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SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DE HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES DE POLIACRILAMIDA E
BENTONITA.
Manoel P. de A. Neto1, Maslândia N. Bezerra1 , Judith P. de A. Feitosa1
1Depto. de Química Orgânica e Inorgânica da UFC – [email protected]
Synthesis and characterization of polyacrylamide and bentonite superabsorbents hydrogels
Superabsorbent hydrogels were prepared with polyacrylamide and 10% (wt) of a clay (Na-bentonite). Polyacrylamide
was also hydrolyzed with NaOH to increase ionic charge and swelling. These materials were characterized by FTIR, x-
ray diffraction, MEV, swelling and rheology, and compared with a commercial hydrogel used as soil conditioner.
Hydrogels not hydrolyzed showed low swelling degree. With 50% of hydrolysis the swelling increased to values higher
then 1000. A mixture of micro and nanocomposite of bentonite was obtained without NaOH treatment. With this
hydrolysis procedure a nanocomposite with particles around 200 nm was formed. The hydrogel nanocomposite had
higher swelling and better mechanical properties than the commercial gel.
Introdução
Argilas são encontradas naturalmente no ambiente. Elas possuem propriedades catalíticas e
de absorção. Bentonita é definida como uma rocha sedimentar constituída por uma grande
proporção de argilas minerais com estrutura de três camadas (esmectitas) como a montmorilonita,
beidilita, nontronita e etc. Alguns minerais adicionais são frequentemente encontrados na bentonita
como quartzo, feldspato, zeólitas, etc1.
As argilas mais estudadas são a Sepiolita e a Montmorilonita2. A estrutura da
montmorilonita e outras argilas esmectitas consiste em duas camadas tetraédricas (Si−O) separadas
por uma camada octaédrica (Al−O−OH)3. A espessura da camada é em torno de 1 nm e as
dimensões laterais das camadas podem variar de 30 nm até alguns micrômetros de largura,
dependendo do silicato4,5
. A Fig. 1 mostra a estrutura da Montmorilonita.
Figura 1 – Estrutura da Montmorilonita
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Os principais objetivos da produção de compósitos de polímeros/argila (CPA) é a redução
de custos industriais e também a modificação de algumas características como: dureza,
estabilidades térmica e mecânica, além de propriedades óticas6. Estudos destes compósitos vêm
sendo efetuados e apresentaram melhoras em várias propriedades tais como: módulo7-12
, resistência
ao calor13
, permeabilidade de gás14-18
e flamabilidade19-23
.
Hidrogéis superabsorventes são polímeros hidrofílicos reticulados que podem absorver,
intumescer e reter soluções aquosas com massa centenas de vezes maiores que o seu24
. Desde que o
primeiro superabsorvente foi publicado pelo Departamento de Agricultura dos EUA em 196125
, eles
vêm sendo estudados nas mais diversas áreas como produtos de higiene26
, horticultura27-29
, neve
artificial30
, medicina e liberação de fármacos31-34
,
dentre outras aplicações. Alguns materiais
inorgânicos vem sendo também estudados para a preparação desses superhidrogéis tais como:
caulim14
, montmorilonita15,16
, dentre outras argilas. A adição desses materiais aumenta a
estabilidade térmica1, a absorção e a velocidade de absorção de água
1,35,36.
Neste trabalho foram sintetizados hidrogéis superabsorventes de poliacrilamida e de
compósitos de poliacrilamida/bentonita para a utilização em condicionamento de solos. A
caracterização, o estudo de intumescimento destes géis e a comparação com um gel de
poliacrilamida comercial (PAMCOM) também foram investigados.
Experimental Materiais
Acrilamida (AAm), o acelerador da reação N,N,N’,N’–tetrametilenodiamino (TEMED –
0,57mol/L), o iniciador persulfato de potássio (K2S2O8) foram todos da MERCK. O reticulante
N,N’–metilenobisacrilamida (BIS) da PHARMACIA BIOTECH, o brometo de cetil trimetil amônio
(Cetremide) da VETEC e o hidróxido de sódio da Synth. HCl, HNO3 e HF da Merck.
