"MATERIAIS FOTOCRÔMICROS DE MATRIZ POLIMÉRICA ERESPECTIVOS MÉTODO DE OBTENÇÃO E USO"
A presente invenção refere-se um material compósito, dematriz polimérica, no qual são incorporados materiais fotossensíveis,notadamente polioxometalatos (POMs)1 particularmente compostoscontendo heteropolianions de fórmula geral [XxMmOy]q~ (onde X = Si ou P eM = Mo ou W). O polímero é constituído preferencialmente por uma matriz àbase de acrilato ou metacrilato, acetato de celulose ou hidroxiproprilcelulose.
Refere-se também ao processo para incorporação dos agentesfotossensíveis nas matrizes poliméricas e ao uso do dito produto obtido aofinal do processo.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
No documento JP2007246870 é apresentado um materialfotocrômico que é obtido pela dissolução de antraquinona em umpolímero que contém um grupo éster em sua unidade estrutural. Estematerial fotocrômico torna-se colorido quando submetido à radiaçãoultravioleta, sendo que esta coloração só é perdida quando submetido aaquecimento.
Em MX9801438 é apresentado um material quecompreende um material polimérico composto por grupos éter ou radicaisalcoxilados, aos quais são adicionados aditivos fotocrômicos. O materialpolimérico preferencialmente tem uma temperatura de transição vítrea deno mínimo 51,6 0C e uma densidade de ligações cruzadas de 2 a 8moles por litro. Quando aditivos fotocrômicos são incorporados em taismateriais, a velocidade de reversão é elevada, enquanto que o nível daresposta fotocrômica é relativamente independente de mudanças natemperatura. Os aditivos fotocrômicos preferidos sãoespiro(indolino)naftoxazinas, espiro(indolino)piridobenzoxacinas,espiro(bencidolino)nafotoxazinas e estilbeno de octametil.
Um filme polimérico fotocrômico é apresentado emJP2002138276, sendo caracterizado por partículas fotossensíveis deprata halogenada, com diâmetro na faixa de 5 a 30 nm, dispersas emuma matriz polimérica.
Com o uso, no entanto, os materiais acima descritos perdem acapacidade de reversão, ou seja, perdem a propriedade de alterar sua cor apartir de um estímulo fotoelétrico ou necessitam de temperatura pararetornarem a sua coloração original. Ainda, o processamento necessário para aincorporação das partículas inorgânicas na matriz polimérica é complexo, demodo a elevar os custos finais desses materiais. Embora o efeito fotocrômicoreversível dos polioxometalatos seja conhecido de longa data, as matrizes nasquais esses compostos foram introduzidos, até o momento, apresentamlimitações, tais como, a dificuldade ou complexidade de preparação dasmatrizes hospedeiras, o tempo de preparo dos materiais e o tempo necessáriopara a total reversibilidade do efeito fotossensível.
DESCRIÇÃO SUMÁRIA DA INVENÇÃO
O material objeto desta patente tem uma taxa de perda decapacidade de reversão inferior às demais invenções nominadas, demodo a manter por um período de tempo mais longo a capacidade dealterar sua cor. Além disso, sua a velocidade de reversão pode seraumentada com o aumento de temperatura. Devido ao elevado pesomolecular dos POMs1 apenas uma pequena quantidade destescompostos precisa ser adicionada à matriz para se obter o efeitofotocrômico. A grande solubilidade dos POMs em diversos solventesfacilita o uso de diversas matrizes.O material desenvolvido apresenta como característicaprincipal o fenômeno de fotocromismo. Esse material é transparentequando em seu estado não excitado, mas sofre alteração de coloraçãoquando exposto a radiação ultravioleta. Esse novo material fotossensívelé um material compósito, no qual moléculas fotossensíveis deheteropolianions, particularmente ácido fosfotúngstico, ácido silicotúngstico,ácido fosfomolíbdico e ácido silicomolíbdico, são dispersas em uma matrizconstituída preferencialmente à base de acrilato, acetato de celulose ouhidroxipropilcelulose.
O método para a obtenção deste material depende da matrizpolimérica na qual as partículas de POMs serão incorporadas. No caso deincorporação em acrilato, uma solução de POMs é adicionada a umasolução de acrilato, a qual é posteriormente seca e polimerizada porradiação ultravioleta.
A obtenção de filmes fotossensíveis com matriz de acetatode celulose exige também duas etapas: (i) a preparação do dito acetato, apartir de celulose bacteriana tratada em meio ácido, com (ii) posteriorincorporação de POMs.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A presente invenção é explicada pelas figuras anexadas.
