Desenvolvimento e validação de um método analítico de caraterização de tratamentos de superfície em rolhas de cortiça

Abstract

A presente dissertação teve como principal objetivo o desenvolvimento e validação de um método analítico que permitisse caracterizar a distribuição do tratamento de superfície em rolhas de cortiça, em tempo real e numa lógica rolha-a-rolha. O tratamento de superfície é uma das etapas finais do processo de produção de rolhas de cortiça e consiste na aplicação de uma fina camada de produtos cuja constituição base é silicone, parafina, ou uma mistura de ambos, com o objetivo de facilitar a inserção e extração da rolha no gargalo da garrafa de vidro. Atualmente, os métodos de controlo da qualidade do tratamento de superfície utilizados pela Corticeira Amorim são demorados e realizados fora de linha (offline), sendo o ensaio de forças de extração o mais utilizado. Este ensaio incide apenas sobre uma amostra limitada de rolhas e não permite visualizar a distribuição nem a homogeneidade do referido tratamento sobre a superfície de cada rolha. O método desenvolvido neste trabalho para caracterizar a distribuição do tratamento de superfície em rolhas de cortiça baseia-se na emissão de luz por fluorescência. Para o efeito, utilizou-se um tratamento de elastómero de silicone ao qual foi adicionado um composto (sonda) fluorescente. A aplicação deste tratamento de superfície em rolhas e a sua observação sob luz UV permitiu identificar, mesmo a olho nu, zonas ativas (correspondentes à emissão de luz por fluorescência) e zonas não ativas (sem emissão de fluorescência) na superfície de rolhas naturais e aglomeradas. Fotografaram-se rolhas com e sem tratamento e ainda rolhas com tratamento padronizado, sob luz UV. Estas fotografias foram depois alimentadas a um algoritmo de IA (Inteligência Artificial) baseado em Redes Neuronais Artificiais. O desenvolvimento do algoritmo, bem como o tratamento e processamento das imagens foi realizado pelo Professor João Carlos Lima e pelo investigador David Sousa da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa. O resultado desta ferramenta forneceu informação sobre a percentagem da superfície das rolhas coberta com tratamento fluorescente. Foi assim possível pela primeira vez visualizar a distribuição do tratamento aplicado na totalidade da superfície de rolhas de cortiça, de forma expedita e não destrutiva. Paralelamente, recorreu-se a técnicas espectroscópicas complementares (FTIR-ATR, SEM) que permitiram comprovar que as zonas ativas correspondiam a zonas tratadas com elastómero contendo sonda UV, e que as zonas não ativas não continham tratamento, tanto em rolhas naturais como em aglomeradas. Visualizou-se que as zonas ativas eram cobertas por uma camada de tratamento e que as zonas não ativas não apresentavam vestígios de tratamento. Mediu-se também os ângulos de contacto pelo método da gota séssil com três solventes e calculou-se as energias de superfície das rolhas nos corpos e nos topos pelo modelo de OWRK. Concluiu-se que a aplicação do elastómero de silicone com sonda UV aumenta os ângulos de contacto, tornando a superfície da rolha mais hidrofóbica e reduzindo a energia superficial, não se tendo observado diferenças significativas entre corpos e topos das rolhas. Tentou-se ainda relacionar a percentagem de cobertura da superfície da rolha (estimada pelo algoritmo de IA) com os testes das forças de extração, mas não se encontrou uma relação com a quantidade de elastómero aplicado às rolhas, nas condições testadas. Finalmente, ainda no âmbito deste trabalho, desenvolveu-se um protótipo de aplicação de tratamento de superfície numa lógica rolha-a-rolha, no qual se recorreu à aplicação da sonda UV acima referida para resolver alguns dos problemas mecânicos e melhorar o desempenho do protótipo.

The main objective of the present dissertation was the development and validation of an analytical method to characterize the surface treatment distribution in cork stoppers, in real time and in a stopper-to-stopper logic. Surface treatment is one of the final stages of cork stopper production process and consists of applying a thin layer of products based on silicone, paraffin or a mixture of both, in order to facilitate the insertion and extraction of the cork stopper in the glass bottle. Currently, Corticeira Amorim’s surface treatment quality control methods are time consuming and performed offline, with the extraction force test being the most widely used. This test focuses only on sampling of a limited number of cork stoppers and does not allow the assessment of distribution and homogeneity of the surface treatment in each cork stopper. The method developed in this work to characterize the surface treatment distribution in cork stoppers is based on fluorescence emission by an active compound (probe) added to the silicone elastomer treatment. The application of this surface treatment to cork stoppers and the observation under UV light allowed to identify to the naked eye, active zones (with fluorescence emission) and non-active zones (without fluorescence emission) on the surface of both natural and agglomerated cork stoppers. Stoppers with and without treatment, as well as stoppers with standardized treatment were photographed under UV light. These photographs were then fed to an AI (Artificial Intelligence) algorithm based on Artificial Neural Networks. The development of the algorithm, as well as the processing of the images, was carried out by Professor João Carlos Lima and researcher David Sousa of the Faculty of Science and Technology of the University Nova de Lisboa. The output of this tool provided information on the percentage of the stopper surface covered with fluorescent treatment. It was, thus, possible for the first time to visualize the distribution of the treatment applied to the entire surface of cork stoppers, expeditiously and in a non-destructive manner. At the same time, complementary spectroscopic techniques (FTIR-ATR, SEM) were used to prove that the active zones corresponded to areas treated with UV tracer-containing elastomer, while the non-active zones contained no treatment. Furthermore, active zones were found to be covered by a treatment layer while non-active zones showed no trace of treatment. Contact angles were also measured by the sessile drop technique with three different solvents and the surface energy on bodies and tops of the cork stoppers were calculated by the OWRK model. It was concluded that the application of silicone elastomer with a UV tracer increases the contact angles, makes the cork surface more hydrophobic and reduces the surface energy, with no significant differences between stopper bodies and tops. An attempt was also made to correlate the percentage of surface coverage (estimated by the AI algorithm) with the extraction forces, but no relation was found between the amount of elastomer used and the extraction tests under the conditions tested. Finally, a prototype for application of the surface treatment application in a stopper-by-stopper logic was developed and the surface treatment containing the UV probe was used to solve mechanical issues and consequently improve the prototype performance.