Síntese do gel de poliacrilamida (PAM)
A síntese da PAM foi feita da seguinte forma: o monômero acrilamida (210 mg) foi
dissolvido em água destilada (30 mL). Em atmosfera de nitrogênio, o iniciador K2S2O8 foi
adicionado (16,2 mg) à solução. A mistura foi colocada sob agitação até a dissolução completa do
iniciador. O reticulante BIS (9 mg) e o catalisador TEMED (100 µL) foram adicionados na reação.
Manteve-se o sistema sob agitação até a formação de um gel firme. A seguir, o sistema ficou em
repouso por 15 h para que se completasse a reação. O gel resultante foi retirado do sistema, cortado
em pequenos pedaços e depois lavado com água destilada até a retirada total do monômero que não
reagiu. O material foi seco em estufa a 70ºC.
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Síntese do compósito de poliacrilamida/bentonita (BENPG10)
A síntese do BENPG10 foi feita da mesma maneira que para a PAM com a diferença que o
monômero foi dissolvido em uma dispersão de argila in natura, exfoliada por 24 h, na qualidade de
10% m/m em relação ao monômero.
Hidrólise dos géis
Os géis sintetizados foram submetidos à reação de hidrólise alcalina com NaOH para a
conversão de seus grupos amida à carboxilato. Os géis secos (1 g) foram adicionados à 40 mL de
uma solução de NaOH 0,5 M, e posto sob agitação branda por 3 horas à 50ºC. O gel foi então
lavado para retirar o excesso de NaOH e seco em estufa à 70ºC. Após a secagem foram obtidos os
géis de PAM hidrolisado (PAMH) e de BENPG10 hidrolisado (BENPG10H).
Análises de difração de raios-X
A difração de raio-X foi obtida através de um difratômetro de pó Philips, modelo X’Pert
PRO usando a geometria Bragg–Bretano. As varreduras foram realizadas usando tempo de
contagem de três segundos e um passo de 0,02º. Foi usado tubo de cobre (CuKa operando a 40 Kv
e 40 mA). A distância interbasal foi calculada através da equação de Bragg:
λ = 2 d sen θ (1)
Onde λ é o comprimento de onda da radiação do cobre que foi aplicada, d é a distância
interbasal e θ é o ângulo de incidência do laser sobre a amostra.
Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho
As análises de infravermelho da bentonita e dos géis, na forma de pastilhas de KBr, foram
conduzidas em um equipamento Shimadzu FT IR-8500 operando na faixa de 400 – 4000 cm-1
.
Microscopia eletrônica de varredura
Amostras dos géis intumescidos ao equilíbrio foram congeladas com nitrogênio líquido e
fraturadas para possibilitar a observação da parte interna do gel. A análise foi feita em um
equipamento da Phillips XL 30, acoplado ao sistema de ligação 3.34 série 300 com detector Si (Li).
As amostras foram montadas com fita de carbono em suporte de cobre e recobertas com ouro.
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Reologia dinâmica
As medidas de reologia dinâmica dos hidrogéis foram realizadas em um reômetro da TA
Instruments modelo AR550, utilizando um sistema de placas paralelas de 25 mm de diâmetro, e o
controle de temperatura através de uma placa Peltier. As medidas foram feitas com os hidrogéis
após intumescimento ao equilíbrio. A evaporação do solvente foi evitada com a utilização de
“solvent trap”. A região de viscoelasticidade linear foi determinada através de varreduras de tensão
a 1 e 10 Hz de freqüência mantendo a temperatura em 25°C. A dependência do módulo de
estocagem com a temperatura foi verificada para o intervalo de 25-40°C, com taxa de aquecimento
de 2°C/min, 1 Hz de freqüência e 10 Pa de tensão.
Análise elementar
A análise elementar de carbono, hidrogênio e nitrogênio dos géis secos foi executada
utilizando um microanalizador Carlo ERBA EA 1108.
Cinética de intumescimento dos hidrogéis
De cada material seco pesou-se aproximadamente 30 mg em um cadinho filtrante de 30 mL
(porosidade nº 0) com a placa porosa umedecida e com a parede externa seca. Este conjunto foi
inserido no meio em que se pretendia avaliar o intumescimento, de modo que o gel ficasse
totalmente submerso.
