LUIZ EDUARDO NISHINO GOMES DO AMARAL VÁLVULA DISPENSADORA MAGNÉTICA VEDADA COM FERROFLUIDO CURITIBA 2013 LUIZ EDUARDO NISHINO GOMES DO AMARAL VÁLVULA DISPENSADORA MAGNÉTICA VEDADA COM FERROFLUIDO Dissertação apresentada como requisito parcial à obtenção de grau de Mestre. Área de concentração: Engenharia e Ciência dos Materiais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Wido Herwig Schreiner Co-orientador: Prof. Dr. Cyro Ketzer Saul CURITIBA 2013 A485v Amaral, Luiz Eduardo Nishino Gomes do Válvula dispensadora magnética vedada com ferrofluido / Luiz Eduardo Nishino Gomes do Amaral. – Curitiba, 2013. 61f. : il. [algumas color.] ; 30 cm. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE Orientador: Wido Herwig Schreiner Co-orientador: Cyro Ketzer Saul 1. Válvulas . 2. Dispositivos fluídicos. I. Schreiner, Wido Herwig. II. Saul, Cyro Ketzer. III. Universidade Federal do Paraná. IV. Título. CDD: 621.84 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço ao Professor Dr. Wido Herwig Schreiner pela orientação, apoio e paciência durante o mestrado e ao Professor Dr. Cyro Ketzer Saul pela co- orientação. Agradeço ao Reuni e CNPq por fornecer o apoio financeiro para essa pesquisa. Ao Dr. Leonardo Foti e Sr. Carlos Alberto Fotio por fornecerem as bobinas b5 e b6 que foram fundamentais no trabalho. Ao Professor Dr. Fábio Schneider pela participação na banca e colaboração nas correções. Ao Professor Dr. César Dartora pela participação da banca de qualificação e as correções dos cálculos. Ao Professor Dr. Valderes Drago por me receber e me ajudar com o ferrofluido. A Leonardo Berlim Schneider que sempre colaborou com tudo que podia. A Mariana Coelho Maximino por revisar a dissertação. Finalmente a minha família, colegas e amigos sem os quais esse trabalho não seria possível. SUMÁRIO RESUMO.............................................................................................................................II ABSTRACT........................................................................................................................III ÍNDICE DE FIGURAS.......................................................................................................IV ÍNDICE DE TABELAS........................................................................................................V ÍNDICE DE GRÁFICOS.....................................................................................................VI 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1 1.1. OBJETIVO ......................................................................................................... 2 1.2. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO .............................................................. 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: VÁLVULAS MICROFLUÍDICAS ............................. 3 3. INTRODUÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 9 3.1. FLUÍDICA .......................................................................................................... 9 3.2. ÍMÃS DE NDFEB ............................................................................................ 15 3.3. FERROFLUIDO ............................................................................................... 19 3.4. INDUTORES .................................................................................................... 21 3.5. INTERAÇÃO ENTRE INDUTOR E ÍMÃ ......................................................... 24 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ...................................................................... 26 4.1. EVOLUÇÃO DOS PROTÓTIPOS .................................................................... 26 4.2. CONFECÇÃO DO DISPOSITIVO .................................................................... 28 4.3. CARACTERIZAÇÃO DO INDUTOR .............................................................. 29 4.4. CARACTERIZAÇÃO DA VÁLVULA ............................................................. 31 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................................. 36 5.1. INDUÇÃO MAGNÉTICA, CORRENTE E TENSÃO NO INDUTOR ............... 36 5.2. IMPEDÂNCIA DO INDUTOR ......................................................................... 41 5.3. PRESSÃO MÁXIMA DA VÁLVULA .............................................................. 44 5.4. TENSÃO IDEAL DO INDUTOR ...................................................................... 46 5.5. DISPENSA EM DIFERENTES PRESSÕES ...................................................... 51 5.6. VAZÃO DA VÁLVULA .................................................................................. 53 5.7. NÚMERO DE REYNOLDS .............................................................................. 