REFRAÇÃO E INTERFERÊNCIA NA REGIÃO DO IV ESPESSURA DE FILMESPOLIMÉRICOS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE FÍSICO-QUÍMICA
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL II -IQF482
BEATRIZ NASCIMENTO DE ARAUJO
JÚLIA FERREIRA CANELA
MARIANA GOMES DE SOUZA E SILVA
REFRAÇÃO E INTERFERÊNCIA NA REGIÃO DO IV: ESPESSURA DE FILMES
POLIMÉRICOS
RIO DE JANEIRO
2021
1 INTRODUÇÃO
Espectroscopia é o estudo da interação da radiação eletromagnética com a matéria. A
radiação eletromagnética é composta de um vetor campo elétrico e um vetor campo
magnético, mutuamente ortogonal, que se propagam em uma dada direção. A radiação
eletromagnética apresenta a dualidade onda-partícula. A natureza ondulatória manifesta-se
por meio da interferência, dispersão, polarização e coerência da radiação eletromagnética.[1]
A radiação eletromagnética interage com a matéria em três processos distintos:
absorção, emissão e espalhamento de radiação.
A espectroscopia vibracional estuda a transição das vibrações normais moleculares e
compreende duas técnicas: absorção no infravermelho e espalhamento Raman.[1]
A espectroscopia no infravermelho trata das variações de energia molecular
associadas às transições vibracionais devido à absorção ou emissão de um fóton, partícula
elementar responsável pelo fenômeno eletromagnético, que não é suficientemente energética
para causar uma transição eletrônica. A energia de um fóton envolvido nesse fenômeno é
expressa por: [2]
E = h𝑣 Equação 1
Onde h é a constante de Planck (6,626 × 10-34 J.s) e 𝑣 é a frequência de transição.
Como a radiação eletromagnética pode ser tratada como uma onda, a energia
envolvida neste tipo de transição pode ser também expressa por:
E = h 𝑐 λ Equação 2
Onde c a velocidade da luz no vácuo (c = 3x108 m/s) e λ o comprimento de
onda(cm-1). [2]
Do ponto de vista de aplicação, como também de instrumentação, a espectroscopia de
absorção no infravermelho pode ser dividida em três regiões distintas:
· 10 a 400 cm-1 ou 50000 a 106 nm
Infravermelho distante ou afastado (FIR - FAR INFRARED)
· 400 a 4000 cm-1 ou 2500 a 50000 nm
Infravermelho médio (MIR - MID INFRARED)
· 4000 a 12820 cm-1 ou 780 a 2500 nm
Infravermelho próximo (NIR - NEAR INFRARED)
A maior parte dos estudos em Infravermelho (IR) referem-se à região média (MIR),
onde se localizam as frequências vibracionais fundamentais, que correspondem às transições
vibracionais entre o nível de energia vibracional fundamental (𝑣 = 0) e o primeiro nível
vibracional excitado (𝑣 = 1). E a região do Infravermelho próximo (NIR) está se
desenvolvendo intensivamente por causa da sua utilização em controle de qualidade e
controle de processo em aplicações industriais. [1,2]
De forma geral, as medidas feitas nas regiões NIR ou MIR possibilitam o estudo de
amostras que podem se encontrar na fase sólida, líquida ou gasosa. Na maioria das vezes, não
requerem grande preparo da amostra e dependendo da técnica utilizada para a análise,
podendo esta ser não destrutiva e relativamente rápida. Porém, a qualidade de um espectro
está relacionada com a técnica espectroscópica a ser empregada, escolha correta do acessório
a ser acoplado no espectrofotômetro e procedimento de preparação da amostra. [2][3]
Os aparelhos usados para se obter o espectro IR, são de dois tipos: Espectrofotômetro
dispersivo e Espectrômetro por transformada de Fourier (FTIR).
O espectrofotômetro dispersivo usa monocromador com rede de difração (ou prisma
de NaCl, KBr ou CsI) para decompor a radiação no infravermelho. É um tipo de aparelho já
em desuso, por ser lento, caro e depender de mecânica de alta precisão para a varredura do
espectro. [1]
O espectrômetro FTIR utiliza o interferômetro de Michelson (figura 1) como princípio
de funcionamento, sendo mais rápido, preciso, reprodutível e mais acessível. O espectrômetro
FTIR é constituído por uma fonte de radiação, um interferômetro, compartimento de amostra
e um detector de radiação infravermelho. Os elementos de um espectrômetro FTIR variam de
acordo com as regiões do infravermelho em estudo.[1]
Figura 1: Esquema de um espectrofotômetro no FTIR com interferômetro de Michelson.
