Desenvolvimento de nanocompósitos poliméricos reforçados com biopolimeros/polimeros com molhabilidade dispar do polimero-base

Abstract

A prolongada utilização de polímeros sintéticos derivados do petróleo ao longo das últimas décadas, em virtude das suas excelentes propriedades que incluem durabilidade, baixo custo e elevada estabilidade no meio, resultou num aumento da pegada ecológica deixada por estes materiais. Com efeito, dada a sua reduzida biodegradabilidade, há toneladas de plástico acumulado no ecossistema, com efeitos tóxicos para os seres vivos.Os polímeros obtidos de fontes naturais, tais como amido e celulose, surgem assim como uma alternativa sustentável pois são considerados não-tóxicos e biodegradáveis. Por estes motivos, nos últimos anos foi considerada a sua exploração industrial com aplicações em múltiplos setores. Neste contexto, a celulose bacteriana (CB) surge assim como um biopolímero com excelentes propriedades mecânicas, e cujo caráter biodegradável é promissor na combinação com outros materiais poliméricos.No presente trabalho foram produzidos nanocompósitos poliméricos com graus de hidrofilicidade díspares dos seus constituintes. A matriz polimérica é constituída por diferentes relações (75:25 e 95:5) de poli(-caprolactona) (PCL 6800 e PCL 8502A), um polímero sintético e hidrófobo de elevada biodegradabilidade e biocompatibilidade, e poloxamina T-908, um copolímero hidrófilo, com aplicações promissoras em sistemas de libertação de fármaco. A CB hidrófoba, produzida pela estirpe bacteriana Phyllobacterium myrsinacearum, foi dissolvida num solvente eutéctico cloreto de colina:ureia (proporção molar de 1:2) e adicionada como reforço à matriz. O estudo foi iniciado pela seleção do melhor solvente para a CB, bem como as formulações que originaram a melhor homogeneização dos constituintes do compósito. A caracterização foi efetuada recorrendo a análises térmicas, resposta à imersão em água e medição do ângulo de contacto estático. A adição de CB como reforço conduziu a uma melhoria das propriedades térmicas. Também a otimização dos constituintes da mistura conduziu a resultados mais interessantes a nível da compatibilização da celulose hidrófoba, com o uso da variante de PCL menos hidrófoba (PCL 8502A).Os materiais foram seguidamente conformados em grelhas com orientações de 90º e 45º entre camadas sucessivas, mediante extrusão manual através do uso de seringas aquecidas. A sua resposta no que concerne a alteração de forma quando sujeitos a uma atmosfera rica em vapor de água foi avaliada com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização deste nanocompósitos como material para a designada impressão 4D. As grelhas com orientação de 45º entre camadas sucessivas e cujo polímero base da matriz era a PCL 8502A revelaram alterações mais significativas de forma. Por este motivo apresentam-se como potenciais candidatos para a mudança de forma de componentes processados por fabricação aditiva.

The prolonged use of petroleum-based synthetic polymers over the past decades, due to their excellent properties including durability, low cost and high stability in the environment, has resulted in an increase in the ecological footprint left by these materials. Given their low biodegradability, there are tons of plastic accumulated in the ecosystem, with toxic effects for the wildlife.Polymers obtained from natural sources, such as starch and cellulose, thus appear as a sustainable alternative as they are considered non-toxic and biodegradable. In recent years, industrial exploitation of these materials has grown, with applications in multiple sectors. In this context, bacterial cellulose (CB) emerges as a biopolymer with excellent mechanical properties, and whose biodegradable profile is promising in combination with other polymeric materials.In the present work, polymeric nanocomposites with differing degrees of hydrophilicity between constituents were produced. The polymer matrix consists of different ratios (75:25 and 95:5) of poly(-caprolactone) (PCL 6800 and PCL 8502A), a highly biodegradable and biocompatible hydrophobic synthetic polymer, and poloxamine T-908, a hydrophilic copolymer with promising applications as a drug delivery system. The hydrophobic CB, produced by the bacterial strain Phyllobacterium myrsinacearum, was dissolved in a deep eutectic solvent choline chloride:urea (molar ratio 1:2) and added as a reinforcement to the matrix.The study was initiated with the the selection of the best solvent for the CB, as well as the formulations that gave the best homogenization results of the constituents. Characterizations of the synthesized composites were performed using thermal analysis, response to immersion in water and static contact angle measurements. Addition of CB as a reinforcement led to an improvement in thermal properties. Also, the optimization of the constituents of the mixture led to more interesting results in the compatibilization of the hydrophobic cellulose with the use of the less hydrophobic PCL variant (PCL 8502A).The materials were then conformed into grids with orientations 90º and 45º between successive layers, by manual extrusion through the use of heated syringes. Their response in terms of shape change when subjected to a water vapor rich atmosphere was evaluated in order to assess the possibility of using these nanocomposites as a material for the so called 4D printing.Grids with orientation 45° between successive layers and whose base polymer of the matrix was PCL 8502A revealed more significant shape changes. For this reason they present themselves as potential candidates for shape changing composites processed by additive manufacturing.