A Figura 1 é um fluxograma que resume o procedimentopara a preparação do compósito fotossensível.
A Figura 2 mostra dispositivos do compósito Acrilato/POMantes e após a irradiação com uma fonte laser.
A Figura 3 é um fluxograma que resume o procedimentopara a preparação de acetato de celulose, usado como matriz para aincorporação do POM.A Figura 4 é um fluxograma com o procedimento para apreparação de solução de compósito a partir do acetato de celuloseobtido no processamento descrito na Figura 3.
A Figura 5 é um fluxograma com o procedimento para apreparação de solução de compósito a partir de hidroxipropilcelulose(HPC) obtida no processamento descrito na Figura 3.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
O fenômeno da fotossensitividade em materiaisnormalmente é definido como mudanças em quaisquer propriedades soba exposição da luz. A interação luz-material pode resultar em alteraçõesestruturais ou óticas. As primeiras incluem mudanças termodinâmicascomo fotocristalização ou fotoamorfização, bem como variação dadensidade (fotoexpansão ou fotocontração). As mudanças óticas sãoatribuídas a variações do índice de refração (fotorefratividade) e docoeficiente de absorção (fotocromismo, fotoescurecimento oufotobranqueamento).
De um modo geral, um material é dito fotocromáticoquando altera sua transmissão ótica quando exposto aos efeitos da luzsolar ou laser. O primeiro fenômeno fotocromático em vidros foiobservado em 1949 por S. D. Stookey (STOOKEY, S. D., Industrial andEngineéring Chemistry Research, 45-1 (1953), p.115). Ele demonstrouque vidros à base de sílica dopados com fluoretos alcalinos modificamsuas colorações após exposição à luz ultra-violeta seguida de tratamentotérmico, sendo que estes materiais foram chamados de vidros foto-termo-refráteis. Ainda, foi demonstrado que a variação na coloração eradevida à precipitação de fluoretos alcalinos ou nanopartículas metálicasna estrutura vítrea e pode ser explicada em termos de interações nainterface vidro-cristal (Y. Shigesato, Japanese Journal of Applied Physics.Part 1, Regular Papers & Short Notes 30-7 (1991) 1457).
Efeitos fotocromáticos em materiais à base de WO3 sãobem conhecidos em filmes policristalinos (C. G. Granqvist1 Solar EnergyMaterials & Solar Cells 60 (2000) 201). Nestes casos, o efeito somentefoi atingido pela exposição dos filmes à luz ultra-violeta (λ ^ 400 nm). Ofe.nômeno de fotocromismo em vidros à base de WO3 foi recentementeobservado por G. Poirier et al. (BRPI0502711-0), onde observa-se amudança de coloração do vidro quando o dito é exposto a Iasers decomprimentos de onda no ultravioleta, no visível e no infravermelho. Ofenômeno é reversível por tratamento térmico a 150 0C e o processopode ser repetido inúmeras vezes sem a degradação das propriedadesópticas do vidro.
O termo polioxometalatos (POM) é aplicado a um vastogrupo de estruturas aniônicas compostas por metais de transição eoxiâniohs (ex. ligados por íons óxidos compartilhados). O termonormalmente é aplicado a estruturas com 3 ou mais átomos de metais detransição dos grupos V e Vl em seus estados superiores de oxidação (ex.V, Nb, Ta). Oxiânions são ions poliatômicos negativamente carregadosque contêm óxidos; podem ser vistos como bases conjugadas de umoxiácido correspondente, apesar de ambos complexos não seremnecessariamente estáveis. As famílias mais extensas de oxiânions são ados polioxomolibdatos e polioxotungstatos.
Dentre os principais campos de aplicação deste materialfotocrômico podemos citar a confecção de indicadores de ultravioleta edosímetros para ultravioleta. Outra aplicação interessante é aincorporação em tintas e vernizes para a fabricação de tintasfotossensíveis, as quais podem ser aplicadas sobre vidros ou acrílicostransparentes: quando estes materiais são expostos ao UV do sol elesmudam de coloração, de modo a controlar-se a luminosidade dentro deum determinado ambiente. Como o efeito de coloração é reversível,assim que a fonte de UV é retirada, o material volta a ser transparente.
Além do controle da luminosidade, o filme fotossensível também bloqueiaa radiação infravermelha. Outra possível aplicação é como insulfilmedinâmico em pára-brisas de carros e aviões.
No que se refere aos materiais fotocrômicos, podemosafirmar que a metodologia de preparação de um dispositivo sensível àradiação ultravioleta usando o acrilato como matriz polimérica é bemmais simples que a metodologia empregada na preparação dedispositivos semelhantes que empregam a metodologia sol-gel ou aindacomo descrita nas patentes citadas.
