Caracterização de quitosana em ácido pirolenhoso destilado com potencial uso como coberturas protetoras

Instituto de Química e Geociências

Programa de Pós-Graduação em Química

Dissertação

Caracterização de Quitosana em Ácido Pirolenhoso Destilado com

Potencial Uso como Coberturas Protetoras

Fabiane Grecco da Silva Porto

Fabiane Grecco da Silva Porto

Caracterização de Quitosana em Ácido Pirolenhoso Destilado com

Potencial Uso como Coberturas Protetoras

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Química.

Orientador: Irene Teresinha Santos Garcia

Dados de catalogação na fonte: (Marlene Cravo Castillo – CRB-10/744)

P839c Porto, Fabiane Grecco da Silva Caracterização de quitosana em ácido pirolenhoso destilado com potencial uso como coberturas protetoras / Fabiane Grecco da Silva Porto; orientador Irene Teresinha Santos Garcia - Pelotas, 2011.- 59f.; il..- Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em Química. Instituto de Geociências e Química. Universidade Federal de Pelotas. Pelotas, 2011.

1.Espalhamento de luz 2.Reologia 3.Filmes ácidos de quitosana 4.Proteção ultravioleta 5.Inchamento I.Garcia, Irene Teresinha Santos(orientador) II .Título.

Agradecimentos

À Irene pela orientação neste trabalho e em especial pelo companherismo e amizade ao longo destes anos.

À Lara, pelo auxílio nas análises.

À Profª Nadya, pelo empréstimo dos equipamentos de espalhamento de luz e de reologia.

Aos colegas da Embrapa Drª Ângela, Renê, Patrícia, Luísa e Jonas pelo apoio e suporte para que eu pudesse desenvolver este trabalho.

Aos meus pais, Sérgio e Leda, pelo incentivo constante. Em especial a minha mãe por sua dedicação e companherismo.

Ao Marcos, a Lidiane e a Isabelle, pelo carinho e pela acolhida.

Ao meu esposo, André, pelo constante incentivo, carinho e compreensão. À Deus.

Resumo

PORTO, Fabiane Grecco da Silva. Caracterização de Quitosana em Ácido Pirolenhoso Destilado com Potencial Uso como Coberturas Protetoras. 2011. 59f. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em Química. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.

Filmes ácidos de quitosana podem ser usados como coberturas para tecidos vegetais devido as suas propriedades antifúngicas e antimicrobianas, podendo atuar também como anti-transpirante. Neste trabalho soluções de quitosana em ácido pirolenhoso destilado foram caracterizadas em solução comparativamente às soluções de quitosana em ácido acético a 2 % (v/v). Foram avaliados pH, condutividade, comportamento térmico, massa molar, raio de giro, segundo coeficiente virial e propriedades reológicas. Foram obtidos também filmes auto suportados de quitosana em ácido pirolenhoso destilado e em solução de ácido acético a 2 % (v/v) que foram avaliados em relação à proteção contra as radiações ultravioleta/visível, resistência à água, inchamento e degradação térmica. O ácido pirolenhoso destilado mostrou ser melhor solvente para este polímero comparativamente à solução de ácido acético. A quitosana, nos dois solventes estudados, apresentou comportamento newtoniano na faixa de temperatura de 10 a 40 °C na faixa de concentrações estudada e as soluções são termicamente estáveis na faixa de temperatura de -40 a 60 °C. Os filmes de quitosana em solução de ácido acético absorveram mais de 400 % de sua massa em água e são estáveis sob imersão por mais de sete dias. Apesar de uma pequena perda de água sob aquecimento, os filmes são termicamente estáveis até 300 °C e bloqueiam a radiação UV-B (319-280 nm) e UV-C (279-200 nm), podendo ser usados como fotoprotetores. A absortividade molar diminui exponencialmente com o comprimento de onda, estes resultados permitem a formulação de filmes com diferentes espessuras de acordo com a proteção UV desejada. Os filmes de quitosana em ácido pirolenhoso destilado não serão discutidos neste trabalho.

Palavras-chave: espalhamento de luz, reologia, filmes ácidos de quitosana, proteção ultravioleta, inchamento

Abstract

PORTO, Fabiane Grecco da Silva. Caracterização de Quitosana em Ácido Pirolenhoso Destilado com Potencial Uso como Coberturas Protetoras. 2011. 59f Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação em Química. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas.

Chitosan acid films can be used as coatings for vegetal tissues due to their antifungal and antimicrobial properties and, also, can act as an antiperspirant. Chitosan in pyroligneous distilled acid had been characterized comparatively to systems of this polymer in acetic acid 2 % (v/v). It was evaluated pH, conductivity, thermal behavior, molecular weight, gyration radio and second virial coefficient and rheological behavior. Auto supported films, obtained from chitosan in acetic acid, were evaluated with respect to the protection against the ultraviolet/visible radiation, resistance to water immersion, swelling degree and thermal degradation. The pyroligneous distilled acid is better solvent for this polymer comparatively to acetic acid solution. Chitosan, in both solvents, presented Newtonian behavior in the range of temperature from 10 to 40 °C at studied range of concentration and the system is thermally stable in the range of temperature from -40 to 60 °C. Films increased around 400 % of their weight, when immersed in water, being stable up to than seven days. Although a small loss of water under heating occurred, films are thermally stable up to 300 °C. The films block radiation efficiently UV-C (279-200 nm) and part of UV-B (319-280 nm), being able to be used as photo protectors. The molar absorptivity diminishes exponentially with the increasing of wavelength, these results show it is possible to obtain coating with different thicknesses to produce the desired protection against UV radiation. The films of chitosan in pyroligneous distillate acid will not be discussed in this paper.

Keywords: light scattering, rheology, chitosan acid films, ultraviolet protection, swelling

Lista de Figuras

Figura 1. Estrutura química da quitina (A) e da quitosana (B). ... 13

Figura 2. Vista de um forno convencional de produção de carvão vegetal adaptado para a coleta de ácido pirolenhoso. ... 15

Figura 3. Geometria básica para um experimento de espalhamento de luz. ... 16

Figura 4. Relação entre o módulo do vetor espalhamento e a maior dimensão do objeto observada r. ... 17

Figura 5. Espectro de FTIR da quitosana em pó Nutrifarma®. ... 30

Figura 6. Espectro de RMN 1H da quitosana em D2O/CF3COOH 1%. ... 32

Figura 7. A) Cromatograma do ácido pirolenhoso destilado; B) Espectro de massas para o composto obtido no tempo de retenção de 7,842 minutos. ... 33

Figura 8. Espectro de FTIR do ácido pirolenhoso destilado. ... 33

Figura 9. Espectro de RMN 1H do ácido pirolenhoso destilado. A região em torno de 6 a 10 ppm foi ampliada. ... 34

Figura 10. Condutividade para os sistemas quitosana Nutrifarm/AA (A) e quitosana/EPD (B) em diferentes concentrações a 25 °C. ... 36

Figura 11. Condutividade molar para os sistemas quitosana/AA (A) e quitosana/EPD (B) a 25 °C, Nutrifarm. ... 37

Figura 12. Termogramas de DSC para o sistema quitosana/AA 50 g L-1. ... 38

Figura 13. Termogramas de DSC para o sistema quitosana/EPD 50 g L-1. ... 38

Figura 14. Gráfico de Zimm para solução de quitosana/AA a 25 °C. ... 39

Figura 15. Relação cos (θ) versus d(θ) para concentração de 0,1 g L-1 para a solução de quitosana/AA a 25 °C. ... 40

Figura 16. Gráfico de Zimm para solução de quitosana/EPD a 25 °C. ... 41

Figura 17. Relação cos(θ) versus d(θ) para concentração de 0,1 g L-1 de quitosana/EPD a 25 °C. ... 42

Figura 18. Funções de correlação normalizadas a 25 e 40 °C, para concentração de quitosana de 1,0 g L-1,para os sistemas: A) quitosana/AA e B) quitosana/EPD. ... 43

Figura 19. Taxa versus tensão de cisalhamento para a solução de 10 g L-1 à 25 °C de quitosana/AA (A) e quitosana/EPD (B). ... 44

