Materiais bionanocompósitos a base de silicatos lamelares acidificados e polissacarídeos

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Materiais

Autores

Castro, K. (UFRN) ; Alcantara, A. (UFRN) ; Pergher, S. (UFRN)

Resumo

Os bionanocompósitos compreendem uma crescente e inovadora área interdisciplinar onde reúne campos da Ciência da Vida, Ciência de Materiais e a Nanotecnologia. Neste trabalho, materiais bionanocompósitos processados como filmes auto- suportados de alta transparência e resistência foram preparados utilizando o biopolímero carboximetilcelulose (CMC) combinado com as argilas montmorillonita comerciais K10 e KSF. Tais materiais mostraram grande afinidade a metais pesados, sendo uma prometedora alternativa como novos bioadsorventes em remediação ambiental.

Palavras chaves

Montmorillonita; bionanocompósitos; carboximetilcelulose

Introdução

Os polímeros naturais estão sendo o foco de muitas pesquisas, devido ao fato de serem materiais de fontes renováveis, abundantes, além de apresentarem muitas vezes o caráter biocompatível e biodegradável. A carboximetilcelulose (CMC) é um biopolímero derivado da celulose, que possui excelentes propriedades para a formação de filmes, entretanto suas propriedades mecânicas e resistência a água são pobres, resultando em filmes frágeis e hidrofílicos (Gutierréz et al.,2012). Uma estratégia normalmente empregada a fim de melhorar estas propriedades, é a dispersão de sólidos inorgânicos, tais como argilominerais, na matriz biopolimérica formando assim um material bionanocompósito. Um argilomineral amplamente utilizado para este fim é a montmorillonita, um silicato de natureza lamelar pertencente ao grupo das esmectitas. Este filossilicato possui estrutura lamelar 2:1, apresentando cátions interlamelares trocáveis podendo sofrer ativação ácida por meio da troca de íons 〖Ca〗^(2+) ou 〖Na〗^+ por íons H^+, aumentando assim a área específica dessas argilas (Bertella et al.,2010). A montmorillonita KSF e K10, são argilas comerciais ativadas por ácido sulfúrico a temperatura ambiente e a alta temperatura, respectivamente (Pergher et al.,2007). Com base nessas premissas, o objetivo principal desse trabalho é preparar materiais de natureza biohíbrida a partir do biopolímero carboximetilcelulose e das argilas K10 e KSF. Os materiais bionanocompósitos obtidos foram caracterizados por difratometria de raios X (DRX) e as possíveis interações entre o biopolímero e as argilas foram deduzidas por FTIR. Uma vez caracterizado o material híbrido, filmes híbridos foram sintetizados com diferentes concentrações de argila no biopolímero, e a capacidade de adsorção de metais pesados foram investigadas.

Material e métodos

Diferentes quantidades de carboximetilcelulose (CMC) (entre 0,15 e 0,3g) foram dissolvidas em 50 mL de água a temperatura ambiente. Após completa dissolução do biopolímero, adiciona-se 20 mL de uma suspensão aquosa da argila KSF ou K10 com concentrações de 2%, 5% e 10%. O sistema foi mantido em agitação em mesa orbital por 48 horas a 200 rpm. Em seguida, os materiais são separados por centrifugação. O sólido obtido é seco em estufa à 60º C e macerado obtendo-se um pó fino que é posteriormente analisado por difratometria de raios X e espectroscopia de Infravermelho. Para a formação dos filmes bionanocompósitos foi aplicada a técnica de casting, onde os sistemas híbridos resultantes da combinação de carboximetilcelulose e KSF ou K10 são colocados em uma superfície de plástico limpa e homogênea, deixando-se secar a temperatura ambiente e pressão atmosférica.

Resultado e discussão

O difratogramas de raios X das argilas K10 e KSF e dos seus respectivos materiais resultantes da combinação com carboximetilcelulose são apresentados na figura 1. A partir da análise de DRX, observa-se que a argila montmorillonita K10 não apresentou mudanças estruturais significativas após a combinação com o biopolímero. Em contraste, os materiais resultantes da combinação de KSF e CMC mostrou um alto grau de desordem estrutural em comparação ao DRX da argila inicial, o que poderia ser causado pela adsorção do polímero na argila, bem como um possível efeito diluição da argila no material híbrido resultante. As possíveis interações existentes nos materiais híbridos sintetizados foram investigadas mediante espectroscopia de infravermelho (Figura 2). De acordo com a Figura 2 se observa que os materiais híbridos apresentam bandas características do biopolímero CMC, tais como o estiramento simétrico dos grupos COO- em aproximadamente 1400 〖cm〗^(-1), alongamento dos grupos –COOH em 1600 〖cm〗^(-1)e a presença de grupos 〖-CH〗_2, em torno de 2900 〖cm〗^(-1). Bandas típicas do argilomineral também são evidenciadas em torno de 3600 〖cm〗^(-1) correspondente ao estiramento das hidroxilas estruturais presente nas lamelas octaédricas das esmectitas, e uma banda em torno de 1090 〖cm〗^(-1) característica das ligações Si-O-Si. A evidência das bandas características do polímero no material bio-híbrido poderia indicar uma boa compatibilidade entre o biopolímero e a argila. Filmes híbridos altamente transparentes foram obtidos. Tal transparência sugere uma boa dispersão e compatibilidade do sólido inorgânico na matriz biopolimérica.

Difratogramas das argilas K10 e KSF e dos seus respectivos materiais híbridos obtidos após combinação com carboximetilcelulose (CMC)


Infravermelho das argilas K10 e KSF e dos seus respectivos materiais híbridos obtidos após combinação com carboximetilcelulose (CMC).

Conclusões

Foi possível obter um material híbrido a partir da combinação das argilas K10 e KSF com carboximetilcellulse. A partir das análises realizadas, comprovou-se que o polímero (CMC) possui uma boa compatibilidade com os sólidos inorgânicos K10 e KSF. Por outro lado, foi evidenciado que esses materiais podem ser processados como filmes auto-suportados, onde uma boa dispersão da argila na matriz biopolimérica resulta em materiais de alta transparência. Esses filmes serão avaliados quanto as suas propriedades mecânicas, permeabilidade à vapores de água e adsorção de poluentes.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq pelo projeto 406184/2013-5.

Referências

Bertella, F., Schwanke, A. J., Wittee Lopes, C. W., Penha, F. G. (2010). Study on the acid activation of a bentonite clay. PERSPECTIVA, Erechim. (2010), v.34, n.127, p. 105-111.

Gutierrez, M. Q., Echeverria, I., Ihl, M., Bifani, V., Mauri, A. N. (2012). Carboxymethylcellulose–montmorillonite nanocomposite films activated with
murta (Ugni molinae Turcz) leaves extract. Carbohydrate Polymers, 2012: 1495-1502.

Pergher, S. B. C., Rossa, V., Spazzini, S. T., Schwanke, A. J., Penha, F. G. (2007). Pilarização de Argilas Montmorillonitas Comerciais. Sociedade Brasileira de Química (SBQ).