CORRELAÇÃO ENTRE A CAPACIDADE DE INCHAMENTO
E AS CARACTERÍSTICAS ESTRUTURAIS DE POLÍMEROS
SUPERABSORVENTES
Rachel O. Nasser1, Gisela K. Lopes1, Cristina T. Andrade1*, Sylvia C. S. Teixeira2
1
Instituto de Macromoléculas Professora Eloisa Mano – Universidade Federal do Rio de Janeiro (IMA/UFRJ). Centro de Tecnologia, Bloco J, Ilha do Fundão. Caixa Postal: 68525, 21945-970, Rio de Janeiro, RJ, Brasil – raknasser@ima.ufrj.br; kloc@ima.ufrj.br; *ctandrade@ima.ufrj.br, 2CENPES, Av.Jequitibá, 95D, 21941-598, Rio de
Janeiro, Brasil – sylviast@petrobras.com.br.
Correlation between structural characteristics and swelling behavior of superabsorbent polymers
Superabsorbent polymers (SAPs) are cross-linked hydrophilic polymers that can absorb and retain a large amount of water. These materials, firstly synthezised in the United States as water retention agents for agriculture [1], were developed in the 70´s for personal care and hygienic products (disposable diapers, sanitary napkins, surgical pads, etc). In the present work, superabsorbent biopolymers (SAPBP) were obtained and showed similar morphology and absorption characteristics to a commercial synthetic product (SAPC). The SAPBP3 showed a swelling degree of 167±5 g/g while SAPC showed a swelling capacity of 397±3 g/g. Infrared absorption data revealed similarities between the experimental and commercial samples. Thermogravimetric analyses showed a higher thermal stability for SAPC when compared with SAPBPs. MEV results revealed that the commercial SAPC sample presented a higher degree of porosity.
Introdução
Os polímeros superabsorventes (SAPs) são compostos hidrofílicos capazes de absorver e reter em sua estrutura grande quantidade de água e de permanecer insolúveis. Sua insolubilidade é garantida por sua estrutura em rede tridimensional, sustentada por ligações cruzadas intermoleculares. Durante a década de 70, diversos polímeros superabsorventes foram sintetizados para as mais diversas aplicações com ênfase em produtos para cuidados com saúde e higiene como fraldas descartáveis, absorventes higiênicos femininos, guardanapos sanitários e outros [2]. Cerca de 90% de todos os materiais superabsorventes são usados em produtos descartáveis e, devido a questões ambientais, esforços crescentes têm sido empregados no desenvolvimento de polímeros superabsorventes com características semelhantes, porém à base de biopolímeros [3]. O grau de absorção por polímeros superabsorventes pode ser modificado pela variação do método de síntese [3,4], variação da natureza e proporção dos comonômeros constituintes [4,5], natureza e teor do agente de ligação cruzada [6,7]. Outra característica significativa na influência do grau de absorção de SAPs refere-se à porosidade do material. Vários autores verificaram uma relação direta entre a porosidade de materiais superabsorventes e o grau de inchamento. A porosidade dos SAPs deve ser suficiente para proporcionar um elevado grau de inchamento associado a propriedades mecânicas adequadas a garantir a integridade do material depois de inchado. Neste trabalho, as características de absorção de água dos biopolímeros superabsorventes obtidos serão relacionadas às suas
características estruturais e morfológicas, bem como às propriedades de um produto sintético disponível comercialmente.
Experimental
1. Obtenção dos polímeros superabsorventes
Sob atmosfera de nitrogênio, o iniciador e o monômero foram adicionados à solução previamente preparada do biopolímero. Em seguida, foi feita a adição do agente de ligação cruzada. No presente trabalho, a concentração do agente de ligação foi variada. Após o período reacional, o produto foi recuperado por precipitação em álcool isopropílico, seco e moído.
2. Determinação da capacidade de inchamento
Uma pequena quantidade de SAP (m1), previamente pesada, foi imersa em água destilada até que o inchamento atingisse o equilíbrio. As amostras inchadas foram mantidas sob peneira metálica até que a água não absorvida escoasse por gravidade. Em seguida, foram pesadas em balança analítica (m2). O grau de inchamento foi calculado de acordo com a fórmula a seguir.
Qeq = m2 – m1
m1
3. Espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR)
A técnica de espectrometria de absorção no infravermelho foi usada para a caracterização das amostras experimentais de SAP, sob a forma de pastilhas de KBr. O espectrômetro (Perkin Elmer 2000) foi usado com resolução 2,00 cm-1 e com 20 varreduras, na região de freqüência entre 4000 e 400 cm-1.
4. Análise termogravimétrica (TGA)
Cerca de 10 mg de amostra foram colocadas em cadinho de platina e levadas ao TGA Q500 (TA Instruments) para análise. Foram analisados os produtos BP, SAPC, SAPBP1, SAPBP2, e SAPBP3. O aquecimento foi feito sob atmosfera de nitrogênio da temperatura ambiente até 800ºC a 5ºC/min. 5. Análise morfológica (MEV)
As amostras de SAP secas e sob a forma de pó foram colocadas sob fita de prata metálica e em seguida cobertas com uma fina camada de ouro em pó. As análises foram realizadas em microscópio eletrônico de varredura JSM 5610LV (Jeol).