Figura 20. Viscosidades em função da temperatura para o sistema quitosana/AA 10,0 g L-1. ... 45 Figura 21. Viscosidade em função da temperatura para o sistema de quitosana/EPD 10,0 g L-1. ... 45 Figura 22. Viscosidade relativa para diferentes concentrações de quitosana/AA (A) e

quitosana/EPD (B), a 25 °C. ... 46 Figura 23. Espectro de FTIR dos filmes de quitosana/AA e da quitosana em pó. .... 48 Figura 24. Espectro de difração de raios X para o filme de quitosana/AA,

λ=0,1542 nm ... 49 Figura 25 - A)Transmitância em função do comprimento de onda de filmes de

quitosana (10 g L-1) com espessura de 20 μm; B) absortividade molar de filmes de quitosana em função do comprimento de onda. ... 50 Figura 26 (A) Análise termogravimétrica e (B) perfil de análise térmica diferencial dos filmes de quitosana/AA. ... 51 Figura 27. Absorção de água dos filmes de quitosana/AA em função do tempo de

Lista de Tabelas

Tabela 1. Principais bandas de absorção na região do infravermelho da quitosana Nutrifarm utilizada. ... 31 Tabela 2. pH (a 20 °C) de soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD. ... 35 Tabela 3. Condutividade (a 25 °C) de soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD,

das marcas Nutrifarm e Sigma. ... 35 Tabela 4. Rg obtidos em diferentes concentrações e temperaturas para a solução

quitosana/AA por dissimetria... 40 Tabela 5. Rg obtidos em diferentes concentrações e temperaturas de solução de

Lista de Abreviaturas

– vetor da onda espalhada – vetor da onda incidente – vetor espalhamento [η] – viscosidade intrínseca a - absorbância

A – área

A2 – segundo coeficiente de virial

AA – solução de ácido acético 2 % (v/v) b – espessura dos filmes

c – concentração

c* - concentração crítica CG – cromatografia gasosa D – coeficiente de difusão

d(θ) – dissimetria da intensidade estática D0 – coeficiente de difusão a diluição infinita

Dc – coeficiente de difusão em uma concentração c

DLS – espalhamento de luz dinâmico

dn/dc – incremento no índice de refração com a concentração DSC – calorimetria exploratória diferencial

ɛ – absortividade molar

Ea – Energia de ativação para o escoamento

EPD – ácido pirolenhoso destilado – força

FTIR – infravermelho com transformada de Fourier GD – grau de desacetilação

K – constante ótica

kB – constante de Boltzmann

kD – coeficiente de virial dinâmico

LS – espalhamento de luz m – massa

Mv – massa molar viscosimétrica

Mw – massa molar média ponderal

n – índice de refração NA – constante de Avogadro r – raio R(θ) – razão de Rayleigh Rg – raio de giro Rh – raio hidrodinâmico

RMN – ressonância magnética nuclear rpm – rotações por minuto

SLS – espalhamento de luz estático T – temperatura

t – tempo

TGA – análise termogravimétrica UV – radiação ultravioleta

v – volume

Vis – radiação visível X-DR – difração de raios X γ – taxa de cisalhamento Γ – taxa de relaxação

Δm – variação de massa relativa η – viscosidade

θ – ângulo de espalhamento λ – comprimento de onda τ – tensão de cisalhamento

Sumário 1 Introdução ... 12 2 Revisão Bibliográfica ... 12 2.1 Quitosana ... 12 2.2 Ácido pirolenhoso... 14 2.3 Técnicas utilizadas ... 16 2.3.1 Espalhamento de luz ... 16 2.3.2 Reologia ... 21 3 Materiais e métodos ... 26 3.1 Materiais ... 26 3.2 Caracterização em Solução ... 27

3.3 Caracterização na Forma de Filmes ... 29

4 Resultados e discussão ... 30

4.1 Caracterização da quitosana ... 30

4.2 Caracterização do ácido pirolenhoso destilado ... 32

4.3 Características físico-químicas dos sistemas quitosana/EPD e quitosana/AA . 34 4.3.1 Condutividade e pH ... 34

4.3.2 Caracterização térmica dos sistemas de quitosana ... 37

4.3.3 Espalhamento de luz estático ... 39

4.3.4 Espalhamento de luz dinâmico ... 43

4.3.5 Reologia ... 44

4.4 Estrutura e propriedades dos filmes de quitosana/AA ... 47

4.4.1 Espectroscopia no infravermelho - FTIR ... 47

4.4.2 Difração de raios X ... 48

4.4.3 Transmitância na região do ultravioleta/visível ... 49

4.4.4 Análise termogravimétrica ... 50

4.4.5 Comportamento em água ... 51

5 Conclusões ... 52

6 Perspectivas ... 54

1 Introdução

A quitosana é um biopolímero pseudo natural com propriedades antifúngicas e antibactericidas, biodegradável e não tóxico. Por suas propriedades encontra aplicações em diversas áreas, como na indústria farmacêutica, na engenharia de tecidos, no tratamento de efluentes, na indústria de alimentos e em conservação pós-colheita.

O ácido pirolenhoso destilado é um produto de fonte renovável, obtido a partir da destilação do ácido pirolenhoso, também conhecido como extrato pirolenhoso ou fumaça líquida. O extrato pirolenhoso é obtido através da condensação do aerosol produzido no processo de carbonização da madeira para produção de carvão vegetal sob condições controladas. Ele apresenta em sua constituição compostos com ação antifúngica e antioxidante, encontrando aplicação como agente esterilizante, desinfetante, fertilizante, antimicrobiano e agente promotor de crescimento em plantas.

O objetivo deste trabalho foi caracterizar o comportamento dos sistemas quitosana em ácido pirolenhoso destilado, em mesma faixa de pH dos sistemas quitosana/solução de ácido acético. O ácido pirolenhoso destilado é uma mistura complexa, possuindo cerca de 2% em ácido acético, sistema de referência utilizado neste trabalho, por ser bem conhecido. Outro objetivo é caracterizar os filmes protetores obtidos a partir desses sistemas.

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Quitosana

A quitosana é um polissacarídeo linear, formado por unidades repetidas de β-(1,4)-2-amino-2-deoxi-D-glicose e β-(1,4)-2-acetamida-2-deoxi-D-glicose, biodegradável, biocompatível e não tóxica. É obtida pela desacetilação da quitina, um biopolímero natural, abundante, extraído principalmente do exoesqueleto de diversos crustáceos.1,2,3 O termo quitosana engloba uma série de polímeros que variam quanto à massa molar e grau de desacetilação. As propriedades

físico-químicas e as interações da quitosana são dependentes da massa molar e do grau de desacetilação que, juntamente com o pH, determinam sua carga global. Pode adotar diferentes arranjos espaciais, dependendo do meio, e a maioria das quitosanas tem capacidade de interagir com espécies aniônicas.4 A Figura 1 ilustra as estruturas da quitina (Figura 1-A) e da quitosana (Figura 1-B), onde n é o número de anéis substituídos com grupo acetamida e m é o número de anéis desacetilados.

Figura 1. Estrutura química da quitina (A) e da quitosana (B).

Devido a suas propriedades físicas, químicas e biológicas e a sua versatilidade, a quitosana e seus derivados têm um grande número de aplicações, sendo usados na farmacologia e na medicina (entregador de drogas, tecidos, fibras, membranas), na biotecnologia (emulsificante, agente quelante, floculante), em cosméticos (loções pra cabelo, cremes faciais e corporais), na agricultura (filmes, fungicidas, elicitores, conservação pós-colheita), na indústria de alimentos (conservante, antimicrobiano, revestimento, antioxidante) e no tratamento de efluentes (remoção de metais pesados, compostos orgânicos e corantes).5,6,7,8,9

Recentemente a quitosana vem sendo explorada como um antioxidante. Pasanphan e colaboradores10 reportaram que, isolada, a quitosana não demonstra boa atividade antioxidante, o que tem sido atribuído a sua pouca solubilidade, a formação de uma rede de interações químicas com ligações de hidrogênio, intra e intermoleculares fortes, e pouca habilidade em doar o átomo de hidrogênio. Para tentar contornar estes problemas, e potencializar sua atividade antioxidante, os autores sintetizaram um derivado através da introdução de ácido gálico na cadeia da quitosana. Neste mesmo sentido, outras moléculas sintéticas ou antioxidantes naturais têm sido utilizados para modificar a quitosana, como o ácido caféico11 e o ácido cítrico.12,13

A quitosana também possui propriedades antimicrobianas. Tayel e colaboradores14 demonstraram que ela inibe o crescimento de uma grande

variedade de bactérias. Outros estudos recentes também têm demonstrado a atividade da quitosana contra fungos de armazenamento pós-colheita. Neste sentido a quitosana tem se tornado uma alternativa promissora no tratamento de frutas e produtos hortícolas por, além da atividade antimicrobiana, promover a elicitação de respostas de defesa em tecidos das plantas.15,16,17,18

Além destas propriedades, Iriti e colaboradores19 demonstraram que a quitosana atua na abertura dos estômatos de folhas de feijão proporcionando a regulação estomática e funcionando como um antitranspirante para a planta.

