Existem dois possíveis estados de molhabilidade extremos para uma gota colocada sobre uma superfície: o estado Cassie-Baxter (CB) tem a gota equilibrada sobre o topo dos pilares e o estado Wenzel (W), caracterizado pela molhabilidade homogênea da superfície. Neste trabalho apresentamos um modelo teórico baseado na energia interfacial global para ambos os estados CB e W para estudar o comportamento de superfície de pilares e com reentrância simples e dupla. A partir da minimização da energia associada a cada estado de molhabilidade, é possível prever o estado teórico termodinâmico de uma gota para uma dada superfície e obter o angulo de contato aparente no estado estável. Usamos este modelo para encontrar geometrias para as superfícies de pilares e com reentrância que maximizem o angulo de contato. Após, analisamos o comportamento de molhabilidade das superfícies específicas para diferentes valores do angulo de contato de Young, simulando líquidos com diferentes tensões superficiais. Finalmente, apresentamos um estudo numérico usando simulação de Monte Carlo do Modelo de Potts Celular em três dimensões. A partir da comparação entre os ângulos de contato teórico e simulado, verificamos que existe uma dependência nos estados iniciais de molhabilidade da gota, o que sugere uma metaestabilidade desses estados. Para as superfícies de pilares e de reentrância simples, encontramos metaestabilidade apenas do estado CB, mas, para a superfície com reentrância dupla também encontramos metaestabilidade do estado W. Comparando com experimentos de molhabilidade realizados nestes tipos de superfície, discutimos alguns sucessos e problemas da abordagem adotada neste trabalho.

Tese de mestrado. Engenharia Biomédica. 2004. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Existem dois possíveis estados de molhabilidade extremos para uma gota colocada sobre uma superfície: o estado Cassie-Baxter (CB) tem a gota equilibrada sobre o topo dos pilares e o estado Wenzel (W), caracterizado pela molhabilidade homogênea da superfície. Neste trabalho apresentamos um modelo teórico baseado na energia interfacial global para ambos os estados CB e W para estudar o comportamento de superfície de pilares e com reentrância simples e dupla. A partir da minimização da energia associada a cada estado de molhabilidade, é possível prever o estado teórico termodinâmico de uma gota para uma dada superfície e obter o angulo de contato aparente no estado estável. Usamos este modelo para encontrar geometrias para as superfícies de pilares e com reentrância que maximizem o angulo de contato. Após, analisamos o comportamento de molhabilidade das superfícies específicas para diferentes valores do angulo de contato de Young, simulando líquidos com diferentes tensões superficiais. Finalmente, apresentamos um estudo numérico usando simulação de Monte Carlo do Modelo de Potts Celular em três dimensões. A partir da comparação entre os ângulos de contato teórico e simulado, verificamos que existe uma dependência nos estados iniciais de molhabilidade da gota, o que sugere uma metaestabilidade desses estados. Para as superfícies de pilares e de reentrância simples, encontramos metaestabilidade apenas do estado CB, mas, para a superfície com reentrância dupla também encontramos metaestabilidade do estado W. Comparando com experimentos de molhabilidade realizados nestes tipos de superfície, discutimos alguns sucessos e problemas da abordagem adotada neste trabalho.

Existem dois possíveis estados de molhabilidade extremos para uma gota colocada sobre uma superfície: o estado Cassie-Baxter (CB) tem a gota equilibrada sobre o topo dos pilares e o estado Wenzel (W), caracterizado pela molhabilidade homogênea da superfície. Neste trabalho apresentamos um modelo teórico baseado na energia interfacial global para ambos os estados CB e W para estudar o comportamento de superfície de pilares e com reentrância simples e dupla. A partir da minimização da energia associada a cada estado de molhabilidade, é possível prever o estado teórico termodinâmico de uma gota para uma dada superfície e obter o angulo de contato aparente no estado estável. Usamos este modelo para encontrar geometrias para as superfícies de pilares e com reentrância que maximizem o angulo de contato. Após, analisamos o comportamento de molhabilidade das superfícies específicas para diferentes valores do angulo de contato de Young, simulando líquidos com diferentes tensões superficiais. Finalmente, apresentamos um estudo numérico usando simulação de Monte Carlo do Modelo de Potts Celular em três dimensões. A partir da comparação entre os ângulos de contato teórico e simulado, verificamos que existe uma dependência nos estados iniciais de molhabilidade da gota, o que sugere uma metaestabilidade desses estados. Para as superfícies de pilares e de reentrância simples, encontramos metaestabilidade apenas do estado CB, mas, para a superfície com reentrância dupla também encontramos metaestabilidade do estado W. Comparando com experimentos de molhabilidade realizados nestes tipos de superfície, discutimos alguns sucessos e problemas da abordagem adotada neste trabalho.

