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DEGRADAÇÃO DE BLENDAS POLIMÉRICAS
POR MICRORGANISMOS DE
SOLO E DE CHORUME.
ADRIANA DE CAMPOS
Rio Claro
Estado de São Paulo – Brasil
Agosto de 2008
Tese apresentada ao Instituto de Biociências
da Universidade Estadual Paulista “Julio de
Mesquita Filho”, Campus de Rio Claro,
para a obtenção do título de Doutor em
Ciências Biológicas (Área de Concentração:
Microbiologia Aplicada)
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DEGRADAÇÃO DE BLENDAS POLIMÉRICAS
POR MICRORGANISMOS DE
SOLO E DE CHORUME.
ADRIANA DE CAMPOS
Orientador: Profa. Dra. SANDRA MARA MARTINS FRANCHETTI
Rio Claro
Estado de São Paulo – Brasil
Agosto de 2008
Tese apresentada ao Instituto de Biociências
da Universidade Estadual Paulista “Julio de
Mesquita Filho”, Campus de Rio Claro,
para a obtenção do título de Doutor em
Ciências Biológicas (Área de Concentração:
Microbiologia Aplicada)
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i
Dedico
À Deus, em sua infinita sabedoria.
À Profa. Dra. Sandra, pelos
ensinamentos e amizade.
Aos meus pais, pelo carinho e
dedicação de todos esses anos.
Ao Waldinei, meu amado marido,
pelo carinho e apoio.
ii
Agradecimentos
À Deus por sempre me iluminar e me guiar...
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo- FAPESP- pelo apoio
financeiro.
Meu agradecimento especial a minha orientadora, professora Dra. Sandra Mara
Martins Franchetti, pela oportunidade oferecida, pela orientação, dedicação, paciência e
principalmente pela amizade de todos esses anos.
Um agradecimento especial deve ser feito também à Maria Luiza B. O.
Rodrigues, por ser uma excelente técnica, sempre me auxiliou nos experimentos e por
sua grande amizade, proporcionando bons momentos de trabalho.
Aos professores que participaram da banca: Dra. Eliana A. R. Duek, Dra.
Derlene Atilli de Angelis, Dr. Marcos Monteiro, Dr. José Carlos Marconato e Dra.
Sandra M. Martins Franchetti, pelas sugestões e correções.
Aos demais técnicos que forneceram condições adequadas para o
desenvolvimento dos trabalhos.
Aos colegas do meu grupo, pela convivência e troca de conhecimentos.
Aos meus amigos, pelo apoio e pelas agradáveis horas de almoço.
Aos professores do departamento de bioquímica, pelos ensinamentos.
Aos jardineiros, pela ajuda na coleta de solo para os experimentos.
Aos meus familiares que sempre me apoiaram. Aos meus pais, Yvone e Manoel,
que me deram não somente a vida, mas principalmente a minha educação e condições
de estudo. As minhas irmãs Andréa e Ana Paula por torcerem por mim.
Eu fortemente agradeço ao Waldinei, por sua extensa paciência, pelo seu amor,
por sempre estar disposto a me ajudar em qualquer situação e principalmente pelo seu
apoio que me conforta e me deixa mais forte para superar meus desafios.
A todos que contribuíram e incentivaram na realização desse trabalho, muito
obrigada.
iii
RESUMO
Os plásticos vêm sendo cada vez mais utilizados em nosso cotidiano em diversos
tipos de produtos, no entanto, esses materiais são muito persistentes no ambiente, o que
aumenta a quantidade de resíduos plásticos depositados nos aterros sanitários.
A mistura de polímeros buscando obter materiais com diferentes propriedades
mecânicas e degradativas pode ser um caminho para facilitar a adesão microbiana na
matriz polimérica e contribuir para alterar o tempo de degradação desses materiais em
aterros sanitários.