Em aplicações agrícolas, diferente das aplicações médicas e farmacêuticas, as soluções de quitosana são utilizadas em uma faixa de pH inferior a 7,0. Felipini & Piero20 avaliaram soluções de quitosana na faixa de pH ácido, entre 2,4 e 5,6, para controle pós-colheita do fungo Colletrotrichum acutatum. A solução em pH 4,0 se mostrou mais apropriada para o controle da doença. Assis e Pessoa21 descreveram a preparação de filmes finos de quitosana com pH aproximadamente 3,0 como revestimento comestível de frutas, com efeito inibidor da proliferação microbiana.

Avaliando a fotodegradação de filmes de quitosana, Andrady e colaboradores22 observaram a dependência do comprimento de onda e, também, que a degradação é drástica em comprimentos de onda menores que 360 nm. Porém, Siokonska23 não encontrou nenhuma alteração significativa nos filmes de quitosana sob radiação solar.

Estudos recentes avaliando os efeitos da radiação UV em plantas, e as consequências da redução da camada de ozônio, mostram que as radiações UV-B (319-280 nm) e UV-C (279-200 nm) afetam a estrutura do DNA, proteínas e membranas, produzindo alterações fisiológicas significativas (na fotossíntese, na transpiração e no desenvolvimento). Também é observado um decréscimo na acumulação de biomassa com o aumento da exposição da planta à radiação UV-B.24,25,26 Neste sentido, o desenvolvimento de um revestimento protetor para tecidos vegetais é um assunto de interesse tecnológico.

2.2 Ácido pirolenhoso

O ácido pirolenhoso é uma mistura complexa de água, ácido acético, ácidos carboxílicos, hidroxialdeídos, hidroxicetonas, alcoóis, derivados do furano e do pirano, ésteres, compostos fenólicos, derivados de carbohidratos e compostos

nitrogenados.27 É um subproduto da cadeia produtiva do carvão, obtido durante o processo de carbonização da madeira. Com um sistema apropriado e com uma queima controlada, é possível coletar os condensados provenientes da fumaça que formam o ácido pirolenhoso.28 A Figura 2 ilustra um forno para produção de carvão e coleta do ácido pirolenhoso.

Figura 2. Vista de um forno convencional de produção de carvão vegetal adaptado para a coleta de ácido pirolenhoso.

O ácido pirolenhoso é tradicionalmente usado no Japão, na medicina popular, para tratamento de doenças de pele e, segundo estudo desenvolvido por Kimura e colaboradores29, não apresenta atividade carcinogênica numa faixa de concentração ≤0,01 %. Também tem sido tradicionalmente usado como agente esterilizante, desinfetante, fertilizante, antimicrobiano e agente promotor de crescimento em plantas, encontrando uso na agricultura por ser uma alternativa natural, de fonte renovável e sustentável.27,30

Sua atividade antimicrobiana tem sido atribuída à presença de compostos fenólicos, carbonílicos e ácidos orgânicos. Os compostos fenólicos têm sido considerados os maiores contribuintes do aroma e os principais responsáveis pelos efeitos antioxidantes e antimicrobianos do ácido pirolenhoso.27,30

2.3 Técnicas utilizadas

Nesse trabalho diversas técnicas foram utilizadas como: espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear de hidrogênio, cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas, calorimetria exploratória diferencial, análise termogravimétrica, entre outras. Abordaremos nesta seção apenas as técnicas de espalhamento de luz e de reologia, por serem técnicas de análise pouco comuns no dia-a-dia do químico.

2.3.1 Espalhamento de luz

O espalhamento de luz (LS) é uma técnica não destrutiva baseada na interação da radiação visível com a matéria. Esta técnica é utilizada há décadas na caracterização de soluções poliméricas.31

Quando uma onda eletromagnética incide sobre uma partícula pequena, quando comparada ao comprimento de onda da radiação incidente, provoca um processo de polarização na direção do campo elétrico da radiação incidente. Essa polarização oscila com a mesma freqüência da radiação incidente, servindo como uma fonte que espalha pequenas quantidades de radiação em todas as direções.31

Em um experimento de espalhamento de luz o vetor de espalhamento , Figura 3, é definido como a diferença entre os vetores das ondas espalhada e incidente , respectivamente.31,32

Figura 3. Geometria básica para um experimento de espalhamento de luz.

Podemos escrever o módulo do vetor espalhamento como:

onde θ é o ângulo entre os vetores (onda espalhada) e (onda incidente), é o índice de refração do meio e λ é o comprimento de onda da radiação incidente.31,32

O vetor espalhamento pode ser relacionado às dimensões do objeto observado. Na Figura 4 tem-se a relação entre o vetor espalhamento e r, o raio do objeto observado. 32,33

Figura 4. Relação entre o módulo do vetor espalhamento e a maior dimensão do objeto observada r.

Quando .r>1, a radiação espalhada contém informações sobre os segmentos internos da macromolécula. Por outro lado, se .r<1, as informações obtidas através da radiação espalhada provêm da região do espaço maior do que uma macromolécula. Quando .r<<1 pode-se obter informações de varias macromoléculas ou agregados de partículas. O vetor espalhamento pode ser modificado pela mudança no ângulo de observação ou pelo uso de uma fonte de luz com comprimento de onda diferente, por exemplo. Através da manipulação do valor deste vetor, pode-se acompanhar desde a luz espalhada por um conjunto de partículas ou agregados até a luz espalhada por segmentos da molécula.31,33

O tipo de espalhamento de luz é definido pela forma como os dados são coletados. No espalhamento de luz dinâmico (DLS), as pequenas flutuações da intensidade de espalhamento devido ao movimento Browniano das partículas são consideradas. Já no espalhamento de luz estático (LSL) o que importa é o comportamento médio da intensidade de luz espalhada pelos sistemas.33

q.r >1

2.3.1.1 Espalhamento de luz estático (SLS)

Um dos métodos de tratamento dos dados obtidos pelo espalhamento de luz estático, o método de Zimm, relaciona a intensidade do espalhamento de luz com a massa molecular média, Mw, o segundo coeficiente de Virial, A2, e o raio de giro, Rg,

de uma macromolécula através da relação padrão34:

c A R q M R Kc g w 2 2 2 2 3 1 1 ) ( __         (2)

onde R(θ) é a razão de Rayleigh, determinada experimentalmente a partir da medida da intensidade da luz espalhada pela solução e pelo solvente puro em um determinado ângulo, relacionando-se este ultimo valor com a intensidade da luz espalhada por um solvente padrão; c é a concentração do polímero, é o vetor espalhamento definido na equação 1, e K a constante óptica definida como:

A N dc dn n K ₄ 2 2 0 2 4





onde dn/dc é o incremento no índice de refração com a concentração, NA é a

constante de Avogadro, n0 é o índice de refração do solvente e λ o comprimento de

luz da radiação incidente.

