PROTÓTIPO DE CONVERSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
PROTÓTIPO DE CONVERSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
UTILIZANDO O POLÍMERO PVDF-β
Viktor O. Cárdenas-Concha (1) e João Sinézio C. Campos (2)
(1)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Química, Cx. Postal 6066, CEP
13083-970, Campinas/SP, Brasil, [email protected] ;(2) [email protected]
RESUMO
Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre o polímero polifluoreto de vinilideno (PVDF) e sua
utilização como transdutores na conversão de energia elétrica, envolvendo suas propriedades ferroelétricas.
Neste trabalho além da revisão bibliográfica, são apresentados resultados da estabilidade do coeficiente
piezoelétrico d31 em função do tempo, temperatura e campo elétrico para sua polarização ferroelétrica, resultados
do coeficiente piezoelétrico d31 em função de tais parâmetros de polarização. São apresentados resultados da
influencia dos parâmetros (freqüência do “chopper”, distância lâmpada-sensor e diâmetro da superfície irradiada
no sensor) na obtenção de sinais elétricos usando o protótipo de geração de energia.
Palavras-Chave: PVDF, piezoeletricidade, transformação de energia.
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas os polímeros vêm substituindo
os materiais tradicionais na suas diversas
atividades. Com a síntese de novos compostos
poliméricos, os polímeros começaram a ser
utilizados como elementos ativos na construção dos
mais diversos dispositivos. Sendo que um dos que
tem recebido maior atenção é o polifluoreto de
vinilideno (polyvinylidene fluoride), também
conhecido como PVDF ou PVF2. Esse destaque do
PVDF pode ser verificado pelo enorme número de
trabalhos e patentes desenvolvidos e publicados,
mostrando suas inúmeras aplicações. O interesse
por este polímero começou, quando suas
propriedades piezoelétricas começaram a ser
estudadas, verificando-se assim que o PVDF
tornava-se altamente piezoelétrico, após ter sido
mecanicamente estirado e submetido à ação de
campo elétrico[1][2]. Posteriormente foi descoberta
sua atividade piroelétrica[3]. Cabe ressaltar que o
PVDF não é um material polimérico sintetizado
recentemente, mas já era conhecido desde a década
de 40 como um polímero de alta constante
dielétrica e diversas fases cristalinas[4].
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Poli (Fluoreto de Vinilideno)
O PVDF é um material de particular interesse
científico e tecnológico[5]., pois consegue
combinar as características de um plástico com as
de um elemento piezoelétrico e piroelétrico, além
de apresentar uma excelente combinação de
processabilidade, resistência mecânica, resistência a
agentes químicos, leveza, moldabilidade, baixo
custo de produção e ser quimicamente inerte[6].
Todas essas propriedades fazem com que sua
produção seja em larga escala conferindo-lhe
algumas vantagens sobre os transdutores cerâmicos
convencionais. Enquanto as cerâmicas são
quebradiças, rígidas e densas, o PVDF é flexível, de
baixa densidade (≈ 1,9 g/cm3) e facilmente
produzido na forma de filmes finos. São essas
propriedades que o qualificam para as inúmeras
aplicações tecnológicas como transdutores eletromecânicos e eletro-térmicos[5][7].
Dentre os materiais poliméricos o PVDF é um dos
que exibe maior coeficiente piezo e piroelétricos.
Atualmente este material é utilizado numa
variedade de aplicações como transdutor. O seu
sucesso nestas aplicações deve-se a algumas
vantagens, como por exemplo: flexibilidade, baixa
densidade, resistência a ataques químicos,
possibilidade de fabricação em forma de filmes
finos e áreas maiores que 1m2, além do seu baixo
custo de produção. Estas características não são
apresentadas por materiais convencionais (PZT,
TGS), os quais são quebradiços e rígidos.
O PVDF é um polímero semi-cristalino (50%
amorfo, 50% cristalino) com unidades repetidas de
CH2-CF2. O monômero possui momento de dipolo,
em torno de 7,56x10-30C.m. Os monômeros
unitários tendem a polimerizar predominantemente
na forma “head to tail”, isto é, -(CH2-CF2)-(CH2CF2)-.
O PVDF pode cristalizar-se em pelo menos quatro
formas distintas, denominadas de fases α, β, γ e δ.