O conjunto cadinho/gel foi retirado em vários intervalos de tempo, a parede externa do cadinho
seca e o sistema pesado. Cada experimento foi realizado em triplicata. A partir da equação 1, onde
W é o ganho de massa de água por grama de gel (intumescimento), m a massa do material
intumescido e m0 a massa do material seco, foi possível acompanhar a cinética de intumescimento
em todos os meios estudados.
W = (m – m0 /m0 ) (1)
Resultados e Discussão
Intumescimento
A cinética de equilíbrio dos géis (Fig. 2) é constituída de uma rápida absorção inicial de
água seguida da formação de um patamar de equilíbrio. A Tabela 1 mostra algumas características
dos géis obtidas através das curvas de intumescimento (dado não mostrado), onde o Weq é o
intumescimento máximo e ks é a constante de velocidade de intumescimento, obtida a partir do
gráfico de ln[Weq/(Weq-Wt)] vs tempo, considerando até 10 min, como reportado na literatura37
.
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Figura 2 – Cinética de Intumescimento dos géis.
Pode-se observar que os géis que sofreram hidrólise apresentam um aumento em torno de 35
vezes. Isto pode ser devido a dois fatores: o primeiro deles é que após a hidrólise ocorre um
aumento dos grupos hidroxilados o que proporciona um aumento nas interações da superfície do gel
com a água acarretando em uma maior absorção. Observa-se também que os géis que possuem
argila apresentam maior capacidade de absorção de água. Isto deve ocorrer devido ao aumento da
carga e a sua maior resistência o que lhe proporciona, consequentemente, uma menor velocidade de
absorção de água. Outro fator foi descrito por Santiago e col.1 que diz que, nos nanocompósitos, as
camadas da bentonita estão dispersas na matriz do polímero em escala nanométrica, o que resulta
em uma maior interação entre as camadas da argila e as cadeias do polímero e um aumento na sua
reticulação proporcionando um aumento de intumescimento em relação ao gel sem argila. Apesar
do BENPG10H possuir uma velocidade total 10 vezes menor que a PAMCOM ambos os géis levam
o mesmo intervalo de tempo para atingir um Weq em torno de 440 g/g de gel, que corresponde à
absorção máxima do produto comercial.
Tabela 1: Comparação entre os Hidrogéis
Hidrogel Weq (g/g de gel) ks (min-1
)
PAM 33 0,096
PAMH 1173 0,108
BENPG10 38 0,193
BENPG10H 1270 0,068
PAMCOM 445 0,630
Difração de raios-X
Os difratogramas de raios-X da Bentonita, BENPG10 e BENPG10H são mostrados nas Figs.
3 (a-c). O difratograma da argila (Fig. 3a) confirma a maior presença de montmorilonita, com
reflexões relativas aos planos (001) e (002) (M001 e M002) e também de caulim (K) e quartzo (Q),
como minerais acessórios. O pico em 2θ = 7,02 (M001) é típico de argilas cujo argilomineral
0 100 200 300 400 500
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
W (
g á
gu
a/g
de
ge
l)
tempo (min)
PAM
PAMH
BENPG10
BENPG10H
PAMCOM
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predominante é a montmorilonita38
e que corresponde a um espaçamento basal de 1,26 nm. Para o
difratograma da BENPG10 (Fig.3b) o pico do M001 se desloca para 5,56 o que indica um aumento
no espaçamento basal para 1,63 nm e a intercalação das moléculas de poliacrilamida entre as
camadas da argila formando um nanocompósito do tipo intercalado. A permanência da
cristalinidade indicada pelo pico M002 comprova que além do nanocompósito intercalado existe
também um microcompósito. O desaparecimento dos picos de difração para o BENPG10H (Fig. 3c)
sugere que a argila foi exfoliada e dispersa na matriz do polímero formando apenas o
nanocompósito5.
Figura 3 – Difratogramas de Raios-X da: Bentonita (a), BENPG10 (b), BENPG10H (c).