A concentração crítica da solução polimérica (c*), concentração na qual o sistema passa do regime diluído para o semi-diluído, ou seja, quando começam a ocorrer interações entre os novelos poliméricos, pode ser obtida a partir dos valores de Mw e A2 encontrados através do método de Zimm por diferentes modelos

teóricos, sendo um deles a relação35:

(4)

O Rg é definido como a média dos raios da estrutura até o seu centro de

mistura compensa as forças repulsivas entre o polímero e o solvente e as forças atrativas entre as moléculas do polímero. Em um bom solvente, a interação entre o polímero e o solvente deve ser favorecida e observa-se um valor positivo para A2. Já

no caso de um solvente pobre o A2 assume valores negativos, pois as interações

entre as moléculas do polímero são favorecidas.31

Outro método para calcular o raio de giro leva em conta o fato de que o espalhamento das partículas causa uma dissimetria angular na intensidade do espalhamento estático. No caso de moléculas alongadas ou agregados, esta dissimetria apresenta um comportamento aproximadamente linear. A dissimetria d(θ) é definida por:36

(5)

Para estruturas alongadas esta equação pode ser aproximada a:

(6)

Através deste método é possível calcular o Rg graficando d(θ) versus cos(θ),

sem a necessidade de se determinar o incremento no índice de refração do sistema com a concentração.

2.3.1.2 Espalhamento de luz dinâmico (DLS)

As flutuações na intensidade da luz espalhada se devem ao movimento Browniano das partículas em solução. Essas flutuações podem ser analisadas usando funções de correlação. A função de autocorrelação normalizada do campo elétrico g1 contém informações sobre a dinâmica de espalhamento do sistema. Em

sistemas monodispersos ideais a função g1(t) é representada por uma exponencial

única:36

onde Γ é a taxa de decaimento da função e está relacionada à freqüência de relaxação do movimento dinâmico das partículas, sendo Γ = Dq2. D é o coeficiente de difusão translacional e é o vetor espalhamento (Equação 1). Normalmente as amostras são polidispersas e o decaimento da função de correlação pode ser descrito por uma soma das exponenciais:

(8)

onde G(Γ) é uma função distribuição das taxas de relaxação.

A análise das funções de correlação é classicamente realizada através da operação matemática chamada de transformada inversa de Laplace.31

(9)

Isto pode ser realizado em programas computacionais como o programa CONTIN® ou o programa GENDIST®, por exemplo.

Do valor médio da taxa de relaxação obtido, Γ, pode ser calculado o coeficiente de difusão:

A partir do valor do coeficiente de difusão é possível calcular o raio hidrodinâmico pela equação de Stokes-Einstein:33,36

(11)

onde kB é a constante de Boltzmann, T é a temperatura e η é a viscosidade do

solvente.

A fim de eliminar efeitos de concentração no cálculo do raio hidrodinâmico, este é calculado a partir do coeficiente de difusão à diluição infinita (D0), obtido

através da extrapolação de Dc, coeficiente de difusão em várias concentrações, para

Dc e D0 possuem uma relação linear em soluções poliméricas diluídas que é

expressa por:

(12)

onde kD é o coeficiente de virial dinâmico e, assim como A2, pode ser relacionado à

qualidade do solvente.

Um indicativo da conformação das cadeias poliméricas em solução pode ser obtido através do parâmetro ρ que relaciona o Rg obtido pelo espalhamento de luz

estático com o Rh obtidopelo espalhamento de luz dinâmico,

(13)

O valor de ρ conduz a uma indicação da topologia da partícula espalhante, sendo possível a obtenção de informações quanto à estruturação do polímero em solução.31

2.3.2 Reologia

A reologia é a ciência que estuda a deformação e o fluxo da matéria. As propriedades reológicas caracterizam o comportamento de sistemas poliméricos sob deformação e fornecem importantes informações sobre sua estrutura e sobre transformações estruturais.

O comportamento mecânico de um meio contínuo pode ser descrito através de dois modelos idealizados: o sólido elástico e o líquido viscoso. Esses modelos mecânicos são representados por uma mola e um pistão, respectivamente. O sólido elástico ideal segue a Lei de Hooke e o líquido viscoso ideal a lei de Newton para o escoamento.

A maioria dos sistemas, mesmo em situação de deformação e velocidade de deformação infinitesimais, combina características de sólido elástico e líquido viscoso. A deformação não é só função da tensão aplicada, mas também do tempo que ela atua sobre o corpo.

Um corpo submetido a uma carga constante escoa com o tempo, enquanto o mesmo sólido submetido a uma deformação constante terá a tensão diminuída com o tempo, caracterizando um desvio da lei de Hooke de um sólido elástico não ideal.37

Por outro lado, um corpo que não é completamente líquido pode, fluindo sob tensão, armazenar energia para a recuperação da forma quando a tensão é aliviada, caracterizando desvio da lei de Newton de um líquido viscoso não ideal.

O comportamento viscoelástico pode ser simulado através de modelos físicos, como os modelos de Maxwell e Voigt, por meio de associações de molas e de amortecedores. A mola representa o comportamento de um sólido elástico e o amortecedor representa o comportamento de um líquido viscoso.38

A representação do modelo de Maxwell consiste em uma mola e um amortecedor conectados em série. O amortecedor é interpretado como um pistão movendo-se em um fluído viscoso. Sob a ação de uma tensão uniaxial ocorre uma deformação instantânea da mola; ao mesmo tempo o fluído passa lentamente no amortecedor por um orifício no pistão resultando numa deformação do comprimento total do amortecedor. Esta fluidez viscosa se refere a uma resposta dependente do tempo. Como a mola e o amortecedor estão em série as deformações elásticas e viscosas são aditivas.38

No modelo de Voigt, a mola e o amortecedor são associados em paralelo, o que não permite um estado de fluência e de relaxação contínua das tensões, visto que a mola fica limitada a se estender tão rapidamente quanto o amortecedor. Se após a um período de tensão uniaxial, a tensão for retirada, a mola tenderá a retornar para seu comprimento inicial exercendo, desta forma, compressão no amortecedor durante o processo. O amortecedor irá se retrair lentamente para o comprimento inicial permitindo que a mola se retraia.38

Quando temos escoamento laminar de líquidos que obedecem à Lei de Newton para a viscosidade, a Equação 14 mostra a definição desta propriedade que relaciona a tensão de cisalhamento e a taxa de cisalhamento (d v/dx). A tensão de cisalhamento indica a força por unidade de área ( /A), requerida para produzir a ação de cisalhamento. A taxa de cisalhamento representa a velocidade com que as camadas intermediárias do líquido movimentam-se umas em relação às outras:

(14)

A constante de proporcionalidade é a viscosidade do material (η):

(15)

onde é a tensão de cisalhamento e γ é a taxa de cisalhamento. A unidade de viscosidade no sistema métrico internacional é o Poise (Pa.s).39

Os fluídos que mantêm a viscosidade constante com a variação da taxa de cisalhamento, numa dada temperatura, seguem a lei de Newton e são chamados de fluidos Newtonianos.

Fluídos em que a viscosidade varia com a taxa de cisalhamento, desviam da lei de Newton e são chamados Não-Newtonianos, podendo apresentar dependência do tempo, ou independência do tempo.39

Os materiais em que apresentam dependência do tempo são os materiais tixotrópicos e reopéticos. Os materiais tixotrópicos apresentam uma diminuição da viscosidade com o passar do tempo. Os materiais reopéticos apresentam um aumento na viscosidade com a passar do tempo. Medindo-se a tensão de cisalhamento, na medida em que é aumentada e depois diminuída a velocidade de cisalhamento, observa-se uma histerese na curva taxa versus tensão de cisalhamento.39

Três classes de fluídos apresentam comporamento independentes do tempo (fenômenos de estado estacionário): pseudoplásticos, plásticos e dilatantes.