55 5.8. REPRODUTIBILIDADE DA VÁLVULA ......................................................... 56 6. CONCLUSÕES ........................................................................................................ 57 7. ANEXO: PEDIDO DE PATENTE ............................................................................ 59 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ 60 I RESUMO O desenvolvimento de dispositivos microfluídicos abre uma vasta gama de aplicações, que pode incluir simples válvulas, ou até complexos sistemas de análise química. A principal característica de tais sistemas é operar em escalas muito pequenas, reduzindo a quantidade de reagentes, amostras e baixando o tempo de análise drasticamente. Este trabalho relata o desenvolvimento de uma tecnologia que pode ser usada como dosador para dispositivos microfluídicos, uma válvula dispensadora magnética vedada com ferrofluido. A válvula utiliza uma esfera de um ímã de NdFeB envolvida com ferrofluido para fazer a vedação e é controlada por um indutor externo. Tanto o indutor quanto a válvula são caracterizados, obtendo-se dados como a faixa de pressão ideal para operação e as tensões aplicadas no indutor. As válvulas testadas apresentaram um desvio muito pequeno em sua dispensa, sob as mesmas condições. A margem de erro, considerando um intervalo de confiança de 95%, representa menos de 1% da média das amostras na maioria dos casos. Foram produzidas dispensas em volumes tão pequenos quanto 1 μl, porém medidas precisas aparecem somente na faixa de 30 μl e acima. Apesar da boa confiabilidade na dispensa de cada válvula, cada uma possui uma vazão distinta, causada pelo processo de fabricação da válvula e de seus componentes. Para obter um lote de válvulas que tenha a mesma vazão, é preciso criar uma peça única que substitua alguns passos no processo de fabricação que podem gerar diferenças nas válvulas. II ABSTRACT The development of microfluidic devices creates a wide range of applications, ranging from simple valves to complex systems for chemical analysis. The main characteristic of these systems is the capability to operate at small scales thus reducing the amount of reagents and samples, reducing the time for analysis dramatically. This paper reports the development of a technology that can be used as a dispenser for microfluidic devices, a magnetic dispensing valve sealed with ferrofluid. The valve uses a sphere of an NdFeB magnet wrapped with ferrofluid for sealing and is controlled by an external inductor. Both the inductor and the valve are characterized, defining values such as the pressure range of ideal operation and the voltages applied on the inductor. The valves tested showed a very small deviation in its behaviour, within the same conditions. Considering an confidence interval of 95%, the margin of error represents less than 1% of the average for each sample in the majority of cases. Dispensations were produced in volumes as small as 1 μl but measures only appear constant in the range of 30 μl and above. Despite the good reliability in the dispensing of each valve, each one of them has a distinct flow, caused by the valve’s manufacturing process and its components. A condition for the valves to have the same flow is the necessity to create a unique piece that replaces some steps in the manufacturing process that can generate differences in the valves. III ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1: Imagem retirada de [1]. Válvula do cromatógrafo gasoso de Terry et al. ........... 4 Figura 2-2: Imagem retirada de [3]: Diferentes válvulas que utilizam membranas (em amarelo): (a) eletromagnética; (b) eletrostática; (c) piezoelétrica; (d) bimetálica; (e) termopneumática e (f) liga com memória de forma. ..................................................... 4 Figura 2-3: Imagem retirada de [6].Válvula biestável de Bohm et al. ................................... 5 Figura 2-4: Imagem retirada de [7]. Válvula ativa de ferrofluido de Hartshorne et al. .......... 5 Figura 2-5: Imagem retirada de [8].Válvula de esfera de Pan et al. ...................................... 6 Figura 2-6: Imagem retirada de [10]. Válvula hidrofóbica de Andersson et al. ..................... 7 Figura 2-7: Imagem retirada de [11]. Stopvalve de L. B. Schneider. .................................... 7 Figura 2-8: Imagem retirada de [12]. Check valve de esfera de Fu et al............................... 8 Figura 3-1: Reservatório com um orifício a uma altura h. ................................................. 11 Figura 3-2: Fluxo laminar dentro de um tubo delgado de raio a e comprimento L. ............. 12 Figura 3-3: Reservatório conectado à uma mangueira com uma constrição no final. .......... 14 Figura 3-4: Curvas de histerese de um material ferromagnético. ........................................ 