Este trabalho teve como objetivo investigar a biodegradação de filmes de blendas
de PP/PCL obtidos por fusão e PVC/PCL, PVA/PCL e PVA/PVC obtidos por casting,
utilizando microrganismos do solo e de chorume, através dos métodos de respirometria
de Bartha, Espectroscopia de Absorção no infravermelho (FTIR), Calorimetria
Exploratória Diferencial (DSC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Medidas
de ângulo de contato e Perda de massa.
Os resultados mostraram que no solo, os filmes sofreram biodegradação
oxidativa. Com a adição de chorume, ocorreu uma erosão superficial e diminuição da
biodegradação, devido à mudança no sistema microbiano.
A biodegradação em todos os filmes foi influenciada pela morfologia da matriz
polimérica (principalmente a cristalinidade).
O PVA favorece a biodegradação do PVC e o PVC inibe a degradação do PVA.
Efeito semelhante ocorre com PVC/PCL. O PCL favorece a biodegradação do PVC na
blenda e o PVC inibe a rápida biodegradação do PCL.
A presença de grupos ésteres na matriz polimérica é fundamental para a ação
microbiana, isto é, hidrólise enzimática dos mesmos. Um aumento de cristalinidade do
polímero também é considerado um processo degradativo.
iv
ABSTRACT
Plastics are being increasingly used in our daily life in different types of products,
however, these materials are very persistent in the environment, which increases the
amount of plastic waste deposited in landfills. The mixture of polymers in different
mechanical and degradative properties can be a way to facilitate the microbial adhesion
in the polymeric matrix and help to modify the time of degradation of these materials in
landfills.
This work aims to investigate the biodegradation of films from blends of PP /
PCL, obtained by melting and PVC / PCL, PVA / PCL and PVA / PVC, obtained by
casting, using microorganisms soil and chorume, through methods of Bartha`s
respirometry, Spectroscopy infrared absorption (FTIR), Differential Scanning
Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscopy (SEM), angle of contact and loss of
weight.
The results showed that in the soil, the films have undergone oxidative
degradation. With the addition of chorume, there was a surface erosion and decreased
degradation, due to the change in the microbial system.
The degradation in all films was influenced by the morphology of the polymer
matrix (mainly crystallinity).
The degradation of PVA helps the blend (PVA/PVC) degradation and the PVC
inhibits the degradation of the PVA in the blend. Similar effect occurs with PVC/PCL.
PCL helps the degradation of PVC in the blend and PVC inhibits the degradation of the
PCL.
The esther group presence in polymer matrix is fundamental to allow the
microbial action, i.e., enzymatic hydrolysis of these groups. Polymer crystallinity
increase is considered a degradative process.
v
SUMÁRIO
Página
RESUMO.........................................................................................................................iii
ABSTRACT.....................................................................................................................iv
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................ 1
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.................................................................................... 2
2.1. Polímeros e Blendas Poliméricas............................................................................... 2
2.2. Biodeterioração.......................................................................................................... 7
2.3. Solo e microrganismos............................................................................................. 14
2.4. Métodos de Determinação da Biodegradação de Polímeros e Blendas.................. 16
3. MATERIAL E MÉTODOS........................................................................................ 23
Polímeros ........................................................................................................................ 23
Preparo dos filmes .......................................................................................................... 23
3.1. Medidas de massa .................................................................................................... 24
3.2. Tratamento microbiano............................................................................................ 25
3.3. Análise do solo......................................................................................................... 30
3.4. Análise de inibição .................................................................................................. 30
3.5. Hidrólise química de poliésteres.............................................................................. 30
3.6. Quantificação de PVA por análise espectrofotométrica.......................................... 31
3.7. Adaptação dos microrganismos de solo e chorume com a solução de PVA ........... 31
3.7.1. Preparo da Curva de Calibração ........................................................................... 32
3.8. Métodos de Análise de Filmes................................................................................. 32
