Planejamento fatorial na obtenção de poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno) magnetizado

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Aguiar, K.L.N.P. (IFRJ) ; Pereira, K.A.B. (IFRJ) ; Pedrosa, M.S. (IFRJ) ; Neves, M.A.F.S. (IFRJ)

Resumo

Polímeros magnetizados são produzidos através da incorporação de partículas magnéticas em uma matriz polimérica. Neste trabalho, efetuou-se a técnica de polimerização em suspensão, usando acrilato de etila e divinilbenzeno como monômeros, em presença de compostos inertes denominados diluentes e iniciada, via radicais livres, a partir da decomposição térmica de um iniciador. Para a produção do polímero desejado, realizou-se um planejamento fatorial para avaliar cinco fatores que afetaram na produção do polímero e na incorporação de ferro na matriz, visando obter um melhor entendimento dos parâmetros que influenciaram nos resultados obtidos. Desta forma, pode-se escolher o melhor polímero sintetizado, que poderá ser modificado por hidrazinólise e ser aplicado como um reagente polimérico.

Palavras chaves

Planejamento fatorial; Resinas magnetizadas; Reagente polimérico

Introdução

As estruturas poliméricas consistem em uma grande contribuição da química para o desenvolvimento industrial do século XX (MANO e MENDES, 1999). Obtém- se resinas magnetizadas pela adição de partículas magnéticas no polímero. Estas têm despertado um enorme interesse no ramo de pesquisa e desenvolvimento, visto que possuem um grande potencial de aplicação em ciência ambientais, para a retirada de impurezas de locais afetados (CASTANHARO et al., 2012). Após sua funcionalização, atuam adsorvendo o contaminante e podem ser separadas do meio com a aplicação de um campo magnético externo. Essas estruturas podem ser produzidas a partir de diversas técnicas de polimerização, sendo a feita em suspensão a mais utilizada. Dentre os métodos para caracterização desses polímeros, destaca- se a espectroscopia no infravermelho, as análises por microscopia e a distribuição por tamanho de partículas (MACHADO et al., 2007). Visto a grande quantidade de fatores que podem influenciar no processo de produção de polímeros e, consequentemente, nas características dos produtos formados, torna-se extremamente importante planejar os experimentos para obter a maior quantidade de dados relevantes, realizando a menor quantidade de reações. Dentre os tipos de otimização de experimentos, destaca-se o método conhecido como planejamento fatorial, onde é possível avaliar mais de duas variáveis simultaneamente e verificar quais são as mais relevantes (CUNICO et al., 2008). Sendo assim, este trabalho tem como objetivo produzir a resina poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno) magnetizada e realizar sua caracterização, avaliando os fatores que influenciam nas características principais deste polímero através de um planejamento fatorial experimental, buscando, assim, a otimização dos resultados.

Material e métodos

Realizou-se um planejamento fatorial experimental para avaliar quais eram os fatores mais importantes na obtenção de uma resina com propriedades morfológicas ideais e com uma elevada força magnética. Desta forma, a matriz polimérica foi produzida pela copolimerização em suspensão do acrilato de etila com divinilbenzeno (DVB), sendo a quantidade de agente de reticulação variando entre 20%, 30% e 40%. Como iniciador de polimerização, utilizou-se o peróxido de benzoíla (BPO) variando sua concentração entre 1% e 10%, álcool polivinílico (PVA) como agente de suspensão a 0,5%, 2,75% e 5% e os diluentes testados foram heptano e tolueno. A incorporação de maghemita foi realizada durante a polimerização, adicionando-a na fase orgânica sob agitação à temperatura de 50ºC por 30 minutos para melhorar a interação da maghemita com os monômeros. Como meio contínuo foram utilizados água ou uma mistura de glicerina-água na proporção de 1:1 ou 1:3. O PVA foi dissolvido completamente na fase aquosa, sendo esta fase adicionada à fase orgânica que foi composta pelos monômeros, maghemita, diluente e o iniciador. A polimerização foi realizada em um banho termostatizado, a 70 °C, com agitação mecânica a 400 rpm, durante 24 horas. A purificação da resina poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno) magnetizada foi realizada por lavagens com água, etanol e metanol e secagem em estufa a 60 °C. O material obtido foi separado por faixas granulométricas por peneiragem. A presença dos grupos funcionais esperados na resina foi verificada por espectroscopia no infravermelho. A caracterização morfológica foi efetuada usando a microscopia eletrônica de varredura, a incorporação da maghemita à resina foi analisada utilizando a técnica de fluorescência de raio-x e foram realizadas análises de força magnética.

