir destes valores, é notória a influência do

solvente, pelo que a presença dos poros se faz notar praticamente com a mesma

morfologia em ambas as estruturas, seja em baixas ou em altas concentrações.

Segundo as conclusões de Megelski e seus colaboradores, o processo de formação

de poros decorrentes da rápida evaporação do solvente, ocorre provavelmente devido às

gotas de água presentes na atmosfera. Essas gotas são originadas pela evaporação da

solução durante a deslocação do jacto entre a seringa e a zona de deposição.

As superfícies fibrosas obtidas pela selecção de solventes com diferentes valores

de volatilidade possuem vastas aplicações como demonstrado no capítulo 2. A presença

de estruturas nano porosas em vez de nanofibras lisas, potenciam a sua utilização em

aplicações como adesão celular [127], catálise [128], filtros [129], membranas de

células de combustível [130], entre outras.

(a) (b)



3.3.6.Condutividade Eléctrica da Solução

A condutividade de uma solução é determinada pela capacidade de movimento

(em massa) dos iões presentes na solução ou ainda, a facilidade com que a solução é

capaz de conduzir uma corrente eléctrica.

Quando uma diferença de potencial é aplicada a um determinado volume de

solução, a intensidade da corrente que flui pela solução será proporcional à quantidade

de iões presentes. Note-se que soluções com alta condutividade terão maior capacidade

de carga do que soluções com baixa condutividade. No primeiro caso, o jacto fibroso,

na presença de um campo eléctrico, submete-se a uma força electrostática maior do que

no segundo (resultado do somatório de todas as forças de cada carga).

A influência da condutividade de uma solução polimérica na dimensão das fibras

ou no comportamento do jacto foi abordada em diversas investigações. Hayati et al.

testemunhou que soluções altamente condutoras revelavam-se extremamente

inconstantes na presença de fortes campos eléctricos, manifestando aumento do

diâmetro do jacto e nas fibras depositadas [131]. Por outro lado, semi-condutores e

isolantes líquidos, como óleos parafínicos, apresentaram fibras relativamente sólidas e

uniformes, embora possuam poucas cargas livres na superfície do líquido. Zhang et al.

analisou o efeito da adição de iões, numa solução de PVA/água, no diâmetro das fibras

[65]. Ao adicionar concentrações crescentes de NaCl (variando de 0,05 a 0,2%) à

solução de PVA/água, diminuíram o diâmetro médio da fibra de 214 ± 19 nm para 159

± 21 nm. Os autores atribuíram esta diminuição do diâmetro ao aumento das cargas, em

resultado da densidade do NaCl, que aumentou a força eléctrica exercida sobre o jacto.

Para reforçar as suas observações, determinaram também que a condutividade da

solução aumentou de 1,53 para 10,5 mS/cm (milisiemens por centímetro), com o

incremento da concentração de NaCl de 0,05 para 0,2%.

Em síntese, geralmente, o aumento da condutividade eléctrica da solução ou a

densidade de cargas é usado para reduzir e uniformizar o diâmetro das fibras e, ao

mesmo tempo, diminuir o número de glóbulos. Contudo, para fibras resultantes de

Ácido Poliacrílico (PAA), onde o aumento da condutividade foi obtida também pela

adição de NaCl, foi observado o inverso, ou seja, aumentando a condutividade,

aumentou o diâmetro das fibras [132]. Segundo o autor desta investigação, esta

mudança estrutural pode ser causada pela alteração configuracional da cadeia de PAA.



3.4. Parâmetros ou Condições de Processamento

Vários factores externos, incluindo a tensão eléctrica aplicada, a corrente eléctrica

fornecida, o fluxo da solução, a temperatura da solução, o posicionamento e diâmetro da

agulha, e a distância entre a extremidade da agulha e o colector, têm influência no

processo de electrospinning. Apesar de a literatura considerar estes parâmetros menos

significativos do que os parâmetros da solução, eles apresentam uma certa influência

nas propriedades das fibras.

3.4.1.Tensão Aplicada e Corrente Fornecida

Um dos parâmetros mais estudados entre as variáveis controladas é o efeito do

campo eléctrico (kV/cm) ou da tensão aplicada entre a agulha e o colector

[124,131,133,134]. Normalmente, uma gota fica suspensa na extremidade da agulha ou

capilar, onde posteriormente um jacto é formado a partir do Cone de Taylor (assumindo

que as forças do campo eléctrico são suficientes para superar a tensão superficial do

fluido). Com o aumento da tensão, o volume da gota diminui, provocando o

alongamento do cone. O jacto acaba por formar-se a partir da extremidade mais fina do

cone, onde este já não é visível sem auxílio da tecnologia. Nestas condições, pode-se

observar a formação do jacto com grande diâmetro (comparativamente às fibras

depositadas) e o aumento de glóbulos. Se a tensão aplicada for demasiadamente elevada

para a solução em estudo, o Cone de Taylor desaparece resultando na ausência de fibras.

A Figura 3.4 representa a evolução das etapas descritas, em função do aumento gradual

da tensão no capilar.

Figura 3.4 - Evolução do jacto fibroso com o incremento da tensão aplicada.

Na maioria dos casos, altas tensões induzem maior alongamento da solução, e isso

resulta numa redução do diâmetro das fibras [126,134]. No entanto, em algumas

soluções, o aumento no diâmetro das fibras foi observado perante tensões elevadas [65].

A formação de jactos secundários, especialmente para soluções de baixas

concentrações, é outra razão para o resultado ser fibras mais finas em função de uma

Capilar

Jacto Fibroso

Aumento da Tensão Aplicada



maior tensão aplicada [135].

A alta tensão pode também afectar a cristalinidade das fibras do polímero. Um

aumento na tensão aplicada favorece maior ordenação nas moléculas do polímero,

resultando em maior cristalinidade. No entanto, deve notar-se que é necessário um

tempo mínimo para a orientação das moléculas, de modo a obter fibras de maior

cristalinidade. Para isso, é exigida uma distância suficiente entre o capilar e o colector

[135].

Em síntese, a não aplicação de um potencial adequado leva à formação de fibras

com defeitos ou mesmo a instabilidades no jacto. Quando o campo eléctrico criado não

é suficientemente forte para superar a tensão superficial e as forças viscoelásticas da

solução, o aumento da tensão é o procedimento lógico para o sucesso da operação. No

entanto, dada a reduzida distância (ordem de alguns cm) entre o capilar e o colector, a

probabilidade de surgirem descargas eléctricas aumenta [3].

Com respeito à corrente eléctrica, esta flui pela solução carregada electricamente

através da agulha para o colector. A interface entre a agulha e o colector deve-se à

condução das cargas iónicas presentes na solução que procuram fechar o circuito. Este

circuito (equivalente) do electrospinning apresenta-se na Figura 3.5. Perante a tensão

(V) aplicada nas resistências Rp e R, flui uma corrente eléctrica determinada pela Lei de

Ohm. O conteúdo do espaço envolvente ao jacto fibroso electricamente carregado

representa-se pela resistência Rp, a qual apresenta diferentes valores para as várias

condições de humidade, temperatura, e solução. A resistência R permite a medição da

corrente e normalmente possui valores acima dos 10 MΩ.

Figura 3.5 - (a) Esquema representativo do processo electrospinning. (b) Circuito equivalente (adaptado

de [136]).

A evolução da corrente eléctrica depende directamente da variação do fluxo da

solução e, naturalmente, da tensão aplicada. Em particular, a variação do fluxo da

solução implica a formação de jactos diferentes e, consequentemente, a alteração do

v

(a) (b)



valor da corrente que por eles flui. O aumento do fluxo da solução é assim

acompanhado pelo aumento da corrente eléctrica. Isto acontece porque a corrente

eléctrica, pela sua definição, é a quantidade de cargas (∆Q) transportadas num

determinado volume de solução durante um determinado período de tempo (∆t), e isso é

dependente do fluxo [137].

Embora negligenciada pela maior parte dos investigadores devido aos valores

muito reduzidos, o seu controlo é associado ao alto desempenho do processo. Para

alguns investigadores, a variação da corrente interfere na morfologia e na concentração

de glóbulos nas nanofibras [116,136,138]. Para cada solução existe uma corrente

eléctrica média ideal, e esta depende das suas propriedades, tais como a viscosidade, a

resistividade e a condutividade eléctrica.

Na maior parte das investigações, o diâmetro das nanofibras é manipulado pela

variação da tensão entre os eléctrodos. Estudos recentes comprovam que também a

corrente eléctrica influência este aspecto. Além disso, a qualidade das fibras reflecte o

efeito das flutuações sofridas pela corrente e, por conseguinte, é importante que o

sistema de electrospinning proporcione uma corrente eléctrica constante durante o

processo [139].

O controlo da corrente eléctrica é visto como solução para estabilizar o

comportamento da corrente, influenciada pelas variações involuntárias da tensão e do

fluxo da solução. Igualmente, o controlo deve ser implementado para proporcionar uma

corrente constante, através do ajuste da tensão aplicada no ânodo, em resposta às

alterações da resistência Rp.

Munir e os seus colaboradores deram resposta a todos estes problemas, através da

implementação de um controlo Proporcional Integral e Derivativo (PID) [139]. O

controlo consiste na medição da corrente eléctrica que flui na região entre os eléctrodos

(capilar e colector), e o consequente ajuste para um valor definido através da

manipulação da tensão aplicada. A corrente eléctrica durante o processo é determinada

pela introdução de uma resistência (na ordem dos 20 MΩ) entre o cátodo e a terra do

sistema.

A Figura 3.6 apresenta a resposta da corrente, ajustada pelo sistema, perante um

distúrbio causado por factores como a tensão superficial ou a viscosidade da solução

precursora. No gráfico, facilmente se observa a rapidez de resposta aplicada a sistemas

com esta natureza. O distúrbio ocorrido aos 2 s foi corrigido passados ~1,5 s, para uma

corrente eléctrica de 40 nA. O rápido restabelecimento da corrente de referência,



potencializa a produção uniformizada de nanofibras, constituindo uma melhoria

significativa no modelo de processamento.

Figura 3.6 - Ajuste da corrente eléctrica em função de um distúrbio provocado [139].

Para além de possibilitar a uniformização dos diâmetros, o aumento da corrente

eléctrica também permite a sua diminuição. Perante o fornecimento de correntes a variar

entre 45 e 95 nA, resultaram fibras com diâmetros entre 1200 e 610 nm,

respectivamente. A Figura 3.7 (a) – (f) comprova esta relação entre a corrente e o

diâmetro.

Figura 3.7 - Nanofibras de PVP obtidas para diferentes valores da corrente eléctrica: (a) 45, (b) 55, (c)

65, (d) 75, (e) 85 e (f) 95 nA [139].



3.4.2.Fluxo da Solução

O fluxo da solução determina a quantidade de solução disponível para o

electrospinning. Na literatura, o número de estudos relacionados com este parâmetro é

muito limitado, contudo, relacionam o fluxo da solução com a dimensão e a morfologia

das fibras. Em geral, o aumento do fluxo da solução favorece o aumento diâmetro da

fibra, muito embora exista um limite do diâmetro para o sucessivo aumento do fluxo.

Fluxos elevados também podem originar fibras com glóbulos, devido à elevada

quantidade de solvente que deve evaporar antes de alcançar o colector.

O impacto do fluxo da solução é também relatado na morfologia das fibras,

nomeadamente a porosidade e a geometria. Megelski et al., a partir da solução de

Poliestireno/Tetrahidrofurano (PS/THF) observaram o aumento da dimensão dos poros

com o fluxo da solução. Além disso, para fluxos elevados, a evaporação revela-se

incompleta, conduzindo à formação de fibras achatadas, em vez de fibras com secção

circular [126].

Do mesmo modo, o sucesso do electrospinning depende também do equilíbrio

deste parâmetro, uma vez que quantidades insuficientes ou excessivas impossibilitam a

sua realização. No primeiro caso, o Cone de Taylor na extremidade do capilar não se

mantém, caso o fluxo se revele insuficiente para substituir a solução projectada ao

colector. No segundo caso, as forças do campo eléctrico são impedidas de actuar (na

orientação do jacto) perante fluxos elevados de solução. Quando isto acontece, a gota

que origina o jacto desprende-se pela acção da gravidade, sem antes sofrer orientação

eléctrica.

3.4.3.Temperatura da Solução

A temperatura da solução possui o duplo efeito de aumentar taxa de evaporação

do solvente e reduzir a viscosidade da solução. Mit-Uppatham e os seus colaboradores

verificaram este efeito quando produziram fibras de Poliamida-6 com temperaturas a

variar entre os 30 e 60ºC [140]. Os resultados atestaram que a variação da temperatura

entre os valores referidos provoca a diminuição do diâmetro médio das fibras de 98,3 ±

8,2 nm para 89,7 ± 5,6 nm. Esta consequência foi atribuída à alteração da viscosidade

(517-212 cp), uma vez que baixa viscosidade significa redução das forças viscoelásticas

contrárias às forças de alongamento – forças de Coulomb, resultando em fibras de

menor diâmetro. No entanto, nem sempre o aumento da temperatura é benéfico. Nos

casos em que as substâncias biológicas, como enzimas e proteínas são adicionadas à



solução para electrospinning, o uso de elevada temperatura pode causar a eliminação da

funcionalidade da substância.

