Compósitos de poliuretano elastomérico com partículas de óxido de zinco e prata com ação bactericida para aplicações na indústria de alimentos

Abstract

A segurança alimentar é um desafio contínuo na indústria alimentícia, especialmente na prevenção da contaminação microbiológica em superfícies e equipamentos. O poliuretano elastomérico (PUE) é amplamente utilizado nesse setor devido à sua alta resistência à abrasão e umidade, tornando-o ideal para peças como roldanas e rodas. Este estudo buscou desenvolver compósitos de PUE com propriedades bactericidas, visando aplicações na indústria frigorífica e indústrias alimentícias. Para tal, foi realizada a incorporação de micropartículas antimicrobianas de óxido de zinco puro (ZnO) e micropartículas híbridas de óxido de zinco com prata (Ag/ZnO) na matriz de PUE, em frações de 0,05%, 0,1%, 0,5% e 1,0% m/m. Os compósitos foram processados por casting, com dispersão prévia das micropartículas no diisocianato por agitação magnética e ultrassom de ponteira. As partículas foram caracterizadas por MEV, DRX, FTIR e densidade real com o picnômetro a gás. O pré-polímero foi caracterizado quanto ao teor de NCO livre. Os compósitos foram submetidos a ensaios mecânicos (tração, rasgo, dureza Shore A, abrasão e DPC), análise estrutural por FTIR e MEV, e teste de atividade antibacteriana seguindo a norma JIS Z 2801:2012. Os resultados destacaram a formulação PU/0,1% ZnO, a resistência ao rasgo atingiu 124,10 kN/m (+20% em relação à matriz pura, 103,8 kN/m), o módulo a 100% de deformação (M100) superou o PUE puro (9,45 MPa vs. 8,80 MPa) e a DPC foi reduzida para 22,88% enquanto o PUE puro é 26,26%, indicando maior resiliência elástica. Além disso, todos os compósitos desenvolvidos neste trabalho conferiram elevada eficácia antimicrobiana, mesmo em baixas concentrações de partículas adicionadas, com 99,99% de redução contra as três cepas bacterianas testadas, oferecendo um material promissor para aplicações industriais que exigem alta durabilidade, segurança microbiológica e conformidade com normas alimentícias. O sistema híbrido Ag/ZnO, embora igualmente bactericida, apresentou densidade de partícula superior (8,87 g/cm³ vs. 7,62 g/cm³ do ZnO puro), exigindo maior controle de sedimentação durante o casting; em alta concentração (1,0% m/m), induziu mecanismo de desgaste por pull-out, com perda de volume por abrasão de 132,49 mm³, quatro vezes superior ao PUE puro (32,62 mm³). Esses resultados posicionam os compósitos PU/ZnO como alternativa técnica viável para peças industriais que demandam simultaneamente alta durabilidade mecânica, segurança microbiológica e conformidade com normas alimentícias.

Abstract: Food safety is an ongoing challenge in the food industry, especially in preventing microbiological contamination on surfaces and equipment. Elastomeric polyurethane (PUE) is widely used in this sector due to its high resistance to abrasion and moisture, making it ideal for parts such as rollers and wheels. This study sought to develop PUE composites with bactericidal properties, aiming at applications in the meatpacking and food industries. To this end, the incorporation of antimicrobial microparticles of pure zinc oxide (ZnO) and hybrid microparticles of zinc oxide with silver (Ag/ZnO) into the PUE matrix was performed, in weight fractions of 0,05%, 0,1%, 0,5%, and 1,0% w/w. The composites were processed by casting, with prior dispersion of the microparticles in the diisocyanate by magnetic stirring and probe sonication. The particles were characterized by SEM, XRD, FTIR, and true density with a gas pycnometer. The prepolymer was characterized regarding the free NCO content. The composites were subjected to mechanical tests (tension, tear, Shore A hardness, abrasion, and compression set - CS), structural analysis by FTIR and SEM, and antibacterial activity testing following the JIS Z 2801:2012 standard. The results highlighted the PU/0,1% ZnO formulation: the tear strength reached 124,10 kN/m (+20% in relation to the pure matrix, 103,8 kN/m), the modulus at 100% deformation (M100) exceeded the pure PUE (9,45 MPa vs. 8,80 MPa), and the CS was reduced to 22,88% while the pure PUE is 26,26%, indicating greater elastic resilience. Furthermore, all composites developed in this work conferred high antimicrobial efficacy, even at low concentrations of added particles, with a 99,99% reduction against the three bacterial strains tested, offering a promising material for industrial applications that require high durability, microbiological safety, and compliance with food regulations. The hybrid Ag/ZnO system, although equally bactericidal, presented higher particle density (8,87 g/cm³ vs. 7,62 g/cm³ of pure ZnO), requiring greater sedimentation control during casting; at high concentration (1,0% w/w), it induced a pull-out wear mechanism, with abrasion volume loss of 132,49 mm³, four times higher than the pure PUE (32,62 mm³). These results position the PU/ZnO composites as a viable technical alternative for industrial parts that simultaneously demand high mechanical durability, microbiological safety, and compliance with food regulations.