ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MATRIZES POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM ANTIMICROBIANO

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1 ESTUDO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MATRIZES POLIMÉRICAS ADITIVADAS COM ANTIMICROBIANO R. I. SANTOS 1 ; J. A. M. AGNELLI 2 ; D.T. MINOZZI 3 ; L. G. P. SIMOES 3 ; S. A. CASARIN 1* 1* Escola Superior de Tecnologia e Educação de Porto Ferreira ESPF. Rua Padre Nestor C. Maranhão, 40 Jd. Aeroporto, Porto Ferreira / SP. CEP: scasarin@asser.com.br 2 Universidade Federal de São Carlos UFSCar, Departamento de Engenharia de Materiais, São Carlos / SP 3 Nanox Tecnologia S/A São Carlos / SP. Resumo A crescente utilização de polímeros para as mais diversas áreas e a demanda de materiais inteligentes e de engenharia vem aquecendo o mercado e incentiva a busca por novos produtos. O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento da incorporação de um aditivo antimicrobiano à base de prata e sílica na incorporados na matriz polimérica de poliamida (PA6) e polietileno (PE), após o processo de extrusão e na diluição através da moldagem por injeção. Após a conformação dos materiais foram avaliados a eficiência microbiana dos corpos de prova, apresentando redução microbiana somente para a matriz de poliamida, com 3% de aditivo. Com relação aos outros materiais, foi constatado que não houve uma boa dispersão do aditivo afetando então na eficiência antimicrobiana. Foram realizados ensaios mecânicos de tração e impacto com corpos de prova padronizados de PA6 e PE, onde os resultados apresentaram divergência na matriz polimérica de poliamida, onde foi constatado defeitos (bolhas) na amostra. Em relação a matriz polimérica de polietileno, as curvas dos materiais aditivados apresentaram excelente homogeneidade nos resultados. Palavras-chaves: Aditivação; Aditivo antimicrobiano; Polietileno; Poliamida (PA6). 7776

2 INTRODUÇÃO A crescente utilização de polímeros para as mais diversas áreas e a demanda de materiais inteligentes e de engenharia vem aquecendo o mercado e incentiva a busca por novos produtos [1]. Porém uma série de produtos pode estar correndo sérios riscos de contaminação devido a microrganismos indesejáveis e estes riscos podem ser transmitidos a saúde humana e dos animais, principalmente se estiverem em equipamentos médicos, cirúrgicos, odontológicos, medicamentos, produtos de higiene e de cuidados com a saúde, sistemas de purificação de água, tecidos, embalagens e estocagem de alimentos, entre outros [1]. Uma boa maneira de se prevenir e combater as atividades microbianas, encaradas como negativa para saúde humana e animal é através de antimicrobianos ou fungicidas capazes de inibir o crescimento ou eliminar (matar) determinados microrganismos. Um antimicrobiano de boa qualidade deve ser tóxico somente para os microrganismos maléficos, possuir alta penetrabilidade e facilidade de incorporação na matriz polimérica desejada, alto grau de fixação no material e não ser prejudicial as propriedades físicas e mecânicas do polímero [2-3]. O mercado de aditivos antimicrobianos é novo no mercado brasileiro, onde não basta somente vender um simples produto, mas também passar todo um novo conceito em higiene, segurança e qualidade de vida, pois ainda há muitas dúvidas a respeito destes produtos, ou até mesmo o não conhecimento [4]. Neste presente trabalho, foram estudadas duas matrizes poliméricas (PA6 e PEBD) com adição de um antimicrobiano a base mineral (prata e sílica). Foi estudado a influência da aditivação de um antimicrobiano nas propriedades mecânicas dessas matrizes. Também foi avaliado a ação antimicrobiana do aditivo incorporado nas matrizes poliméricas. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Os polímeros utilizados nesse trabalho foram o polietileno de baixa densidade (PEBD) e a poliamida 6. O PEBD utilizado foi proveniente da empresa Braskem, grade PB 608 e a Poliamida 6 da empresa Honeywell Resin & Chemicals, grade H8202NLB. 7777

