Propriedades elétricas e ópticas de uma microemulsão termicamente ativada com potencial no controle de luminosidade de ambientes

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Araujo, E. (IFBA)

Resumo

O presente trabalho trata da caracterização elétrica e óptica de uma microemulsão para potencial aplicação em dispositivos termotrópicos de controle de luminosidade. Sua coloração varia de transparente a totalmente branca ou vice-versa com o controle da temperatura próxima a ela. Trata-se de um material de custo relativamente baixo se comparado com os materiais utilizados para o mesmo fim. A microemulsão é composta por solução aquosa, solvente orgânico e surfactante. As caracterizações mostraram uma dupla inversão de fase termicamente ativada acompanhada de mudanças no tamanho das gotículas dispersas no meio dominante e consequente mudança de coloração no material. Dessa forma, o material se mostra como potencial para uso do controle de luminosidade de ambientes.

Palavras chaves

Microemulsão; Caracterização; Transição de Fase

Introdução

Em regiões do país com forte incidência de radiação solar, as perdas por transferência de calor pelas janelas são consideráveis. Entre as novas tecnologias para bloquear essa radiação, estão as chamadas “janelas inteligentes” (GAMAYUNOVA, 2018). As janelas termotrópicas (mudam de coloração com a temperatura) são exemplos de aparatos que utilizam materiais sensíveis à temperatura (SEEBOTH; RUHMAN, 2010). Microemulções termicamente ativadas têm potencial para serem utilizadas para tal fim, visto as transições de fase acompanhadas de mudança na coloração (SOLLANS, 2005). Algumas emulsões compostas de água, óleo e surfactantes têm a peculiaridade de possuir uma inversão de fase termicamente ativada. Essa transição acontece em torno da temperatura em que a fase surfactante se torna dominante e é caracterizada por uma estrutura bicontínua. A inversão de fase na qual uma drástica mudança estrutural acontece tem recebido bastante atenção no estudo de agregação e organização molecular de emulsões. Dessa forma, é importante caracterizar para esses fluidos complexos, o tamanho, a distribuição e a conformação de cada componente. Na literatura, se tem observado um crescente número de trabalhos científicos tratando da diversidade de aplicações para esses sistemas coloidais. Como exemplos, podemos citar a indústria de alimentos, a indústria farmacêutica, a extração de metais pesados e em problemas de contaminação de água em óleo, na abordagem referente ao uso de emulsões como nanossistemas encapsuladores eficazes e microdomínios necessários para que existam tais reações químicas (microreatores). Neste trabalho, uma microemulsão termicamente ativada é caracterizada optica e eletricamente como potencial para uso como material termotrópico em janelas inteligentes.

Material e métodos

A microemulsão é composta por uma solução aquosa (10mM de KCl), solvente orgânico (tolueno) e surfactante não iônico (Triton X-100). Triton X-100 e cloreto de potássio (KCl) foram adquiridos da Sigma-Aldrich (EUA) e o tolueno da CRQ (Brasil). A análise microestrutural foi realizada com as técnicas de microscopia eletrônica de transmissão (MET) e de varredura (MEV). A inversão de fase termicamente ativada foi analisada em termos de suas propriedades dielétricas com o uso da técnica de espectroscopia de impedância elétrica, na faixa de frequência de 1Hz a 1MHz. Para a obtenção do fluido nanoestruturado, o surfactante foi introduzido na solução aquosa sob agitação em um bequer, e, logo após, o óleo foi introduzido, nessa ordem, para obter uma mistura homogênea. O sistema permanece sob intensa agitação por 30 minutos até a completa solubilização dos componentes da mistura em uma única fase, translúcida a transparente observada a olho nu. Toda a preparação é feita a temperatura ambiente (25°C). AS propriedades ópticas foram analisadas por transmitância em função da temperatura,na faixa de comprimento de onda de 300-700 nm.

Resultado e discussão

Imagens obtidas por MET e MEV confirmam o formato esférico da fase dispersa em cada fase, com diâmetros na faixa de 200-400 nm e 1-2 μm, respectivamente na fase O-A e A-O. O gráfico do módulo da impedância (|Z|) versus temperatura (Fig. 2(a))fornece a primeira indicação de inversão de fase no material devido a evidente variação da resposta elétrica do sistema. Medidas da permissividade relativa e da fração de água livre no meio permitiram com que as sucessivas transições (A-O/O-A/A-O) fossem determinadas e o meio contínuo dominante em cada fase, conhecido: com a diminuição (T<25°C) ou aumento (T> 31°C) da agitação térmica, o sistema sofre uma inversão para a fase (A-O) acompanhada do aumento do diâmetro da fase dispersa, como discutido inicialmente. É esse aumento no diâmetro das gotas que é responsável pela mudança de coloração de transparente a branca, passando por uma fase translúcida (transição entre O-A e A-O). A varredura da transmitância da emulsão como função da temperatura na faixa de comprimento de onda de 300-700 nm mostrou uma variação de 0,1% a 90% na transmitância, respectivamente, da fase opaca à transparente, confirmando a grande utilidade desse sistema para o controle automático de iluminação, como pode ser exemplificado na Fig. 2(b), a partir do protótipo produzido para os testes de controle de iluminação.

(a) TEM da microemulsão na fase óleo em água; (b) MEV da microemulsão na fase água em óleo.


(a) Variação da impedância da microemulsão como função da temperatura. (b) Princípio de funcionamento do dispositivo.

Conclusões

A mudança no diâmetro das gotas é quem define a transmissão de luz pelo material. Na fase O-A, a coloração da microemulsão é transparente e as gotículas dispersas estão na faixa de nanometros; quando a fase dominante passa a ser a do óleo, a coloração muda rapidamente para branca, com um aumento de tamanho de partículas para a ordem de micrometros. Essa característica particular é que impede a passagem de luz através do material, que pode ser considerado como potencial candidato para o desenvolvimento de janelas inteligentes termotrópicas.

Agradecimentos

Referências

A. Seeboth, R. Ruhmann, O. Mühling. Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control. Materials, 2010, 3, 5143-5168.

C. Solans, P. Izquierdo, J. Nolla, N. Azemar, M. J. Garcia-Celma. Nano emulsions. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2005, 10, (3-4), 102-110.

O. Gamayunova, E. Gumerova, N. Miloradova. Smart glass as the method of improving the energy efficiency of high-rise buildings. E3S Web of Conferences, 2018, 33, 6, 02046.