Nos materiais pseudoplásticos a viscosidade decresce com o aumento da taxa de cisalhamento. Este fenômeno é particularmente comum em sistemas contendo partículas assimétricas. Nos materiais dilatantes a viscosidade aumenta com o aumento da velocidade de deformação. E nos materiais plásticos a viscosidade diminui com o cisalhamento somente após ser atingida uma certa tensão de cisalhamento, chamada de valor de escomento.39

2.3.2.1 Viscosimetria

A viscosidade de um polímero caracteriza sua resistência ao cisalhamento, ou sua fricção interna. A viscosidade em um polímero é dependente da temperatura, da massa molecular e da distribuição de massa molecular. A temperatura está relacionada à presença de volume livre, não ocupado pelas moléculas e, portanto, disponível ao escoamento. A temperatura também está relacionada à habilidade do material de sobrepor as forças de interação entre as cadeias.40 A viscosidade de soluções diluídas é afetada grandemente pela massa molecular e pela forma que a macromolécula assume em solução. Em soluções de polieletrólitos, a forma desse polímero em solução, varia bastante com o grau de dissociação e, conseqüentemente, com a concentração da solução polimérica.40

A viscosimetria é um método simples aplicado a fluídos com comportamento Newtoniano. Através da análise da viscosidade de uma solução polimérica diluída é possível obter parâmetros relacionados ao comportamento de suas cadeias poliméricas em um determinado solvente.41

As macromoléculas, quando em solução, têm como característica proporcionar um incremento na viscosidade do solvente, mesmo estando em baixas concentrações. Este efeito da intensificação da viscosidade é caracterizado pela viscosidade intrínseca [η] e fornece informações sobre a interação entre o soluto e o solvente.42

O incremento da viscosidade da solução (η) em relação a viscosidade do solvente puro (η0) é a chamada viscosidade relativa (ηrel), obtida através da

relação:42,43,44

(16)

A partir da qual podemos calcular a viscosidade específica (ηsp):

A viscosidade intrínseca é definida então como:

(18)

onde c é a concentração da solução. O termo (ηsp/c) é chamado de viscosidade

reduzida da solução.

Um procedimento clássico para se obter a viscosidade intrínseca de uma solução é determinar as viscosidades em várias concentrações e extrapolar a viscosidade reduzida para concentração zero; a interseção com a ordenada é a viscosidade intrínseca.7,15,42

A massa molecular do polímero em solução pode então ser calculada a partir de medidas de viscosidade intrínseca, através da equação de Mark-Houwink-Sakurada (MHS):

(19)

onde [η] é a viscosidade intrínseca e K e a são constantes viscosimétricas dependentes do solvente, do polímero e da temperatura e normalmente são tabeladas para sistemas conhecidos.45

A partir da viscosidade intrínseca também é possível obter-se a concentração crítica (c*), concentração na qual começa a ocorrer sobreposição das cadeias poliméricas. Diferentes modelos teóricos têm sido propostos para a determinação de c* a partir dos dados de viscosidade. Várias relações têm sido obtidas em função do modelo teórico escolhido e das interações entre as cadeias poliméricas. Para alguns sistemas polímero-solvente a c* determinada por viscosimetria difere do valor obtido através de espalhamento de luz, devido a influência de parâmetros como a taxa de cisalhamento da solução e a arquitetura do polímero.46

3 Materiais e métodos

3.1 Materiais

A quitosana utilizada nos experimentos foi adquirida da Nutrifarm® e o ácido acético e o clorofórmio foram adquiridos da Synth® com 99,9% de pureza. Para as análises de condutividade foi utilizada, como controle, uma quitosana da Sigma® p.a., com massa molar similar a da quitosana da Nutrifarm. A água deuterada, o clorofórmio deuterado, o ácido trifluor acético, o trimetilclorosilano (TMCS), o hexametildissilazano (HMDS) e a piridina foram adquiridos da Sigma®. Os materiais foram usados conforme recebidos.

O ácido pirolenhoso foi produzido em um forno experimental, adaptado para a coleta deste produto, na Estação Experimental Cascata, da Embrapa Clima Temperado, durante o processo de queima de lenhas de eucalipto. Após decantação, por um período maior que seis meses, o ácido pirolenhoso foi destilado em rota-vapor obtendo-se o ácido pirolenhoso destilado utilizado neste experimento.

A quitosana em pó foi caracterizada por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), em um equipamento IR Prestige-21, na forma de pastilhas de KBr, sendo os espectros obtidos no modo de transmitância com acumulação de 32 varreduras, entre 4000 e 500 cm-1, com resolução de 4 cm-1.

O grau de desacetilação da quitosana foi caracterizado pela técnica de ressonância magnética nuclear (RMN) de 1H, em D2O/F3CCOOH 1 %, em um

equipamento Varian, modelo Innovate 300 MHz.

O ácido pirolenhoso destilado foi caracterizado com a finalidade de identificar os grupos funcionais presentes através das técnicas FTIR, RMN de 1H e CG/MS (cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas).

A análise por CG/MS foi realizada em um equipamento Shimadzu QP 2010S. A temperatura do injetor foi de 250 °C e do detector 220 °C na fonte de íons e 250 °C na interface. O programa de aquecimento da coluna foi realizado com duas rampas de aquecimento. Primeiramente foi realizada uma isoterma a 80 °C durante 4 minutos e aquecimento até 250 °C, com taxa de 6 °C min-1, seguida de isoterma de 10 min, e posterior aquecimento até 290 °C, com taxa de 8 °C min-1, finalizando

com isoterma de 12 min. A razão do split foi de 1/20 e o fluxo de gás na coluna de 0,9 mL min-1.

Antes da injeção no cromatógrafo foi necessária a derivatização do ácido pirolenhoso destilado. Para tanto, a água presente no ácido pirolenhoso destilado foi evaporada à temperatura inferior a 50 °C (para evitar perda de compostos voláteis) e o resíduo foi então dissolvido em piridina e silanizado com uma mistura de hexametildissilazano (HMDS) e trimetilclorosilano (TMCS) na proporção de 2:1.47 Os dados de CG/MS foram tratados no programa LabSolutions. Este software permite observar e analisar os espectros de massas para cada pico obtido por cromatografia gasosa.

A análise de FTIR do ácido pirolenhoso destilado foi realizada em célula de KBr, um equipamento IR Prestige-21, sendo os espectros obtidos no modo de transmitância com acumulação de 32 varreduras, entre 4000 e 500 cm-1, com resolução de 4 cm-1.

O ácido pirolenhoso destilado foi analisado por RMN de 1H, em D2O, em um

equipamento Varian, modelo Innovate 300 MHz.

Os dados de RMN foram tratados no programa Mestre C, que fornece a transformada de Fourier para os dados coletados no equipamento.

3.2 Caracterização em Solução

Soluções de quitosana em ácido pirolenhoso destilado puro (quitosana/EPD) e em ácido acético diluído a 2 % (v/v) (quitosana/AA) foram preparadas por agitação até completa dissolução da quitosana no solvente, na faixa de concentração de 0,05 a 50,0 g L-1. O sistema quitosana/AA foi usado como referência, pois o ácido pirolenhoso destilado é uma mistura complexa de vários compostos e contém aproximadamente 2 % de ácido acético. Assim, quitosana/AA é um sistema mais simples para ser usado como referência e sobre o qual já existem dados na literatura48,49 para comparação.

O pH e a condutividade das soluções foram determinados em equipamentos Digimed, peagâmetro DM-20 e condutivímetro DM-31, respectivamente, com a finalidade de obter informações sobre a presença de eletrólitos em solução. Soluções de quitosana da marca Sigma, com 99,9 % de pureza e mesma faixa de massa molar da quitosana utilizada neste estudo, foram preparadas nos dois

solventes e utilizadas como controle para possível presença de íons na quitosana Nutrifarm remanescentes do processo de obtenção.

O comportamento térmico dos sistemas foi determinado através de calorimetria exploratória diferencial (DSC). As medidas de DSC foram realizadas em um DSC Q 20 da TA Instruments, em um intervalo de temperatura entre -40 e 60 °C, com taxa de aquecimento de 10 °C min-1 sob fluxo de nitrogênio de 50 mL min-1.

Os sistemas quitosana/EPD e quitosana/AA foram estudados também por espalhamento de luz, reologia e viscosimetria.

As medidas de espalhamento de luz estático (SLS) e espalhamento de luz dinâmico (DLS) foram realizadas em um goniômetro Brookhaven Instruments, com um laser He-Ne Spectra Physics de 632,8 nm. As medidas de SLS em função do ângulo foram realizadas de 75 a 105 °, em intervalos de 2,5 °, com filtro aberto e fenda de 1 mm. Para as medidas de DLS o filtro foi mantido aberto e a fenda utilizada foi de 400 nm.

No espalhamento de luz estático, para análise através do método de Zimm, as medidas foram realizadas numa faixa de ângulo de espalhamento de 35 ° a 145 °, com variação de 5 °. Sete soluções de quitosana/EPD e quitosana/AA foram avaliadas nas concentrações de 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0 e 10,0 g L-1.