Orientador: Elidiane Cipriano Rangel / Banca: Antonio Riul Junior / Banca: Maria Lucia Pereira Antunes Silva / Resumo: Neste trabalho foi investigada a possibilidade de se criar padrões regularmente distribuídos sobre a superfície da poliamida (PA), utilizando o processo de deposição de filmes em plasmas de baixa pressão. Para tal, um único procedimento foi empregado utilizando-se uma malha metálica comercial (60 μm) como máscara para delinear pilares na superfície da poliamida. Os plasmas de deposição foram gerados a partir de atmosferas contendo 70% de hexametildisiloxano (HMDSO) e 30% de oxigênio a uma pressão total de 23 Pa, já incluído o valor de 3 Pa referente à pressão de fundo. O plasma foi ativado pela aplicação do sinal de radiofrequência (13,56 MHz, 150 W) no suporte de amostras enquanto o eletrodo superior permaneceu aterrado. O tempo de deposição, t, foi alterado de 15 a 90 min. Na etapa inicial do trabalho o filme foi uniformemente depositado sobre o polímero sem a utilização de máscara. Uma segunda etapa de experimentos foi realizada, utilizando-se condições idênticas às anteriores, mas com o auxílio da trama metálica sobre as amostras para guiar a deposição do filme somente nos poros da máscara. Filmes organosilicones, compostos por estruturas granulares e com espessuras dependentes de t, foram uniformemente depositados sobre a PA quando a máscara não foi utilizada. A deposição do filme independentemente da condição de t, aumenta a rugosidade superficial e transforma a amostra inicialmente hidrofílica em hidrofóbica. Muito embora t afete de forma suave a composição química, es... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work investigated the possibility of creating patterns regularly distributed on the surface of the polyamide (PA), using the process of film deposition in low pressure plasmas. For such, a single procedure was employed using a commercial metallic mesh (60 um) as a mask to delineate pillars on the polyamine surface. The deposition plasmas were generated from atmospheres containing 70% of hexamethyldisiloxane (HMDSO) and 30% of oxygen at a total pressure of 23 Pa, already included the amount of 3 Pa related to the background pressure. The plasma was activated applying a radiofrequency signal (13.56 MHz, 150W) to the sample holder while grounding the topmost electrode. Deposition time t, was changed from 15 to 90 min. In the initial stage of the work the film was evenly deposited on the polymer without the usage of mask. A second step of experiments was performed, usign the same conditions as earlier, but with the aid of the metallic frame on the samples to guide the film deposition only in the pores of the mask. Organosiliciones films consisting of granular structures and thickness dependent of t were evenly deposited on the PA when the mask was not used. The film deposition, independently of condition of t, increases the surface roughness and transforms the sample initially hydrophilic to hydrophobic. Although t affects smoothly the chemical composition, molecular structure and wettability of the film, its effect on the layer thickness is substantial. Patterns in the form of pillars were regularly defined on the surface of PA with the organosilicon film deposition and the usage of the mask. The height of the pillars grows with t reaching up to 1 micrometers. For higher values of t, the mask did not acte effectively as shadow in the wire region. It was observed that the surface wettability was stage with the aging time and it was not affected by the patterns / Mestre

Uma das técnicas mais utilizadas para avaliação da molhabilidade de sólidos em pó é a técnica de ascensão capilar, na qual o ângulo de contato é estimado de forma indireta pelo modelo clássico de Washburn. No entanto, este modelo não leva em consideração o efeito da dissolução do leito de partículas para o caso de sólidos solúveis no líquido molhante, o qual constitui uma limitação importante na sua aplicação para diversos materiais. Assim, o presente trabalho tem como objetivo principal a elaboração de um novo modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar considerando a dissolução parcial do leito de partículas durante as medidas. Paralelamente, como consequência da necessidade de especificar adequadamente as condições de teste para o estudo de adequação do modelo, definiu-se como objetivo adicional a avaliação do efeito da atividade de água (aw) do material particulado e da umidade do ambiente sobre o valor de ângulo de contato obtido pela técnica de Washburn. Esta parte do estudo foi realizada utilizando celulose microcristalina (CMC) como material de referencia. Observou-se que o ângulo de contato CMC-água diminui linearmente com aw, enquanto a dependência com a umidade foi não linear, sendo mais pronunciada abaixo da umidade da monocamada. Embora tenha sido observado que a umidade relativa do ambiente durante o período de realização de um teste de ascensão capilar não afeta os