3.4.4.Posicionamento e Diâmetro da Agulha

O posicionamento da agulha numa montagem de electrospinning é adoptado em

diferentes perspectivas para a alimentação da solução. O objectivo consiste em ajustar a

montagem em função das características da solução polimérica. Alguns autores,

simplesmente optam por posicionar o capilar perpendicularmente ao colector, deixando

o fluido polimérico cair por acção da gravidade [141]. Por vezes, o capilar pode ser

inclinado segundo um determinado ângulo para controlar o fluxo [142]. Noutros casos,

o capilar posiciona-se na horizontal ou com inclinação (de 10º em relação à horizontal,

por exemplo), de modo que a gota se mantenha na extremidade do capilar com a ajuda

da tensão superficial do fluido [143,144]. Normalmente, para criar um fluxo constante

(ou também variável), é usada uma bomba para formar a gota. A bomba também é

utilizada no caso de alimentação vertical.

O diâmetro interno da agulha influencia o volume do material submetido ao

campo eléctrico. A redução no diâmetro interno da agulha constitui uma forma de

reduzir o diâmetro das nanofibras. Quando o volume da gota situada na extremidade da

agulha é atenuado, em função da presença do menor diâmetro da agulha, a tensão

superficial do fluido aumenta. Desta forma, para uma mesma diferença de potencial

aplicada, serão necessárias maiores forças de Coulomb para originar o início do jacto.

Como resultado, a aceleração do jacto diminui, consentindo mais tempo para a solução

ser alongada antes do contacto com o colector. No entanto, se o diâmetro interno da

agulha for extremamente reduzido, dificilmente a solução será expulsa da agulha porque

a tensão superficial da solução será muito elevada [135]. Noutra perspectiva, se a

diferença de potencial aplicada aumentar, para um menor volume de solução, o

diâmetro das fibras diminui [145].

3.4.5.Distância entre a Extremidade da Agulha e o Colector

A distância entre a extremidade da agulha e o colector tem sido estudada por

diversos autores com o objectivo de controlar as propriedades das fibras, dado que a

distância tem influência na intensidade do campo eléctrico e no tempo de voo das fibras

[146,147]. Como referido nas secções anteriores, é indispensável uma distância mínima

para a total evaporação do solvente, antes das fibras alcançarem o colector. O efeito e o



valor da distância são assim fortemente dependentes das características da solução, não

sendo possível determinar com exactidão a distância média para o processo de

electrospinning em geral. Contudo, estima-se que na maioria das experiências são

estabelecidas distâncias a variar entre 5 e 25 cm.

Em alguns casos, as variações da distância não interferem no diâmetro das fibras.

No entanto, quando a agulha se encontra muito próxima do colector, podem ser

observados glóbulos na constituição das mesmas [126]. Normalmente, o afastamento da

agulha favorece a redução do diâmetro das fibras, devido ao aumento do tempo de voo

[135]. No entanto, para determinadas soluções processadas entre 8 e 16 cm, o diâmetro

aumenta, em resultado do enfraquecimento do campo eléctrico, influenciado pela

distância [148]. Noutro estudo, em consequência da variação de 1 para 3,5 cm, o

diâmetro do jacto fibroso (em espiral) diminuiu cerca de 2 vezes, de 19 para 9 cm,

respectivamente [149].

A relação do diâmetro médio das fibras, em função do afastamento da agulha ao

colector, é apresentada no gráfico da Figura 3.8. Considerando uma solução precursora

Poliacrilo Nitrila (PAN), observa-se que para distâncias superiores a 14 cm, não existe

nenhuma variação mensurável no diâmetro das fibras. Entre as distâncias 8 a 12cm, o

diâmetro manteve-se constante durante o intervalo, à semelhança das distâncias

anteriores, mas com diâmetro superior. Segundo o autor, em deposições estabelecidas

para distâncias mais reduzidas (2 a 8 cm), resultam fibras espessas e enroladas, com os

diâmetros a variar inversamente com distância. Além disso, a estrutura formada

assemelha-se a uma superfície esponjosa, devido à presença de solvente.

Figura 3.8 - Diâmetro das fibras em função da distância entre a extremidade da agulha e o colector [138].



3.5. Parâmetros do Ambiente

Até à actualidade, poucos são os estudos publicados tendo em vista a descrição

dos parâmetros ambientais no processo de electrospinning, nomeadamente a

temperatura, a humidade e a pressão. Mesmo assim, neste subcapítulo são descritas as

alterações em termos comportamentais do processamento e nos resultados morfológicos

das fibras, provocadas pela manipulação destes parâmetros.

3.5.1.Temperatura Ambiente

Tal como referido para a temperatura da solução na secção 3.4.3, também a

temperatura no espaço de processamento interfere directamente na evaporação do

solvente e na viscosidade do fluido. O diâmetro médio das nanofibras é alterado em

consequência do efeito da temperatura sobre estes dois parâmetros [136].

O efeito da temperatura na taxa de evaporação do solvente, em particular no

etanol, indica que esta decresce exponencialmente com a diminuição da temperatura.

Em consequência, o jacto necessita de mais tempo para solidificar. Por outro lado, a

liberdade de movimento das cadeias poliméricas é maior perante temperaturas elevadas,

resultando na menor viscosidade da solução. Pelo princípio de funcionamento do

electrospinning, a força eléctrica aplicada durante o processo é responsável pelo

prolongamento e distensão do jacto polimérico. Como tal, esta distensão é contrariada

pelas forças viscosas, em conjunto com a tensão superficial. Se a viscosidade da solução

diminuir em função de uma temperatura mais elevada, a taxa de distensão aumenta e

consequentemente formam-se fibras de diâmetros menores.

Os efeitos acabados de descrever foram comprovados por Vrieze et al. [150], pela

produção de nanofibras de Polivinilpirrolidona (PVP) dissolvido em etanol. O

procedimento teve como base a deposição a três temperaturas distintas nomeadamente,

283 K (9,85 0C), 293 K (19,85

0C) e 303 K (29,85

0C). Paras as temperaturas de 283 K e

303 K, o diâmetro médio das nanofibras revelou-se menor, relativamente à temperatura

de 293 K (Figura 3.9).

As razões apontadas pelos autores indicam que, para a menor temperatura (283

K), provavelmente, o primeiro efeito (diminuição da temperatura e da evaporação) é

dominante sobre o segundo (aumento da temperatura e diminuição da viscosidade),

devido à variação exponencial da taxa de evaporação do solvente com a temperatura. Na

temperatura mais elevada, o segundo efeito é dominante, devido à diminuição

exponencial da viscosidade, em função do aumento da temperatura.



Em síntese, ambos os efeitos resultam numa diminuição do diâmetro da fibra.

Portanto, o menor diâmetro médio é obtido a baixas temperaturas, devido ao primeiro

efeito e também a altas temperaturas, devido ao segundo efeito. Na temperatura

intermédia (293 K), o diâmetro da fibra atinge um máximo.

Figura 3.9 - Diâmetro médio das nanofibras de PVP em função da temperatura (adaptado de [150]).

3.5.2.Humidade Relativa do Ar

A Humidade Relativa do ar (HR) no ambiente de processamento constitui outro

parâmetro de controlo do processo. Perante humidades elevadas, é notória a

condensação da água na superfície das fibras, quando processadas em atmosferas

normais (ar). Como resultado, verifica-se a influência directa na morfologia das fibras,

em especial nos polímeros dissolvidos em solventes voláteis [126].

Experiências utilizando duas soluções separadamente, uma de Poliestireno (PS)

dissolvido em Tetrahidrofurano (THF), e outra de etanol, contendo Polivinilpirrolidona

(PVP)/Ti(OiPr)4, evidenciam fibras com superfícies lisas para HR do ar inferiores a

25% e 30%, respectivamente (Figura 3.10 (a) e (d)). Perante o aumento da HR acima

destes valores, assiste-se à formação gradual de poros circulares nas camadas

superficiais das nanofibras (Figura 3.10 (b)). Adicionalmente, estes poros aumentam de

dimensão com a humidade, tendo tendência a unir (coalescência5), originando estruturas

não uniformes, como mostrado na Figura 3.10 (c) e (e). Além disso, a profundidade e a

densidade das estruturas porosas também aumentam com a humidade [103,115].

5 Coalescência - junção de dois ou mais poros dispersos num fluido (neste caso fibra), resultando

em menos poros, mas de dimensão maior.



Figura 3.10 - Evolução das superfícies e estruturas fibrosas de PS e Ti(OiPr)4/PVP com o aumento da

HR do ar. (a) Fibras de PS processadas à HR <25%. (b) HR 50-59%. (c) HR 60-72%. (d) Fibras

cerâmicas (Ti(OiPr)4/PVP) processadas à HR 30%. (e) HR 70% (adaptado de [103,115]).

O efeito da HR do ar sobre as cargas electrostáticas presentes nas superfícies das

fibras também foi estudado por Li et al. [151]. Perante os resultados, sugeriram que a

humidade provoca a diminuição da quantidade das cargas presente nas fibras, devido à

neutralização destas pela água. Quando isto acontece, as fibras depositadas tornam-se

menos ordenadas, uma vez que a densidade de cargas desempenha um papel importante

no controlo do seu alinhamento.

Por outro lado, a formação de glóbulos ao longo das fibras e a variação do seu

diâmetro médio também são influenciados pela humidade. Tripatanasuwan et al. [152]

provaram que a HR do ar é, efectivamente, um parâmetro de controlo do processo, na

medida em que se verifica o decréscimo linear do diâmetro das fibras e da taxa de

evaporação com o aumento da humidade. Pela análise do gráfico da Figura 3.11,

observa-se que o diâmetro médio das nanofibras de Poli (óxido de etileno) diminuiu

gradualmente de cerca de 253 nm (HR=5,1%) para 144 nm (HR=48,7%). As fibras com

glóbulos foram formadas de forma sistemática, a partir de determinado valor de

humidade (52 - 64%).

(a) (b) (c)

(d) (e)



Figura 3.11 - Diâmetro médio das fibras de Poli (óxido de etileno) processadas a diferentes humidades

relativas [152].

3.5.3.Tipo de Atmosfera

As diversas atmosferas, normalmente são conseguidas pela injecção de um gás

comprimido no espaço envolvente ao conjunto capilar – colector. Em determinados

casos, a presença de atmosferas específicas, isto é, atmosferas compatíveis com os

polímeros/solventes empregues, facilita o processamento das fibras, sempre que, em

atmosferas normais, a sua produção não é consentida.

Numa análise muito sucinta, os gases são constituídos por átomos e moléculas e,

sob o ponto de vista eléctrico, e em condições normais, são isolantes. Para que exista

condução da corrente eléctrica através de um gás, é necessário ionizá-lo. Uma das

formas de o fazer é pela aplicação de campos eléctricos elevados, nos quais os iões ou

electrões possuem energia cinética suficiente para produzir a ionização. Estas partículas

são aceleradas pelo campo eléctrico intenso, originando arcos eléctricos (inadequado

para o electrospinning).

Com base nas circunstâncias anteriores, é possível afirmar que gases diferentes

possuem comportamentos diferentes, na presença de campos eléctricos elevados. Por

exemplo, o hélio não permite a aplicação de um campo electrostático elevado, devido à

ruptura dieléctrica do mesmo e, portanto, é impossível o seu proveito. Contudo,

aplicando um gás de maior tensão de ruptura6, como o Freon-12

7, produzem-se fibras de

diâmetro duas vezes maior, em comparação com o processamento no ar, considerando

idênticas as restantes condições de operação [54].

6 Tensão de ruptura - tensão mínima para que um isolante se torne electricamente condutor.

7 Freon-12 - Diclorodifluorometano (R-12) é um CFC usado como refrigerante e gás comprimido.



Noutro caso particular, a injecção de Dióxido de Carbono (CO2) para a extracção

do solvente Dimetilacetamida (DMAc) em fibras de Polifluoreto de Vinilideno (PVDF)

foi testada por Liu et al. [32]. O principal motivo da utilização deste gás, muito embora

a utilização de outros (e.g. etano (C2H6)) também seja possível, deve-se à sua

capacidade de extrair o solvente pouco volátil da superfície do jacto. Isto significa que,

pelo ajuste da pressão do gás comprimido, é possível controlar a taxa de extracção ou

evaporação do solvente.

O impacto da variação da pressão de CO2 na morfologia das fibras foi

demonstrado (entre outras soluções) para a solução de PVDF/DMAc (concentração a 20

w%) à pressão ambiente. Em função destas condições, o jacto polimérico manteve-se

“molhado”, originando a deposição de uma rede fibrosa ainda com solvente (DMAc),

devido à sua baixa volatilidade (Figura 3.12 (a)). Para pressões de 56 bar as fibras

apresentaram um aspecto “seco” (sem solvente) (Figura 3.12 (b)). Com o aumento da

pressão do CO2 até à pressão de saturação, ~65bar, a aspecto morfológico evidenciou

interiores porosos (Figura 3.12 (c) e (d)). Nestas condições, o diâmetro médio das fibras

tomava valores de 1 a 5µm.

Figura 3.12 - Fibras de PVDF produzidas a partir da solução de PVDF-DMAc a 20 wt% com CO2 à

temperatura ambiente (~220C): (a) pressão ambiente; (b) 56 bar; (c) 65 bar. (d) Fibras de PVDF

produzidas a partir da solução de PVDF-DMAc a 15wt% com CO2 à temperatura ambiente e pressão 65

bar [32].

Em conclusão, ficou provado que o processamento de PVDF numa atmosfera

normal (ar) é problemático, uma vez que os solventes indicados para este polímero

(DMAc ou DMF-Dimetilformamida) apresentam taxas de evaporação muito baixas à



temperatura ambiente. A “injecção” de CO2 assume-se como solução viável à produção

das fibras, perante solventes pouco voláteis.