A fase β (polar) é de maior interesse por apresentar
propriedades piezo e piroelétricas, no entanto a fase
α (não polar) é a mais facilmente obtida
industrialmente. Existem vários mecanismos que
transformam a fase α em fase β, sendo o mais
comum por deformação mecânica da fase α em
temperaturas inferiores a 80˚C. resultando num
material polar com momento de dipolo total da
ordem de 6,9x10-30C.m.
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2.2 Detectores piroelétricos
2.2.1. O efeito piroelétrico
2.2.2. O sensor piroelétrico
Consiste de uma fatia de material piroelétrico com
eletrodos de metal em suas superfícies.
O sensor piroelétrico somente responde a variações
de temperatura e, portanto deve ser utilizado no
modo A.C., em outras palavras, o sensor somente
detecta variações na potencia radiante incidente,
desta forma se a fonte a ser estudada irradiar de
forma continua faz-se necessário uma modulação
mecânica (“chopper”).
3. MATERIAL E MÉTODOS
3.1. Estabilidade piezoelétrica do PVDF
Amostra de PVDF-β (Bemberg Fölien, 20 μm),
obtidas por estiramento mecânico (razão 4) e
confirmadas por medidas de IR-transmissão.
Posteriormente os contatos elétricos são feitos por
depositar eletrodos de alumínio, evaporados em
vácuo, sobre as superfícies. Permitindo assim
investigar
a
dependência
do
coeficiente
piezoelétrico (d31) em função dos parâmetros
campo elétrico, temperatura e tempo, bem como a
estabilidade do d31 em função do tempo. As
medidas do coeficiente piezoelétrico foram
efetuadas em um detector síncrono (IFQSC/USP),
durante um período de 5 anos.
3.2. Geração de sinais elétricos e influência dos
parâmetros estudados
Basicamente o aparato utilizado é constituído por:
fonte de radiação, “chopper”, detector piroelétrico,
pré-amplificador, amplificador e sistemas de
aquisição de dados. A figura 1 apresenta uma visão
esquemática do aparato experimental.
Figura 1. Aparato experimental
O eletrodo utilizado é com posto por uma
membrana de PVDF-β com deposição de alumínio
em ambas as superfícies, foi assentada sobre um
suporte no formato de um pino (Eletrodo 2), com
uma pequena curvatura (raio = 2 cm) na superfície
em contato com o PVDF. Tal configuração facilita
manter a membrana esticada evitando as
deformações (enrugamento). A outra superfície do
PVDF é presa pela tampa do BCN (Eletrodo 1), a
qual assemelha-se a um tubo com um orifício na
parte superior que serve de delimitador da área
sensível.
Utilizou-se uma lâmpada incandescente (12 volts e
50 watts).
Um modulador mecânico se faz necessário pois o
sensor piroelétrico opera no modo A.C., e um
osciloscópio como instrumento de aquisição de
dados.
Estudam-se os sinais elétricos gerados pela
absorção da radiação incidente em função dos
parâmetros estudados (freqüência do “chopper”,
distancia lâmpada-sensor, área de incidência no
sensor). Trabalhou-se utilizando a superfície do
sensor enegrecido, com a finalidade de ter uma
maior absorbância da energia radiante.
Usou-se um planejamento experimental com o
objetivo de otimizar o número de ensaios a serem
realizados
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1. Estabilidade piezoelétrica do PVDF
– d31 em função do campo de polarização (Ep)
Condições de polarização em T=80°C, tp=10 min.
25
d31 (pC/N)
Efeito piroelétrico é definido como a carga elétrica
gerada, em determinados materiais, como resposta
a variações de temperatura.
Materiais piroelétricos são aqueles que apresentam
uma polarização elétrica, cuja magnitude é função
da temperatura.
Neste trabalho utilizou-se o efeito térmico sobre o
polímero PVDF, para a produção do sinal elétrico.
No qual o sensor ao absorver a energia radiante
aumenta sua temperatura de T para T+ΔT. Este
aumento de temperatura, em certos materiais,
causam o aparecimento de sinais elétricos.
Sensores térmicos são utilizados em situações onde
se exige uma resposta espectralmente plana e
tempos de resposta não muito rápidos. Entretanto,
sensores piroelétricos além de apresentarem
respostas espectralmente plana e neutra podem ter
tempos de resposta rápidos (~0,01 s).
20
15
10
5
0
0
150 200 300 350 400 450 500 550 600
Ep (Kv/cm )
Figura 2. Coeficiente piezoelétrico em função do
campo de polarização.