No caso dos materiais eletrocrômicos, por exemplo,quando falamos em "janelas inteligentes", existe uma complexidadegrande na preparação das mesmas, pois são necessários váriosdepósitos de camadas contendo diferentes componentes para que oprocesso seja possível, o que demanda um longo tempo de preparo alémde dificuldades de execução e alto custo. Ainda no caso das janelasinteligentes, o efeito de mudança de cor é conseguido somente pelaaplicação de uma corrente elétrica. No caso dos acrilatos ou no caso doacetato de celulose contendo polioxometalatos, o efeito de mudança decor pode ser conseguido tanto pela exposição à luz solar (UV) como pélaaplicação de uma corrente elétrica. Neste caso o efeito pode serrevertido também de duas maneiras, seja pela inibição, ou ausência, daradiação ultravioleta, seja pela aplicação de uma corrente elétrica.
Os elementos químicos presentes em vidros eresponsáveis pelos efeitos fotossensíveis são o tungstênio e omolibdênio, que são provenientes dos óxidos WO3 e MoO3respectivamente. Entretanto, nos vidros existe uma limitação deconcentração dos óxidos, a partir da qual este deixa de ser transparente,além do efeito de mudança de coloração somente ser alcançado atravésda irradiação da amostra utilizando uma fonte laser. A idéia de utilizaçãodos polioxometalatos (POMs) como fonte de íons tungstênio oumolibdênio se deve ao fato que nos POMs esses íons formam estruturasparticularmente interessantes, contendo uma grande quantidade deátomos dos metais de transição, o que pode ser interessante paramelhorar o efeito fotossensível observado nos vidros (pois aumentaconsideravelmente a concentração dos ions W ou Mo) e tambémproduzir materiais com potenciais aplicações em óptica não-linear, umavez que as estruturas dos POMs são altamente polarizáveis.
A polarizabilidade de um átomo ou de uma estrutura é desuma importância para essa aplicação. Entretanto, a incorporação dosPOMs nos vidros, usando a técnica de preparação convencional defusão, seguida de resfriamento, encontra algumas dificuldades, pois osPOMs se decompõem em temperaturas da ordem de 500 0C e a grandemaioria das composições vítreas são preparadas em temperaturas bemacima (900-1400 0C).
A alternativa é incorporar os POMs em matrizes de baixatemperatura de fusão, porém até o momento nenhum resultadosatisfatório foi obtido. Assim, outra alternativa encontrada foi apreparação de materiais empregando a metodologia sol-gel. Os materiaispreparados usando essa técnica apresentaram boas propriedadesfotossensíveis, inclusive a reversibilidade do efeito; entretanto, o grandetempo gasto para a preparação de amostras com boa qualidade óptica(em média 1 mês), é um fator negativo do ponto de vista comercial.A quantidade de POM influencia diretamente em doisfatores: o primeiro diz respeito a intensidade da coloração, sendo quequanto maior a concentração de POM1 mais intensa é a coloração após aexposição do material à radiação ultravioleta. O segundo diz respeito aotempo para a total reversibilidade do efeito ou seja, quanto mais intensoé o efeito, maior é o tempo para a total reversão.
Com o intuito de melhorar as propriedades reversíveis efacilitar a metodologia de preparação, outras matrizes foram estudadas,mantendo sempre como foco principal simplificar ao máximo ametodologia, bem como minimizar o custo e o tempo de preparação.
Assim, os POMs foram adicionados a polímeros como o acrilato eacetato de celulose. Os resultados foto e eletrocrômicos destes últimosmateriais foram os mais promissores, sendo que o efeito fotossensívelpode ser conseguido através de iluminação solar ou pela aplicação deuma corrente elétrica.
Isso posto, a presente invenção refere-se aodesenvolvimento de um novo material, mais especificamente um compósitopolimérico, com propriedades foto e eletrocrômicas.
Ainda, a presente invenção refere-se também ao método deprocessamento para a obtenção desses compósitos. O processamentoconsiste, de uma maneira geral, em pelo menos nas seguintes etapas:
a) preparação da matriz polimérica na qual será incorporadoo POM, preferencialmente acrilato, metacrilato, acetato de celulose ouhidroxipropilcelulose;
b) preparação de solução de POM, preferencialmentealcoólica, aquosa ou cetônica;
c) incorporação da solução de POM na matriz e subseqüentehomogeneização;d) evaporação do excesso de solvente;
e) polimerização do compósito; e
f) secagem, no caso do acetato de celulose; e
g) deposição do material compósito em substrato de vidrocontendo ITO (oxido de índio e estanho).