3.5.4.Pressão

Normalmente, a deposição das nanofibras pelo método de electrospinning realiza-

se à pressão atmosférica (1 atm). Segundo Ramakrishna e os seus colaboradores, a

redução da pressão no meio circundante à formação do jacto, não introduz melhorias

significativas ao processo [54]. No entanto, a capacidade de execução do

electrospinning em vácuo foi provada por Rangpukan e Reneker [153], Reneker e Chun

[154] e Mitchell e Sanders [155] para o processamento de polímeros fundidos.

Quando a pressão é inferior à pressão atmosférica, a solução de polímero na

seringa terá uma maior tendência a sair da agulha, e isso causa a instabilidade na

iniciação do jacto. À medida que a pressão diminui, a solução na ponta da agulha fica

com bolhas de ar. Para uma pressão muito baixa, o electrospinning não é possível,

devido à projecção directa das cargas eléctricas no colector (arco eléctrico).

Embora poucas investigações enunciem as vantagens e as limitações da alteração

atmosférica, num espaço em vácuo, há a vantagem de aplicar um campo eléctrico de

intensidade mais elevada que à pressão atmosférica. Este parâmetro é favorável quando

existe a necessidade do jacto fibroso vencer grandes distâncias.

3.6. Conclusões

No processo electrospinning é documentado o uso de uma variedade de polímeros

sintéticos, naturais ou a mistura de ambos. Na sua maioria são dissolvidos em solventes

próprios ou fundidos a altas temperaturas. O electrospinning é um processo que envolve

o conhecimento da electrostática, da reologia dos fluidos, e das propriedades das

soluções de polímero, tais como, a tensão superficial, a taxa de evaporação do solvente,

a concentração, a viscosidade e a condutividade da solução. Estas propriedades estão

constantemente a interagir e a influenciar-se mutuamente durante o processo

electrospinning. Quando o interesse é controlar o processo, revela-se importante

investigar a influência dos seus parâmetros. Pela variação dos parâmetros de

processamento e do ambiente, as fibras depositadas podem apresentar diferentes

diâmetros, superfícies porosas e presença ou ausência de glóbulos. Um dos maiores

problemas no processamento consiste eliminar a presença de glóbulos, especialmente

quando se pretendem fibras de diâmetros reduzidos.


CAPÍTULO 4

Implementação do Sistema de Electrospinning

4.1. Introdução

O presente capítulo tem como objectivo principal, descrever a implementação do

sistema de electrospinning. Inicialmente, expõem-se todos os requisitos do hardware e

software, essenciais ao funcionamento do processo e que forneçam garantias de

fiabilidade perante as condições e os parâmetros que o utilizador determina. Em

seguida, será descrito o hardware seleccionado para obedecer aos requisitos

anteriormente citados, onde serão fornecidas as justificações das opções tomadas para a

selecção efectuada. De seguida, procede-se à descrição das funcionalidades dos

controladores para os motores de passo, o circuito accionador do variador de velocidade

e o circuito de leitura dos sensores. Na secção seguinte, apresenta-se a constituição do

protótipo idealizado, através de um esboço da sua planta. Na representação gráfica, será

possível observar a disposição da estrutura mecânica, bem com o posicionamento

estratégico dos diversos equipamentos e a sua interacção. Finalmente, o capítulo

termina com diagrama geral de funcionamento e o ambiente gráfico desenvolvido.

4.2. Requisitos do Sistema

No capítulo anterior foi efectuada uma descrição da influência dos parâmetros de

processamento e ambiente na morfologia das nanofibras, perante a qual se chega à

conclusão que, uma automatização adequada incrementa melhorias no sistema de

electrospinning. Desta forma, todas as opções tomadas a partir deste capítulo

objectivam cumprir requisitos que permitam o ajuste apropriado desses parâmetros

através do hardware e software. Embora nem todos os requisitos possam ser cumpridos

integralmente no imediato, estes serão enumerados.

4.2.1.Hardware

Consideram-se requisitos de hardware todos os elementos físicos que, por

interacção conjunta, visam dotar o sistema de electrospinning com duas características

fundamentais: automatização e fiabilidade. Por conseguinte, estabeleceram-se os

seguintes requisitos principais:

A câmara de deposição deverá garantir isolamento suficiente para que o

Capítulo 4 – Implementação do Sistema de Electrospinning


processamento das nanofibras e a monitorização das grandezas físicas

ocorra sem grandes variações;

Todas as partes metálicas ou outro tipo de material condutor deverá ser

devidamente isolado para evitar a formação de arcos eléctricos,

susceptíveis de colocar em risco o bom funcionamento dos dispositivos

electrónicos circundantes;

A estrutura deverá possuir aberturas (portas) que permitam o acesso do

utilizador ao interior da estrutura. No entanto, estas portas, quando abertas

durante o funcionamento do processo deverão desligar todo o sistema, por

questões de segurança;

Sistema de limpeza das agulhas baseado num simples fio absorvível,

disposto perpendicularmente.

4.2.2.Software

O software associado ao sistema de electrospinning deverá ser suficientemente

robusto para impedir procedimentos incorrectos por parte do utilizador. O software

pode ser dividido em duas secções, nomeadamente, o confinado à interface em

LabVIEW e o software relativo ao accionamento dos motores de passo, motor trifásico e

leitura dos sensores. Os requisitos são definidos nos seguintes pontos:

Introduzir os parâmetros relativos à programação dos dispositivos de

infusão;

Monitorizar os parâmetros, em particular, o volume de solução disponível

durante a deposição, a tensão aplicada e o tempo de deposição;

Monitorizar a evolução das grandezas físicas (temperatura, humidade,

pressão) ao longo do tempo;

Possibilidade de escolha da posição e a velocidade de deslocamento de

cada eixo;

Possibilidade de variar a velocidade dos colectores rotativos.

4.3. Hardware Seleccionado

Nas secções seguintes descreve-se o hardware seleccionado para a implementação

do protótipo electrospinning, onde é explicado o funcionamento e a função de cada um

dos equipamentos no sistema.



4.3.1.ATMEL AT90USBKey

A placa de desenvolvimento, usada na montagem como unidade de controlo, foi a

AT90USBKey, representada na Figura 4.1. A escolha fez-se pelas vantagens em

disponibilizar 6 portos para interacção com dispositivos externos, e a transferência de

dados entre o PC ser realizada via comunicação USB (Universal Serial Bus). Também

não necessita de alimentação externa (embora esteja habilitada), sendo esta garantida

pelo cabo USB. Além das entradas e saídas digitais, possui 8 entradas analógicas

multiplexadas num conversor analógico-digital de 10 bits.

Figura 4.1 - Placa de desenvolvimento AT90USBKey.

O AVR Studio 4.18 foi o ambiente de desenvolvimento utilizado para a escrita e

simulação do código fonte na linguagem C, desenvolvido para o microcontrolador da

ATMEL. Através do ATMEL Flip 3.4.1, transferiram-se os ficheiros executáveis ao

microcontrolador.

4.3.2.Sistema de Eixos Cartesiano

Um dos objectivos propostos neste trabalho referia-se à construção de um sistema

de eixos, para realizar o movimento de translação em três dimensões (X, Y, Z). Este

sistema tri-axial afigura-se inovador, relativamente às montagens convencionais dos

sistemas de electrospinning, compostas maioritariamente por posicionamentos estáticos

das agulhas.

A estrutura mecânica possui duas funções que se designam pelo suporte e

movimento da(s) agulha(s) segundo os três eixos e, consequentemente, a definição da

distância desta(s) ao colector. Para cumprir estes requisitos, várias disposições

mecânicas foram estudadas, de forma a reduzir os custos e simplificar a complexidade

da montagem. A selecção incidiu pela preferência da estrutura representada

graficamente na Figura 4.2.



Figura 4.2 - Sistema de eixos cartesiano. (a) Perspectiva em três dimensões. (b) Perspectiva de perfil. (c)

Perspectiva de topo.

O sistema de eixos é constituído por 4 perfis metálicos do tipo EKK, com as

dimensões indicadas na figura, suportes de acoplamento entre perfis, 3 fusos de 12 mm

de diâmetro com 5 mm de deslocamento por rotação, 3 motores de passo, entre outros.

Possui ainda duas particularidades relativas aos perfis ou eixos de translação. Uma

é referente ao perfil Z que se mantém fixo no perfil Y, sendo que a deslocação do eixo Z

é garantida pelo seu respectivo patim. Esta opção de fixar o perfil permite reduzir a

altura da câmara de deposição e facilitar o posicionamento da estrutura. A outra

particularidade permite eliminar um motor de passo e um fuso num dos perfis, segundo

o eixo X, embora as estruturas deste género não os dispensem. Contudo, o reduzido

atrito no deslocamento segundo este eixo, permite efectuar esta alteração sem a

preocupação de garantir o sincronismo entre os motores presentes neste eixo.

4.3.3.Motores de Passo

Para o movimento do sistema de eixos cartesiano, foram seleccionados dois

modelos de motores de passo, Figura 4.3, da família Trinamic.

(a)

(b)

(c)

z

x

y



Figura 4.3 - Motores de passo Trinamic. (a) Modelo QSH5718-55-30-098. (b) Modelo QSH4218-51-10-

049.

O eixo Y é deslocado pelo motor do modelo QSH4218-51-10-0492 e os eixos X e

Z por dois motores QSH5718-55-30-098. A selecção de modelos diferentes está

relacionada com restrições na sua aquisição, e não pelas exigências da estrutura. Por

outro lado, trata-se de motores do tipo bipolar e, por isso, em relação ao tipo unipolar,

oferecem maior binário e tensão de alimentação menor para o mesmo binário. Ambos os

modelos se caracterizam pelo ângulo de passo de 1,80, 200 passos por rotação e

alimentação até 24V. O modelo (a) possui 3 A de corrente por fase e o (b) 1 A.

Segundo as especificações do fabricante do sistema de eixos, são necessários 0,2

Nm de binário às 500 rpm no eixo mais solicitado (vertical). Ora, estes requisitos estão

cumpridos, uma vez que os modelos (a) e (b), presentes na figura, possuem 0,98 Nm e

0,49 Nm, respectivamente, perante as condições de teste expressas nos datasheets. Pode

ser notado o sobredimensionamento dos motores face às necessidades impostas pelo

sistema de eixos, no entanto, segundo aconselhamento do fabricante dos motores, o

binário destes deve situar-se 30-50% acima do binário requerido. Tomando em

consideração o funcionamento do driver com tensões e correntes mínimas, condições

máximas e mínimas da temperatura do ambiente e fricções mecânicas.

Pela análise da curva binário vs velocidade de rotação (em passos por segundo), a

limitação da velocidade máxima dos motores foi definida em 1000 pps (300 rpm).

Assim, estipulou-se que a velocidade linear máxima dos eixos seria 150 cm/min (25

mm/s), devido às limitações do circuito driver de potência para os motores.

4.3.4.Dispositivos de Infusão

Os dispositivos de infusão, ou normalmente denominados Syringe Pump, são

(a) (b)



responsáveis pelo fornecimento da solução a taxas constantes e/ou variáveis. No

presente trabalho, o fluxo da solução é controlado e monitorizado através de duas

Syringe Pump com os modelos NE-1000 e NE-1600 da empresa New Era Pump

Systems, Inc (ver Figura 4.4).

Figura 4.4 - Syringe Pump. (a) Modelo NE-1000. (b) Modelo NE-1600 (adaptado de [155]).

Os modelos NE-1000 e NE-1600 apresentam as seguintes características de

funcionamento:

Totalmente programáveis;

Programação pelo teclado ou a partir de um computador;

Upload dos programas a partir do computador;

Infusão e remoção;

Alteração da direcção e taxa de infusão durante a bombagem;

Selecção das unidades da taxa de infusão: µl/hr, µl/min, ml/hr, ml/min;

Definição de uma única taxa de infusão e/ou volume dispensado;

Recarregamento da solução ou bombagem (a elevadas velocidades) do ar

contido na seringa, através do modo “Purge”;

Programação até 41 Fases, que permitem alterar as taxas de infusão, o

volume dispensado, inserir pausas, controlar e responder a eventos

externos, produzir sinalização sonora como alertas, etc;

Capacidade para estabelecimento de uma rede de controlo e monitorização

até 100 dispositivos com um computador;

Reinício do programa de infusão, interrompido por falhas de energia

através do modo “Power Failure”;

Paragem do motor pela detecção de um impedimento físico;

(a) (b)



Configurável para criar métodos de automatização e expansão de fluidos,

através de sistemas de distribuição, realizados com a conexão dos

dispositivos;

Restauro de todos os parâmetros e do “Pumping Program” após a ligação

do dispositivo, sendo possível pelo armazenamento dos dados em memória

não-volátil.

A Syringe Pump NE-1000 é o modelo de seringa única, capaz de realizar infusões

simples ou implementar um complexo sistema automatizado de infusão. O controlo do

dispositivo é realizado por um microcontrolador interno que permite o accionamento do

motor de passo (responsável pelo movimento de infusão), dispondo de uma ampla gama

de taxas de infusão, configuradas para o diâmetro interior da seringa. O modelo permite

taxas de infusão de 0,73 µl/h, para seringas de 1 cm3 até 2120 ml/h, utilizando seringas

de 60 cm3.

A Syringe Pump NE-1600 é o modelo de múltiplas seringas, mais concretamente,

um número máximo de 6 unidades, como é possível observar na sua imagem. O facto de

ter surgido da mesma família do modelo anterior, não revela diferenças relativamente ao

controlo. A única distinção encontra-se na maior robustez mecânica e electrónica para

suportar as seringas. As vantagens deste dispositivo revelam-se na possibilidade de

suportar 6 soluções poliméricas distintas e acentuar o aumento da taxa de produção.