3 O antimicrobiano utilizado neste trabalho foi fornecido pela empresa Nanox Tecnologia S/A, NNXC AB. Processamento Para o desenvolvimento do trabalho foram preparados dois materiais concentrados (masterbatch) utilizando os polímeros PEBD e PA6 como matrizes poliméricas e o antimicrobiano NNXC AB como aditivo. Para as duas formulações de masterbatch foram utilizadas 1,75% em massa do aditivo antimicrobiano. O processamento dos masterbatches foram realizados em uma extrusora dupla rosca, co-rotante 24 mm, com L/D 40 da marca AX-Plásticos. Para a moldagem por injeção utilizou-se uma injetora Romi (Prática 130) e foram injetados corpos de prova de tração e flexão seguindo as Normas ASTM D [5] e ASTM D 790 M-02 [6]. Também foram injetadas placas de 60x60mm. Após a extrusão as duas formulações de masterbatches (concentrados com 1,75% de aditivo antimicrobiano), foram aplicadas nas matrizes poliméricas (PA6 e PEBD) nas concentrações de 0%, 3% e 5% em massa, conforme recomendado pelo fabricante do aditivo. Ensaio microbiológico Foram realizados ensaios microbiológicos com o objetivo de verificar a eficiência antimicrobiana nos materiais aditivados estudados. Para todos os materiais em estudo os ensaios foram realizados em triplicata, seguindo os procedimentos da Norma JIS Z 2801:2000 [7]. Tração Os ensaios de tração foram realizados em uma Máquina Universal de Ensaios Instron 5500R, segundo a norma ASTM D [5], com uma distância entre as garras de 115 mm, velocidade de 50 mm/mim e uma célula de carga de 50KN. Impacto Os ensaios de impacto foram realizados em uma Máquina Ceast, segundo a norma ASTM 256 [8], com corpo de prova Izod com entalhe e pêndulo de 2,75J. RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaio Microbiológico Após a execução do ensaio microbiológico, conclui-se que a incorporação do aditivo antimicrobiano nas matrizes poliméricas não foi amplamente satisfatória. Dos resultados obtidos, a melhor redução de UFC/ml (Unidades Formadoras de Colônias 7778

4 / mililitro) encubadas a 24 horas com o microrganismo E. Coli ATCC 8739 foi para a matriz polimérica de PA6 na concentração de 3%. As demais concentrações, PA6 5%, PEBD 3% e PEBD 5%, apresentaram redução de UFC/ml, porém não a redução esperada de 99,99%, segundo a Norma JIS Z 2801 [7]. A Tabela 1 apresenta os resultados da atividade antimicrobiana para as amostras estudadas. Tabela 1 Resultados do ensaio microbiológico de atividade antimicrobiana. Redução Nº de bactérias Amostra logarítmica % de Redução (UFC/mL) Placa de vidro 3,4 x PA6 3% 1,0 x ,0 99,99 PA6 5% 1,1 x ,49 67,65 PEBD 3% 6,3 x ,73 81,47 PEBD 5% 5,6 x ,78 83,53 As Figuras 1 e 2 ilustram os resultados em placa de petri da diluição seriada. Observa-se na Figura 1a que não houve nenhum crescimento microbiano nas amostras de PA6 com 3% de aditivo antimicrobiano. No entanto, na amostra PA6 com 5% de aditivo antimicrobiano (Figura 1b), nota-se que houve um crescimento microbiano, portanto, essa amostra não apresentou bom desempenho na redução microbiana. Diluição seriada Diluição seriada Amostra 01 Amostra 01 Amostra 02 Amostra 02 Amostra 03 Amostra 03 (a) Figura 1 Foto da placa de petri da diluição seriada (a) Placa PA6 3% (b) Placa PA6 5%. (b) Nas Figuras 2a e 2b, que ilustram os resultados para as amostras de PEBD com 3% e com 5% de aditivo antimicrobiano, respectivamente, é possível observar que ambas não apresentaram um bom desempenho na redução microbiana. 7779

5 Diluição seriada Diluição seriada Amostra 01 Amostra 01 Amostra 02 Amostra 02 Amostra 03 Amostra 03 (a) (b) Figura 2 Foto da placa de petri da diluição seriada (a) Placa PEBD 3% (b) Placa PEBD 5%. Os resultados obtidos no ensaio microbiológicos não atingiram os resultados esperados de acordo com a Norma JIS Z 2801 [7], podendo ser por alguma contaminação presente no processo de injeção, por exemplo desmoldante, influenciando na neutralização do antimicrobiano, ou até mesmo um problema na dispersão do aditivo. Ensaio de Tração Após a execução do ensaio de tração, conclui-se que a incorporação do aditivo antimicrobiano nas matrizes poliméricas estudadas não interferiu nas propriedades mecânicas das matrizes. Nota-se que há uma pequena variação de uma amostra para outra, porém se encontra dentro do desvio padrão de cada uma. Após a cristalização (72 horas) dos corpos de provas injetados, notou-se a presença de bolhas nos corpos de prova da poliamida, o que justifica o alto valor de desvio padrão na deformação no escoamento. Estas bolhas podem ter sido ocasionadas pela presença de umidade, ou até mesmo a temperatura de secagem do masterbatch não ter sido adequada. A Tabela 2 apresenta os resultados do ensaio de tração. Material Tensão na ruptura (MPa) Tabela 2 Resultados do ensaio de tração. Deformação na Ruptura (%) Tensão no escoamento (MPa) Deformação no escoamento (%) Módulo de Elasticidade (GPa) PA6 44,57 ± 1,91 90,61 ± 29,09 68,79 ± 0,66 4,19 ± 0,06 2,86 ± 0,15 PA6 3% 46,10 ± 1,60 116,47 ± 22,17 63,92 ± 0,84 3,90 ± 0,09 2,70 ± 0,10 PA6 5% 44,70 ± 1,56 80,22 ± 15,52 64,18 ± 0,72 3,98 ± 0,16 2,76 ± 0,17 PEBD 9,39 ± 0,39 84,65 ± 9,91 10,11 ± 0,53 78,32 ± 9,75 0,28 ± 0,02 PEBD 3% 9,11 ± 0,09 73,98 ± 2,18 9,63 ± 0,09 68,74 ± 1,64 0,26 ± 0,02 PEBD 5% 8,92 ± 0,15 76,71 ± 1,92 9,56 ± 0,05 70,48 ± 1,89 0,26 ± 0,