Resultados e Discussão
Os SAPs obtidos com quantidades variadas de agente de ligação cruzada foram avaliados quanto ao grau de inchamento. Foi verificado que, no intervalo de concentração usado, inicialmente, o aumento na concentração do agente de ligações cruzadas levava ao aumento na
capacidade de absorção do SAP (Fig. 1). O máximo em absorção de água foi obtido para a reação realizada com 0,012 mol/L (SAPBP2) do agente de ligações cruzadas. Com concentrações mais elevadas do agente formador de ligações cruzadas, a capacidade de inchamento sofreu um decréscimo, provavelmente devido ao elevado grau de reticulação. Este tipo de curva foi igualmente observado em estudos anteriores sobre a influência da concentração do agente de ligações cruzadas na capacidade de inchamento [5,6,7]. Algumas modificações nas condições reacionais, feitas no processo de obtenção do SAPBP2, levaram a um produto com uma maior capacidade de inchamento (SAPBP3, 167±5 g/g). O SAPC apresentou uma capacidade de inchamento de 397±3 g/g quando avaliado pelo mesmo método.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 MBIS (m ol/L) G rau d e in c h a m en to ( g /g )
Figura 1. Variação da capacidade de absorção de água com as concentrações do agente formador de ligações cruzadas.
O espectro de absorção na região do infravermelho para os SAPBPs obtidos neste trabalho mostra um padrão de absorção bem semelhante ao do produto comercial SAPC (Fig. 2). As bandas que aparecem na região entre 1650 e 1600 cm-1, igualmente presentes no SAPC e SAPBPs, referem-se à presença do grupo responsável pela absorção de água. As principais diferenças entre o produto sintético comercial e os superabsorventes biopoliméricos estão na região entre 1500 e 1250 cm-1. A banda observada em 1000 cm-1, característica de estiramentos atribuídos ao biopolímero não é observada no espectro de absorção do SAPC.
O padrão de degradação térmica observado após análise da Figura 3 revela como já era esperado a maior resistência à degradação do produto sintético SAPC em relação aos obtidos a partir dos biopolímeros. O biopolímero puro quando analisado por TGA apresenta um único pico indicativo de grande perda de massa (75%) a temperatura de aproximadamente 300ºC. Semelhantemente, uma pequena perda de massa foi observada nesta região para os SAPBPs obtidos. Por outro lado, uma semelhança entre os termogramas pode ser observada quanto ao pico de degradação em torno de 450ºC, existente tanto no SAPC quanto nos SAPBPs. Parece existir uma relação diretamente
proporcional entre o porcentual de massa perdida na temperatura máxima de 450ºC com o grau de inchamento.
Figura 2. Espectros de absorção na região do infravermelho para o hidrogel comercial e os hidrogéis obtidos no presente trabalho.
Figura 3. Termogramas (TGA) para o hidrogel comercial e os hidrogéis obtidos no presente trabalho..
A análise das micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura revelou que o grau de inchamento está intimamente relacionado à porosidade do material (Fig. 4). A rede do SAPC (Fig. 4a) apresenta uma porosidade significativamente superior à dos SAPBPs sintetizados neste trabalho (Fig.4b-d). Esta diferença fica ainda mais nítida quando o superabsorvente comercial é comparado ao SAPBP1, o qual apresenta uma estrutura mais compacta e densa mesmo em relação
ao SAPBP2 e SAPBP3, e que levou à menor capacidade de inchamento (14±2 g/g). Pode-se verificar também, por observações feitas a aumentos menores, que para os materiais com maior capacidade de inchamento, a população de partículas porosas era igualmente maior.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 4. Micrografias das amostras de SAPC (a), SAPBP1 (b), SAPBP2 (c), SAPBP3 (d)
Conclusões
Foram obtidos biopolímeros superabsorventes com uma razoável capacidade de inchamento quando comparada aos disponíveis comercialmente. Semelhanças entre os espectros no infravermelho e o padrão de degradação térmica revelaram que a modificação química foi realizada. Foi verificado que o menor grau de inchamento nas amostras experimentais, quando comparado ao produto comercial, está relacionado à menor porosidade do produto. Adaptações no método de obtenção e secagem do material estão sendo realizadas de modo a obter-se um material com maior porosidade.
Agradecimentos
A autora R.O.N. agradece ao programa CAPES/PDEE e CAPES/GRICES pelo suporte financeiro dado ao desenvolvimento da pesquisa. Igualmente deseja agradecer o suporte financeiro e tecnológico dado pelo CENPES/PETROBRAS.
Referências Bibliográficas
[1] G.F. Fanta; R.C. Burr; C. R. Russel J. Polym. Sci. 1969, 13, 1675.
[2] F.L. Buchlz; T. Graham in Modern superabsorbent polymer technology; Ed. Wiley-VCH, New York, 1998, 1-152.
[3] F. Esposito; M.A. Del Nobile; L. Nicolas J. Appl. Polym. Sci. 1996, 60, 2403. [4] L.C. Davies; J.M. Novais; S. Martins-Dias Bioresource Tecnology 2004, 95, 259. [5] H. Omidian; S.A. Hashemi; P.G. Sammes; I.G. Meldrum Polymer 1998, 39, 6697. [6] K.J. Yao; W.J. Zhou J. Appl. Polym. Sci. 1994, 53,1533.