Dadas as características da estrutura de bombagem, não é possível definir taxas de

infusão individuais para cada seringa. No entanto, esta limitação pode ser contornada

pela quantidade de solução que cada seringa pode conter.

Nos dois modelos apresentados existem características em comum

nomeadamente:

Velocidade Máxima: 5.1005 cm/min

Velocidade Mínima: 0.004205 cm/hr

Gama do Diâmetro Interno da Seringa: 0.1 a 50.00 mm

Modos de Comunicação

A comunicação de dados entre os dispositivos e o utilizador pode ser efectuada

em duas formas: RS-232 ou TTL I/O, como é possível observar na Figura 4.5.



Figura 4.5 - Comunicação via RS-232 e TTL I/O.

Comunicação RS-232

A comunicação RS-232 serve-se de um conector RJ-11 para estabelecer a ligação

física entre Syringe Pump – computador. Também a partir de um mesmo conector é

possível a comunicação em rede entre Syringe Pumps – Syringe Pumps. Utilizando um

computador, cada dispositivo de infusão inserido numa rede pode ser individualmente

controlado ou monitorizado.

O protocolo de comunicação permite o controlo bidireccional dos dados, isto é, do

dispositivo para PC e vice-versa. O protocolo dos dados pode ser estabelecido pelos

seguintes parâmetros:

Velocidade de transmissão: 19200, 9600, 2400, 1200, ou 300

Dados: 10 bits (8N1)

Start bit: 1

Data bits: 8

Stop bits: 1

Sem paridade

Cada comando recebido pelo dispositivo na rede é confirmado por ele com uma

resposta (response packet), que inclui um caracter de estado, indicando a condição da

operação actual do dispositivo.

Dois protocolos de dados são suportados, o Basic Mode e o Safe Mode. O Safe

Mode fornece um protocolo de comunicação mais seguro do que o Basic Mode. As

vantagens na sua utilização relacionam-se com a detecção de dados corrompidos e perda

de comunicação, bem como a transmissão automática de pacotes de estado, quando

ocorre um alarme. Este protocolo de dados é também apropriado para a utilização em

softwares de interface que permitam o controlo e a monitorização de uma rede de

TTL I/ORS-232 para PC

Rede



dispositivos de infusão. A Figura 4.6 apresenta um software exemplo para testes,

desenvolvido pela New Era Syringe Pump.

Figura 4.6 - Software de comunicação/controlo/monitorização via RS-232.

O Basic Mode, através da relação master-slave, simplifica a complexidade de

desenvolvimento do programa de controlo. Além disso, este modo permite a

comunicação a partir de um qualquer terminal emulador da porta série. A ligação deve

ser estabelecida com a mesma velocidade de transmissão de dados (baud rate) do

dispositivo e com 8 bits de dados, sem paridade e 1 stop bit (8N1) (Figura 4.7).

Figura 4.7 - Terminal emulador desenvolvido pela New Era Syringe Pump.

Através deste terminal, o utilizador pode controlar interactivamente o dispositivo,

escrevendo os comandos no computador e visualizar as respostas do mesmo no seu



ecrã. A vantagem da aplicação é a eliminação de diversas variáveis incorrectamente

introduzidas e detectadas pelo software de controlo, impedindo o funcionamento do

dispositivo. Se o dispositivo funciona correctamente com este emulador, então isso

significa que o hardware está a funcionar devidamente e irá funcionar com qualquer

outro software (terminal).

Interface Lógico: Entrada e Saída TTL

O conector DB-9, abaixo do rótulo 'TTL-I / O', é usado para TTL I/O. Os sinais de

lógica neste conector permitem o controlo bidireccional com equipamentos externos.

Por exemplo, considerando um sensor de pressão (contacto) posicionado no eixo guia, a

sua leitura poderá ser efectuada através da ligação directa ao pino 2 deste conector.

Através da configuração adequada deste pino de entrada, a função “Operational

Trigger” pode ser activada quando o sensor responder acima de uma determinada

tensão, reconhecida como transição do nível lógico. Quando isto acontece, será dada a

ordem de paragem ao microcontrolador do dispositivo que, consequentemente,

suspende o seu funcionamento.

O controlo do dispositivo pode ser realizado pelo pino 3 (entrada) e a

monitorização através do pino 8 (saída). Esta comunicação bidireccional é provada pela

activação do pino de entrada, alterando o estado da direcção de bombagem, e pela

leitura do pino de saída, que indica o estado desta mesma direcção. Particularizando este

pino (pino 8), um nível lógico baixo indica o estado withdraw, e o nível lógico alto

indica infuse. Este pino pode ainda ser usado para controlar uma válvula externa,

permitindo o recarregamento da seringa a partir de um reservatório.

O reconhecimento dos níveis de tensão nos pinos é efectuado a partir das

transições ascendentes e descendentes. Uma transição descendente significa a passagem

do nível lógico alto para o nível lógico baixo. Uma transição ascendente significa a

passagem do nível lógico baixo para o nível lógico alto. Para garantir o reconhecimento

dos níveis de lógica, as tensões nas linhas de entrada devem estar dentro dos seguintes

limites:

TTL Nível baixo (0): 0 a 1.5 V

Nível alto (1): 3.5 a 5.25 V

Por defeito, este interface lógico (TTL I/O) encontra-se desabilitado e, por isso,

não disponibiliza ao utilizador as funções que representa. A habilitação e controlo

podem ser efectuados segundo dois modos: através das funções definidas no Pumping



Program (analisado em mais detalhe à frente), e a partir da comunicação RS-232. O

primeiro permite definir como o dispositivo de infusão reage aos níveis do conector

TTL I/O, ou definir os níveis de saída. O segundo, através do comando „IN‟, pode

reconhecer os níveis lógicos dos pinos de entrada 2, 3, 4 e 6. O comando referido torna-

se útil para o utilizador quando este pretende identificar o estado dos eventos externos.

Com o comando „OUT‟, o nível lógico do pino 5 pode ser definido para servir de

referência, por exemplo, aos pinos de entrada (pino 6). Para mais detalhe, no Anexo II,

apresenta-se a função atribuída a cada um dos 9 pinos deste conector.

Controlo via Painel Frontal

O painel de controlo constitui a opção de controlo manual disponibilizada pelo

dispositivo. O painel é constituído por teclas para inserir valores dos parâmetros ou

activar/desactivar o funcionamento; Led‟s para indicação das unidades e dos estados; e

um Display LCD (Liquid Crystal Diode) de 4 dígitos para exibir dados numéricos,

funções e parâmetros. A representação gráfica do painel de controlo pode ser observada

na Figura 4.8.

Figura 4.8 - Painel frontal de controlo e monitorização.

A descrição do estado dos Leds apresenta-se na Tabela 4.1. As duas colunas

legendadas na figura como „Indicador de unidades‟, representam as unidades dos

valores mostrados no Display LCD. As unidades são expressas usando 1 ou 2 Leds. Por

exemplo, „µl/hr‟ é indicado o estado ON dos Leds „µl‟ e „hr‟.

Indicador

RS-232Indicador

de unidades

Indicador

do volume

dispensado

Indicador da

direcção de

bombagem

Operação

do motor

Tecla da direcção

de bombagem

Entrada de funções

do programa



Tabela 4.1 - Descrição dos Led‟s do painel.

LED Descrição

mm Milímetros

ml Mililitros

min Minutos

µl Microlitros

hr Horas

Dispensed Indicador do volume dispensado

Withdraw Direcção da bombagem: Led ON: remoção

Led OFF: infusão

Pumping Led ON: Motor em operação

Led intermitente: Programa de infusão em pausa

Led OFF: Programa de infusão

parado ou a executar uma fase de pausa

Após o posicionamento da seringa no local apropriado, o utilizador necessita

apenas de 4 passos para colocar em funcionamento um programa de bombagem

simples:

1. Definir o diâmetro da seringa;

2. Definir a taxa de infusão;

3. Definir o volume a ser dispensado;

4. Premir tecla „Start‟.

Apenas um aspecto importante necessita de atenção antes de realizar o

procedimento. O utilizador deve verificar o diâmetro interno da agulha (em mm), dado

que a taxa de infusão e o volume da solução a ser dispensado estão limitadas (por

defeito) em gamas adequadas para um determinado diâmetro. Se esta condição não se

respeitar, o software de controlo impede a execução do programa através de uma

mensagem de erro.

0.1 a 14.0 mm Seringa menor que 10 ml: Unidades do volume „µl‟

14.01 a 50.0 mm Seringa maior ou igual a 10 ml: Unidades do volume „ml‟

Controlo via PPL

O dispositivo disponibiliza, igualmente, ao utilizador, a funcionalidade de

transferir um ficheiro contendo o programa, para execução numa ou mais máquinas.

Estes ficheiros devem especificar o endereço da máquina receptora, permitindo enviar

um programa diferente para cada um dos dispositivos presentes na rede (se for o caso).



Os ficheiros que contêm o programa, mais especificamente o Pumping Program,

utilizado na linguagem da New Era Pump Systems com a extensão .PPL (Pump

Programming Language), definem uma sequência de acções pré-definidas (pelo

utilizador), ou funções que garantem a consistência e precisão automática da operação

de infusão, com ou sem intervenção do utilizador.

Um Pumping Program pode ser tão simples como a infusão contínua a uma taxa

fixa, ou pode conter uma taxa e uma direcção de bombagem para um volume específico,

podendo comutar para outra taxa de infusão durante o processamento. Este programa

pode interagir com dispositivos externos através do conector TTL I/O, tomar decisões,

ou parar a infusão por um período de tempo.

Os programas podem ser divididos em operações individuais chamadas “phases”.

Cada fase consiste numa função, que pode ser uma função de controlo (“control

function”) ou uma função de bombagem (“pumping function”). São exemplos de

funções de controlo „STP‟, „JMP‟ ou „LOP‟ que significam parar a bombagem, saltar

para a fase „nn‟ do programa (JP:nn) e repetir o programa de bombagem „nn‟ vezes a

partir do ponto inicial (LP:nn), respectivamente. As funções de bombagem podem ser

„RAT‟, „DIR‟ ou „VOL‟, onde a primeira representa o valor da taxa de infusão, a

segunda a direcção ou o sentido da bombagem (infusion ou withdraw), e a última define

o valor do volume a ser dispensado.

Como se tem vindo a descrever, existem três formas de accionamento do

dispositivo de bombagem, nomeadamente, a partir do teclado (painel de controlo), do

conector TTL I/O ou RS-232. Quando o dispositivo é accionado a partir de uma das três

fontes mencionadas, o Pumping Program iniciará na Fase 1 (phase 1). Após a

conclusão de cada fase, o dispositivo começa imediatamente na fase seguinte. Esta

sequência linear de phases pode ser alterada por determinadas funções que direccionam

o Pumping Program a continuar a operação numa fase diferente, exemplo da função

„JMP‟. Algumas funções, podem também alterar a ordem da operação quando baseadas

em eventos externos („TRG‟).

Além das funções introduzidas como exemplo nos parágrafos anteriores, os

programas podem também conter instruções como: variar a taxa de infusão em rampa

ascendente ou descendente, estabelecer um intervalo de tempo entre deposições ou

automaticamente interromper o programa e esperar até à reactivação realizada pelo

utilizador, entre outras. A seguir são apresentados dois exemplos para possíveis

programas de funcionamento.



No primeiro exemplo, Figura 4.9, à esquerda pode-se observar o gráfico das

tarefas e à direita as phases com as respectivas funções. Este programa executa 3 phases

que consistem, basicamente, na infusão de 5,0 ml de solução à taxa de 500 ml/hr e,

depois, nova infusão de 25,0 ml a 2, 5 ml/hr, até que se dá a ordem de paragem.

Figura 4.9 - Programa com duas taxas de infusão para 30 ml de volume (adaptado de [157]).

O segundo exemplo, Figura 4.10, descreve a taxa de infusão a variar

continuamente em forma de rampa, ao longo do tempo. A partir de 200 ml/h, a taxa de

infusão irá incrementar até 250 ml/h em incrementos de 1,0 ml/h, para cada 0,1 ml

dispensados. Depois, a taxa de infusão irá diminuir para 150 ml/h em incrementos de

1,0 ml/h, após cada 0,1 ml dispensado. Por último, a taxa de infusão é incrementada de

volta aos 200 ml/h com o mesmo incremento e volume dispensado, continuando a

repetição do processo.



Figura 4.10 - Infusão variada do fluxo da solução (adaptado de [157]).

4.3.5.Fonte de Alta Tensão em Corrente Contínua

A selecção da fonte de alta tensão em corrente contínua decorreu segundo

determinadas especificações. As gamas da tensão e de corrente são os dois aspectos

mais importantes numa primeira análise. A tensão deve ser regulável entre 0 e 60 kV e a

corrente entre 0 e 1 mA. Estes são valores previamente definidos, em função da revisão

de literatura realizada nos Capítulo 2 e 3. O terceiro aspecto em consideração refere-se à

disponibilidade de interfaces para o controlo remoto das grandezas enunciadas. O modo

preferencial estabelecido para o controlo é através da comunicação de dados entre o PC

e a fonte.



O procedimento para a eleição deste dispositivo contou com a abordagem a três

marcas estabelecidas no mercado. A opção (a), Figura 4.11, apresenta um equipamento

de potência igual a 300 W que cumpre os requisitos, em termos dos valores de tensão e

corrente, possui controlo local e remoto, sendo este último realizado através do conector

de 25 pinos. Este conector disponibiliza, entre outros, dois pinos com a funcionalidade

de controlar/monitorizar a tensão e a corrente, pela aplicação de uma tensão variável

entre 0 e 10 Vdc. A opção (b) foi posta em consideração por ser a mais económica.

Apresenta uma potência de 250 W e o método de controlo assemelha-se à fonte anterior.