Resultado e discussão

A polimerização da resina magnetizada ocorreu de forma satisfatória, visto que em todas as reações o produto esperado foi obtido. Com a utilização do planejamento fatorial experimental foi possível realizar uma análise multivariada, onde cinco fatores puderam ser analisados de forma simultânea em relação ao rendimento, teor de ferro e força magnética da resina poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno) obtido por polimerização em suspensão.Observou-se que a quantidade de iniciador peróxido de benzoíla (BPO) é o fator mais importante para o rendimento da polimerização do poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno), visto que se atinge um rendimento superior a 90% quando o BPO está em maiores concentrações. A quantidade de divinilbenzeno apresentou um efeito negativo em relação ao teor de ferro e à força magnética das resinas obtidas, sendo este o principal fator avaliado neste trabalho em relação a ambas as respostas. Em relação ao tamanho de partícula, foi observado que com maiores quantidades de agente de suspensão obtêm-se polímeros com maior distribuição em faixas granulométricas menores. Verificou-se também o efeito do diluente para a porosidade do material, pois resinas produzidas com heptano apresentaram grande quantidade de poros em sua superfície, já as feitas com tolueno, não apresentaram poros, o que já era esperado.

Parâmetros avaliados no planejamento e suas respostas para o rendimento do processo, teor de ferro incorporado e força magnética exercida pela resina.


Imagem de microscopia eletrônica de varredura da resina poli(acrilato de etila-co-divinilbenzeno) magnetizada na faixa granulométrica de 42-80 mesh.

Conclusões

Foi possível eleger a melhor condição para obtenção de resinas magnetizadas na faixa de 42-80 mesh com o uso do planejamento fatorial, a partir da resina codificada como R3, ou seja, 0,5% de PVA, 20% de DVB, 10% de BPO, 100% de heptano e 50% de glicerina, devido ao alto rendimento, elevado teor de ferro e alta força magnética. Esta poderá ser modificada, através de reações de hidrazinólises, conferido-a propriedades sequestrantes de compostos carbonilados. Assim, terá aplicação para retirar esses tipos de compostos em excesso de um meio reacional, impurezas e subprodutos obtidos em reações

Agradecimentos

Ao IFRJ-Campus Nilópolis pelo apoio ao desenvolvimento do projeto e ao CNPq pelo auxílio financeiro.

Referências

ARSHAM, H. Kuiper’s P-value as a measuring tool and decision procedure for the goodness-of-fit test. Journal of Applied Statistics, vol. 15, n. 2, p. 131-135, 1988.
BRASIL, J. L.; VAGHETTI, J. C. P.; ROYER, B.; SANTOS JÚNIOR, A. A. S.; SIMON, N. M.; PAVAN, F. A.; DIAS, S. L. P.; LIMA, E. C. Planejamento estatístico de experimentos como uma ferramenta para otimização das condições de biossorções de Cu (II) em batelada utilizando-se casca de nozes pecã como biossorvente. Química Nova, vol. 30, n. 3, p. 548-553, 2007.
CANEVAROLO JÚNIOR, S. V. Técnicas de caracterização de polímeros. 1 Ed. São Paulo: Artliber Editora, 2007, 448 p.
CASTANHARO, J. A.; MELLO, I. L.; MARIA, L. C. S.; COSTA, M. A. S.; SILVA, M. R.; OLIVEIRA, M. G. Preparação e caracterização de microsferas poliméricas à base de estireno, divinilbenzeno e acetato de vinila. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 22, n. 3, p. 303-309, 2012.
COSTA, R. C.; SOUZA JÚNIOR, F. G. Preparo de nanocompósitos de maghemita e polianilina assistido por ultrassom. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 24, n. 2, p. 243-249, 2014.
CULLITY, B. D.; GRAHAM, C. D. Introduction to magnetic materials. 2 Ed. Massachusetts: Addison Wesley Publishing Company, 1972, 666 p.
CUNICO, M. W. M.; CUNICO, M. M.; MIGUEL, O. G.; ZAWADZKI, S. F.; PERALTA-ZAMORA, P.; VOLPATO, N. Planejamento fatorial: uma estatística valiosa para a definição de parâmetros experimentais empregados na pesquisa científica. Visão Acadêmica, vol. 9, n. 1, p. 23-32, 2008.
MA, Z.; GUAN, Y.; LIU, X.; LIU, H. Preparation and characterization of micro-sized non-porous magnetic polymer microspheres with immobilized metal affinity ligands by modified suspension polymerization. Journal of Applied Polymer Science, vol. 96, n. 6, p. 2174-2180, 2005.
MACHADO, F.; LIMA, E. L.; PINTO, J. C. Uma revisão sobre os processos de polimerização em suspensão. Polímeros: ciência e tecnologia, vol. 17, n. 2, p. 166-179, 2007.
MANO, E. B.; MENDES, L. C. Introdução a polímeros. 2 Ed. São Paulo: Blucher, 1999, 191 p.
PEREIRA FILHO, E. R. Planejamento fatorial em química: maximizando a obtenção de resultados. 1 Ed. São Carlos: EdUFSCar, 2015, 88 p.
YUAN, H. G.; KALFAS, G.; RAY, W. H. Suspension polymerization. Journal of Macromolecular Science, vol. 31, n. 2, p. 215-299, 1991.