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– Medidas de d31 em função de temperatura de
polarização (Tp)
Condições de polarização: Ep= 450 kV/cm e tp=10
minutos.
d31 (pC/N)
25
20
15
10
5
0
40
50
60
70
80
90
100
4.2. Geração de sinais elétricos e influência dos
parâmetros estudados
110
T p (º C )
Figura 3. Coeficiente piezoelétrico em função da
temperatura de polarização.
– Medidas de d31 em função do tempo de
polarização (tp)
Condições de polarização: Ep=450 kV/cm,
Tp=80°C
20
d31 (pC/N)
o aumento não é linear, mas tendem
assintóticamente para uma saturação.
Os resultados da fig. 4 mostram que durante um
período de 5 anos a estabilidade do d31 foi muito
boa em função das condições ambientais de
armazenamento, sendo que ocorre uma perda de no
máximo 15% nas primeiras 24 h em relação ao
valor inicial.
Observação: A continuidade destas medidas,
estabilidade de d31 em função do tempo, ainda estão
em andamento.
15
10
Neste trabalho foi realizado um planejamento
fatorial de 23, com ponto central (quadruplicata).
Com a finalidade encontrar o ponto ótimo de
operação.
Tabela 1. Níveis de operação do planejamento
Fatores
1: Freqüência do “chopper”(Hz)
2: Distância lâmpada–sensor
(cm)
3: Diâmetro do sensor (cm)
(-)
11
16
(0)
20
19
(+)
29
22
0,5
0,9
1,3
5
0
20
40
60
80
tp (m i n u to s)
Figura 4. Coeficiente piezoelétrico em função do
tempo de polarização.
– Medidas de estabilidade do d31 em função do
tempo (t)
Condições de polarização: t=50 min, T=80°C e
E=450 kV/cm.
Tabela 2. Matriz de planejamento experimental
Ensaio
1
2
3
4
5
6
7
8
1
+
+
+
+
2
+
+
+
+
d31 (pC/N)
25
d31 (pC/N)
30
25
20
15
10
0
1
2
4
5
t (dia s )
20
15
10
0.001
0.01
0.1
1
10
log t (anos)
Figura 5. Coeficiente piezoelétrico em função do
tempo de armazenamento.
Os resultados (fig. 1, 2 e 3) mostram que o
coeficiente piezoelétrico depende das condições de
polarização (campo, temperatura e tempo), nos
quais percebe-se que quanto maior o tempo,
temperatura e campo elétrico há uma tendência do
módulo do d31 ser maior. No entanto observa-se que
Figura 6. Distância por diâmetro.
3
+
+
+
+
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Figura 7. Freqüência por diâmetro.
5. CONCLUSÕES
1 - Dos resultados obtidos, ao longo de 5 anos de
medida do coeficiente piezoelétrico (d31), pode-se
afirmar que o material tem excelente estabilidade
com o tempo.
2 - Constatou-se a geração de sinais elétricos.
3 - Observou-se que o parâmetro que mais
influência no processo é o diâmetro. Então, quanto
maior a área atingida, maior o rendimento do sinal
de saída.
4 - Observa-se que para freqüências menores o
ganho no sinal de saída e maior.
5 - Segundo os gráficos obtidos mostra que as
faixas de distancia entre lâmpada e sensor em que
se trabalhou não influencia o sinal de saída.
6. REFERÊNCIAS
[1] Sinézio,
JCC.
Tese
de
Doutorado,
Universidade de São Paulo, Instituto de Física
e Química de São Carlos, 1990.
[2] Kawai H., Japan J. Appl. Phys, 8, 1978 (1969).
[3] BERGMAN, J. G., Jr McFEE, and G. R.
CRANE, Pyroelectricity and optical second
harmonic generation in polyvinylidene fluoride
films, Appl.Phys.Let, 18, 5, 203-205, 1971.
[4] NAKAMURA, K. And Y. WADA, J. Polym.
Sc., A-2, 9, 161, 1971.
[5] Furukawa T., Ferroelectrics Properties of
Vinylidene Fluoride Copolymers, Phase
Transitions, 18, 143, 211, (1980).
[6] Sessler e Wang, 1987.
[7] SESSLER, G. M., Pyezoelectricity in
Polyvinylidene Fluoride, J. Acoust. Soc. Am.,
70 (6), 1596-1608, 1981.