Após este trabalho de pesquisa, a escolha recaiu sobre a opção (c). O factor financeiro,

aliado às funcionalidades disponíveis, comparativamente às opções anteriores,

determinaram a preferência por esta fonte.

Figura 4.11 - Fontes de alta tensão em corrente contínua. (a) Série ML60P05.0. – Glassman High

Voltage, Inc. (b) Série HVP050P5000 – Voltage Multipliers, Inc. (c) Série SLM60*300 – Spellman, Inc.

A série SLM60*300 dispõe do ajuste em tensão dos 0 – 60 kV e, em corrente

entre 0 – 5 mA, com capacidade de fornecimento de potência igual a 300 W. À

semelhança das opções (a) e (b), também possui uma interface analógica, mas

diferencia-se pelas interfaces digitais standard garantidas pelas comunicações RS-232,

USB e Ethernet. Através destas formas de controlo remoto é possível controlar,

monitorizar e programar a tensão e a corrente de saída.

4.3.6.Colectores das Nanofibras

Os colectores planeados para a deposição das nanofibras, à semelhança dos

apresentados no Capítulo 2, requerem diferentes geometrias direccionadas para

aplicações específicas. Numa abordagem mais primitiva do protótipo, a deposição das

nanofibras é exclusivamente realizada em função de três colectores. Estes obedecem a

um plano fixo, um cilindro - também denominado tambor - e um disco de espessura

definida, como exemplifica a Figura 4.12.

(a) (b) (c)



Figura 4.12 - Ilustração dos colectores pretendidos.

O colector plano é necessário para depositar nanofibras, onde a orientação não

constitui um requisito para a futura aplicação. A sua utilização será maior,

comparativamente aos colectores restantes, dado que a complexidade posicional deste

colector debate-se unicamente em direccionar um plano perpendicular à(s) agulha(s).

Esta situação é benéfica quando o objectivo do utilizador se concentra no teste das

propriedades da solução preparada, como por exemplo, testar a concentração óptima da

solução.

O colector rotativo em forma tambor tem como objectivo o alinhamento e o

estiramento das nanofibras e, por esse motivo, a sua introdução no sistema de

electrospinning é indispensável. Este colector encontra-se acoplado a um sistema de

suporte, através do seu eixo, pelo qual é posto em movimento pela acção mecânica do

motor trifásico, a uma velocidade pré-determinada pelo utilizador.

O colector de disco, dadas as suas características geométricas, será disposto num

sistema de acoplamento diferente do anterior. Embora o accionamento se efectue pela

mesma fonte (motor trifásico), a razão de possuir um sistema de acoplamento diferente

deve-se à necessidade de eliminar ao máximo todas as vibrações de origem mecânica,

visto se tratar de um colector menos robusto. Como anteriormente referido no Capítulo

2, esta configuração revela-se extremamente útil, quando o objectivo se prende com o

alinhamento contínuo, para produzir um fio com multi-filamentos de nanofibras e

orientação mais elevada das fibras.

4.3.7.Motor Trifásico e Variador de Velocidade

A função do motor trifásico WEG está relacionada com a indução de movimento

aos colectores rotativos anteriormente enunciados. Tal como fora abordado no estado da

arte, quando se pretende obter um determinado resultado, sendo que este passa pelo

alinhamento das nanofibras, é necessário imprimir uma certa velocidade de rotação no

V

VV

Fonte

Solução

de Polímero

Folha

de Alumínio



colector, para surtir o efeito desejado. As velocidades registadas na literatura oferecem

valores ambíguos, a partir dos quais é possível observar alinhamento. No entanto, todas

as observações reflectem a necessidade de elevadas rotações. Para o motor em causa,

Figura 4.13, é possível obter uma velocidade de rotação nominal de 3600 rpm (rotações

por minuto) que corresponde à frequência máxima (60 Hz) disponibilizada pelo

variador.

Figura 4.13 - Motor trifásico WEG (sem escala).

O motor assíncrono (de indução) ilustrado é o modelo “W21 - Cast Iron Frame

Motors - Improved Efficiency EFF2”, constituído por 2 pólos, velocidade de

sincronismo de 3000 rpm (para frequência igual a 50Hz) e possui os seguintes valores

nominais à plena carga:

Pmec = 0,18kW (0,25HP) Pmec Potência Mecânica

I = 0,541A I Corrente Eléctrica

V = 380V V Tensão Eléctrica

η = 59,5 % η Rendimento (%)

Cos φ = 0,85 Cos φ Factor de Potência

O variador de velocidade, ou também designado de inversor de frequência, foi

seleccionado de acordo com as condições de funcionamento do motor trifásico,

nomeadamente, a potência, a tensão e a corrente nominais. Possui entradas para

alimentação monofásica (L – N) ou trifásica (R – S – T) e um conector (XC1) com 4

entradas digitais, 2 entradas e 1 saída analógicas, como apresentado na Figura 4.14.



Figura 4.14 - Variador de velocidade CFW – 08 Vector Inverter.

O variador de velocidade pode ser accionado, em modo local, via HMI (Human

Machine Interface). A HMI é uma interface integrada no variador e permite a operação

sem o uso de ligações de controlo. A sua constituição é baseada num display de leds

com 4 dígitos de 7 segmentos, 4 leds de estado e 8 teclas (Figura 4.15). Todos os ajustes

no variador são feitos através de parâmetros constituídos pela letra P, seguida do

número (ex: P133 – representa a frequência mínima). A cada parâmetro está associado

um valor numérico que define a programação do variador ou o valor de uma variável

(ex: corrente, frequência, tensão).

O display de leds permite mostrar mensagens de erro e estado, o número do

parâmetro ou o seu conteúdo. Os leds de estado indicam o controlo em modo local ou

modo remoto, bem como o sentido de rotação. As funções das teclas dividem-se em

habilitar (I) ou desabilitar (O) o variador; seleccionar display (PROG) entre o número

do parâmetro e o seu valor; aumentar () ou diminuir () velocidade, número do

parâmetro ou valor do parâmetro; inverter sentido de rotação entre horário e anti-

horário; seleccionar a origem dos comandos entre local e remoto e, por último, acelerar

o motor segundo uma rampa de aceleração (JOG) (só habilitada com a devida

programação das entradas digitais).

HMI – Teclado + Display

Conector de Controlo XC1

Conector de Potência

Entrada: L – N

Saída: U – V – W



Figura 4.15 - HMI do CFW – 08 Vector Inverter.

O accionamento em modo remoto pode ser efectuado através de autómatos,

microcontroladores com electrónica associada, ou uma interface série desenvolvida pela

empresa. A primeira opção manifesta-se deslocada dos objectivos inicialmente

estabelecidos, uma vez que a utilização de um autómato não se enquadra nas funções de

controlo exigidas para o sistema de electrospinning. Em contrapartida, os outros dois

métodos foram equacionados, tendo em consideração aspectos funcionais e económicos.

O accionamento via interface série foi a primeira hipótese em estudo e justificada pela

simplicidade na implementação, comparativamente ao microcontrolador. Esta interface

consiste num acessório extra (idêntico ao HMI), composto por um conector que permite

a comunicação série entre um computador. O controlo do variador poderia ser realizado

pela substituição do HMI pela interface série e, também, pelo desenvolvimento do

software relacionado. Contudo, derivado ao custo associado na aquisição da referida

interface, a hipótese foi descartada, dando lugar à implementação de um circuito de

accionamento. Este circuito será descrito com mais detalhe numa das secções seguintes.

4.3.8.Sensor de Temperatura

O DS1620 foi o sensor de temperatura seleccionado para efectuar a medição desta

variável, no ar envolvente à deposição das nanofibras. Trata-se de um circuito integrado

da Dallas Semiconductor, com capacidade de realizar leituras dos -55 0C até +125

0C e

incrementos de 0,5 0C. Dados os requisitos estabelecidos, a gama de leituras e a

resolução são suficientes para o registo das temperaturas na câmara de deposição, uma

vez que a temperatura deverá variar em função da temperatura do laboratório,

influenciada pelo ar condicionado ou variações térmicas induzidas por equipamentos

circundantes.

O tempo de conversão do valor analógico da temperatura para um sinal digital é

Display de Leds

Led “Local”

Led “Remoto”

Led “Horário”

Led “Anti-horário”



de 750 ms (valor máximo). Este tipo de circuito integrado é indicado para aplicações

que incluam controlo termostático, sistemas industriais, termómetros, ou qualquer tipo

de sistema sensível termicamente.

O dispositivo sensor é composto por 8 pinos, dos quais 2 são de alimentação, 3 de

entrada/saída para controlo e leitura da temperatura, e os restantes funcionam como

saídas para activação de dispositivos externos, como apresentado na Figura 4.16.

Figura 4.16 - Diagrama dos pinos do DS1620.

O DS1620 é um termómetro digital e a conversão do sinal analógico da

temperatura para digital possui uma resolução de 9 bits. Depois de alimentado, o

circuito sensor – conversor inicia automaticamente as leituras, operando numa gama de

+2,7 V a +5,5 V. Dois tipos de memórias SRAM e EEPROM permitem o acesso à

leitura da temperatura ou escrita nos registos.

Termómetro digital

A conversão é realizada em grau Celsius (0C), podendo ser realizada em grau

Fahrenheit (0F), com ajuste do processo através de uma tabela ou um factor de

conversão. A conversão é guardada num registo composto por 2 bytes, sendo que a

temperatura é representada em termos de 1/2

0C num formato de 9 bits, como mostrado

na Figura 4.17.

Figura 4.17 - Formato do registo da temperatura.

O bit 9, denominado bit de sinal, distingue se a temperatura é positiva ou negativa

(bit 9 = 0, temperatura positiva). Os restantes 8 bits são relativos ao valor da

temperatura convertida. A Tabela 4.2 mostra os vários exemplos da conversão para 9

bits.



Tabela 4.2 - Exemplos da conversão da temperatura para 9 bits.

Temperatura

(0C)

Saída Digital

(Binário)

Saída Digital

(Hex)

+125 0 11111010 00FAh +25 0 00110010 0032h

+1/2 0 00000001 0001h

+0 0 00000000 0000h -1/2 1 11111111 01FFh

-25 1 11001110 01CEh

-55 1 10010010 0192h

Termóstato

O DS1620 também pode funcionar como termóstato, através da activação das três

saídas lógicas (THIGH, TLOW, TCOM). O modo termóstato opera com base na comparação

do valor digital medido com o valor dos registos „TH‟ ou „TL‟, definidos pelo utilizador

(ver datasheet para mais informações). Os registos são semelhantes ao do modo

termómetro, com o formato apresentado anteriormente na Figura 4.17. As saídas

„THIGH‟ ou „TLOW„ comutam de „0‟ para ‟1‟ quando a temperatura do DS1620 for maior

ou igual à temperatura „TH‟, ou menor ou igual à temperatura „TL‟, respectivamente.

TCOM é posto a „1‟ quando a temperatura excede „TH‟, permanecendo nesse nível até a

temperatura descer abaixo de „TL‟. Estas relações podem ser observadas na Figura 4.18.

Figura 4.18 - Operação da saída do termóstato em função da temperatura medida.

Modo de Comunicação

A leitura/escrita dos dados é realizada via 3-wire serial interface (DQ, CLK,

RST). O pino 1 „DQ‟ permite a comunicação bidireccional dos bits de dados. O pino 2

„CLK/CONV‟ é responsável pelo sinal de clock fornecido ao registo de deslocamento

para a entrada e saída dos dados. O pino 3 „RST‟ é o pino de reset/select, quando no



nível alto permite a selecção e a comunicação com o sensor. O protocolo de

comunicação para leitura/escrita dos dados apresenta-se na Figura 4.19.

Figura 4.19 - Transferência dos dados de leitura/escrita.

Na comunicação com um microcontrolador, o DS1620 actua sempre como

escravo (SLAVE) no barramento, e o papel de mestre (MASTER) é atribuída ao

microcontrolador. Os comandos de controlo são, assim, enviados pelo microcontrolador

e correspondem à configuração do modo de conversão, início/paragem da conversão ou

leitura da temperatura. De uma forma genérica, toda a informação é transmitida,

enviando primeiro o LSB (Least Significant Bit) pela linha „DQ‟, sendo cada bit

transmitido a cada transição do clock.

4.3.9.Sensor de Humidade

Para a leitura da humidade relativa do ar, na área de projecção, foi utilizado um

módulo sensor da GE Sensing/Thermometrics. O modelo denominado HU1015NA

caracteriza-se pela capacidade de resistir à água, fabricado a partir de polímeros e

possuir uma unidade transmissora dos valores medidos, como apresentado na Figura

4.20.

Figura 4.20 - Módulo sensor de humidade HU1015NA [158].

Este dispositivo encontra-se capacitado para operar com temperaturas a variar dos



0 – 500C e efectuar a medição da humidade entre valores que variam dos 10 – 100%

HR. Perante estas características, o dispositivo é adequado para o ambiente de

funcionamento, visto que as temperaturas mínimas e máximas dificilmente serão

alcançadas dentro da câmara de deposição, assim como a humidade. A selecção do

módulo baseou-se mais pelo reaproveitamento do dispositivo do que pelas suas

características. No entanto, ajusta-se perfeitamente aos requisitos, uma vez que as

aplicações típicas incluem monitorizadores de humidade, controladores de humidade, ar

condicionado, humidificadores, desumidificadores ou ventilação automática.

A Tabela 4.3 apresenta um resumo das características e das gamas de operação de

vários parâmetros.

Tabela 4.3 - Características e gamas de operação do módulo HU1015NA.

HU1015NA

Tensão de funcionamento 5 ± 0,2 Vd.c.