resultados obtidos, mostrou-se que este parâmetro é relevante na determinação do ângulo de contato pela técnica de Washburn, porque afeta o conteúdo de umidade do material ao final da etapa de preparação das amostras para análise Com relação ao desenvolvimento do modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar em leitos com dissolução parcial, o modelo proposto, designado modelo DM-Washburn, foi obtido a partir da integração da equação de Navier-Stokes (assim como o modelo de Washburn), porém introduzindo uma dependência do diâmetro do capilar (i.e. poro no leito de partículas) em função da posição vertical e do tempo como estratégia para quantificar os efeitos da dissolução. A comparação entre os modelos DM-Washburn e clássico Washburn em termos de qualidade de ajuste foi realizada utilizando dados experimentais de ascensão capilar em leitos de D-(+)-glicose e lactose, utilizando como líquidos molhantes água pura e soluções aquosas desses dois materiais com concentrações até saturação. O modelo DM-Washburn possibilitou obter estimativas do ângulo de contato independentes da concentração do carboidrato do líquido molhante, com valores de desvio relativo médio inferiores a 5% para todas as condições testadas, representando uma melhoria efetiva na modelagem da ascensão capilar para sistemas nos quais ocorre a dissolução parcial do leito no líquido molhante. Além disso, os testes realizados com celulose microcristalina (CMC), um material insolúvel em água, mostraram a consistência do modelo DM-Washburn em experimentos tradicionais de ascensão capilar, isto é, sem dissolução significativa do leito de partículas. Os resultados obtidos neste estudo indicam que o modelo DMWashburn tem um grande potencial para avaliar a molhabilidade de materiais solúveis.

Uma das técnicas mais utilizadas para avaliação da molhabilidade de sólidos em pó é a técnica de ascensão capilar, na qual o ângulo de contato é estimado de forma indireta pelo modelo clássico de Washburn. No entanto, este modelo não leva em consideração o efeito da dissolução do leito de partículas para o caso de sólidos solúveis no líquido molhante, o qual constitui uma limitação importante na sua aplicação para diversos materiais. Assim, o presente trabalho tem como objetivo principal a elaboração de um novo modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar considerando a dissolução parcial do leito de partículas durante as medidas. Paralelamente, como consequência da necessidade de especificar adequadamente as condições de teste para o estudo de adequação do modelo, definiu-se como objetivo adicional a avaliação do efeito da atividade de água (aw) do material particulado e da umidade do ambiente sobre o valor de ângulo de contato obtido pela técnica de Washburn. Esta parte do estudo foi realizada utilizando celulose microcristalina (CMC) como material de referencia. Observou-se que o ângulo de contato CMC-água diminui linearmente com aw, enquanto a dependência com a umidade foi não linear, sendo mais pronunciada abaixo da umidade da monocamada. Embora tenha sido observado que a umidade relativa do ambiente durante o período de realização de um teste de ascensão capilar não afeta os resultados obtidos, mostrou-se que este parâmetro é relevante na determinação do ângulo de contato pela técnica de Washburn, porque afeta o conteúdo de umidade do material ao final da etapa de preparação das amostras para análise Com relação ao desenvolvimento do modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar em leitos com dissolução parcial, o modelo proposto, designado modelo DM-Washburn, foi obtido a partir da integração da equação de Navier-Stokes (assim como o modelo de Washburn), porém introduzindo uma dependência do diâmetro do capilar (i.e. poro no leito de partículas) em função da posição vertical e do tempo como estratégia para quantificar os efeitos da dissolução. A comparação entre os modelos DM-Washburn e clássico Washburn em termos de qualidade de ajuste foi realizada utilizando dados experimentais de ascensão capilar em leitos de D-(+)-glicose e lactose, utilizando como líquidos molhantes água pura e soluções aquosas desses dois materiais com concentrações até saturação. O modelo DM-Washburn possibilitou obter estimativas do ângulo de contato independentes da concentração do carboidrato do líquido molhante, com valores de desvio relativo médio inferiores a 5% para todas as condições testadas, representando uma melhoria efetiva na modelagem da ascensão capilar para sistemas nos quais ocorre a dissolução parcial do leito no líquido molhante. Além disso, os testes realizados com celulose microcristalina (CMC), um material insolúvel em água, mostraram a consistência do modelo DM-Washburn em experimentos tradicionais de ascensão capilar, isto é, sem dissolução significativa do leito de partículas. Os resultados obtidos neste estudo indicam que o modelo DMWashburn tem um grande potencial para avaliar a molhabilidade de materiais solúveis.