Microscopia eletrônica de varredura
As Figs. 4a, b, c e d mostram as fotografias obtidas de MEV dos géis PAM, PAMH,
BENPG10 e BENPG10H, respectivamente. Como pode ser observado na Fig. 4a, a estrutura interna
dos géis é composta por microporos interconectados que promovem uma rápida absorção de água
devido à força de capilaridade. Na Fig. 4c pode-se observar aglomerados de argila no BENPG10
com dimensões que variam de aproximadamente 2,4 a 17,9 µm, comprovando a formação de um
microcompósito. Observa-se que os hidrogéis são formados internamente por poros de diâmetro
médio de 15 µm, o que possibilita a absorção de água pelo polímero. As micrografias dos géis
hidrolisados apresentam um aspecto exfoliado da matriz polimérica o que confirma os dados
apresentados anteriormente por raios-X. A Fig. 5 evidencia a formação do nanocompósito para o
BENPG10H com partículas de argila com tamanho médio de 200 nm.
1 0 2 0 3 0
0
5 0 0
1 0 0 0
1 5 0 0
2 0 0 0
2 5 0 0
3 0 0 0
3 5 0 0
4 0 0 0
2 θθθθ
5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
3 5 0
4 0 0
Inte
nsid
ade
5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
3 5 0
4 0 0
4 5 0
(c)
(a)
(b)
M001
M002
Q Q
K
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Figura 4- Micrografias dos géis: PAM (a), PAMH (b), BENPG10 (c) e BENPG10H (d).
Figura 5- Micrografias do gel BENPG10H.
Análises de Infravermelho
Os espectros de FTIR da Bentonita, PAMH e BENPG10H são mostrados nas Figs. 6 (a-c).
No espectro da Bentonita (Fig.6a) podem-se observar bandas de absorção em 3436 e 1041 cm-1
,
atribuídas aos estiramentos O−H e Si−O da montmorilonita, respectivamente e que também
aparecem no espectro da BENPG10H comprovando a formação do compósito. A banda em 423 cm-
1 é exclusiva para bentonita sódica uma vez que, segundo Güngör e col.
3, bentonita de cálcio
apresenta uma banda de estiramento em 1383 cm-1
, não detectada. Nas Fig. 6b e c podem-se
observar os espectros da PAMH e BENTPG10H, respectivamente. As bandas observadas em 3445
cm-1
, correspondente ao estiramento N−H da acrilamida, 1723 cm-1
, do estiramento C=O do
acrilato, 1668 cm-1
da carbonila da acrilamida, 1062 cm-1
, estiramento Si−O da montmorilonita,
2930 cm-1
referente a estiramento C−H da acrilamida e 1403 cm-1
referente a estiramento COO- do
acrilato. A Tabela 2 mostra os valores de freqüência e as atribuições das principais bandas
encontradas nos espectros.
(a) (b) A
(d) (c)
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.
Tabela 2. Valores de frequêcia e atribuições das bandas dos espectros de Infravermelho da Bentonita Natural, e dos géis PAMH e BENPG10H.
Deng e col.38
estudaram a interação da PAM com argila através dos deslocamentos das
bandas de N−H (3342 cm-1
). Deslocamento em torno de 141 cm-1
que indica que a interação do
polímero com a argila ocorre através destes grupamentos. De acordo com a Fig. 7 para os
compósitos formados neste trabalho observou-se deslocamento de no máximo 23 cm-1
mostrando
que a interação dos mesmos não ocorre dessa forma.
