SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE FILME A BASE DE ALLIUM CEPA e SEPIOLITA FIBROSA

Autores

Araujo, R.J.P. (UFMA) ; Cutrim, E.S.M. (UFMA) ; Ribeiro, C.A. (UNESP-ARARAQUARA) ; Dias, D.S. (BIOSMART NANO) ; Barud, H.S. (UNIARA) ; Alcântara, A.C.S. (UFMA)

Resumo

A demanda por materiais biodegradáveis, de fontes renováveis e baixo custo têm resultado no aumento do interesse pelos materiais bionanocompósitos. Estes materiais são obtidos a partir da combinação de uma matriz biopolimérica com sólidos inorgânicos em escala nanométrica, que tendem a atuar como carga de reforço (filler) destes materiais. O presente trabalho explora a obtenção e caracterização de um material obtido a partir de polissacarídeo (Allium cepa) reforçado com sepiolita fibrosa a 0,5% (m/v). Através de análises estruturais e morfológicas por FTIR e MEV, foi observado que a incorporação do argilomineral foi bastante homogênea na matriz. Já as análises de TG/DTG demonstram que a incorporação do argilomineral otimizou as propriedades térmicas do material.

Palavras chaves

Bionanocompósito; Sepiolita; Allium cepa

Introdução

Atualmente a maior parte dos polímeros usados são derivados de fontes não- renováveis do petróleo e tem um período relativamente curto de uso antes de serem descartados. Mesmo apresentando baixo custo e propriedades mecânicas atraentes, a produção e descarte destes ainda é um inconveniente ao meio ambiente. Nesse sentido, o interesse no uso de materiais a partir de biomassa renovável, baixo custo e biodegradabilidade, tem aumentado significativamente nos últimos anos como uma forma de reduzir os impactos ambientais. Sendo assim, o uso dos polímeros vegetais como alternativa na substituição dos derivados de petróleo, impulsionou o desenvolvimento dos bionanocompósitos (DIAS et al, 2019).O conceito de bionanocompósito foi introduzido recentemente na comunidade cientifica como sendo um material híbrido composto de espécies naturais orgânicas e sólidos inorgânicos com propriedades morfológicas e estruturais em escala nanométrica. A montagem de bio-híbridos nanoestruturados constituem uma família emergente de recursos funcionais avançados que suprem uma demanda por materiais biodegradáveis, de fontes renováveis, baixo custo e que tenham um apelo ecológico. As tecnologias dos materiais como plásticos verdes, tecidos, dispositivos de administração de fármacos ou na remediação ambiental tem se beneficiado desse nicho de materiais (FERNANDEZ, 2009) que podem ser facilmente obtidos a partir da combinação de uma matriz biopolimérica, de origem orgânica, como um polissacarídeo e uma carga de material em escala nanométrica, geralmente sólidos inorgânicos, como por exemplo, minerais argilosos (OLIVEIRA, 2017). Uma possibilidade para a produção de filmes biodegradáveis encontra-se no uso de polissacarídeos. Bioplásticos a base de polissacarídeo proveniente de Allium cepa processados hidrotermicamente no trabalho de Dias et al (2020) apresentaram potencial utilização em bionanocompósitos devido suas propriedades únicas, baixo custo e apelo ecológico. No entanto, filmes a base de biopolímeros são limitados ao fato de que estes apresentam propriedades mecânicas e de barreira inferiores aos dos polímeros sintéticos, sendo necessário a incorporação de outros compostos com a finalidade de melhorar essas propriedades.A sepiolita é um argilomineral capaz de originar nanocompósitos de polímero-argila, tendo em vista principalmente a interação de grupos poliméricos a superfície externa deste silicato. Este, é utilizado como reforço para matrizes poliméricas em sistemas nanoestruturados (Ruiz-Hitzky et al, 2011). Diante disso, foi proposto no presente estudo, a produção bionanocompósitos processados em filmes à base do polissacarídeo extraído dos bulbos de Allium cepa (Cebola) combinados com diferentes proporções do argilomineral microfibroso sepiolita, com o intuito de investigar suas propriedades.Diante disso, foi proposto no presente estudo, a produção bionanocompósitos processados em filmes à base do polissacarídeo extraído dos bulbos de Allium cepa (Cebola) combinados com 0,5% (m/v) de sepiolita, com o intuito de investigar suas propriedades físico-químicas, bem como possíveis aplicações do novo material sintetizado.