3.8.1. Espectroscopia de Absorção no Infravermelho com Transformada de Fourier
(FTIR) ............................................................................................................................. 32
3.8.2. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)....................................................... 33
3.8.3. Termogravimetria (TG) ........................................................................................ 33
3.8.4. Ângulo de Contato................................................................................................ 33
3.8.5. Microscopia Eletrônica de Varredura................................................................... 34
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................ 35
1ª PARTE....................................................................................................................... 35
4.1.Filmes de PCL, PVC e PVC/PCL (1:1 w/w) em DMF............................................. 36
4.1.1. Medidas de Massa................................................................................................. 36
vi
4.1.2. Características do solo .......................................................................................... 37
4.1.3. Teste de Inibição................................................................................................... 37
4.1.4. Biodegradação - método respirométrico de Bartha ............................................. 37
4.1.5. Verificação de hidrólise química.......................................................................... 39
4.1.5.2. Medidas de Massa.............................................................................................. 39
4.1.5.2. FTIR................................................................................................................... 39
4.1.5.3. Microscopia eletrônica de varredura ................................................................. 39
4.1.6. Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)............................................ 40
4.1.6.1. FTIR de filmes incubados em Coluna de Solo sem e com chorume. ................ 40
4.1.6.2. FTIR de filmes de PVC incubados durante 120 dias em coluna de solo e solo
com chorume................................................................................................................... 40
4.1.6.3. FTIR de filmes de PCL incubados durante 60 dias em coluna de solo e solo com
chorume .......................................................................................................................... 41
4.1.6.4. FTIR de filmes de PVC/PCL incubados em Coluna de Solo e solo com chorume
........................................................................................................................................ 43
4.1.7.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)........................................................ 44
4.1.8. Análise de TG ....................................................................................................... 51
4.1.9. Medidas de Ângulo de Contato dos filmes tratados em coluna de solo. .............. 52
4.1.10. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)...................................................... 53
4.1.10.1 MEV de filmes de PVC (DMF)........................................................................ 53
4.1.10.2.MEV de filmes de PCL (DMF) ........................................................................ 53
4.1.10.3. MEV de filme de PVC/PCL 1:1 (DMF).......................................................... 55
4.1.11. CONCLUSÕES PARCIAIS ............................................................................... 55
2ª PARTE....................................................................................................................... 57
4.2. Filmes de PP, PCL e PP/PCL (1:1 w/w) por fusão.................................................. 57
4.2.1. Medidas de Massa................................................................................................. 58
4.2.2. Teste de inibição................................................................................................... 58
4.2.3. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de Bartha............. 59
4.2.4.Verificação de hidrólise química........................................................................... 60
4.2.4.1. Medidas de Massa............................................................................................ 590
4.2.4.2. FTIR................................................................................................................... 61
4.2.4.3. MEV................................................................................................................... 61
vii
4.2.5. FTIR de filmes incubados em Coluna de Solo sem e com chorume. ................... 62
4.2.5.1. FTIR de filmes de PCL incubados em coluna de solo com e sem chorume...... 62
4.2.5.2. FTIR de filmes de PP incubados em coluna de solo com e sem chorume......... 64
4.2.5.3. FTIR de filmes de PP/PCL incubados em coluna de solo com e sem chorume 64
4.2.6.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)........................................................ 66