Neste trabalho foram modificados filmes de polipropileno biorientados (BOPP) e filmes de polipropileno (PP) produzidos via spin coating. Foi enxertada às superfícies uma molécula derivada de α-naftol, que quando excitada com radiação UV altera sua molhabilidade. Primeiramente estudaram-se filmes de PP produzidos via spin coating, os quais foram modificados via VUV e posterior enxertia de um fotoácido, onde foi estudado a molhabilidade foto-reversível da superfície modificada bem como a estabilidade do polipropileno. Em seguida BOPP foi modificado através de três técnicas diferentes, foto enxertia de ácido acrílico, VUV para inserir O2 e ATRP para inserir metacrilato de glicidila (GMA) com a finalidade de enxertar o fotoácido, onde foi estudada sua morfologia, sua rugosidade, a estrutura química e a molhabilidade foto-reversível. Foi observado que a rugosidade dos filmes após os diferentes tratamentos aumentou e a morfologia dos filmes tornou a superfície menos homogênea em todos os casos. Através das técnicas de FTIR-ATR e de XPS foi possível identificar a presença da molécula derivada de α-naftol, na qual se observa molhabilidade foto-reversível. Esta molhabilidade foto-reversível foi verificada em todas as superfícies modificadas. / In this work were modified polypropylene films bioriented (BOPP) and polypropylene films (PP) produced by spin coating technique. A α-naphthol derived molecule was grafted onto the surface by UV radiation excitation suffering acid-based equilibrium, by modification of the surface free energy. At the first moment PP films produced by spin coating were studied, by VUV modification and subsequent grafting of the photo acid (5-isothiocyanate-1-naphthol). Those samples were studied the photo-reversible wettability of the surface modified as well as polypropylene stability. After that PP films bioriented (BOPP) were modified by photo grafting using acrylic acid, VUV, and ATRP to insert GMA, then was grafted to these films derived from α-naphthol. The morphology of the films were studied by evaluation of roughness. The chemical structure and photo-reversible wettability were evaluated also. It was observed that the surface roughness of the films increase after different treatments. The surface morphology of the samples becomes less homogeneous in all cases, which means a increase in the roughness. Using surface techniques (FTIR-ATR and XPS) was possible to identify the presence of the chemical groups derived from α-naphthol, which shows photo-reversible wettability. This photo-reversible wettability could be verified in all the modified surfaces, however it is more pronounced on modified surfaces via VUV and photo-grafting of acrylic acid with subsequent grafting of the photo acid, where the WCA values were more significant.

