Membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) com óxido de zinco puro e dopado com prata

Abstract

A eletrofiação por ser simples, versátil, de baixo custo e adaptável, vem sendo é uma das técnicas mais utilizadas para a fabricação de nanofibras poliméricas. Esta técnica é empregada na fabricação de membranas constituídas por fibras com elevada porosidade e área de superfície/volume, que proporciona elevada permeabilidade ao ar, facilidade de funcionalização de diferentes propósitos e excelente desempenho mecânico. Neste trabalho, foram desenvolvidas membranas eletrofiadas de poli(ácido láctico) (PLA) contendo nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) puro e dopado com prata (ZnO:5%Ag), com o objetivo de avaliar a influência da incorporação dessas nanopartículas nas propriedades físico-químicas, térmicas e morfológicas das membranas produzidas. As nanopartículas foram sintetizadas pelo método de co precipitação, com pH controlado em 14, e posteriormente calcinadas a 500 °C. As soluções poliméricas foram preparadas com 10%m de PLA que foram solubilizados nos solventes Diclorometano e Dimetilformamida em uma proporção de 3:1 em volume, contendo três diferentes concentrações de nanopartículas (0,25%m, 1%m e 2%m, em relação ao PLA). As membranas foram obtidas pelo processo de eletrofiação sob tensão de 15 kV, distância de 15 cm e vazão de 1,02 mL/h. Após a eletrofiação, as membranas poliméricas foram caracterizadas para observar a microestrutura e avaliar o desempenho. As análises de MEV revelaram que as nanopartículas de ZnO apresentaram formato irregular e altamente porosa, com formação de aglomerados micrométricos compostos por partículas nanométricas. A nanopartículas de ZnO:5%Ag não apresentaram alterações significativas na morfologia das partículas em relação ao ZnO puro. A difração de raio-X (DRX) confirma a estrutura cristalina hexagonal do tipo wurtzita do ZnO e a dopagem com prata diminui a intensidade dos picos. De acordo com o MEV as fibras poliméricas de PLA são contínuas e aleatoriamente distribuídas, e a adição de ZnO e ZnO:5%Ag não há presença de aglomerados das nanopartículas na superfície das fibras. As análises térmicas mostraram que ZnO quando incorporado nas fibras poliméricas, pode atuar como um elemento de transferência de calor dentro da estrutura das fibras e como potencial catalisador de reações de quebra da cadeia polimérica do PLA e atuam como. A análise por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) indicou que a agentes nucleantes e modificaram a organização das cadeias poliméricas. Membranas com caráter hidrofóbicos e uma alta permeabilidade ao vapor d’água quando há maiores concentrações de ZnO e ZnO:5%Ag.

Electrospinning, due to its simplicity, versatility, low cost, and adaptability, is one of the most widely used techniques for the fabrication of polymeric nanofibers. This technique is employed in the production of membranes composed of fibers with high porosity and a high surface area-to-volume ratio, which provide high air permeability, ease of functionalization for different purposes, and excellent mechanical performance. In this work, electrospun poly(lactic acid) (PLA) membranes containing pure zinc oxide (ZnO) and silver-doped zinc oxide nanoparticles (ZnO:5%Ag) were developed in order to evaluate the influence of nanoparticle incorporation on the physicochemical, thermal, and morphological properties of the produced membranes. The nanoparticles were synthesized by the co-precipitation method with the pH controlled at 14 and subsequently calcined at 500 °C. The polymer solutions were prepared with 10 wt.% PLA dissolved in dichloromethane and dimethylformamide at a 3:1 (v/v) ratio, containing three different nanoparticle concentrations (0.25 wt.%, 1 wt.%, and 2 wt.% relative to PLA). The membranes were obtained by electrospinning under a voltage of 15 kV, a tip-to-collector distance of 15 cm, and a flow rate of 1.02 mL/h. After electrospinning, the polymeric membranes were characterized to investigate their microstructure and evaluate their performance. SEM analyses revealed that the ZnO nanoparticles exhibited an irregular and highly porous morphology, with the formation of micrometric agglomerates composed of nanometric particles. The ZnO:5%Ag nanoparticles did not show significant morphological changes compared to pure ZnO. X-ray diffraction (XRD) confirmed the hexagonal wurtzite crystalline structure of ZnO, and silver doping led to a reduction in peak intensities. According to SEM, the PLA polymeric fibers were continuous and randomly distributed, and the addition of ZnO and ZnO:5%Ag did not result in the presence of nanoparticle agglomerates on the fiber surfaces. Thermal analyses showed that ZnO, when incorporated into polymeric fibers, can act as a heat transfer element within the fiber structure and as a potential catalyst for PLA polymer chain scission reactions. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis indicated that the nanoparticles acted as nucleating agents and modified the organization of the polymer chains. The membranes exhibited hydrophobic behavior and high water vapor permeability at higher concentrations of ZnO and ZnO:5%Ag.