4.2.7. Medidas de Ângulo de Contato dos filmes tratados em coluna de solo. ............ 690
4.2.8. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)........................................................ 71
4.2.9. CONCLUSÕES PARCIAIS ................................................................................. 74
3ª PARTE....................................................................................................................... 75
4.3. Filmes de PVA, PCL e PVA/PCL (4:1 w/w) em DMF........................................... 75
4.3.1. Medidas de Massa................................................................................................. 76
4.3.2. Teste de inibição................................................................................................... 76
4.3.3. Verificação de hidrólise química.......................................................................... 76
4.3.4. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de Bartha............. 77
4.3.5. FTIR de filmes incubados durante 120 dias em Coluna de Solo sem e com
chorume. ......................................................................................................................... 77
4.3.5.1. FTIR de filmes de PCL em DMF incubados em Coluna de Solo...................... 78
4.3.5.2. FTIR de filmes de PVA original........................................................................ 78
4.3.5.3. FTIR de filmes de PVA/PCL 4:1 original ......................................................... 79
4.3.6.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)........................................................ 79
4.3.7. Análise termogravimétrica.................................................................................... 82
4.3.8.Análise quantitativa da concentração de PVA....................................................... 82
4.3.9. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)........................................................ 83
4.3.10. CONCLUSÕES PARCIAIS ............................................................................... 84
4ª PARTE: ..................................................................................................................... 85
4.4. Filmes de PVA, PVC e PVA/PVC (1:1 w/w) em DMF. ......................................... 85
4.4.1. Medidas de Massa................................................................................................. 86
4.4.2. Teste de inibição................................................................................................... 86
4.4.3. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de Bartha............. 86
4.4.4. FTIR de filmes de PVA em DMF original ........................................................... 87
4.4.5.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)........................................................ 87
4.4.6. Análise termogravimétrica.................................................................................... 89
viii
4.4.7. Ângulo de contato dos filmes tratados em coluna de solo.................................... 90
4.4.8. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)........................................................ 91
4.4.8.1. MEV de filmes de PVC ..................................................................................... 91
4.4.8.2. MEV de filme de PVA....................................................................................... 91
4.4.8.3. MEV de filmes de PVA/PVC 1:1...................................................................... 92
4.4.9. CONCLUSÕES PARCIAIS ................................................................................. 92
5. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 93
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................ 94
7. APÊNDICE............................................................................................................... 105
ix
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Perda de massa dos polímeros após o tratamento microbiano........................ 35
Tabela 2. Resultado das análises química do solo utilizado........................................... 36
Tabela 3. Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PVC, PCL e PVC/PCL
1:1 ................................................................................................................................... 36
Tabela 4: Medidas de ângulo de contato de filmes após tratamento
microbiano......................................................................................................................51
Tabela 5: Perda de massa de PP, PCL e PP/PCL após o tratamento
microbiano.......................................................................................................................57
Tabela 6. Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PCL, PP e PP/PCL 1:1
........................................................................................................................................ 69
Tabela 7. Medidas de ângulo de contato dos filmes de PP e PP/PCL..........................70
Tabela 8. Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PCL, PVA e PVA/PCL