Temperatura de operação 0 - 500C

Humidade de operação 10 - 100% HR

Corrente máxima 2 mA

Tensão de saída 1,0 - 3,0Vd.c.

Precisão: 25-90% HR a 25

0C

Outra gama

< ±5% HR

<±10% HR

Tempo de resposta típico 5 minutos

O circuito de medição encontra-se representado na Figura 4.21, onde o

condensador de 47 µF e a resistência de 100 kΩ inseridos em paralelo com a saída,

permitem a eliminação dos ruídos provenientes da leitura.

Figura 4.21 - Circuito de medição do módulo HU1015NA.

Relativamente à curva característica da relação humidade relativa [%HR] vs

tensão de saída (V), verifica-se, pela análise gráfico da Figura 4.22, uma resposta

aproximadamente linear à temperatura de 250C.



Figura 4.22 - Evolução da tensão de saída com a variação da humidade relativa.

4.3.10.Sensor de Pressão Atmosférica

A pressão atmosférica medida no interior da câmara é realizada através do sensor

MPX4115A da Motorola/Freescale Semiconductor (Figura 4.23). Trata-se de um

dispositivo que mede a pressão absoluta do ar, largamente utilizado em estações

meteorológicas ou no controlo industrial. No processo de electrospinning utilizam-se

solventes polares e como tal a interacção do solvente com o campo eléctrico é um factor

crítico para produção nanofibras. Qualquer variação por mínima que seja na

temperatura, humidade ou pressão atmosférica afecta o relacionamento entre o solvente

e o campo eléctrico e portanto pode dificultar ou mesmo impedir a obtenção de

nanofibras.

Figura 4.23 - Sensor de pressão atmosférica MPX4115A (Case 867 – 08).

O sensor detecta variações de pressão traduzidas proporcionalmente na saída em

tensão. A gama de funcionamento situa-se dos 15 – 115 kPa (2,2 – 16,7 psi), com

correspondência directa a 0,2 – 4,8 V de tensões de saída. Apresenta um erro máximo

de ±1,5 (kPa), quando em funcionamento à temperatura 0 – 85 0C, a sensibilidade é

Configuração dos pinos:

1 Tensão de saída

2 Ground

3 +5V

4-6 Sem função



traduzida em 46 mV/kPa, perante um tempo de resposta médio de 20 ms. Para mais

detalhe sobre estas e outras características de operação, consultar o datasheet do

componente.

As medidas de pressão são realizadas em relação a uma determinada pressão de

referência. Adota-se como referência a pressão existente numa parte interna do sensor.

Este é composto por dois lados, designados como o lado da Pressão (P1) e o lado do

Vácuo (P2) (Figura 4.24). O sensor é desenhado para operar uma pressão diferencial

positiva, P1>P2.

Figura 4.24 - Diagrama da constituição interna do sensor (adaptado de [159]).

A Figura 4.25 mostra o sinal de saída do sensor em relação à pressão de entrada.

A curva de saída típica, mínima e máxima são mostradas para a operação, numa faixa

de temperatura de 0 a 850C. A saída satura fora da faixa de pressão especificada.

Figura 4.25 - Tensão de saída vs pressão absoluta (adaptado de [159]).



4.4. Implementação dos Circuitos de Accionamento e Leitura

Esta secção tem por objectivo apresentar e descrever os circuitos de accionamento

e leitura projectados.

4.4.1.Controladores dos Motores de Passo

Os motores de passo bipolares utilizam um circuito de controlo mais complexo

que os unipolares, devido ao facto de serem constituídos por 2 enrolamentos separados,

sem derivação central (Figura 4.26). Isto implica o controlo através de 8 transístores (4

por fase), ao passo que o unipolar apenas necessita de 4 transístores (2 por fase).

Figura 4.26 - Motor bipolar e seus enrolamentos.

Os controladores desenvolvidos para os motores permitem o controlo exclusivo

para cada motor, através da combinação dos CIs (Circuito Integrado) L297 e L298.

Tendo em consideração os motores adquiridos, foram implementados três circuitos

drivers, com vista a corresponder às especificações de funcionamento dos motores.

A Figura 4.27 e a Figura 4.28, apresentam as PCBs desenvolvidas para o controlo

do motor QSH4218-51-10-049 e QSH5718-55-30-098, respectivamente. A única

diferença entre os dois circuitos é a presença de duas L298 (uma para cada enrolamento)

para o accionamento dos motores (QSH5718-55-30-098) de 3A por fase. Cada CI L298

possui duas pontes H separadas, que suportam correntes até 2 A cada uma. Devido a

essa limitação, optou-se pela configuração das pontes em paralelo para aumentar o nível

da corrente até aos 4 A por fase. Mais informações sobre esta configuração encontram-

se disponíveis no datasheet do componente.

A+ A-

B+ B-



Figura 4.27 - Circuito controlador para o motor QSH4218-51-10-049.

Figura 4.28 - Circuito controlador para os motores QSH5718-55-30-098.

As placas possuem as seguintes características:

Operação nos modos Full ou Half Step;

Controlo da direcção CW/CCW;

Acciona apenas motores de +12 V;

Corrente máxima de 2 e 4 A por fase (dependente da placa);

Alimentação com +12 V, sendo os +5 V gerados internamente;

Ambas as placas foram implementadas segundo o diagrama representado na

Figura 4.29.

L 298N

Optocopladores

Input

Fins de

curso

L 297

LM7805

+12V

AGND

B-

B+

A-

A+

Trigger

CNTLH/F Reset



Figura 4.29 - Diagrama representativo do circuito de controlo.

O Circuito de Isolamento recebe três sinais provenientes do microcontrolador, que

representam o sentido de rotação (CW/CCW), o sinal de uma dada frequência e o sinal

de activação do circuito (ENABLE), como é possível observar na Figura 4.30.

Figura 4.30 - Circuito de Isolamento.

Este circuito permite o interface aos motores de passo e apresenta como principais

características o isolamento óptico fornecido pelos optocopladores (4N26) e a

introdução de atrasos por hardware, o que permite minimizar possíveis danos nas placas

por erros na programação.

Quando uma das entradas é colocada a 0 V, o acoplador óptico correspondente

corta. O condensador de 4,7 nF descarrega-se pelas resistências 3,3 k e 510,

demorando algum tempo até que a tensão desça, de forma a provocar a mudança de

estado do "schmitt trigger" 40106 (ou seja, é gerado um atraso por hardware). Após

este tempo morto, o 40106 muda de estado e actua nas entradas do L297.

Colocando novamente o sinal de estrada a 3,37 V (nível alto do

microcontrolador), o acoplador óptico liga novamente e carrega rapidamente o

condensador 4,7 nF, através da resistência 12 e do díodo 1N4148, provocando uma

alteração quase imediata do estado do 40106.

O circuito de driver e de alimentação das fases apresenta-se na Figura 4.31. Cada

circuito é composto por um CI lógico (L297) que contém a sequência de accionamento

Circuito de

Isolamento

Circuito

Driver

Circuito de

Alimentação

das fases

A-

A+

B-

B+



das fases, funcionando em modo Full ou Half Step (ver datasheet do fabricante), e por

um ou dois CI de potência (L298) que fornecem a tensão e corrente necessária para o

accionamento do motor. O funcionamento do circuito e seus componentes pode ser

compreendido em mais pormenor através do esquema eléctrico da placa disponível nos

Anexos III e IV.

L297 além de gerar

Figura 4.31 - CI lógico L297de controlo e CI lógico L298 de potência para o accionamento.

O header legendado com os nomes CNTL, H/F e Reset permitem (cada par de

pinos) a ligação entre uma resistência de pull-up e AGND (Ground), funcionando como

interruptor através da colocação de jumpers. Esta foi a forma indicada para reduzir os

sinais de comando do micro. O circuito possui ainda outro header para receber os sinais

provenientes de 2 fins de curso por cada eixo.

4.4.2.Accionador do Variador de Velocidade do Motor Trifásico

O circuito de accionamento do variador de velocidade foi implementado de forma

a garantir o controlo remoto do motor, através do modo de accionamento 2, disponível

no manual do CFW 08 – Vector Inverter. O conector XC1, apresentado na Figura 4.32



disponibiliza os terminais necessários para este tipo de accionamento.

Figura 4.32 - Conector XC1 para accionamento.

As entradas digitais representadas como DI2, DI3 e DI4, quando habilitadas a

partir dos interruptores S1, S2 e S3, permitem definir o sentido de rotação do motor,

efectuar o Reset ao variador e parar/iniciar o movimento do motor, respectivamente. Os

três terminais seguintes (COM, AI1 e +10V) são responsáveis pelo ajuste da velocidade,

ou seja, a partir da variação da tensão.

A placa de circuito impresso desenvolvida para desempenhar as funções descritas

é apresentada na Figura 4.33 (para mais detalhe ver Anexo V). Os três sinais de

controlo, mais o valor digital para o DAC (Digital-to-Analog Converter) são fornecidos

pelo microcontrolador da ATMEL. O isolamento eléctrico do microcontrolador com o

restante circuito é garantido pelos optocopladores. Por outro lado, os relés permitem o

isolamento do ruído provocado pelo variador na PCB.

DI1

–H

abilit

a ger

al

DI2

–S

enti

do d

e R

ota

ção

DI3

–R

eset

DI4

–R

od

a / P

ára

CO

M

AI1

+10V



Figura 4.33 - Circuito de accionamento do variador de velocidade.

O ajuste da velocidade do motor é garantido através de uma tensão variável

proporcionalmente com a frequência. Essa tensão é estabelecida entre 0 e + 10 Vdc, que

equivale ao ajuste da frequência do inversor entre 3 (mínima) a 60 Hz (máxima). A

frequência mínima é limitada pelo inversor e está relacionada com a forma de controlo

escalar V/F linear, definida como parâmetro de funcionamento.

Na Figura 4.32, a variação da velocidade realiza-se através da variação de um

potenciómetro, que fornece à entrada analógica AI1 uma tensão equivalente à

velocidade pretendida. No entanto, o potenciómetro foi substituído por um DAC e um

amplificador operacional UM 741, tal como se pode ver na placa desenvolvida.

O DAC possui uma resolução de 10 bits, uma interface série (Data, Clock,

Enable) e converte os 10 bits recebidos até à tensão máxima de 5 V. Como é necessário

o dobro da tensão convertida pelo DAC, o amplificador operacional através de uma

configuração não inversora, com ganho A=2, garante esta condição.

4.4.3.Circuito de Leitura dos Sensores

A placa responsável pela medição das grandezas físicas (temperatura, pressão e

humidade) apresenta-se na Figura 4.34. Esta PCB será posicionada no local mais

próximo à área deposição das nanofibras. Para mais detalhes sobre o circuito

implementado, ver Anexo VI.

DAC

Amplificador

Relés

Input

+12V

Optocopladores

Output

-12V

+5V

AGND COM

Roda/Pára

Reset

Sentido Rot.

Ajuste Velocidade



Figura 4.34 - Circuito de leitura para os sensores.

Nesta implementação, apenas há a salientar a introdução de um divisor de tensão

(5 V para 3,37 V), seguido do amplificador operacional (UA741), na configuração

denominada seguidor de tensão. Este circuito extra é posicionado (pela ordem descrita)

na saída do sinal proveniente do sensor de pressão. O sensor fornece uma tensão que

pode variar entre 0,2 e 4,8V, e o ADC (Analog-to-Digital Converter) integrado no

microcontrolador da Atmel, apenas efectua conversões até ~3,37V. Daí a necessidade

de converter os níveis de tensão do sensor de pressão para os níveis de tensão lidos pelo

ADC (pino 1). Relativamente ao sensor de humidade, não houve problema associado

aos níveis de tensão, uma vez que este possui uma tensão de saída de 1-3V que, por sua

vez, são lidos pelo pino 2.

O sensor de temperatura, tratando-se de um dispositivo digital, apenas envia os

bits correspondentes à temperatura medida para o pino 4. Este valor é recebido pelo

microcontrolador, que se encarrega de reenviar ao LabVIEW, para o posterior

tratamento dos dados.

Durante a implementação deste circuito de leitura, foi introduzida uma

particularidade fora das especificações do trabalho. Refere-se, com efeito, à

funcionalidade termóstato disponibilizada pelo sensor de temperatura DS1620 (rever

secção 4.3.8 para mais detalhes). Através da programação indicada para esta

funcionalidade e utilizando os respectivos sinais de saída (Output Termóstato), o

utilizador poderá adicionar um sistema de aquecimento/arrefecimento para controlar a

temperatura ideal durante o processamento das nanofibras.

Output

Porto F

Output

Termostato

Sensor Pressão

Sensor Temperatura

Sensor Humidade+5V

GND

+12V

-12V UA741



4.5. Diagrama de Controlo / Monitorização

Nas montagens tradicionais do electrospinning, é frequente a manipulação e

monitorização dos dispositivos pelo método manual. A tensão da fonte é variada através

de um potenciómetro, a distância e o posicionamento da agulha são ajustados

manualmente, assim como o controlo dos dispositivos de infusão.

Apesar de esta montagem continuar a ser bastante utilizada, afigura-se algo

redutora quando se pretende testar deposições em condições ambientais monitorizadas

pelo utilizador, ou ainda dotar o sistema de autonomia e, ao mesmo tempo, garantir a

protecção das pessoas.

No protótipo que se pretende implementar, Figura 4.35, mesmo com a

complexidade do sistema de electrospinning, o controlo e a monitorização de toda a

estrutura torna-se acessível ao utilizador, através de um único terminal de comando

(PC).

Figura 4.35 - Diagrama esquemático do controlo e monitorização pretendidos.