Material e métodos

Os filmes foram processados a partir da polpa de Allium cepa, obtida a partir da autoclavagem de cebolas medias (comuns), previamente lavadas e cortadas e quatro partes, por 30 minutos a 121ºC e 1,2 kgf/cm², sendo em seguida homogeneizadas por um ultra turrax (IKA T18) por 10 minutos a 7000 rpm. Em seguida, a polpa foi lavada com água destilada em um funil de vidro contendo um filtro de papel, até que todo o odor característico da polpa fosse removido. Uma porção da polpa de cebola autoclavada foi então disposta numa placa de acetato e secou em temperatura ambiente durante 24h (Dos Santos Dias, et al 2020). Os filmes bionanocompositos foram preparados por casting, onde uma porção de polpa de cebola tratada hidrotermicamente foi misturada com uma suspensão de sepiolita a 0,5% (m/v) homogeneizadas através de banho ultrassônico. Em seguida, o material foi deixado ainda para secar nas 24h seguintes até que possa ser destacado da placa de acetato. O mesmo procedimento foi feito apenas com a polpa de cebola e água, sem sepiolita, afim de formar um filme que serviu como branco para as análises posteriores. O material foi caracterizado através da Espectroscopia na região do Infravermelho (FTIR), onde as análises foram realizadas em um aparelho IR-Prestige-21 (Shimadzu). Os espectros foram obtidos adaptando as amostras dos bionanocompósitos em acessório filme sem diluir em KBr, no intervalo de 4000 a 400 cm-1, com resolução de 2 cm-1, em 45 varreduras.As análises térmicas (TG e DTG) foram feitas em equipamento da TA Instruments do modelo SDT Q600, no intervalo de temperatura de 30ºC a 800ºC, a uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min, em atmosfera de N2, num fluxo de 100 mL/min. Imagens das amostras foram obtidas utilizando-se um microscópio eletrônico de varredura (MEV) TESCAN, modelo Mira3, com canhão de elétrons tipo FEG (field emission gun). As amostras foram montadas em suportes de alumínio com 12 mm de diâmetro, utilizando-se fita adesiva dupla face de carbono, fita adesiva de cobre e lamínulas de cristal. A seguir, as amostras foram metalizadas com Au por 90 segundos, o que deposita sobre a amostra uma película com espessura média de 10 a 15 nm, tornando as mesmas condutoras. As imagens foram geradas por detecção de elétrons secundários, utilizando-se aceleração de voltagem de 5 a 20 kV e distância de trabalho de 10 a 15 mm.