15 Figura 3-5: Campo magnético em um ímã permanente esférico. ........................................ 18 Figura 3-6: (a) Partículas de Fe O sem surfactante e se aglomerando. (b) Partículas de 3 4 Fe O revestidas com surfactante, a aglomeração cessa. ............................................. 20 3 4 Figura 3-7: Solenóide de Comprimento L e diâmetro a. ..................................................... 22 Figura 3-8: Esfera de neodímio com magnetização M dentro de um solenóide. .................. 25 Figura 4-1: Bomba microfluídica de Hatch et al[26]. ......................................................... 26 Figura 4-2: Corte transversal do primeiro protótipo do dispensador. Quando o indutor está ligado a esfera se levanta permitindo a passagem da água. ......................................... 27 Figura 4-3: Válvula montada na ponteira de micropipetadora. ........................................... 28 Figura 4-4: Configuração do ferrofluido na esfera de neodímio, a seta representa a direção do dipolo. .................................................................................................................. 29 Figura 4-5: Circuito utilizado para medir a indutância. ...................................................... 30 Figura 4-6: Montagem do experimento. ............................................................................. 32 Figura 4-7: Esquema da montagem eletrônica ................................................................... 33 Figura 4-8: Dois cilindros com mesmo volume obedecem a relação (41) entre suas dimensões. ................................................................................................................. 34 Figura 4-9: Medida da pressão máxima de operação da válvula. ........................................ 35 IV Figura 5-1: Simulação do experimento mostrando a variação na amplitude de um indutor ideal com indutância de 9,153mH a 520Hz e um real com a mesma indutância e uma resistência interna de 4 Ω. .......................................................................................... 42 Figura 5-2: Movimento dentro da câmara da esfera (a) com uma tensão muito alta, (b) com uma tensão ideal. ....................................................................................................... 48 Figura 5-3: Vazão Q, velocidade v na entrada e na saída da válvula com diâmetros l. ........ 55 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 3.1: Valores típicos de intensidade magnética remanente B, coercividade H e seu r c produto máximo de energia HxB, adaptado de [19]. ................................................... 17 Tabela 5.1: Características físicas das bobinas testadas. ..................................................... 36 Tabela 5.2: Características dos fios de cobre esmaltados. .................................................. 37 Tabela 5.3: Coeficientes angulares do ajuste das curvas dos Gráficos 5.1 e 5.2. ................. 40 Tabela 5.4: Corrente necessária nas bobinas para gerar um campo magnético de 3,0 mT em sua borda. .................................................................................................................. 40 Tabela 5.5: Simulação da indutância de um indutor ideal de 9,153 mH adicionado de diferentes resistências internas. .................................................................................. 42 Tabela 5.6: Propriedades medidas nos indutores. ............................................................... 43 Tabela 5.7: Primeiras medidas realizadas sobre a válvula com a bobina b4. ....................... 46 Tabela 5.8: Medidas realizadas com a bobina b4, 9V, válvula V1 . .................................... 47 Tabela 5.9: Medidas realizadas com a bobina b4, 12V, válvula V1. ................................... 47 Tabela 5.10: Medidas realizadas com a bobina b6, 9V, válvula V2. ................................... 49 Tabela 5.11: Medidas realizadas com a bobina b6, 8V, válvula V3. ................................... 49 Tabela 5.12: Medidas realizadas com a bobina b6, 7V, válvula V4. ................................... 50 Tabela 5.13: Medidas realizadas com a bobina b6, 6V, válvula V5. ................................... 50 Tabela 5.14: Características de b6 nas tensões testadas. ..................................................... 51 Tabela 5.15: Massa despejada em um tempo de 132 ms e diferentes pressões, bobina b6, 8V, válvula V6. ................................................................................................................ 51 Tabela 5.16: Testes de vazão com a bobina b6, 8 V, válvula V7. ....................................... 53 Tabela 5.17: Vazão calculada das válvulas com a mesma pressão. ..................................... 54 Tabela 5.18: Diferentes válvulas com a bobina b6 a 8 V, 1,5 s. .......................................... 56 V