A medida do incremento no índice de refração com a concentração foi realizada em um Refratômetro Diferencial Brookhaven Instruments modelo BI-DNDC. As amostras utilizadas nas medidas de espalhamento de luz foram filtradas em filtro de seringa hidrofílico de 0,45 µm para cubetas (previamente lavadas em fontede acetona) e foram centrifugadas a 3000 rpm por 60 minutos visando eliminar a interferência de possíveis partículas de poeira presentes nas amostras.

Análises de reologia foram realizadas em um Viscosímetro Digital Brookfield modelo DV-II+PRO, com um porta-amostra para soluções pouco viscosas ULA-EY, a fim de estudar o comportamento viscoelástico. As medidas de tensão de cisalhamento em função da velocidade de cisalhamento foram realizadas nas soluções com concentração de 10,0 g L-1 de quitosana, na faixa de temperatura de 10 a 40 °C.

Medidas de viscosimetria foram realizadas em um viscosímetro Cannon-Frenske, determinando-se o tempo de escoamento das soluções de quitosana/EPD e quitosana/AA em relação aos solventes puros. A viscosimetria foi realizada na faixa de concentração de 0,05 a 30,0 g L-1, na temperatura de 25 °C.

3.3 Caracterização na Forma de Filmes

Foram preparados filmes auto suportados a partir da solução de quitosana/AA na concentração de 10 g L-1, através da deposição por casting desta solução. Após a deposição, os hidrogéis foram secos durante três dias em dessecador obtendo-se os filmes que foram destacados do suporte.

Os filmes foram caracterizados por FTIR, difração de raios X (X-DR), transmitância UV/Vis, análise termogravimétrica (TGA) e quanto ao comportamento em água deionizada.

A análise de FTIR foi obtida no modo de transmitância, com a acumulação em espectrômetro Shimadzu Prestige de 32 varreduras, entre 4000 e 500 cm-1, com resolução de 4 cm-1.

Os padrões de difração de raios X do filme em pó foram obtidos com um difratômetro Siemens D500, usando o comprimento de onda da transição Kα do cobre como fonte de radiação, 0,1542 nm. A análise foi realizada de 2 a 50 ° com passo de 2 °min-1 e as distâncias basais foram calculadas utilizando a equação de Bragg.

A transmitância UV/Vis dos filmes com diferentes espessuras foi avaliada em um espectrofotômetro Shimadzu (Modelo UV-1601 PC) na região de 200 a 800 nm. As espessuras dos filmes foram determinadas com um micrômetro digital. As espessuras escolhidas permitiram avaliar a absorção, com resposta ótima (absorbância menor que um) na região ultravioleta/visível do espectro.

As medidas de TGA foram realizadas em um TGA50H, na faixa de temperatura entre 30 e 500 °C, com taxa de aquecimento de 10 °C min-1, sob fluxo de N2 de 50 mL min-1.

O comportamento em água é um aspecto importante para avaliar a aplicação dos filmes como revestimento protetor. Filmes com áreas e espessuras semelhantes foram pesados em uma balança ATI CAHN C-35 com 0,1 µg de precisão e imersos em água destilada. Em diferentes momentos, até 24 horas, foram retirados do meio, secos com papel absorvente, para remover o excesso de água, e pesados. Os resultados obtidos para cada tempo de imersão foram tomados como o valor médio da determinação de cinco amostras.

A partir das soluções de quitosana/EPD também foram obtidos filmes, os quais não serão abordados nesta dissertação por estarem em processo de deposição de patente em conjunto com a Embrapa - Clima Temperado.

4 Resultados e discussão

4.1 Caracterização da quitosana

O espectro de infravermelho da quitosana (Figura 5) evidencia as absorções típicas para este polímero. Na Tabela 1 estão listadas as deformações das ligações.10,13,50

Figura 5. Espectro de FTIR da quitosana em pó Nutrifarma®.

4000 3000 2000 1000 20 30 40 50 60 70 80 T ra n smi tâ n ci a (% ) Comprimento de onda (cm-1)

Tabela 1. Principais bandas de absorção na região do infravermelho da quitosana Nutrifarm utilizada.

Comprimento de onda (cm-1) Deformação

3400 Axial de O-H

3300-3500 Axial de N-H (encoberta)

2932 e 2890 Axial simétrica e assimétrica de C-H 1653 Axial do grupo C=O de amida (banda amida I) 1600 Angular de N-H (banda amida II)

1417 Angular de C-N

1100 Axial de C-O

O grau de desacetilação (GD) da quitosana, 97 %, foi obtido a partir do espectro de RMN 1H (Fig. 6), relacionando as integrais dos picos referentes aos hidrogênios dos carbonos b,c,d,e,f da molécula de quitosana, com o pico referente a metila do grupo acetamida g51,52, conforme equação 20:

(20)

onde IHg corresponde a integral do pico referente ao CH3 do grupo acetamida em

2,1 ppm e IHb-f corresponde a soma das integrais dos picos na região de 3,9 a 3,3

ppm, referentes aos hidrogênios dos carbonos c,d,e,f do anel glicosamino (picos sobrepostos) e do pico em 3,0 ppm referente ao hidrogênio do carbono b do anel glicosamino. O pico referente ao carbono a do anel é esperado na região de 4,6 a 5,2 ppm, encoberta pelo pico da água.

Figura 6. Espectro de RMN 1H da quitosana em D2O/CF3COOH 1%.

A massa molar da quitosana foi caracterizada por espalhamento de luz e viscosidade e será apresentada na seção 4.3.

4.2 Caracterização do ácido pirolenhoso destilado

A análise do ácido pirolenhoso destilado por GC/MS possibilita a inferência sobre as principais classes químicas presentes nesta solução. Para cada tempo de retenção observado no cromatograma, apresentado na Figura 7-A, tem-se o espectro de massas correspondente, cujos picos de razão massa/carga (m/z) são analisados no programa LabSolutions®. A Figura 7-B exemplifica o espectro de massas para o tempo de retenção de 7,842 minutos. A análise dos espectros de massas obtidos para cada tempo de retenção revelou a presença de diferentes classes químicas como compostos aromáticos, fenólicos, carbonílicos e carboxilados, bem como outros compostos orgânicos contendo heteroátomos.

Figura 7. A) Cromatograma do ácido pirolenhoso destilado; B) Espectro de massas para o composto obtido no tempo de retenção de 7,842 minutos.

O espectro de FTIR do ácido pirolenhoso destilado (Figura 8) apresenta um pico de absorção muito intenso devido à deformação axial de O-H (da água) em 3360 cm-1, bem maior que a intensidade das demais bandas presentes no espectro e dificulta a caracterização dos demais compostos. Ainda assim, é possível observar as bandas sobrepostas na região de 1698 a 1626 cm-1 que podem ser atribuídas a deformações axiais de grupos C=O.53

Figura 8. Espectro de FTIR do ácido pirolenhoso destilado.

O espectro de RMN 1H do ácido pirolenhoso destilado puro é apresentada na Figura 9. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0,0 2,0x105 4,0x105 6,0x105 8,0x105 1,0x106 1,2x106 1,4x106 Intens idade (u.a.)

Tempo de retenção (minutos) TR 7,842 A 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 20 40 60 80 100 C O CH3 Intens idade Re lati v a (% ) Razão m/z B 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 20 40 60 80 T ra n smi tâ n ci a (% ) Comprimento de Onda (cm-1)

Figura 9. Espectro de RMN 1H do ácido pirolenhoso destilado. A região em torno de 6 a 10 ppm foi ampliada.

Analisando a Figura 9, é possível identificar um pico em 10,06 ppm que pode ser atribuído à presença de C=O de ácido carboxílico; picos na região de 9-10 ppm possivelmente de grupos aldeído; deslocamentos químicos na região de 9 a 6 ppm são atribuídos a compostos aromáticos e heteroaromáticos, como anéis benzênicos ubstituidos e fenóis e um pico em 3,6 ppm que pode ser atribuído a CH ligado a OR, CH3 ligado a carbono de carboxila de éster ou ainda a CH3 ligado a nitrogênio de

amina.53

Os dados de FTIR e RMN 1H corroboram com a identificação por CG/MS das principais classes químicas presentes no ácido pirolenhoso destilado: compostos aromáticos ou heteroaromáticos, carbonílicos, fenólicos e ácidos orgânicos.