A invenção é melhor explicada pelos seguintes exemplos,que não a restringem.
Os polioxometalatos preferencialmente utilizados para aelaboração dos materiais compósitos são os heteropolianions: ácidofosfotunguístico (H3PW12O40), ácido silicotunguístico (H4SiW12O40), ácidofosfomolibdico (H3PMo12O40) e ácido silicomolibdico (H4SiMo12O40).
01 - Incorporação de POMs em matriz acrílica
Uma das formas preferidas para a preparação decompósitos fotossensíveis é a inserção de polioximetalatos em umamatriz polimérica, preferencialmente da família dos acrilatos,particularmente acrilatos ou metacrilatos.
A razão de POM a ser adicionado ao polímero dependeprincipalmente da espessura do material e/ou da intensidade dacoloração que se deseja obter. Assim, a relação, em massa,polímero:POM é preferencialmente entre 10.000:1 e 1:1.
De acordo com o fluxograma da Figura 1, um volumedeterminado de acrilato é acondicionado em um recipiente (1). A estaquantidade de acrilato é adicionada uma quantidade determinada deacetona ou etapol, na razão acrilato:solvente entre 1:0,1 e 1:1, de modoa diminuir a viscosidade daquele composto.Mantendo-se uma relação volumétrica preferencialmenteentre 1:1 até 10.000:1 de acrilato:POM, dissolve-se o polioxometalato nomesmo solvente usado para diminuir a viscosidade do acrilato (2).
Esta solução de POM é adicionada ao acrilato (3, 4 e 5),mantendo a mistura em agitação temporariamente, para que ocorrahomogeneização dos componentes.
O excesso de solvente da mistura é posteriormenteretirado através de aquecimento em temperaturas preferencialmenteentre 30. e 100 0C (6). O material é então resfriado até a temperaturaambiente (8).
Esse procedimento permite a obtenção do compósitoorgânico-inorgânico (acrilato-POM) no estado líquido (9).
A partir do compósito líquido (9) é possível obter monolitosou filmes fotossensíveis, como os demonstrados na Figura 2.
Para a obtenção de monólitos, é necessária apolimerização da matriz polimérica (10). No exemplo em questão, no qualuma resina acrílica com cura através de radiação ultra-violeta foiutilizada, acondiciona-se o compósito em um recipiente com a geometriadesejada e posteriormente expõe-se o conteúdo à radiação ultravioleta(380 - 1 nm) de qualquer intensidade até que ocorra a polimerização daresina. O tempo de exposição à radiação ultravioleta é proporcional àintensidade da radiação e ao volume do compósito que está sendopreparado. O material compósito fotossensível é então retirado de seumolde.
É possível também a obtenção de monólitos utilizando-seresinas acrílicas polimerizáveis através de temperatura.
Outra configuração de interesse na obtenção do materialcompósito fotossensível é na forma de filmes, partindo-se do compósitolíquido (9). Uma modalidade preferida de obtenção de filme é através daimersão de um substrato na solução do compósito líquido. Neste caso, aespessura da camada depositada é controlada variando-se a velocidadede imersão/emersão e/ou a viscosidade do compósito. A espessura podevariar de alguns nanômetros até centenas de microns. Após o processode imersão/emersão o filme é exposto à radiação ultravioleta (380 - 1nm) de qualquer intensidade até que ocorra a polimerização do acrilato.O tempo de exposição à radiação ultravioleta é proporcional àintensidade da radiação e ao volume do compósito que está sendopreparado.
Ainda, outra forma preferida para a obtenção de filme apartir da solução do compósito consiste em depositar uma alíquota dadita solução sobre um substrato e rotacioná-lo. Assim, sob rotação ocorreo espalhamento homogêneo do compósito sobre a superfície dosubstrato. A espessura do filme é alterada variando-se a velocidade derotação e/ou a viscosidade do compósito líquido, obtendo-se filmes comespessura entre alguns nanômetros até alguns microns. Após o processode rotação, o filme é exposto à radiação ultravioleta (380 - 1 nm) dequalquer intensidade até que ocorra a polimerização. O tempo deexposição à radiação ultravioleta é proporcional à intensidade daradiação e ao volume do compósito que está sendo preparado.