Sensores AT90USBKey

PCB

Accionamento

Syringe Pump Fonte HVDC

Variador

Driver XDriver Y Driver Z

RS-232/USB

USBUSB

PC

Motor trifásico



A unidade de controlo AT90USBKey é responsável pelo interface entre o

ambiente gráfico presente no PC e os circuitos periféricos, nomeadamente a PCB de

accionamento do variador, PCB relativa à leitura dos sensores e as três PCBs que

constituem os drivers de controlo dos motores de passo.

Ao microcontrolador compete a função de enviar ou receber dados e comandos

estruturados, de modo a efectuar o menor número de operações possível, sendo esta

tarefa remetida para à programação em LabVIEW. Por exemplo, relativamente ao

circuito de accionamento do variador, conforme o comando específico recebido do

ambiente gráfico, o microcontrolador acciona o variador através da comutação do sinal

presente nos pinos 2 e 4.

(…)

switch(comando[3])

case CCW:cbi(PORTE,2);break;

case CW:sbi(PORTE,2);break;

case START:sbi(PORTE,4); break;

case STOP:cbi(PORTE,4);break;

(…)

Adicionalmente, a velocidade é definida quando o micro recebe (do interface

gráfico) o resultado da função linear de conversão da velocidade em rpm, para um valor

decimal compreendido entre 0-1023. Por sua vez, este valor é enviado ao DAC (através

da função data_write_command (int command)) presente no circuito de accionamento,

que o converte num sinal analógico variável entre 0 e 5V.

(…)

void data_write_command(int command)

unsigned short int bit=0;

unsigned short int n=0;

for(n=0;n<=9;n++)// Envia 10 bits

bit = ((command >> n) & (0x01));

data_out_bit(bit);

(…)

4.5.1.Descrição do Protótipo

A representação gráfica da estrutura, numa abordagem muito simplista e

representativa do que futuramente se pretende obter, é mostrada na Figura 4.36.



Figura 4.36 - Representação gráfica do protótipo.

A estrutura é constituída por duas divisões, representadas como divisão A e B. Na

divisão A, encontra-se posicionada a fonte de alta tensão, as duas Syringe Pumps, as

placas PCBs dos circuitos controladores e de accionamento e as respectivas fontes de

alimentação comutadas e, também, o variador de velocidade. Na divisão B, à qual se

denomina câmara de deposição, serão incorporados: o sistema de eixos com o suporte

para as agulhas, os mecanismos de recolha das nanofibras (colectores) e a PCB de

leitura das grandezas físicas.

4.6. Diagrama Geral de Funcionamento

O diagrama geral de funcionamento do protótipo de electrospinning, prevê que ao

iniciar o sistema, todos os dispositivos (fonte HVDC, variador, motores de passo,

Syringe Pump) sejam desligados. Ao mesmo tempo, a monitorização dos dados

provenientes dos sensores é iniciada até que o sistema seja desligado por completo.

Sempre que o utilizador estabelece um novo programa de processamento, os eixos

(X, Y, Z) são recolhidos à origem ou ao ponto de partida. No ponto de partida, a posição

relativa do suporte das agulhas ao colector, encontra-se definida nas coordenadas (0, 0, -

37), considerando que esse ponto define em X, a distância máxima entre suporte e

colector. Após a execução desta acção, perspectiva-se que uma sequência de etapas,

consecutivas, seja executadas automaticamente pelo sistema (limpar agulhas e

posicionar o suporte na área trabalho) e pelo utilizador (accionar colector, fonte e

Sistema de Eixos

Colector

Suporte

Metálico

Electrónica

Associada

Divisão B

Divisão A

Y

X Z

Barramentos de controlo

PC



Syringe Pump).

Durante o processamento da solução de polímero, o utilizador estará ainda

habilitado a manipular paralelamente certos parâmetros dos diversos dispositivos, de

acordo com as regras de funcionamento nomeadamente, a velocidade do colector,

movimento dos eixos, tensão fornecida pela fonte, taxa de bombagem, volume

dispensado ou o período tempo ao fim do qual as agulhas são limpas. Através do

diagrama da Figura 4.37, é possível visualizar as acções associadas ao procedimento

descrito anteriormente.



Iniciar Sistema

Desligar fonte HVDC

Desligar variador

Desligar eixos

Desligar Syringe Pump

Estado inicial == 1

Deslocar eixos para posição inicial

(recolher X, depois Y e baixar Z)

Estado inicial == 0

Função de espera

Iniciar programa

Limpar agulhas

Deslocar eixo para posição de trabalho

Accionar colector (se for rotativo)

Ligar fonte

Ligar Syringe Pump

Ler sensores

Definir velocidade

colector do segundo o

programa

Movimentar os eixos

segundo o programa

Variar

tensão da

fonte HVDC

Alterar parâmetros

da Syringe Pump

Programa

finalizou?1

1

Não

Desliga fonte HVDC

Pára colector

Desliga Syringe Pump

Recolhe eixos à origem

Desligar

sistema?

FIM

Novo

processo ?

Sim

Não

2

Sim

2

Sim

Parar leitura

sensores

Não

3

Figura 4.37 - Diagrama geral simplificado do funcionamento do sistema.



Resumidamente poderão ocorrer três tipos de interrupção. Através do interruptor

posicionado na porta de acesso â câmara, onde os dispositivos serão desligados ou

pausados, após a abertura da porta antes da finalização do programa. Pelo accionamento

do botão de emergência, presente na interface de controlo ou no exterior da câmara de

deposição (interruptor). A terceira interrupção deve-se ao accionamento dos 6 fins de

curso, localizados nas extremidades dos eixos de deslocamento. O diagrama da Figura

4.38 exemplifica as acções efectuadas após a ocorrência destas interrupções.

Gerou

interrupção da

porta?

Desligar a fonte HVDC

Parar colector

Pausar programa Syringe Pump

Imobilizar eixos

Enviar estado ao PC

Porta

fechou?

Restabelecer programa Syringe Pump

Ligar fonte HVDC

Accionar colector

Restabelecer movimento dos eixos

Não

Sim

Gerou interrupção

dos fins de curso?

Eixos na posição

inicial?

Mensagem de

erro e termina

programa

Actualiza valor

Sim

Não

3

Sim Sim

Interrupção

dos botões de

emergência?

Desligar alimentação:

Fonte HVDC

Colector

Syringe Pump

Controladores dos motores de passo

Estado do

sistema OK?

Restabelecer

alimentações e programa

de processamento

Sim

Sim

Não

Figura 4.38 - Diagrama de funcionamento na sequência das interrupções.

4.7. Interface Gráfica

Além de se dar início à implementação mecânica do sistema, foi necessário

desenvolver um ambiente gráfico para facilitar a interacção do protótipo com o

utilizador. Para a implementação do ambiente gráfico, foram desenvolvidos programas

VIs (Virtual Instrument) usando a ferramenta de desenvolvimento LabVIEW 9.0 da

National Instruments.

A interface geral desenvolvida dispõe-se em 4 separadores designados “Tab

Control ”, designadamente o Pump & Voltage Source, Axis & Colletor, Monitoring e

Context Help Window. Cada um possui funções específicas e podem ser controlados

independentemente sem qualquer ordem a seguir.

O separador inicial (Pump & Voltage Source), Figura 4.39, disponibiliza ao

utilizador a introdução dos parâmetros para a programação das Syringe Pump e a

selecção da tensão aplicada, onde também é possível a sua monitorização.



Figura 4.39 - Interface de controlo e monitorização das Syringe Pump e da fonte de alta tensão.

Este separador permite ainda a configuração das Syringe Pump para activação do

alarme, sinal sonoro ou retoma do programa depois de uma falha de energia. Ao

utilizador, também será disponibilizado a possibilidade de programar a Syringe Pump,

através do upload de um ficheiro que define uma sequência de acções pré-determinadas

pelo utilizador. Esta alternativa requer o conhecimento dos limites de cada parâmetro

para a correcta programação do dispositivo, como havia sido referido na secção 4.3.4.

Adicionalmente, ainda no menu “PUMP CONTROL”, o utilizador tem a possibilidade

de monitorizar o estado do processo através de uma tabela.

No menu “HIGH VOLTAGE” além de estabelecer a tensão aplicada e a sua

monitorização, o utilizador pode ainda definir o ciclo de limpeza, referido

anteriormente. Após introdução de todos os parâmetros, o utilizador inicializa a infusão

da solução através do botão “Start”.

O segundo separador da interface, Figura 4.40, permite ao utilizador controlar

quatro funcionalidades, designadamente a velocidade linear e posição dos eixos, o

accionamento e velocidade de rotação do colector.

Relativamente às duas funcionalidades iniciais, no menu “AXIS CONTROL”, o

utilizador define, independentemente, a velocidade e a distância para as quais, o sistema

tri-axial definirá uma trajectória e consequentemente uma posição no espaço. Estes

valores são validados através do botão “UPDATE” e o movimento inicia-se no botão

“START”. A resolução da velocidade é de 1cm/min e a distância 1 mm. Depois de

fornecido o sinal de iniciação do movimento, a paragem dos motores obedece à fórmula



da velocidade linear. Conhecida a velocidade e a distância a percorrer, é determinado o

intervalo de tempo. É ao fim deste intervalo que o movimento cessa através de um sinal

enviado ao microcontrolador. Neste menu, resta ainda acrescentar uma funcionalidade

que permite definir uma trajectória segundo o eixo Y. Essa trajectória compreendida

entre um valor mínimo e máximo, (por exemplo: 100-300mm) permitirá a translação

repetitiva das agulhas.

No painel de accionamento do colector rotativo, “COLLECTOR CONTROL”, a

velocidade pode ser manipulada entre os extremos mínimos 180 rpm e máximos 3600

rpm. O estabelecimento destes limites foi explicado anteriormente na secção 4.3.7.

Além do update da velocidade, o utilizador poderá ainda alternar o sentido de rotação

do colector através do selector CW/CCW.

Figura 4.40 - Interface de controlo dos eixos e do colector.

Ambiente gráfico para a monitorização das grandezas físicas (temperatura,

humidade e pressão) encontra-se representado na Figura 4.41. Cada gráfico do painel,

apresenta a variação das grandezas, segundo as respectivas unidades ao longo do tempo.

Cada gráfico possui um período de amostragem definido pelo utilizador, a partir do qual

o microcontrolador é solicitado a enviar o respectivo valor da grandeza. A calibração

dos sensores é efectuada no ambiente LabVIEW para não sobrecarregar o

processamento do microcontrolador.



Figura 4.41 - Interface de monitorização da temperatura, humidade e pressão atmosférica.

4.8. Conclusões

Após a conclusão da etapa referente à implementação prática do sistema, em

termos de hardware e software, é possível inferir que todos os circuitos electrónicos

foram projectados e testados com sucesso e a interface gráfica cumpre as especificações

pretendidas.

O uso do controlador L297 e o driver de potência L298 revelaram-se bastante

úteis no accionamento dos motores de passo, uma vez que os sinais de comando e o

ajuste da corrente são automaticamente determinados por estes CIs.

Para corrigir as falhas que possam surgir no sistema implementado, deve ser

realizado um conjunto de testes mais exaustivos com vista a eliminar a ocorrência de

falhas mecânicas, eléctricas e de programação.


CAPÍTULO 5

Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro

5.1. Conclusões

O objectivo primordial desta tese residiu na proposta de uma solução alternativa

ao controlo e monitorização convencional, aplicado ao método de produção de

nanofibras por electrospinning, recorrendo à implementação de uma câmara de

deposição isolada do exterior e dotada do controlo remoto dos dispositivos, através de

uma aplicação gráfica presente num computador.

Esta solução foi proposta por apresentar diversos benefícios ao utilizador e ao

desempenho do sistema de electrospinning. A simplicidade e universalidade linguística

da aplicação gráfica, a independência e a autonomia do sistema durante o

processamento, a monitorização dos parâmetros e variáveis ao longo do tempo, a

detecção das deposições menos conseguidas pela análise da interferência dos

parâmetros ambientais, a versatilidade dos colectores manifestada no alinhamento e

estiramento das nanofibras, a protecção do utilizador garantido pelo sistema de

segurança e a redução do período de manutenção entre processamentos pela

automatização da limpeza nas agulhas, constituem os motivos fundamentais ao

desenvolvimento deste protótipo.

Relativamente à técnica de electrospinning, que constitui o tema envolvente deste

trabalho, é possível concluir pela análise da literatura revista, que cada vez mais existe

uma tendência em desenvolver equipamentos de teste especializados, dada a

possibilidade de utilizar diversos polímeros, a necessidade em controlar diversos

parâmetros e o surgimento exponencial das múltiplas aplicações.

O trabalho desenvolvido no âmbito desta tese de mestrado, consistiu

essencialmente na implementação de: (i) uma mesa com o sistema de eixos (x, y, z), (ii)

três circuitos drivers para o accionamento dos motores de passo e o respectivo controlo

por software, (iii) o circuito de accionamento para um motor trifásico e o respectivo

controlo por software, (iv) o circuito de leitura dos sensores para a monitorização da

pressão atmosférica, humidade e temperatura e (v) a programação dos dispositivos de

infusão para a bombagem da solução polimérica.

Pelo trabalho desenvolvido, conclui-se que a implementação de um sistema

automatizado para processamento de nanofibras é possível, apesar do número

Capítulo 5 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


considerável de equipamentos a serem controlados pela aplicação gráfica, ou por esta, e

a unidade de controlo (microcontrolador).