4:1....................................................................................................................................80
Tabela 9. Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PVC, PVA e
PVA/PVC........................................................................................................................ 87
Tabela 10. Ângulo de Contato dos filmes de PVC e PVA/PVC. ................................... 89
APÊNDICE 1- FTIR..................................................................................................... 104
Tabela 1.1- Normalização dos espectros FTIR do PCL original, tratado em solo e solo
com chorume (I
0
= 2864 cm
-1
)...................................................................................... 105
Tabela 1.2- Normalização dos espectros FTIR do PP tratado em solo (I
0
= 2720 cm
-1
)
...................................................................................................................................... 106
Tabela 1.3- Normalização dos espectros FTIR do PP tratado em solo + chorume (I
0
=
2720 cm
-1
)..................................................................................................................... 106
Tabela 1.4- Normalização dos espectros FTIR da blenda PP/PCL tratado em solo (I
0
=
2720 cm
-1
)..................................................................................................................... 107
Tabela 1.5- Normalização dos espectros FTIR da blenda PP/PCL tratado em solo com
chorume (I
0
= 2720 cm
-1
).............................................................................................. 108
Tabela 1.6- Normalização dos espectros dos filmes de PVC original, tratado em solo e
solo com chorume (Banda padrão interna 1252 cm
-1
).................................................. 108
x
Tabela 1.7- Deslocamento e desaparecimento de bandas da blenda PVC/PCL 1:1 tratado
em solo.......................................................................................................................... 109
Tabela 1.8- Deslocamento e desaparecimento de bandas da blenda PVC/PCL 1:1 tratado
em solo com chorume.................................................................................................. 109
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquema de polimerização do Polipropileno.................................................... 3
Figura 2. Formas configuracionais do polipropileno; R = CH3. ...................................... 4
Figura 3. Fórmula estrutural do PVA ............................................................................... 5
Figura 4. Fórmula estrutural do PCL................................................................................ 6
Figura 5. Fórmula estrutural do PVC................................................................................ 7
Figura 6. Biodegradação do PVA por oxidase álcool secundário (SAO) e hidrolase E-
dicetona (BDH)............................................................................................................... 12
Figura 6a. Mecanismo de desidratação do PVA catalisado por I
2
-KI. ........................... 21
Figura 7. Preparo dos filmes PVC, PCL, PVA, PVC/PCL 1:1, PVA/PCL 4:1 e
PVA/PVC 1:1. ................................................................................................................ 23
Figura 8. Preparo dos filmes PP, PCL e PP/PCL 1:1. .................................................... 23
Figura 9- Aterro Sanitário de Piracicaba – SP................................................................ 25
Figura 10 – Respirômetro de Bartha (Norma técnica L.6.350 da CETESB, 1990)........ 26
Figura 11. Coluna de solo: A- disposição do filme e B- coluna após 4 meses de
tratamento. ...................................................................................................................... 29
Figura 12. Produção acumulada de CO
2
durante 120 dias de incubação: A- solo, B- solo
com chorume................................................................................................................... 37
Figura 13. MEV do filme A-PCL original e B- PCL 30 dias no tampão fosfato. .......... 38
Figura 14. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVC original e após tratamento
microbiano: A- solo, B- solo com chorume.................................................................... 39
Figura 15. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo: A- 30 dias, B- 60 dias............................................................. 40
Figura 16. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo e chorume: A- 30 dias e B- 60 dias. ........................................ 41
Figura 17. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e após tratamento
microbiano: A- solo, B- solo com chorume.................................................................... 42
Figura 18 Curva DSC de filmes de PVC original e após tratamento microbiano: A- em
solo e B- solo com chorume ........................................................................................... 44
Figura 19. Curva DSC de filmes de PCL original e após tratamento microbiano: A- em
solo e B- solo com chorume. .......................................................................................... 45