O sinal que resulta do interferômetro de Michelson é um interferograma, que é a
variação da amplitude da luz absorvida ou transmitida em função da varredura do espelho
móvel. O interferômetro de Michelson é um arranjo que permite dividir um feixe de radiação
em dois e, então, recombiná-los de forma que as variações de intensidade do feixe de saída
podem ser medidas por um detector como função da diferença de trajeto entre esses dois
feixes. [3]
O modelo consiste de dois espelhos planos perpendiculares, sendo um fixo e outro
movido a velocidade constante. Entre os dois espelhos há um divisor de feixe, onde a
radiação da fonte externa pode ser parcialmente refletida no espelho fixo e parcialmente
transmitida ao espelho móvel. Os feixes então retornam ao divisor de feixe, passam pela
amostra e finalmente chegam ao detector. O interferograma resultante é digitalizado e
transferido para um computador. Com a transformada de Fourier deste sinal, pode-se obter
então o espectro de infravermelho, em Transmitância (T%) ou Absorbância (A), no eixo y,
por número de ondas (cm-1), no eixo x. [3]
Normalmente a radiação de infravermelho ao incidir na amostra pode ser absorvida,
transmitida, refletiva ou refratada, conforme pode ser observado na figura 2 abaixo:
Figura 2: Interações entre o feixe de luz de radiação IR e a amostra. [3]
Quando a luz passa de um meio transparente para outro dizemos que ela sofre
Refração. Cada meio, mesmo sendo transparente, oferece uma maior ou menor dificuldade à
passagem da luz. Esta dificuldade recebe o nome de Refringência e é estimada por um
parâmetro físico chamado de índice de refração absoluto do meio (nmeio) dado por:
Equação 3𝑛
𝑚𝑒𝑖𝑜
= 𝑐𝑣
𝑚𝑒𝑖𝑜
Onde c = 3x108 m/s é a velocidade da luz no vácuo e vmeio a velocidade da luz no meio.
A definição acima nos mostra que, quanto menor for a velocidade da luz num meio,
maior será o índice de refração, ou seja, maior será a dificuldade da luz em propagar-se no
meio. O índice de refração de um dado meio também depende do comprimento de onda
estando associado com as propriedades quânticas do meio. [4]
A Refração é descrita quantitativamente pela Lei de Snell-Descartes:
n1x seni = n2x sen r Equação 4
Esta lei relaciona os ângulos i (de incidência) e r (de refração) do raio de luz com n1 e
n2, que são constantes adimensionais denominadas índices de refração, que dependem do
meio em que a luz está se propagando. [4]
2 RESULTADOS E DISCUSSÃO
2.1 Espectros FTIR de diferentes filmes poliméricos
Figura 1: FTIR Embalagem de Trident
Figura 2: Aproximação do espectro FTIR Embalagem de Trident para a região entre 1900 e
2600cm-1.
Figura 3: FTIR PVC
Figura 4: Aproximação do espectro FTIR PVC da região entre 1900 e 2700 cm-1.
Figura 5: FITR Embalagem de Frango Congelado.
Figura 6: Aproximação do espectro FTIR Embalagem de Frango Congelado para a região
entre 1900 e 2900cm-1.
Figura 7: FITR papel de transparência .
Figura 8: Aproximação do espectro FTIR papel de transparência para a região entre 1900 e
2600cm-1.
2.2 Cálculo da espessura dos filmes poliméricos
Para o cálculo da espessura (d) dos filmes de cada material, foi utilizado a equação
(A).
(A)𝑑 = 10
4 ∆𝑚
2η (Ṽ
1
− Ṽ
2
)
Onde:
d= espessuras dos filmes poliméricos
= número de franjas de interferência entre os picos Ṽ1 e Ṽ2∆𝑚
n = índice de refração
Ṽ= número de onda de determinada franja
A Tabela 1 apresenta os valores experimentais encontrados de acordo com a análise
do espectro FTIR dos filmes poliméricos de cada material, assim como os índices de refração
e os valores calculados de espessura (d) dos filmes.
Tabela 1: Dados para cada embalagem.
Material Δm η Ṽ2 - Ṽ1
(cm-1)
ΔṼ
(cm-1)
d
(μm)
Embalagem
Trident
4 1,49 2450-2050 400 33,56
PVC 2 1,56 2450-2100 350 18,31
Embalagem
Frango
Congelado
3 1,52 2700-2200 500 19,74
Papel de
transparência
4 1,66 2400-1950 450 26,77
De acordo comos espectros obtidos e de posse dos índices de refração, é possível
identificar o composto do qual cada filme polimérico é feito. O índice de refração n= 1,49 e o
espectro FTIR referentes a embalagem de Trident, indicam que o composto polipropileno
está presente no plástico da embalagem. O índice de refração n= 1,56 e o espectro FTIR
referentes ao PVC, confirmam a presença do composto policloreto de vinila. O índice de
refração n=1,52 e o espectro FTIR referentes à embalagem de frango congelado, confirmam a
presença do composto polietileno. Por fim, o índice de refração n= 1,66 e o espectro FTIR
referentes ao papel transparência, confirmam a presença do composto polietileno tereftalato
[5].
