Eletrofiação em Substratos Isolantes via Controle de Molhabilidade Superficial e Umidade Local

Resumo

Apresentamos uma técnica direta que permite a eletrofiação de polímeros em substratos flexíveis não condutivos, aproveitando a molhabilidade superficial e umidade controlada. Ao elevar a umidade relativa local ao redor de uma superfície de polímero hidrofílica tratada com plasma, monocamadas de água adsorvem e servem como eletrodo de aterramento transitório. Fibras eletrofiadas depositam-se seletivamente nas regiões hidrofílicas, permitindo padronização precisa sem fabricação complexa de eletrodos. A eletrofiação de campo próximo demonstra ainda a escrita direta de nanofibras de polímero em superfícies hidrofílicas, abrindo caminhos para dispositivos eletrônicos vestíveis e flexíveis.

Introdução

A eletrofiação — um método econômico para produzir nanofibras contínuas na faixa sub-micrométrica — baseia-se em um campo elétrico gerado entre uma fonte de alta tensão, um espigão e um coletor. Tradicionalmente, o coletor é um substrato condutivo (ex: metal) que serve como eletrodo de aterramento, assegurando um campo elétrico estável. Quando um substrato não condutivo é requerido, camadas condutivas externas devem ser adicionadas para fornecer aterramento [4].

Muitas aplicações industriais demandam deposição em polímeros isolantes flexíveis [6]. Trabalhos prévios alcançaram isso apenas para camadas isolantes muito finas (≤100 µm) ou empregando técnicas complexas de eletrohidrodinâmica com pulsos AC modulados que requerem equipamento especializado [7]. Embora a eletrofiação em eletrólitos líquidos tenha sido explorada [9-12], uma abordagem simples e escalável para substratos isolantes arbitrários permanece elusiva.

Introduzimos um método que explora a condutividade de camadas de água adsorvidas em superfícies hidrofílicas em ambiente de alta umidade. Uma monocamada fina de água pode conduzir eletricidade em umidade relativa (UR) acima de 50% [13]. Controlando a umidade local ao redor de um polímero tratado com plasma, a água adsorvida atua como eletrodo de aterramento, permitindo eletrofiação independente da espessura do substrato e compatível com configurações convencionais.

Métodos

Preparação de Substrato Polimérico Hidrofílico

Uma folha de acrílico de 500 µm com superfície naturalmente hidrofóbica foi submetida a 30 s de plasma de oxigênio (CUTE, Femto Science, Coreia). Este tratamento introduziu grupos silanol (SiOH) e reduziu o ângulo de contato com água de 81,3° para 36,7°, confirmando a hidrofílicação bem-sucedida [14]. Hidrofílicação seletiva foi alcançada mascarando regiões antes da exposição ao plasma.

Configuração de Eletrofiação

A eletrofiação foi realizada à temperatura ambiente (≈22 °C) e UR moderada (40-50%). Uma solução de poliuretano (PU) a 10% em peso (Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, EUA) dissolvida em mistura THF/DMF 80/20 (v/v) serviu como fluido de fiação. Para estudos comparativos, fibras de PU foram depositadas em um coletor de acrílico que combinava regiões hidrofílicas e hidrofóbicas (Fig. 1a).

Controle de Umidade Local

Para elevar a umidade adjacente ao coletor, um papel úmido foi colocado entre o substrato de acrílico e o eletrodo de aterramento (Fig. 1b). Como o vapor de água difunde lentamente, a UR próxima ao substrato atingiu ~70% enquanto o ambiente da ponta da seringa permaneceu em ~50% (Arquivo adicional 1: Figura S2). Este aumento localizado assegura rápida adsorção de água em superfícies hidrofílicas, facilitando o acoplamento eletrostático [15].

Resultados e Discussão

Modos de Eletrofiação

Examinamos duas configurações: (1) eletrofiação de campo distante (distância ponta-coletor = 8 cm, 13 kV CC) e (2) eletrofiação de campo próximo (distância = 1 cm, 2 kV CC, ponta móvel a 100 mm s⁻¹). No modo de campo distante, fibras formaram-se apenas em áreas hidrofílicas; as seções hidrofóbicas permaneceram livres de deposição (Fig. 2). A camada de água adsorvida na superfície hidrofílica forneceu o aterramento necessário, enquanto a superfície hidrofóbica inibiu a formação do campo elétrico. Experimentos de campo próximo demonstraram que fibras poderiam ser escritas diretamente ao longo da trajetória da ponta em regiões hidrofílicas, produzindo linhas contínuas; fibras em regiões hidrofóbicas apareceram instáveis e torcidas.

Quatro polímeros — PCL, PS, CA e PVDF — foram testados para confirmar versatilidade. Em cada caso, fibras foram depositadas exclusivamente em regiões hidrofílicas (Fig. 3). Análise SEM (Fig. 4) revelou que a morfologia da fibra no coletor polimérico correspondeu à produzida em eletrodos metálicos convencionais, indicando que o controle de umidade local não compromete a qualidade da fibra.

A força do campo elétrico também influencia padrões de deposição. À medida que a tensão aplicada aumentou de 6 kV para 16 kV (distância ponta-coletor = 8 cm), a instabilidade de curvatura do jato intensificou-se, levando a laços maiores que depositaram fibras nas regiões hidrofóbicas (Fig. 5). Em tensões mais baixas, fibras predominantemente coletaram na superfície hidrofílica.

Experimentos de campo próximo validaram ainda o método. Quando o coletor era um polímero hidrofílico, a ponta produziu linhas retas e contínuas, enquanto em coletor hidrofóbico as fibras eram instáveis e curvas (Fig. 6). Isso demonstra que padronização direta em substratos isolantes é alcançável sem eletrodos externos.

Conclusões

Estabelecemos uma abordagem simples e escalável para eletrofiar em substratos isolantes de qualquer espessura, aproveitando a molhabilidade superficial e umidade local controlada. Plasma de oxigênio torna a superfície do polímero hidrofílica, permitindo que água adsorvida a ~70% UR atue como eletrodo de aterramento. Nanofibras eletrofiadas depositadas no coletor hidrofílico correspondem à morfologia alcançada em eletrodos metálicos convencionais, e a escrita de campo próximo produz padrões precisos de fibras em regiões hidrofílicas de superfícies isolantes. Esta estratégia elimina a necessidade de fabricação complexa de MEMS ou eletrodos, permitindo a integração de nanofibras eletrofiadas em eletrônicos vestíveis flexíveis e outras aplicações emergentes.