xii
Figura 20. Curva DSC de filmes de PVC/PCL original e após tratamento microbiano:
A- em solo e B- solo com chorume. ............................................................................... 46
Figura 21. Curva DSC de filmes de PCL original e PVC/PCL original......................... 47
Figura 22. Curvas de TG dos filmes de PVC original, tratado em solo e em solo com
chorume. ......................................................................................................................... 50
Figura 23. Análise visual do PCL original, PCL após tratamento microbiano e PCL após
30 dias no solo observado pelo microscópio ótico. ........................................................ 51
Figura 24. MEV de filmes de PVC (DMF): A-original, B-tratado em solo e C-tratado
em solo com chorume ..................................................................................................... 52
Figura 25. MEV de filmes de PCL (DMF): A-original, B-tratado em solo, 30 dias...... 53
Figura 25. MEV de filmes de PCL (DMF): C-tratado em solo, 45 dias e D-tratado em
solo, 60 dias. ................................................................................................................... 54
Figura 26. MEV de filmes de PCL (DMF): A-tratado em solo com chorume, 30 dias e
B-tratado em solo com chorume, 45 dias e C- tratado em solo com chorume, 60 dias.. 54
Figura 27. MEV de filmes de PVC/PCL (DMF): A-original, B-tratado em solo e C-
tratado em solo com chorume......................................................................................... 54
Figura 28. Produção acumulada de CO
2
durante 120 dias de incubação: A- solo, B- solo
com chorume................................................................................................................... 58
Figura 28-C. Produção de CO
2
devido a biodegradação, durante 120 dias de incubação
dos filmes de PCL – fusão e PCL – DMF. ..................................................................... 59
Figura 29. MEV do filme de PCL original e PCL 30 dias no tampão fosfato................ 60
Figura 30. MEV do filme de PP/PCL original e PP/PCL 30 dias no tampão fosfato .... 60
Figura 31. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo: A- 30 dias e B- 60 dias. .......................................................... 61
Figura 32. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo + chorume: A- 30 dias e B- 60 dias......................................... 62
Figura 33. Espectro de absorção FTIR de filmes de PP original e tratado com
microrganismos: A- solo e B- solo + chorume............................................................... 63
Figura 34. Espectro de absorção FTIR de filmes de PP/PCL 1:1 original e tratado com
microrganismos: A- solo e B- solo + chorume............................................................... 63
Figura 35. Curvas de DSC de filmes de PCL original e após 30 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume. ..................................................................... 65
xiii
Figura 36. Curvas de DSC de filmes de PP original e após 120 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume. ..................................................................... 66
Figura 37. Curvas de DSC de filmes de PP/PCL original e após 120 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume. ..................................................................... 67
Figura 38. Curvas de DSC de filmes de PCL original e após 30 dias de tratamento
microbiano: A- PCL fusão e B- PCL DMF. ................................................................... 68
Figura 39. MEV de filmes de PCL: A- original e B- solo 30 dias. ................................ 70
Figura 39. MEV de filmes de PCL: C- solo 45 dias e D- solo 60 dias........................... 71
Figura 39. MEV de filmes de PCL: E- solo + chorume 30 dias, F- solo + chorume 45
dias e G- solo + chorume 60 dias.................................................................................... 71
Figura 40. MEV de filmes de PP: A- original, B- solo e C- solo + chorume................. 72
Figura 41. MEV de filmes de PP/PCL: A- original, B- solo e C- solo + chorume. ....... 72
Figura 42. Produção acumulada de CO
2
dos filmes de PVA, PCL e PVA/PCL 4:1:
A- em solo e B- em solo com chorume........................................................................... 76
Figura 43. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVA.............................................. 77
Figura 44. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVA/PCL 4:1 original.................. 78
Figura 45. Curva de DSC de filmes de A- PVA original e B-PCL original................... 79
Figura 46. Curva de DSC de filmes de PVA/PCL 4:1 original...................................... 79
Figura 47. Curvas de TG dos filmes de PVA original.................................................... 81
Figura 48. Variação da concentração de PVA na presença de cultura mista adaptada. . 82
Figura 49. MEV de filmes de: A- PCL original, B- PVA original e C- PVA/PCL 4:1
original............................................................................................................................ 82