A unidade AT90USBKey revelou-se uma placa de desenvolvimento bastante

completa. A sua mais-valia distinguiu-se pela disponibilização de portos suficientes à

interacção com todos os dispositivos e pelas funcionalidades que dispõem, necessárias à

implementação, nomeadamente o modo de geração de ondas pulsadas para os motores

de passo e o ADC, com entradas mais que suficientes para a conversão dos sinais

analógicos vindos dos sensores.

A estrutura composta pelo sistema tri-axial (x, y, z) é maioritariamente constituída

por um metal condutor. A sua função é garantir o acoplamento e o deslocamento do

suporte metálico que, por sua vez, prende o cabo de fornecimento de alta tensão. Face a

esta situação, concluiu-se que o isolamento eléctrico entre este suporte e a restante

estrutura, terá de ser efectuado cuidadosamente, sob o risco de originar arcos eléctricos,

colocando a estrutura ao mesmo potencial da fonte.

A utilização das Syringe Pump como dispositivos programáveis para a bombagem

da solução, manifestou-se a opção ideal faces às necessidades de processamento do

sistema. O número de seringas que permite acoplar e a possibilidade de interligar os

dois dispositivos em rede com comunicação para o PC, proporcionou a diminuição dos

recursos de monitorização e comunicação.

Com respeito à fonte de alta tensão em corrente contínua, devido a factores

externos e de escassez de tempo, ainda não foi efectuada a programação deste

equipamento. Contudo, a aplicação gráfica desenvolvida está capacitada para a sua

futura implementação. Por outro lado, a avaliar pelas interfaces digitais que

disponibiliza, permite controlar/monitorizar a tensão e a corrente fornecidas ao sistema,

através de uma ligação Ethernet, com um terminal afastado do local de processamento.

O método de accionamento do motor trifásico (mais concretamente a variação da

sua velocidade) pode estar sujeito a erros de comunicação, uma vez que o protocolo de

comunicação entre a interface e o microcontrolador não permite notificar o estado ou a

confirmação da recepção dos dados enviados ao DAC. Além disso, quando ocorre uma

interrupção na tensão de alimentação do circuito de accionamento, a tensão

disponibilizada pelo DAC é 0 V (devido ao reset automático), o que inviabiliza o

restabelecimento da velocidade que o motor possuía antes da falha de energia.

Os colectores do tipo rotativo apresentam-se convenientes para o alinhamento das

nanofibras e permitem a adição de funcionalidades, como exemplo, limitar a área de



deposição ou a altura da camada fibrosa, pela utilização de fios de cobre na sua

superfície. Mediante o controlo da velocidade, este tipo de configuração rotativa

permite investigar a influência deste parâmetro na disposição e morfologia das

nanofibras.

Os sensores, ao serem incorporados na câmara de deposição, prestam ao utilizador

informação sobre as variações bruscas da temperatura, humidade e pressão, ocorridas

durante o processamento. Frequentemente, é necessário o electrospinning de polímeros

e solventes considerados instáveis, perante as variações dos parâmetros ambientais. Os

valores das grandezas registadas em forma de gráficos permitem facilitar a

caracterização das nanofibras e do próprio processamento, sempre que, a partir de um

determinado período, se manifesta inapropriado o electrospinning dos materiais.

Os circuitos controladores projectados para os motores de passo, embora não

testados em condições de carga idênticas às que futuramente serão destinados,

revelaram-se suficientemente robustos para as exigências de velocidade e binário,

impostas nos testes. Comparativamente a um outro circuito driver (implementado para

testes de desempenho), que consistia numa configuração de 8 transístores (4 para a

alimentação de cada enrolamento), o circuito implementado com base nos ICs L297 e

L298 fornece o ajuste adequado da corrente média para as mesmas condições de

alimentação. A forma de accionamento do circuito facilita a programação e permite ao

microcontrolador a execução paralela de instruções, em virtude do modo Fast PWM

para geração do clock.

A ferramenta de desenvolvimento LabVIEW revelou ser um software acessível e

intuitivo, na medida em que proporciona o desenvolvimento de aplicações gráficas,

através da programação orientada a diagramas de blocos. Por outro lado, o facto de

permitir a execução paralela de eventos ou funções, retira a complexidade de

programação, dado que não existe necessidade do programador implementar threads,

uma vez que estas são criadas automaticamente pelo LabVIEW.

Em síntese, o sistema de electrospinning que se pretende automatizado e capaz de

controlar/monitorizar dispositivos, parâmetros ou grandezas, ainda carece do reforço de

calibrações e melhorias, para garantir a máxima fiabilidade do conjunto.



5.2. Sugestões de Trabalho Futuro

Tomando em consideração as ideias fundamentais da tese, reconhece-se que estas

foram apresentadas e analisadas. No entanto, é imperativa a intenção de testar

exaustivamente todos os dispositivos ou equipamentos seleccionados, para atestar a

competência total das suas funcionalidades e obedecer aos requisitos impostos. Tendo

ainda em apreciação a necessidade de finalizar a construção de determinadas partes

mecânicas, o passo seguinte releva-se à montagem do sistema, para habilitar a prática

do processo de electrospinning.

O accionamento do motor trifásico, sendo realizado em malha aberta, não permite

obter a informação do valor da velocidade de rotação real do motor. Como

implementação futura, sugere-se a introdução de um encoder no veio do colector, para

monitorizar o dispositivo, através do envio de informações precisas sobre a sua

velocidade efectiva.

A implementação dos encoders nos motores de passo também pode ser discutida

para melhorar a precisão dos seus posicionamentos. Sugere-se, igualmente, a

remodelação das placas, para permitir maior capacidade de tensão e a implementação de

um sistema redutor da corrente, para evitar o consequente aquecimento do motor e

dissipação de energia pelo circuito, quando o motor se encontra em binário de retenção.

Aponta-se também à reestruturação do código, de forma a introduzir rampas de

aceleração e desaceleração, com o intuito de suavizar o arranque a paragem dos

motores.

O desenvolvimento de uma página de Internet que permita o acesso à interface

gráfica, também seria uma implementação bastante conveniente. Esta finalidade iria

beneficiar a flexibilidade do sistema, em função do acompanhamento constante que o

utilizador poderia usufruir no decorrer do processamento. A melhoria facilitará o

controlo e a monitorização, a partir de qualquer localização e a todo o instante, estando

disponível a vários utilizadores.

O estabelecimento de um modelo matemático universal, que represente o

comportamento do jacto fibroso, em função das variações aplicadas pelos parâmetros

descritos no capítulo 3, constitui um desafio de interesse crescente no seio dos grupos

de investigação. Muitos dos protótipos revistos na literatura, encontram numa câmara de

vídeo de alta resolução, uma ferramenta indispensável ao estudo do jacto, uma vez que

este se manifesta praticamente invisível ao olho humano. A aquisição de uma câmara

deste tipo facultaria ao investigador, não só a observação do movimento do jacto



electrificado para o estudo da controlabilidade e repetibilidade, como também permitiria

a interrupção do processamento, evitando desperdícios desnecessários de tempo, perante

a observação da deposição inadequada das nanofibras.

Para aumentar o desempenho do sistema através da uniformização do diâmetro e

morfologia das nanofibras, sugere-se também como implementação futura, um controlo

PID (Proporcional Integral e Derivativo), aplicado na corrente fornecida ao processo.

Este controlo refinado da corrente seria uma mais-valia a adicionar ao conjunto das

funcionalidades do sistema.

Para o registo/arquivo/consulta de todos os procedimentos efectuados desde o

início de uma deposição até à sua conclusão, propõe-se a criação de uma base de dados.

A base de dados deverá incidir sobre dois tipos de registos. O registo automático -

aquisição dos dados inerentes aos parâmetros e variáveis do processo, tais como, taxa de

fluxo da solução, variação da tensão aplicada, distância da agulha ao colector,

velocidade de rotação do colector, a solução de polímero contida nas seringas, horário

de início e conclusão, etc; e o registo manual – onde o utilizador deverá preencher um

formulário com os seus dados pessoais (nome, função, etc), a descrição da experiência,

os polímeros e solventes seleccionados, a concentração e viscosidade da solução

preparada, entre outros. Neste último registo, o utilizador deverá adoptar ainda um

procedimento bastante vantajoso. Refere-se, com efeito, ao registo de todas as

anomalias registadas no decorrer da experiência. Por exemplo, ao aplicar um

determinado campo eléctrico a uma dada solução polimérica, o processo pode não

decorrer como seria previsível, porque o valor da tensão aplicada não se constata ser o

mais indicado. O que normalmente sucederia era a iniciação de uma nova experiencia,

dado o fracasso desta. Portanto, a mais-valia no registo deste tipo de anomalias/erros

experimentais, constitui-se no facto do utilizador seguinte ter a facilidade de consultar o

procedimento realizado pelo seu antecessor, evitando desperdício de tempo crucial para

este tipo de processos morosos.

O tipo de atmosfera onde o processamento das nanofibras é efectuado toma,

igualmente, uma importância relevante. Isto porque nem todos os polímeros podem ser

dissolvidos por solventes voláteis, numa atmosfera normal (ar). Este facto implica a

utilização de atmosferas modificadas, como por exemplo, CO2 para catalisar a

evaporação do solvente. Por esse motivo, e como forma de dotar o sistema de uma

maior versatilidade, fica registado como sugestão futura a implementação de um

mecanismo para a introdução e controlo de um gás comprimido na câmara de

deposição.


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Anexos

Anexo I – Parâmetros de Processamento

Tabela A.1 - Efeito das alterações dos parâmetros de processamento do electrospinning na morfologia

das fibras.

Parâmetros do Processo Efeito na morfologia da fibra

Viscosidade/concentração

Baixas concentrações/viscosidades provocam

defeitos em forma de esferas e junções; aumentando

a concentração/viscosidade os defeitos são reduzidos Diâmetros das fibras aumentam com o aumento da

concentração/viscosidade

Condutividade da solução

Aumentando a condutividade facilita a produção uniforme de fibras sem esferas

Índices elevados de condutividade originam inibição

do processamento

Tensão superficial Sem estabelecimento de ligações conclusivas entre a tensão da superfície e a morfologia das fibras

Peso molecular do

polímero

Aumentando do peso molecular do polímero, reduz o

número de esferas e gotículas

Fluxo da solução Baixos fluxos conduzem a fibras de diâmetros reduzidos; elevados fluxos produzem fibras sem

capacidade de secar até atingir o colector

Intensidade do campo

eléctrico/tensão

Em tensões elevadas foram observadas esferas

Correlação entre tensão e o diâmetro das fibras é ambíguo

Distância entre a agulha e

o colector

Necessária distância mínima para obter fibras secas

Distâncias muito reduzidas ou muito grandes conduzem à formação de glóbulos

Design da agulha

Utilizando duas agulhas coaxiais, podem ser

produzidos nanotubos; uso de muitas agulhas

aumenta a produção de fibras

Geometria e configuração

do colector

Fibras planas resultam de colectores metálicos; fibras

com estruturas mais porosas resultam de colectores

mais porosos

Fibras alinhadas podem ser obtidas por colectores rotativos ou colectores em forma de bobinas ou fios

Parâmetros Ambientais

Aumento da temperatura leva à redução da

viscosidade da solução, resultando em fibras de reduzidas dimensões

Aumento da humidade resulta na formação de

pequenos poros circulares nas fibras

Anexos


Anexo II – Configuração dos pinos TTL de entrada e saída

Tabela A.2 - Configuração dos pinos TTL de entrada e saída.

Pin # Definition Type Function

1

Vcc (5V) Reference Logic High Reference. Power on indicator.

2 Operational Trigger Input Configurable start/stop operational trigger input

[Ft] Foot Switch Falling edge: Start or stop trigger

[FH] Foot Switch Hold Falling edge:Start trigger

Rising edge: Stop trigger

[F2] Foot Switch Reverse Rising edge: Start or stop

trigger

[LE] Level Falling edge: Stop trigger

Rising edge: Start trigger

[St] Start only Falling edge: Start trigger

[t2] Start only Reverse Rising edge: Start trigger

[SP] Stop only Falling edge: Stop trigger

[P2] Stop only Reverse Rising edge: Stop trigger

3 Pumping Direction Input Changes pumping direction according to setup

[dr:rE] [dr:dU]

Falling edge: Infuse Withdraw

Rising edge: Withdraw Infuse

4 Event Trigger Input Event input or user definable input

5 Program Output Output Program controlled output or user definable output

6 Program Input Input Program conditional input read by the “IF” program function.

Also user definable input.

Also used by the keypad lockout function.

7 Pump Motor Operating

output [RUN.0] High: Pumping;

Low: Not pumping

[RUN.1] High: Pumping or Pause timer

Low: Pumping Programmed stopped or paused

8 Pumping Direction Output High: Infuse; Low: Withdraw

9 Ground (0V) Reference Logic low reference

Anexos


Anexo III – Circuito controlador do motor de passo QSH4218-51-10-049

Figura A.1 - Circuito da placa para o motor QSH4218-51-10-049.

Anexos


Anexo IV – Circuito controlador do motor de passo QSH5718-55-30-098

Figura A.2 - Circuito da placa para o motor QSH5718-55-30-098.

Anexos


Anexo V – Circuito accionador do variador de velocidade

Figura A.3 - Circuito da placa do variador de velocidade.

Anexos


Anexo VI – Circuito de leitura dos sensores

Figura A.4 - Circuito da placa de leitura.

Anexos


Anexo VII – Desenhos das placas

Figura A.5 - Desenho da placa controladora para o motor QSH4218-51-10-049.

Figura A.6 - Desenho da placa controladora para o motor QSH5718-55-30-098.

Anexos


Figura A.7 - Desenho da placa de accionamento do variador de velocidade.

Figura A.8 - Desenho da placa de leitura.

montagem e automatização de um sistema de...

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