4.3 Características físico-químicas dos sistemas quitosana/EPD e

quitosana/AA

4.3.1 Condutividade e pH

Foi avaliado o pH das soluções de quitosana em ácido acético 2 % (v/v) e de quitosana em ácido pirolenhoso destilado puro (Tabela 2).

Tabela 2. pH (a 20 °C) de soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD. Concentração (g L-1) pH quitosana/AA pH quitosana/EPD 0 2,82 3,26 0,05 2,91 2,95 0,5 2,96 2,91 1,0 3,03 2,95 2,0 3,14 3,06 10,0 3,42 3,23 30,0 3,77 3,43

O pH das soluções, nos dois sistemas, aumentou com o aumento da concentração da quitosana devido à protonação dos grupos amina presentes neste polímero que seqüestram os íons hidrogênio em solução.

A condutividade das soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD é um parâmetro importante na caracterização da presença de eletrólitos em solução. Na Tabela 3 são apresentados os resultados de condutividade para diferentes concentrações das soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD, das marcas Nutrifarm® e Sigma®.

Tabela 3. Condutividade (a 25 °C) de soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD, das marcas Nutrifarm e Sigma.

Condutividade (µS cm-1) Condutividade (µS cm-1) Concentração quitosana/AA quitosana/EPD quitosana/AA quitosana/EPD

(g L-1) (Nutrifarm) (Sigma) 0 947 1035 947 1035 0,05 949 1038 - - 0,1 952 1035 958 1037 0,5 902 967 - - 1,0 875 991 875 983 2,5 963 1101 - - 5,0 1317 1410 1176 1294 10,0 2170 2180 1840 1938 15,0 3500 2600 - - 30,0 5040 4970 4300 4360 50,0 7450 7600 - -

Podemos observar na Tabela 3 que os valores de condutividade das soluções de quitosana da marca Sigma®, de elevada pureza, se assemelham aos valores de condutividade obtidos para as soluções de quitosana da marca Nutrifarm®, nos dois solventes. Isto indica que não temos nas soluções em estudo

com quitosana da marca Nutrifarm a interferência de possíveis íons oriundos do processo de obtenção comercial deste polímero.

Os valores de condutividade das soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD, Nutrifarm, foram graficados em função da concentração (Figura 10).

Figura 10. Condutividade para os sistemas quitosana Nutrifarm/AA (A) e quitosana/EPD (B) em diferentes concentrações a 25 °C.

Podemos observar nos gráficos apresentados na Figura 10 a concentração de agregação crítica (c.a.c.) para os sistemas quitosana/AA e quitosana/EPD, concentração a partir da qual começa a ocorrer agregação das cadeias poliméricas em solução, respectivamente 1,0 e 1,4 g L-1.

O valor da c.a.c. de uma solução de macromoléculas depende da densidade de cargas, flexibilidade da cadeia, tamanho da cadeia, pH e força iônica do meio. O aumento da força iônica do meio promove a diminuição na camada de solvatação do polieletrólito.40

Há duas contribuições para a estabilidade uma solução coloidal: a eletrostática e a estérica. A estabilização eletrostática se dá pela repulsão entre as cargas do polieletrólito. Porém, aumentando a força iônica do meio, dimuinui a solvatação e as moléculas tendem a se agregarem. A estabilização estérica se dá pela adsorção de moléculas neutras na superfície da partícula.

A quitosana, quando dissolvida em meio ácido é um polieletrólito com cargas positivas em seu grupamento amino. O grau de desacetilação também é um fator importante, pois quanto maior, mais solúvel é a quitosana.

2000 4000 6000 8000 0 10 20 30 40 50 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 C ondutiv idade (  S c m -1 ) Concentração (g L-1) c.a.c. = 1,0 g L-1

A

B

O aumento na condutividade após a c.a.c. pode ser explicado pelo seqüestro dos íons hidrogênio do meio, pelos grupos amino da quitosana, que desloca o equilíbrio no sentido da formação de mais íons hidrogênio aumentando assim o número de íons em solução.

A partir dos dados de condutividade é possível obter a condutividade molar para as soluções poliméricas em estudo, ilustradas na Figura 11 (A) para o sistema quitosana/AA e (B) para o sistema quitosana/EPD a 25 °C.

Figura 11. Condutividade molar para os sistemas quitosana/AA (A) e quitosana/EPD (B) a 25 °C, Nutrifarm.

É possível observar na Figura 11 que o sistema quitosana/solvente, nos dois casos, tem comportamento de eletrólito fraco em solução, ou seja, quando a concentração tende a zero a condutividade molar tende a valores infinitos. Esse comportamento pode interferir na determinação de um valor de c.a.c. menor do que os valores para c.a.c. obtidos por medidas de viscosidade, discutidos na seção 4.3.5.

4.3.2 Caracterização térmica dos sistemas de quitosana

A análise térmica por calorimetria exploratória diferencial (DSC) permite avaliar a estabilidade dos sistemas quanto à temperatura, bem como identificar uma possível organização dos mesmos.

0 50 100 150 200 250 0,0 5,0x102 1,0x103 1,5x103 2,0x103 C on du ti vi da de M ol ar (S m 2 m ol -1 )

Raiz quadrada da concentração molar (mol m-3)1/2

A

Raiz quadrada da concentração molar (mol m-3)1/2

Os termogramas de DSC para amostras na concentração de 50 g L-1 são apresentados nas Figuras 12, para o sistema quitosana/AA e 13, para os sistemas quitosana/EPD.

Figura 12. Termogramas de DSC para o sistema quitosana/AA 50 g L-1.

Figura 13. Termogramas de DSC para o sistema quitosana/EPD 50 g L-1.

É possível observar que esses sistemas são estáveis na faixa de temperatura estudada, apresentando uma descontinuidade em aproximadamente 24 °C na curva do 1° aquecimento. O aspecto de uma transição de segunda ordem sugeriria uma transição de fase. Porém, esse comportamento não se repete no 2° aquecimento sugerindo que a perda de água do sistema seja responsável pelo comportamento distinto entre o primeiro e o segundo aquecimentos.

-40 -20 0 20 40 60 -0,01 0,00 0,01 0,02 2° Aquecimento Fl uxo de cal or (W. g -1 ) Temperatura (°C) 1° Aquecimento -40 -20 0 20 40 60 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 2° Aquecimento Fl uxo de cal or (W. g -1 ) Temperatura (°C) 1° Aquecimento

4.3.3 Espalhamento de luz estático

O método de Zimm permite obter a massa ponderal média, o raio de giro e segundo coeficiente de virial para o polímero em solução.

Para o sistema quitosana/AA o gráfico de Zimm é apresentado na Figura 14. Foram obtidos através deste método os seguintes valores para este sistema: Mw

(1,00 ± 0,12).10+6 g mol-1, Rg 119 ± 11 nm e A2 (-5,9 ± 2,8).10-5 cm3 mol g-2. O

incremento no índice de refração com a concentração (dn/dc) para este sistema foi 1,660.10-1 ± 1,1.10-5 L g-1.

Figura 14. Gráfico de Zimm para solução de quitosana/AA a 25 °C.

O segundo coeficiente de virial, A2, obtido para o sistema quitosana/AA é

negativo. Anthonsen e colaboradores54 estudaram quitosanas de diferentes pesos moleculares em solução de ácido acético e também encontraram valores negativos para A2.

A partir dos valores de Mw e A2 obtidos pelo método de Zimm é possível

calcular a concentração crítica para o sistema (equação 4). O valor obtido é aproximadamente 16 g L-1 evidenciando que as medidas de espalhamento de luz do sistema quitosana/AA foram realizadas dentro do regime diluído, abaixo da concentração crítica.

O Rg para o sistema quitosana/AA também foi determinado através da

dissimetria da intensidade estática. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4. Rg obtidos em diferentes concentrações e temperaturas para a solução

quitosana/AA por dissimetria.

Concentração (g L-1) Temperatura (°C) Rg (nm)

0,1 10 90

0,1 25 108

1,0 10 86

1,0 25 112

O valor obtido paro o Rg a 25°C através desta metodologia está próximo ao

valor obtido pelo método de Zimm a 25 °C(119 ± 11 nm).O Rg das moléculas de

quitosana aumenta com o aumento da temperatura.

