Introdução as MMMs com Nanopartículas Metálicas

Nanopartículas metálicas têm propriedades físicas e químicas diferenciadas das suas partículas em escala macroscópica devido à relação área/volume que é aumentada substancialmente, pois os sítios ativos ficam mais expostos e o número de átomos presentes na superfície do material é da ordem daqueles presentes no seu interior. Por estarem mais próximos à superfície, estes átomos apresentam reatividade modificada (TORRE, 2007; MOYA, 2008; POLLO 2008).

Para a síntese de nanopartículas, existem dois métodos principais: métodos físicos, nos quais o metal é dividido até a escala nanométrica utilizando os processos de vaporização e resfriamento; métodos químicos, nos quais o material em escala nanométrica é obtido através do crescimento controlado até o tamanho desejado, sendo muito utilizados, pois proporcionam o controle do tamanho da nanopartícula e homogeneidade, uma vez que as reações ocorrem a nível molecular. Há várias metodologias para a redução química, tais como: redução química de sais metálicos, sistemas envolvendo micelas, decomposição térmica, sonoquímica, síntese fotoquímica, método sol-gel, entre outros (BALDI et al., 2007; MOYA, 2008, POLLO, 2008).

As nanopartículas metálicas são instáveis se ocorrer aglomeração, com isso perdendo as propriedades e formatos especiais. Então a estabilização destas é requerida por várias razões dentre elas: prevenir o crescimento descontrolado das partículas, prevenir a agregação das partículas, controlar a taxa de crescimento e o tamanho das partículas e permitir a solubilidade da partícula em vários polímeros (MURAVIEV, 2005).

Neste sentido, o desenvolvimento de polímeros estabilizadores de nanopartículas metálicas é umas das muitas soluções promissoras para o problema de estabilidade destas. Com isso, elas atraem grande atenção de cientistas. Os métodos que exploram a

139 matriz polimérica têm sido aplicados para melhorar o controle da formação do tamanho das nanopartículas. Na preparação destes materiais híbridos uma tarefa importante é a prevenção da separação e agregação das partículas metálicas na matriz polimérica (MURAVIEV, 2005).

O uso de materiais poliméricos na incorporação de nanopartículas metálicas (diâmetro entre 1 a 100 nm) forma sistemas híbridos. Estes materiais híbridos promovem a sinergia das propriedades físicas e químicas diferenciadas das nanopartículas metálicas (ex.: eletrônica, magnética, ótica, potencial de ionização, reatividade, etc.), comparadas às propriedades em escala macroscópica (bulk), com as características físicas e químicas (ex.: isolantes ou condutores, natureza hidrofóbica ou hidrofílica, estado vítreo ou elastomérico) dos polímeros que servem como matriz para estabilizar e evitar a oxidação e aglomeração das nanopartículas metálicas, evitando a perda das propriedades únicas que estes metais proporcionam em escala nanométrica (DAVID, 2006).

A matriz polimérica pode ser selecionada para realizar várias funções, dentre elas: a estabilização da dispersão coloidal e a prevenção da aglomeração de nanopartículas; a proteção contra a desativação por água ou vapor d´água, por exemplo; a tecnologia de processabilidade (como solubilidade, estabilidade térmica, viscosidade, propriedade de formação de filmes, etc.); a sintonia adicional do material e suas propriedades, promovendo um ambiente satisfatório ao redor das nanopartículas e pela influência de suas modificações na superfície; e a influência da formação das nanopartículas durante a preparação, através das interações com o metal precursor ou colóide metal zero valente e pelo controle do crescimento da nanopartícula (MAYER, 1998).

Nanopartículas metálicas na matriz polimérica são produzidas através de dois métodos gerais: in situ ou ex situ (SHIM, 2001). Durante a síntese in situ, o precursor metálico é introduzido na solução polimérica formada e em seguida, a etapa de redução do íon metálico que pode ser dada por reação química, sistemas envolvendo micelas, decomposição térmica, sonoquímica, radiação ultravioleta (UV), método sol-gel, entre outros (BALDI et al., 2007; MOYA, 2008, POLLO, 2008). Durante a síntese ex situ, as nanopartículas metálicas são primeiramente sintetizadas e estabilizadas, e então subsequentemente dispersadas no meio polimérico.

140 Dentre os dois métodos o mais vantajoso é a incorporação das nanopartículas metálicas na matriz polimérica in situ, devido ao maior controle do tamanho da partícula e que proporciona a obtenção de propriedades específicas para cada tipo de aplicação. Enquanto que a incorporação ex situ oferece uma nanopartícula estabilizada e com propriedades pré-definidas.

Na literatura, há poucos trabalhos relacionados à formação de membranas com adição de nanopartículas metálicas para separação de gases. A maioria dos trabalhos é voltada para o uso de polímeros como meio dispersivo e para estabilizar as nanopartículas metálicas, para que suas propriedades eletrônicas, magnética, ótica, potencial de ionização, reatividade dentre outras, sejam funcionalizadas. No presente trabalho, nos testes preliminares, realizou-se a incorporação de nanopartículas de Co na matriz polimérica de poliuretano para verificar o comportamento da seletividade e permeabilidade de O2. Os procedimentos foram estabelecidos utilizando a experiência do trabalho do grupo realizado por POLLO (2008), que estudou a separação propeno/propano através da incorporação de nanopartículas de prata (Ag) em membranas de poliuretano.

Neste estudo foram realizadas avaliações preliminares de membranas planas de matriz mista utilizando nanopartícula de cobalto (Co) para a separação de O2. Nas membranas planas com nanopartículas de cobalto foram realizadas caracterizações estruturais (FTIR), morfológicas (MEV), térmicas (DMA) e de transporte para verificar sua estabilidade e viabilidade na obtenção de O2 mais concentrado. Além disso, o método de termodessorção possibilitou a análise da interação da nanopartícula de cobalto com O2. Por fim, as caracterizações de transporte das membranas planas e do módulo de fibra oca foram realizadas em um sistema de permeação de gases com transdutor de pressão, sendo o sistema padrão do laboratório de Processos de Separação por Membranas (PAM) do Programa de Engenharia Química da COPPE/UFRJ.