Fabricação e caracterização de papel condutor baseado em compósitos de celulose e nanoestruturas

Abstract

Resumo: Neste trabalho é descrito o estudo sistemático de otimização da produçãao de compósitos utilizando polpa seca de celulose e nanotubos de carbono para a produção de papel condutor de eletricidade. Primeiramente, a polpa seca é desagregada em água para obtenção da polpa em solução, e os nanotubos de carbono são dispersos também em água; essas duas dispersões são misturadas e então o excesso de água é retirado para a obtenção do compósito condutor. Após a técnica otimizada foram produzidas amostras utilizando apenas polpa de Pinus taeda, apenas polpa de Eucalyptus grandis e 50% de cada polpa, com diferentes espessuras, variando a massa de polpa seca utilizada (50, 80, 130, 210, 340, 560, 860 mg) e diferentes concentrações de nanotubos de carbono na amostra (0,0; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0 %). Todas foram caracterizadas através das técnicas de difração de raios X, espectroscopia Raman, medidas de resistência elétrica e curvas I x V. Isto foi feito para avaliar como a espessura e a concentração podem alterar a resistividade das amostras. Observou-se que a espessura não tem relação direta com a resistividade; uma vez que a técnica foi otimizada, a produção de amostras com homogeneidade espacial e da dispersão de nanotubos de carbono no compósito fez com que amostras com diferentes espessuras tivessem resistividade de mesma ordem de grandeza. À medida que aumenta a concentração de nanotubos na amostra, a resistividade cai de forma exponencial até uma concentração onde parece ocorrer uma saturação do efeito dos nanotubos de carbono na amostra: 5,0 % para polpa de Pinus taeda e 50 % de cada polpa; e 2,0 % polpa de Eucalyptus grandis. Além disso, foi observado aparente comportamento ferroelétrico em amostras com baixa concentração de nanotubos de carbono produzidas com polpa de Eucalyptus grandis. Por fim, foi avaliada a possibilidade de utilização dos compósitos na produção de dispositivos, mediante fabricação de capacitores utilizando tanto o compósito como um metal como placa condutora. 0 capacitor produzido com os compósitos é comparável ao utilizando uma placas de metal, o que mostrou a viabilidade da utilização dos compósitos celulose-nanotubos na produção de dispositivos eletrônicos. Palavras-chave: Polpa seca, Celulose, Nanotubos de carbono.

Abstract: In this work the systematic study of optimization of the production of composites obtained using dry cellulose pulp and carbon nanotubes for the production of electri­ cally conductive paper is described. First the dry pulp is disaggregated in water to obtain the pulp in solution. The carbon nanotubes are also dispersed in water. These two dispersions are mixed, and then the excess water is removed in order to obtain the conductive composite. After the technique was optimized, samples were made using Pinus taeda pulp only, Eucalyptus grandis pulp only, and a mix consisting of 50 % of each pulp. By varying the dry pulp mass used (50, 80 , 130, 210, 340, 560, 860 mg) and the carbon nanotubes concentration in the sample (0.0, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 %) it was possible to infer the influence of each parameter on the electrical properties of the composites. The samples were characterized by X-ray diffraction, Raman spec­ troscopy, electrical resistance measurements and I x V curves. The thickness has no apparent influence on the resistivity. Once the technique was optimized, the produc­ tion of samples with both spatial and carbon nanotubes distribution homogeneity in the material, samples with different thicknesses had resistivity of the same order of magnitude. As the concentration of nanotubes in the sample increases, the resistivity decreases exponentially to a concentration above which a saturation of the carbon na­ notubes in the sample appears to occur: 5.0 % for both the Pinus taeda pulp and 50 % mix; and 2.0 % for the Eucalyptus grandis pulp. In addition, an apparent ferroe­ lectric behavior was observed in samples with low concentration of carbon nanotubes produced with Eucalyptus grandis pulp. Finally, the possibility of using the composites in the production of simple devices was evaluated. Capacitors were constructed using both the composite or a metal as a conductive plate. The capacitor produced with the composite is comparable to those using metal plates, which showed the viability of the use of the cellulose/nanotube composites in the production of devices. Key words: Dry pulp, Cellulose, Carbon nanotubes.