6 Ensaio de Impacto Os resultados do ensaio de impacto estão apresentados na Tabela 3, onde é possível notar o mesmo comportamento observado no ensaio de tração. Não houve alteração nas propriedades mecânicas após a adição do aditivo antimicrobiano em nenhuma das matrizes poliméricas. A pequena variação se encontra dentro do desvio padrão de cada amostra. Tabela 3 Resultados do ensaio de impacto para a matriz polimérica de PA6. Material Resistencia ao Impacto (KJ/m 2 ) PA6 5,94 ± 1,54 PA6 3% 6,02 ± 0,98 PA6 5% 5,21 ± 1,33 Para a matriz polimérica de PEBD não foi possível realizar o ensaio de impacto Izod, pois os corpos de prova não chegaram a fraturar. Observou-se que com o impacto do pêndulo o corpo de prova se dobrava, permitindo então a passagem do pêndulo. CONCLUSÃO Com o presente trabalho, pode-se concluir que a incorporação do aditivo antimicrobiano nas matrizes poliméricas de poliamida e polietileno de baixa densidade não apresentaram mudanças significativas em suas propriedades mecânicas em nenhuma das formulações, constatando que os materiais aditivados têm características similares as matrizes puras sendo um ponto positivo para o aditivo antimicrobiano. As incorporações do aditivo antimicrobiano nas matrizes poliméricas não apresentaram um bom desempenho no ensaio microbiológico, talvez por não ter ocorrido uma boa dispersão do aditivo nos corpos de prova ou podendo ser pela quantidade muito pequena de amostra que foi analisada e produzida. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a empresa Nanox Tecnologia S/A, pelo fornecimento das materiais primas, o Laboratório de Polímeros Biodegradáveis Biocycle (DEMa / UFSCar), à Asser Porto Ferreira e à FAPESP. 7781

7 REFERÊNCIAS [1] MOURA, E. W., & JUNIOR, G. F. (2009). Incorporação de biocida em polipropileno. Centro Universitário Padre Anchieta. [2] COSTA, L. C., MANDU, M. A., SANTA MARIA, L. C., & MARQUES, M. R. Resinas poliméricas reticuladas com ação biocida. Centro Setorial de Ciências Biológicas e da Saúde, Centro Universitário Estadual da Zona Oeste - UEZO, Departamento de Química Orgânica, Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, [3] REBELLO, M.S. Aditivos de Polímeros São Paulo: Artliber, P [4] - acesso em 20/09/ :00 [5] ASTM D : Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics - Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia (2002). [6] ASTM D 790 M-02: Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced Plastics and Eletrical Insulanting Materials [Metric] Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia, (2002). [7] JIS Z 2801:2000. Antimicrobial products Test for antimicrobial activity and efficacy. Japanese Standards Association, Tokyo, Japan, [8] ASTM D : Standard Test Methods Determining the Pendulum Impact of Notched Specimens of Plastics - Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia (2002). STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF POLYMERIC MATRIXES ADDITIVATED WITH ANTIMICROBIAL ABSTRACT The increasing use of polymers for the most diverse areas and the demand for "smart" and engineering materials has been heating the market and encouraging the search for new products. The objective of this work is to study the behavior of the incorporation of an antimicrobial additive based on silver and silica in the polymer matrix of polyamide (PA6) and polyethylene (PE), after the extrusion process and in the dilution through injection molding. After the conformation of the materials were evaluated the microbial efficiency of the test specimens, presenting microbial reduction only for the polyamide matrix, with 3% of additive. Regarding the other materials, it was found that there was no good dispersion of the additive affecting the antimicrobial 7782

8 efficiency. Mechanical tensile and impact tests were performed with standardized specimens of PA6 and PE, where the results showed divergence in the polymer matrix of polyamide, where defects (bubbles) were observed in the sample. In relation to the polyethylene polymer matrix, the curves of the additive materials presented excellent homogeneity in the results. Keywords: Additivation; Antimicrobial additive; Polyethylene; Polyamide (PA6). 7783