Análise elementar
Os percentuais de C, H e N presentes na PAM, PAMH, BENPG10 e BENPG10H e a razão
entre acrilamida e acrilato (Am/Acr) calculada através da razão entre o número de átomos de
carbono e nitrogênio nas amostras uma vez que a relação na acrilamina é 3:1 e no acrilato 3:0. Os
percentuais de nitrogênio e carbono nas amostras são mostrados na Tabela 3. Pode-se comprovar
que a hidrólise foi efetiva em ambos os casos, pois ocorreu uma diminuição no percentual de N
tanto na PAMH quanto na BENPG10H, o que indica que os grupos amino foram substituídos por
PAMH Bentonita BENPG1OH Vibração
3623 υ, OH
3446 3436 3446 υ, H2O
2943 2941 υa, CH2
1659 1668 υ, C = O
1404 1403 υ, C − N
1329 1328 δ, CH
1185 1183 ω, NH2
1041 1043 υ, Si − O
630 628 δ, Si−O−Si
523 522 δ, Si−O−Al
459 464 δ, Si−O−Mg
4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0
- 0 ,5
0 , 0
0 , 5
1 , 0
1 , 5
C o m p r im e n t o d e O n d a ( c m- 1
)
0 ,1 6
0 ,1 8
0 ,2 0
0 ,2 2
0 ,2 4
0 ,2 6
0 ,2 8
Abso
rbân
cia
0 , 1 5
0 , 2 0
0 , 2 5
0 , 3 0
0 , 3 5
a
b
c
Figura 6 - Espectros de
Infravermelho da Bentonita
Natural (a), e dos géis PAMH (b)
e BENPG10H (c)
4 0 0 0 3 8 0 0 3 6 0 0 3 4 0 0 3 2 0 0 3 0 0 0 2 8 0 0
Tra
nsm
itan
cia
C o m p r i m e n t o d e O n d a
B e n t o n i t a
3 6 2 7
3 4 4 1
B E N P G 1 0
3 4 4 0
3 2 0 0
P A M
3 4 4 0
P A M H
3 4 6 3
B E N P G 1 0 H
3 4 2 1
Figura 7 – Ampliação dos espectros de Infravermelho da
Bentonita Natural e dos géis.
(a), e dos géis PAMH (b) e
BENPG10H (c)
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acrilato. A proporção de hidrólise obteve valores próximos a 1 para a BENPG10H e foi bem maior
que o valor apresentado para a PAMH mostrando uma maior efetividade da reação para o gel que
possui argila.
Tabela 2 - Valores da Análise elementar e razão entre acrilamida/acrilato dos géis
Amostra % C % H % N Am/Acr
PAM 42,01 6,82 15,99 -
PAMH 30,32 4,11 5,11 0,77
BENPG10 42,05 6,60 16,15 -
BENPG10H 32,99 4,57 6,36 0,98
Reologia
Na Fig. 8, G’ (módulo de estocagem) e G’’ (módulo de perda) são mostrados em função da
freqüência. Pode-se observar que G’ e G’’ são aproximadamente paralelos dentro da faixa estudada.
Para os dois hidrogéis, G’ é maior que G’’e ambos se mostraram pouco dependentes da freqüência.
Esse é o comportamento esperado para géis verdadeiros, o comportamento elástico da amostra
predomina sobre o seu comportamento viscoso. Pode-se observar também que o gel BENPG10H
apresenta os valores de G’ e G” maiores que os da PAMH, o que mostra uma maior resistência do
gel que contém argila. De acordo com Güngör e col.3 existem três possibilidades de interações entre
as moléculas de PAM e as partículas de argila: (i) uma troca aniônica entre as hidroxilas da
superfície do mineral e os ânions carboxílato do polímero; (ii) a formação de pontes de hidrogênio
entre as hidroxilas da superfície e os C=O do polímero; (iii) a estabilização das ligações entre íons
divalentes, originados através de forças eletrostáticas. Essas interações aumentam a reticulação do
gel o que proporciona o aumento nas suas propriedades mecânicas.
Figura 8- Influência da freqüência no módulo de armazenamento e módulo de perda para os hidrogéis
Conclusões
Formou-se um micro/nanocompósito de poliacrilamida/bentonita do tipo intercalado e após
a hidrólise da PAM de aproximadamente 50% houve a formação de um nanocompósito do tipo
exfoliado com partículas de argila de até 200 nm. Os géis sintetizados apresentam uma estrutura
interna de poros interconectados o que permite uma rápida e grande absorção de água. O sgéis com
adição da argila apresentaram maior resistência mecânica e maior capacidade de absorção de água.
0 2 4 6 8 10
100
1000
10000
G',
G"
(Pa)
Frequência (Hz)
G' BENPG10
G" BENPG10
G' PAM
G" PAM
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Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq e ao Prof. Sasaki pelas análises de raios-X .
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