2. - Incorporação de polioxometalatos em Acetato deCelulose (AC) e em hidroxipropilcelulose (HPC)
2a - Síntese do acetato de celulose (AC)
Na modalidade preferida para a obtenção de acetato decelulose (AC) para incorporação de polioxometalatos (POMs), conformedescrito na Figura 3, submetem-se seções de celulose bacteriana úmidas(1) a tratamento térmico a 120 0C até secagem total (2). A espessuraaproximada da celulose seca está entre 250 e 500 Mm (3), sendo que talespessura depende da espessura inicial da celulose de partida. Apóssecagem, a celulose é triturada (4) e submetida a um meio reacionalcontendo ácido acético (concentração entre 0,01 e 1 mol/l), ácidosulfúrico (concentração entre 0,01 e 1 mol/l) e anidrido acético(concentração entre 0,01 e 1 mol/l). Este procedimento é uma adaptaçãodo método de Sassi e Chanzy descrito em F. Sassi, H. Chanzy, Cellulose2 (1995) 111-127.
Preferencialmente após um período de 24 horas (5), areação é interrompida com a adição de água. A presença de umprecipitado branco indica a formação do acetato de celulose (6). Oprecipitàdo é lavado (7) em água para eliminação do ácido acéticoresidual, e seco em estufa a 100 0C durante o período de 3 horas (8),obtendo-se finalmente o acetato de celulose (9).
2b - Preparação dos filmes de acetato de celulose-POM
De acordo com o fluxograma da Figura 4, seções deacetato de celulose com grau de substituição (GS) igual a 2,75 (1) sãodissolvidas (2) preferencialmente em diclorometano ou etanol com umaconcentração constante de 8% em massa ou volume. Posteriormenteadiciona-se o POM a essa solução nas concentrações de interesse,obtendo-se a solução do compósito (3). A concentração de POMadicionada influenciará na coloração do compósito após ser exposto àradiação ultravioleta, ou seja, quanto maior a concentração mais intensaé a cor.Os filmes de AC-POM são obtidos submetendo-se asolução (3) à técnica de evaporação de solvente ("casting"), na qualutiliza-se um aparelho extensor, o qual permite o controle da espessurado filme. A técnica de evaporação tem sido utilizada principalmente daprodução de filmes/membranas devido principalmente simplicidade depreparação. Consiste basicamente na dissolução de um soluto em umsolvente (geralmente) volátil. Pode-se controlar a atmosfera depreparação (ambiente inerte, por exemplo), ou simplesmente permitir aevaporação do solvente, levando à coalescência das moléculas eposterior formação de um filme.
2c - Preparação dos filmes de hidroxipropilcelulose (HPC)-POM
Na modalidade preferida para a preparação de filmescompósitos com matriz de hidroxiproprilcelulose (HPC), de acordo com ofluxograma da Figura 5, HPC (1) é dissolvido (2) preferencialmente emágua ou etanol em uma faixa de concentração entre 20-30% em massaou volume. POM nas concentrações de interesse (0,00001 a 1,0 molar) éentão adicionado a tal solução, obtendo-se uma solução do compósito(3).
Os filmes de HPC-POM são obtidos submetendo-se asolução (3) à técnica de evaporação de solvente ("casting"), na qualutiliza-se um aparelho extensor, o qual permite o controle da espessurado filme. A técnica de evaporação tem sido utilizada principalmente dàprodução de filmes/membranas devido principalmente simplicidade depreparação. Consiste basicamente na dissolução de um soluto em umsolvente (geralmente) volátil. Pode-se controlar a atmosfera depreparação (ambiente inerte, por exemplo), ou simplesmente permitir aevaporação do solvente, levando à coalescência das moléculas eposterior formação de um filme.
3 - Preparação de materiais foto-eletrocrômicos
Para a preparação de filmes fotoeletrocrômicos deacrilato/POM ou de AC/POM ou ainda de HPC/POM, os filmes devem serdepositados sobre substratos de vidro contendo ITO (do inglês Indium-thin-oxide ou oxido de índio e estanho). Estes vidros são condutoreselétricos e permitem a transferência eletrônica para o filme. Dessamaneira os filmes podem ser excitados da forma transparente para acolorida por duas maneiras: ou por exposição do filme à radiaçãoultravioléta ou ao estímulo elétrico. A forma colorida pode ser revertida àforma transparente aplicando uma diferença de potencial contráriaàquela aplicada primeiramente. Os filmes podem ser preparados porqualquer uma das técnicas descritas anteriormente.
A presente invenção apresenta materiais compósitos dematrizes poliméricas diversas nas quais são incorporados POMs de modo atornarem tais materiais foto ou eletrossensíveis, com taxa de reversão quepermite sua utilização comercial. Embora a invenção tenha sido ilustradacom exemplos nos quais as composições são específicas, estes exemplosse destinam a ser típicos das faixas de composição apresentadas, nãolimitando de maneira alguma o escopo da invenção.