Desenvolvimento de um spin-coater de baixo custo e avaliação da produção de filmes de alginato

Abstract

Filmes finos são camadas superficiais com espessuras que variam de poucos nanômetros a micrômetros. Suas aplicações podem incluir dispositivos eletrônicos, como transistores e células solares, a indústria alimentícia como embalagens biopoliméricas, embalagens inteligentes com propriedades personalizadas para o produto e também aplicações biomédicas, melhorando a biocompatibilidade e resistência à corrosão em superfícies, assim como para aplicações em feridas e implantes. Compreender as propriedades de filmes finos e seus processos de produção é essencial para o desenvolvimento de tecnologias inovadoras. Dentre várias técnicas de deposição para produção de filmes finos, spin-coating é considerada rápida e fácil para produzir filmes homogêneos. Ela é realizada por meio do espalhamento de um material em rotação sobre um substrato. Em sua aplicação, pode-se utilizar uma variedade de materiais que formam filmes após secagem ou solidificação, incluindo líquidos, suspensões, soluções ou géis. O controle da densidade e espessura do revestimento pode ser implementado ajustando a concentração do material depositado, a velocidade e o tempo de rotação do substrato. Neste estudo, é apresentado o desenvolvimento de um equipamento de spin-coating com opções de aceleração, tempo de deposição, tempo de rotação e velocidade programáveis. A máquina foi construída utilizando componentes eletrônicos comerciais, peças impressas em 3D e elementos reciclados, como a carenagem de um estabilizador, uma caixa plástica de CDs e um motor DC de CD ROM, reduzindo seu custo expressivamente. O protótipo final do spincoater desenvolvido apresentou funcionamento compatível com a finalidade desejada, cumprindo suas funções básicas de máquina para produção de filmes em laboratório e adicionando opções personalizadas de suporte para tamanhos e formatos de substrato e configurações de rotinas para fabricação de filmes. É também apresentado no trabalho a fabricação de filmes finos de alginato de cálcio com o spin-coater desenvolvido e, posteriormente, realizada a análise de tais filmes por microscopia de força atômica para obtenção de informações de topografia e de viscoelasticidade. Para isso, foram realizados testes de deposição de filmes em triplicatas utilizando concentrações de alginato de sódio de 1%, 2% e 3%, seguidas de reticulação com cloreto de cálcio (CaCl2) 1%, processo realizado em duas etapas de spin-coating. Com isso, foi possível obter informações dos efeitos das concentrações do filme de alginato nas topografias e rugosidades dos filmes. Foi observado que menores concentrações de alginato resultaram em filmes mais homogêneos. Assim, a concentração de alginato 1% e CaCl2 1% foram selecionadas para os testes subsequentes aplicando diferentes condições de velocidade, tempo e tempo de deposição. A partir de um delineamento experimental (DoE) fatorial completo, foi-se variando os parâmetros de spin-coating para as mesmas concentrações e proporções de material. Com isso, foi possível avaliar as influências da velocidade e do tempo de rotação na rugosidade e distribuição do filme pelo substrato. Nesse sentido, foi observada uma influência mais evidente do tempo de rotação do que da velocidade nas medidas de rugosidade dos filmes. Por fim, foram realizadas comparações e análises do spin-coater desenvolvido com outros equipamentos e estudos semelhantes, onde são listadas as vantagens e desvantagens de cada característica listada, como de tipo de suporte de substrato, opções de controle e outras configurações. Essas características são discutidas levando em consideração o funcionamento das máquinas comerciais e sua acessibilidade no mercado para contextualizar a máquina desenvolvida. No geral, este estudo não apenas ajudou a expandir a compreensão dos processos de fabricação de filmes finos, como também ofereceu uma valiosa perspectiva sobre o desenvolvimento de tecnologias inovadoras e acessíveis neste campo em crescimento.