Uma das técnicas mais utilizadas para avaliação da molhabilidade de sólidos em pó é a técnica de ascensão capilar, na qual o ângulo de contato é estimado de forma indireta pelo modelo clássico de Washburn. No entanto, este modelo não leva em consideração o efeito da dissolução do leito de partículas para o caso de sólidos solúveis no líquido molhante, o qual constitui uma limitação importante na sua aplicação para diversos materiais. Assim, o presente trabalho tem como objetivo principal a elaboração de um novo modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar considerando a dissolução parcial do leito de partículas durante as medidas. Paralelamente, como consequência da necessidade de especificar adequadamente as condições de teste para o estudo de adequação do modelo, definiu-se como objetivo adicional a avaliação do efeito da atividade de água (aw) do material particulado e da umidade do ambiente sobre o valor de ângulo de contato obtido pela técnica de Washburn. Esta parte do estudo foi realizada utilizando celulose microcristalina (CMC) como material de referencia. Observou-se que o ângulo de contato CMC-água diminui linearmente com aw, enquanto a dependência com a umidade foi não linear, sendo mais pronunciada abaixo da umidade da monocamada. Embora tenha sido observado que a umidade relativa do ambiente durante o período de realização de um teste de ascensão capilar não afeta os resultados obtidos, mostrou-se que este parâmetro é relevante na determinação do ângulo de contato pela técnica de Washburn, porque afeta o conteúdo de umidade do material ao final da etapa de preparação das amostras para análise Com relação ao desenvolvimento do modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar em leitos com dissolução parcial, o modelo proposto, designado modelo DM-Washburn, foi obtido a partir da integração da equação de Navier-Stokes (assim como o modelo de Washburn), porém introduzindo uma dependência do diâmetro do capilar (i.e. poro no leito de partículas) em função da posição vertical e do tempo como estratégia para quantificar os efeitos da dissolução. A comparação entre os modelos DM-Washburn e clássico Washburn em termos de qualidade de ajuste foi realizada utilizando dados experimentais de ascensão capilar em leitos de D-(+)-glicose e lactose, utilizando como líquidos molhantes água pura e soluções aquosas desses dois materiais com concentrações até saturação. O modelo DM-Washburn possibilitou obter estimativas do ângulo de contato independentes da concentração do carboidrato do líquido molhante, com valores de desvio relativo médio inferiores a 5% para todas as condições testadas, representando uma melhoria efetiva na modelagem da ascensão capilar para sistemas nos quais ocorre a dissolução parcial do leito no líquido molhante. Além disso, os testes realizados com celulose microcristalina (CMC), um material insolúvel em água, mostraram a consistência do modelo DM-Washburn em experimentos tradicionais de ascensão capilar, isto é, sem dissolução significativa do leito de partículas. Os resultados obtidos neste estudo indicam que o modelo DMWashburn tem um grande potencial para avaliar a molhabilidade de materiais solúveis.

Neste trabalho foram modificados filmes de polipropileno biorientados (BOPP) e filmes de polipropileno (PP) produzidos via spin coating. Foi enxertada às superfícies uma molécula derivada de α-naftol, que quando excitada com radiação UV altera sua molhabilidade. Primeiramente estudaram-se filmes de PP produzidos via spin coating, os quais foram modificados via VUV e posterior enxertia de um fotoácido, onde foi estudado a molhabilidade foto-reversível da superfície modificada bem como a estabilidade do polipropileno. Em seguida BOPP foi modificado através de três técnicas diferentes, foto enxertia de ácido acrílico, VUV para inserir O2 e ATRP para inserir metacrilato de glicidila (GMA) com a finalidade de enxertar o fotoácido, onde foi estudada sua morfologia, sua rugosidade, a estrutura química e a molhabilidade foto-reversível. Foi observado que a rugosidade dos filmes após os diferentes tratamentos aumentou e a morfologia dos filmes tornou a superfície menos homogênea em todos os casos. Através das técnicas de FTIR-ATR e de XPS foi possível identificar a presença da molécula derivada de α-naftol, na qual se observa molhabilidade foto-reversível. Esta molhabilidade foto-reversível foi verificada em todas as superfícies modificadas. / In this work were modified polypropylene films bioriented (BOPP) and polypropylene films (PP) produced by spin coating technique. A α-naphthol derived molecule was grafted onto the surface by UV radiation excitation suffering acid-based equilibrium, by modification of the surface free energy. At the first moment PP films produced by spin coating were studied, by VUV modification and subsequent grafting of the photo acid (5-isothiocyanate-1-naphthol). Those samples were studied the photo-reversible wettability of the surface modified as well as polypropylene stability. After that PP films bioriented (BOPP) were modified by photo grafting using acrylic acid, VUV, and ATRP to insert GMA, then was grafted to these films derived from α-naphthol. The morphology of the films were studied by evaluation of roughness. The chemical structure and photo-reversible wettability were evaluated also. It was observed that the surface roughness of the films increase after different treatments. The surface morphology of the samples becomes less homogeneous in all cases, which means a increase in the roughness. Using surface techniques (FTIR-ATR and XPS) was possible to identify the presence of the chemical groups derived from α-naphthol, which shows photo-reversible wettability. This photo-reversible wettability could be verified in all the modified surfaces, however it is more pronounced on modified surfaces via VUV and photo-grafting of acrylic acid with subsequent grafting of the photo acid, where the WCA values were more significant.