Figura 50. Produção acumulada de CO
2
, devido a biodegradação dos filmes, durante
120 dias de incubação, A- filmes em solo e B- filmes em solo com chorume............... 85
Figura 51. Curvas de DSC de filmes de: A-PVA original e B- PVA/PVC original....... 86
Figura 52. Curvas de TG de filmes de PVA original, da blenda PVA/PVC e do filme
de PVC............................................................................................................................ 88
Figura 53. MEV de filmes de: A-PVA original e B- PVC original................................ 90
Figura 54. MEV de filmes de PVA/PVC 1:1 original .................................................... 91
APÊNDICE 2 - TERMOGRAVIMETRIA (TG)........................................................110
Figura 2.1- Curva TG e DTG do filme de PVC/PCL 1:1
original.......................................................................................................................111
xiv
Figura 2.2- Curva TG e DTG do filme de PVC tratado em
solo.................................................................................................................................111
Figura 2.3- Curva TG e DTG do filme de PVC tratado em solo com chorume............111
Figura 2.4- Curva TG e DTG do filme de PVA
original...........................................................................................................................112
Figura 2.5- Curva TG e DTG do filme de PVA/PVC 1:1
original...........................................................................................................................113
APÊNDICE 3 – TESTE DE INIBIÇÃO.......................................................................114
Figura 3.1. Teste de inibição: A-PVC (pó) original, no dia da inoculação e B-PVC com
Phanerochaete chrysosporium, após 7 dias..................................................................115
Figura 3.2. Teste de inibição: A-PVC (filme-fusão) original, no dia da inoculação e B-
PVC com Phanerochaete chrysosporium, após 7 dias..................................................115
xv
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
PVC – poli (cloreto de vinila)
PCL – poli (H-caprolactona)
PP – polipropileno
PVA – poli (álcool vinílico)
PHA – poli(hidroxi alcanoato)
PHB – poli(hidroxi butirato)
PHBV – poli(hidroxi butirato)-co-valerato
PLLA- poli(ácido lático)
EVOH – álcool etileno vinílico
Mater-Bi – 60% de amido termoplástico e 40% de álcool etileno vinílico
FTIR – Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier
DSC – Calorimetria Exploratória Diferencial
TG – Termogravimetria
MEV – Microscopia Eletrônica de Varredura
UFC – Unidade formadora de colônias
GPC – cromatografia de permeação em gel
DMTA – análise térmica dinâmico-mecânica
RMN – ressonância magnética nuclear
Tg – temperatura de transição vítrea
T
f
– temperatura de fusão
¨H
f
– entalpia de fusão
SAO – enzima oxidase álcool secundário
BDH – hidrolase-E-dicetona
XPS – espectroscopia fotoeletrônica de raios-X
IR-ATR – espectroscopia de infra-vermelho com reflectância atenuada
MET – microscopia eletrônica de transmissão
SEM – microscopia eletrônica de varredura
1
1. INTRODUÇÃO
Os plásticos vêm sendo cada vez mais utilizados em nosso cotidiano em diversos
tipos de produtos, no entanto, esses materiais são muito persistentes no ambiente, o que
aumenta a quantidade de resíduos plásticos depositados nos aterros sanitários.
Polímeros biodegradáveis podem solucionar esse problema, pois em certas condições
ambientais, como tratamento de lixo municipal ou tratamento biológico industrial, estes
polímeros podem ser degradados com maior facilidade. A biodegradação aeróbia de
plásticos vem sendo bastante estudada e alguns microrganismos degradadores desses
polímeros vem sendo isolados e identificados, o que não ocorre com a biodegradação
anaeróbia (SAPONARO et al., 2008; ABOU-ZEID et al., 2001).
Uma classe de polímeros bastante empregada comercialmente, os poliésteres, tem
sido alvo de atenção dos pesquisadores pelas suas propriedades mecânicas e potencial
biodegradabilidade. Dentre estes se destacam: poli(H-caprolactona) (PCL),
poli(hidroxibutirato-co-valerato) (PHBV) e poli(L-ácido láctico) (PLLA) cujos grupos
ésteres sofrem ação microbiana,ou seja, hidrólise enzimática e degradação oxidativa
(TSUJI & SUZUYOSHI, 2002).
Por outro lado, termoplásticos sintéticos como o poli(cloreto de vinila) (PVC), o
polipropileno (PP), o poli(álcool vinílico) (PVA), apesar de sua grande aplicação
tecnológica são mais resistentes à biodegradação no meio ambiente (LUCAS et al.,
2008).
A mistura de polímeros com diferentes propriedades mecânicas e degradativas
pode ser um caminho para facilitar a adesão microbiana na matriz polimérica e
contribuir para diminuir o tempo de degradação desses materiais em aterros sanitários.
Este trabalho teve como objetivo investigar a biodegradação de film
es de blendas
de PP/PCL, obtidos por fusão e PVC/PCL, PVA/PCL e PVA/PVC, obtidos por
evaporação de solvente, utilizando microrganismos do solo e de chorume, através dos
métodos de respirometria de Bartha, Espectroscopia de absorção no infravermelho
(FTIR), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV), Medidas de ângulo de contato e perda de massa.