Resultado e discussão

A polpa de cebola (Allium cepa) foi obtida de forma eficaz através do método hidrotérmico, resultando em um gel castanho com odor característico, que logo desapareceu com as lavagens. A matriz biopolimérica teve seu teor de massa seco investigado onde pode-se observar que 96,02 % de seu conteúdo é composto por água. Dessa forma, para cada 5g de polpa de cebola, era possível obter 0,199g de sólidos. Esta matriz biopolimérica foi incorporada a uma suspensão de 0,5% de sepiolita fibrosa por casting, resultando em uma mistura filmogênica bastante viscosa. A fim de prever possíveis interações entre a polpa de cebola (FLC) e a sepiolita, medidas de FTIR foram realizadas. O FLC puro, apresentou bandas entre 4000-2000 cm-1 são referentes a grupos OH intra e intermoleculares presentes em ligações de hidrogênio em grupos de celulose e pectina, encontrada em estruturas de polissacarídeos. Por exemplo, a região de 1500-1200 cm-1 é especifica para vibrações de (CH) e também ao movimento (CO) da ligação glicosídica C-O-C, que servem como marcadores de polissacarídeos (Wiercigroch et al., 2017). As bandas de absorção observadas entre 1680-1600 cm-1 são referentes ao estiramento de (C=O) do amido (Schulz & Baranska, 2007). Dos Santos Dias et al (2020) relatou que dependendo do processamento dos bioplásticos de cebola, há pequenas variações nas bandas de absorção entre 1730 e 1741 cm-1 , referentes ao estiramento de (C=O) do ácido poligalacturónico e pectina. O espectro de FTIR da sepiolita pura, indica que este argilomineral tem bandas características nas regiões próximas a 3690 cm-1 referentes a vibrações e alongamentos de grupos hidroxila ligados aos íons de Mg octaédricos presentes em sua estrutura de túneis deste argilomineral. Além disso, são atribuídas as bandas entre 3650-3400 cm-1, vibrações de estiramento de H-O-H de moléculas de água zeolítica e as bandas próximas em 1660 cm-1 referentes as moléculas de água coordenada (Ongen et al, 2012). Além disso, também foi identificada sinais em aproximadamente 1209 cm-1, 1020 cm-1 e 980 cm-1, referentes a vibração Si-O-Si (Darder et al, 2006; Serratosa, 1978). Infelizmente, devido a ruídos da medida na região, não foi possível identificar uma pequena banda em 3720 cm-1 referente aos grupos silanóis localizado na superfície externa do silicato.Com a incorporação da sepiolita no bionanocompósito, pode-se observar bandas características deste argilomineral em aproximadamente 1200 cm-1, o qual indica vibração de estiramento de ligações Si-O, presentes no argilomineral. Evidencia-se também, que a banda de 1575 cm-1 do polissacarídeo inicial (FCL), sofrem um deslocamento para menores frequências no filme bionanocomposto, sugerindo uma possivel interação entre a polpa de cebola e a argila. Ainda que não foi possível evidenciar nos filmes bionanocompósitos a banda atribuída aos grupos Si-OH proveniente do argilomineral, uma possível interação pontes de hidrogênio envolvendo estes grupos com as grupos funcionais hidrofílicos da matriz biopolimérica não pode ser descartada, visto que é amplamente relatado na literatura que a ligação de hidrogênio presente na estrutura faz com que as vibrações das moléculas de água coordenadas mudem para uma frequência mais baixas, ficando muitas vezes sobrepostas com bandas de água (Darder et al., 2006); (Serna & Vanscoyoc, 1979) Na Figura 1 é apresentada as imagens de MEV para o filme de cebola e seus respectivo bionanocompósitos preparado com 0,5% de sepiolita. É possível observar que o filme de cebola puro (FCL) demonstra uma superfície com uma certa rugosidade, porém bastante homogêneo. No entanto, as imagens do filme bionanocompósito revela uma morfologia bastante diferente do filme de cebola puro. Neste caso, é possível evidenciar uma superfície bastante homogênea, onde a presença das fibras de sepiolita parecem estar muito bem integradas e dispersas na matriz biopolimérica. Estes resultados podem implicar propriedades mecânicas e de barreira interessantes. O comportamento térmico dos filmes foram investigados por TG-DTG, os quais são apresentados na Figura 2. Os filmes apresentaram dis eventos de perda de massa principais, se decompondo drasticamente a partir dos 300ºC, sendo que o filme de polpa autoclavada lavada (FCL) teve uma perda de massa mais acentuada próximo dos 400ºC em comparação com os outros materiais bionanocompósitos que possuem sepiolita em sua composição. Além disso, com a adição gradativa do argilomineral, o sistema demonstrou maior estabilidade térmica, aumentando a temperatura de degradação, principalmente após 400ºC, onde o biopolímero puro degradou-se rapidamente em comparação ao sistema híbrido. Esse resultado é um indicativo que a adição de sepiolita confere maior estabilidade térmica ao material. Em contrapartida, os filmes carregados com a sepiolita apresentaram perdas de massa significativa até 100ºC em comparação ao filme de cebola pura (FCL).

FITR de (a) sepiolita (SEP);(b) dos filmes de polissacarídeo com sepiolita(FCL-SEP 0,5%) e MEV de FCL (Ic,IIc) e FCL-SEP 0,5% (IIIc, IVc)


Curvas de termogravimetria (TG) e derivada (DTG) dos filmes FCL, FCL-SEP 0,5

Conclusões

O processo empregado para obtenção dos filmes de polpa de cebola (Allium cepa) reforçado com argilomineral sepiolita a 0,5%, resultou em um material bastante homogêneo, com propriedades de resistência térmica interfacial. A principal vantagem deste material é a utilização de uma matriz polimérica oriunda de matéria prima vegetal, renovável e fácil obtenção. A utilização dos bulbos de Allium cepa, além de possibilitarem a formação de filmes maleáveis, também dispensou o uso de plastificantes devido a presença de carboidratos solúveis em sua composição. A incorporação do argilomineral em uma concentração baixa (0,5%) foi suficiente para otimizar as propriedades térmicas do material, o que abre um leque de possibilidades para sua aplicação.

Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com apoio da CAPES–Cód.fin.001,FAPEMA(POS-GRAD- 02553/21),CNPq(401840/2021-2,425730/2018-2,315109/2021-1);CENTRAL ANALITICA DE QUÍMICA/UFMA. ARAUJO,RGP AGRADECE A FAPEMA PELA BOLSA CONCEDIDA.

Referências

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