O método utilizado, permitiu a determinação das espessuras de cada filme polimérico
em análise. Através dos dados fornecidos, foi identificado que a embalagem de Trident
tratava-se de um filme de polipropileno com espessura de 33,56 μm; em relação ao PVC, foi
identificado um filme de policloreto de vinila com espessura de 18,31 µm; em relação à
embalagem de frango congelado, identificou-se um filme de polietileno com espessura de
19,74 µm e por fim, em relação ao papel de transparência, identificou-se um filme de
polietileno tereftalato com espessura de 26,77 µm.
As espessuras experimentais obtidas, se encontram dentro da faixa de valores
estabelecidos para cada tipo de filme polimérico, de acordo com a produção industrial de
algumas empresas. O filme de polietileno tereftalato apresenta variações diversas na sua
espessura, que varia de 5 – 50 µm [6], o filme de polipropileno apresenta uma variação na sua
espessura de 20 – 50 µm [7], o filme de PVC pode apresentar espessuras que variam de 15 -
70 µm [8] e o filme de polietileno, presente em embalagens de frango congelado, pode
apresentar variações de espessura entre 12 – 30 µm [6].
3 CONCLUSÃO
Por meio da técnica empregada de espectrofotometria no FTIR, com interferômetro
de Michelson, foram obtidos os espectros referentes a cada tipo de filme polimérico
analisado. De acordo com os espectros e de posse dos índices de refração, foi possível
identificar o composto do qual cada filme é feito, bem como as suas espessuras.
As determinações das espessuras foram bem sucedidas, uma vez que, quando
comparadas com a produção industrial de algumas empresas, se encontram dentro da margem
de valores estabelecidos para cada tipo de filme polimérico.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] JR. CANEVAROLO. S.V. Técnicas de Caracterização de Polímeros, 3ª reimpressão,
Artliber Editora Ltda. São Carlos – SP, 2017.
[2] A. M. S. S. M. F. P. K. M. G. L. e. I. M. R. Jr, “Sensores Ópticos com detecção no
infravermelho próximo e médio,” Química Nova, vol. 32, 2009.
[3] PEREIRA, E. Desenvolvimento e validação de metodologia analítica para quantificação
de urânio em compostos do ciclo do combustível nuclear por espectroscopia no
infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Tese de Doutorado, IPEN - Autarquia
Associada à Universidade de São Paulo, 2016. Disponível em:<
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-04032016-112713/publico/2016Pere
iraDesenvolvimento.pdf > Acesso em: 09/12/21.
[4] PILLING. S. Luz como uma onda. Refração, difração e interferência. Formação de
imagens e instrumentos óticos. Universidade do Vale do Paraíba. Disponível em:
<https://www1.univap.br/spilling/BIOF/BIOF_05_Luz%20como%20uma%20onda.pdf>
Acesso em: 10/12/21.
[5] MARK, James E.. Physical Properties of Polymers Handbook. 2. ed. Cincinnati: Springer,
2007.
[6] Poliolefinas. Braskem. Disponível
em:<https://www.braskem.com.br/portal/Principal/arquivos/docs/pt-BR/Propriedades.pdf>
Acesso em: 10/12/21.
[7] Filme de Polipropileno. GDM plásticos. Disponível
em:<https://www.gdmplasticos.com.br/upload/product_variacao/manual-cpp-hsf-155856852
6.pdf> Acesso em: 10/12/21.
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-04032016-112713/publico/2016PereiraDesenvolvimento.pdf
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-04032016-112713/publico/2016PereiraDesenvolvimento.pdf
https://www1.univap.br/spilling/BIOF/BIOF_05_Luz%20como%20uma%20onda.pdf
https://www1.univap.br/spilling/BIOF/BIOF_05_Luz%20como%20uma%20onda.pdf
https://www.braskem.com.br/portal/Principal/arquivos/docs/pt-BR/Propriedades.pdf
https://www.gdmplasticos.com.br/upload/product_variacao/manual-cpp-hsf-1558568526.pdf
https://www.gdmplasticos.com.br/upload/product_variacao/manual-cpp-hsf-1558568526.pdf
[8] Filme de PVC Termo Encolhível. Delta Pack. Disponível
em:<https://www.deltapacksp.com.br/filme-pvc-termo-encolhivel>. Acesso em: 10/12/21.
https://www.deltapacksp.com.br/filme-pvc-termo-encolhivel