A Figura 15 exemplifica a relação entre cos(θ) e d(θ) cujo coeficiente linear é utilizado para calcular o Rg do polímero em solução.

Figura 15. Relação cos (θ) versus d(θ) para concentração de 0,1 g L-1

para a solução de quitosana/AA a 25 °C. -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 d(  ) cos(

A Figura 16 apresenta o gráfico de Zimm para o sistema quitosana/EPD. A massa ponderal média obtida foi (1,029 ± 0,16).10+6 g mol-1, valor próximo ao obtido no sistema quitosana/AA, como esperado. O valor do Rg foi 153±13 nm e o A2 (1,4 ±

1,6).10-5 cm3 mol g-2. O dn/dc obtido para este sistema foi 1,975.10-1 ± 2.10-6 L g-1.

Figura 16. Gráfico de Zimm para solução de quitosana/EPD a 25 °C.

No sistema quitosana/EPD, o valor de A2 positivo encontrado evidencia que

o ácido pirolenhoso destilado tem uma melhor interação com o polímero que o ácido acético a 2 % (v/v). Ele favorece as interações polímero-solvente, demonstrando ser um bom solvente para a quitosana, possivelmente devido a suas características químicas, por possuir compostos químicos com grupamentos capazes de interagir com os grupamentos da quitosana formando interações intermoleculares entre o solvente e o polímero.

A concentração crítica (c*) para o sistema quitosana/EPD está ao redor de 69 g L-1, calculado através da equação 4.

Para o sistema quitosana/EPD também foram feitas medidas de espalhamento estático a fim de calcular o Rg através da dissimetria da intensidade

Figura 17. Relação cos(θ) versus d(θ) para concentração de 0,1 g L-1

de quitosana/EPD a 25 °C.

Os valores de Rg calculados por dissimetria para a quitosana/EPD nas

concentrações de 0,1 e 1,0 g L-1, nas temperaturas de 10 e 25 °C, são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5. Rg obtidos em diferentes concentrações e temperaturas de solução de

quitosana/EPD por dissimetria.

Concentração (g L-1) Temperatura (°C) Rg (nm)

0,1 10 86

0,1 25 133

1,0 10 81

1,0 25 107

Os Rg observados a 25 °C por este método não estão muito distantes do

valor obtido pelo método de Zimm 153 ± 13 nm. Também neste solvente, assim como no ácido acético 2 % (v/v), a tendência do Rg é aumentar com o aumento da

temperatura. -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 d(  ) cos() R² = 0,9667

4.3.4 Espalhamento de luz dinâmico

As soluções de quitosana/EPD 0,1 e 0,05 g L-1 e a solução de quitosana/AA 0,05 g L-1, não apresentaram função de correlação a 90° a 25 °C e a 40 °C.

As demais soluções estudadas apresentaram funções de correlação tanto para os sistemas de quitosana/AA, quanto quitosana/EPD, semelhantes com um único decaimento. A Figura 18 exemplifica as funções de correlação normalizadas obtidas para a concentração de 1,0 g L-1 a 25 e 40 °C em função dotempo de relaxação.

Figura 18. Funções de correlação normalizadas a 25 e 40 °C, para concentração de quitosana de 1,0 g L-1,para os sistemas: A) quitosana/AA e B) quitosana/EPD.

As soluções de quitosana estão mais fortemente solvatadas a 25 °C. Com o aumento da temperatura, a energia cinética das moléculas faz com que a solvatação não seja tão efetiva. Assim, a mobilidade do sistema é maior e os tempos de correlação diminuem.

O coeficiente de difusão à diluição infinita para os dois sistemas em estudo foi calculado, a 25 °C, através de medidas de DLS variando o ângulo de 35 a 135 ° com intervalos de 15 °. Os dados foram tratados no programa GENDIST e o valor de D0 obtido para o sistema quitosana/AA foi de 3.10-12 m2 s-1 e para quitosana/EPD foi

de 5.10-12 m2 s-1.

Com o valor de D0 podemos calcular o Rh à diluição infinita para os dois

sistemas: quitosana/AA = 70 nm e quitosana/EPD = 42 nm. Para então encontrar o 100 102 104 106 0,85 0,90 0,95 1,00 g2 (  )-1  (s) 40°C 25°C

A

B

fator ρ (equação 13) que é um indicativo da conformação das macromoléculas em solução.

Para o sistema quitosana/AA o valor de ρ é 1,70, indicando que a macromolécula está enovelada e para o sistema quitosana/EPD o valor de ρ é 3,64, sendo que ρ>2 indica conformação em bastão rígido, indicando uma boa estabilidade das moléculas em solução31.

4.3.5 Reologia

Foi estudado o comportamento reológico das soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD na concentração de 10 g L-1 em função da temperatura num intervalo de 10 a 40 °C.

Foi observado comportamento newtoniano em toda a faixa de temperatura estudada, ou seja, a viscosidade destas soluções permaneceu constante quando foi variada a taxa de cisalhamento. Também não foi observada histerese nesses sistemas.

A figura 19 exemplifica as curvas de taxa versus tensão de cisalhamento para a solução 10,0 g L-1 de quitosana/AA e de quitosana EPD à 25 °C.

Figura 19. Taxa versus tensão de cisalhamento para a solução de 10 g L-1 à 25 °C de quitosana/AA (A) e quitosana/EPD (B).

É possível observar a linearidade entre a taxa e a tensão de cisalhamento, característica de um fluido newtoniano. Curvas semelhantes foram obtidas para as

4 8 12 16 20 24 28 0 1 2 3 4  d in a  cm -2

)

A

B

amostras de quitosana/AA e quitosana/EPD nesta mesma concentração no intervalo de temperatura analisado.

Os valores de viscosidade obtidos através da análise de reologia para cada sistema foram graficados em função da temperatura e são apresentados nas figuras 20 e 21 para quitosana/AA equitosana/EPD, respectivamente.

Figura 20. Viscosidades em função da temperatura para o sistema quitosana/AA 10,0 g L-1.

Figura 21. Viscosidade em função da temperatura para o sistema de quitosana/EPD 10,0 g L-1.

A viscosidade para os sistemas quitosana/AA e quitosana/EPD apresenta uma tendência de decaimento exponencial com o aumento da temperatura. A partir desta relação foi calculada a energia de ativação para o escoamento para os dois

10 15 20 25 30 35 40 10 15 20 25 Vi s c os idade (c P) Temperatura (°C) 10 15 20 25 30 35 40 8 12 16 20 24 Viscosidade (cP) Temperatura (°C)

sistemas, através da equação de De Guzman (η=A.e(Ea/RT)

, onde A é o fator pré-exponencial, Ea é a energia de ativação para o escoamento, R é a constante dos

gases ideais e T é a temperatura absoluta).55 Graficando os valores de ln(η) versus (1/T) foram obtidas as equações de ajuste das retas ln(η) = -13,573 + 2786,5 (1/T) e ln(η) = -13,57 + 2785,7 (1/T) para os sistemas quitosana/AA e quitosana/EPD, respectivamente, das quais a inclinação fornece os valores da energia de ativação para o escoamento para os sistemas. A energia de ativação para o escoamento para o sistema quitosana/AA foi de 23,17 KJ mol-1 e para o sistema quitosana/EPD foi de 23,16 KJ mol-1, estando muito próximas

4.3.5.1 Viscosidade

Devido ao comportamento newtoniano observado foi possível realizar medidas de viscosidade através de um viscosímetro Cannon Frenske. Foram estudas soluções de quitosana/AA e quitosana/EPD na faixa de concentração de 0,05 a 30,0 g L-1, na temperatura de 25 °C.

A Figura 22 A e B apresenta a variação da viscosidade relativa em função da concentração, a 25 °C, para os sistemas quitosana/AA e quitosana/EPD, respectivamente.

Figura 22. Viscosidade relativa para diferentes concentrações de quitosana/AA (A) e quitosana/EPD (B), a 25 °C. 0 5 10 15 20 25 30 0 40 80 120 160 200 0 40 80 120 160 200 Vis c os idade R elat iv a (c P) Concentração (g L-1) c.a.c.= 13,5 g L-1

A