2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Polímeros e Blendas Poliméricas
As blendas poliméricas são obtidas pela mistura de diferentes polímeros que interagem
por atrações de van der Waals e têm grande importância tecnológica devido a
propriedades físico-químicas e mecânicas adequadas a diferentes aplicações industriais
(FADNIS et al., 2008; LA MANTIA, 1999). Em particular, a miscibilidade de blendas
poliméricas tem importante papel nas propriedades físicas do produto final e na sua
aplicação (CHIU & MIN, 2000). A miscibilidade é, portanto, determinada pela
formação de uma fase ou mais fases imiscíveis pelos componentes das blendas
poliméricas. A plastificação de um polímero rígido por outro flexível geralmente exige
que exista miscibilidade entre esses polímeros, ou seja, um plastificante polimérico
deve solubilizar no polímero rígido formando uma blenda completamente miscível
(NUNES, 2006).
A mistura de polímeros biodegradáveis pode ser um meio de modificar as
propriedades mecânicas e facilitar o ataque microbiano na matriz polimérica (AMASS
et al., 1998; POSPISIL, 1999; CAMPOS et al., 2003; CAMPOS & MARTINS-
FRANCHETTI, 2005).
Os homopolímeros, componentes das blendas empregadas neste trabalho possuem
as seguintes características:
Polipropileno (PP)
Polipropileno (PP) é um termoplástico de grande importância industrial, por
possuir propriedades mecânicas moderadas e resistência química excelente. Possui alta
temperatura de fusão, alta resistência química e baixa densidade (MOORE, 1996).
É muito utilizado em pára-choques de automóveis, carcaças de eletrodomésticos,
brinquedos, carpetes, tubo para canetas esferográficas, material hospitalar, recipientes
para uso em fornos de microondas e embalagens em geral. Possui uma faixa de
temperaturas de transição vítrea (Tg) entre 4ºC e 12ºC e temperaturas de fusão (T
f
)
entre 165 e 175ºC.
É um termoplástico produzido através da polimerização do monômero propileno
(Figura 1), com um sistema catalítico estereoespecífico, formando cadeias longas. O
3
termo estereoespecífico do catalisador se refere à característica de controlar a
configuração do grupo metila nas cadeias poliméricas de forma ordenada, conduzindo à
construção de longas cadeias em que o grupo metila das moléculas do polipropileno é
arranjado sistematicamente (MOORE, 1996).
Figura 1. Esquema de polimerização do Polipropileno.
O polipropileno pode ser encontrado apresentando três tipos de estruturas
configuracionais, sendo então chamado isotático, sindiotático e atático, figura 2:
• Isotático: é o tipo de estrutura apresentado pelo polipropileno comercial normal,
apresentando uma cadeia com todos os grupos metila posicionados para o mesmo lado
quando a cadeia está na conformação zigue-zague planar. Esta regularidade do PP
isotático permite que ele se cristalize.
• Sindiotático: nesta estrutura, os grupos metila estão ordenados de forma
alternada de um lado e de outro da cadeia polimérica, isto é, na conformação zigue-
zague planar.
• Atático: apresenta distribuição aleatória dos grupos metila. Neste caso, não há
taticidade e não há cristalinidade, sendo então um polímero amorfo.
4
Figura 2. Formas configuracionais do polipropileno; R = CH3.
Poli(álcool vinílico) (PVA)
PVA é um polímero sintético solúvel em água, produzido pela hidrólise do
poli(acetato de vinila), amplamente utilizado como adesivo, em produtos têxteis e em
produtos biodegradáveis, no entanto, os efluentes de PVA das indústrias têxteis são os
principais poluentes. O PVA é difícil de degradar no meio ambiente, portanto, deve ser
removido dos efluentes antes de ser descartado (CHEN et al., 2007). Possui ponto de
fusão entre 180 a 240ºC, Tg = 85ºC e degrada a 150ºC.
5
As propriedades básicas desse material dependem muito da porcentagem de
hidrólise, polimerização, distribuição de grupos hidroxilas, estereoregularidade e
cristalinidade (SOLARO et al., 1998).
Sua estrutura está representada na figura 3.
Figura 3. Fórmula estrutural do PVA
Poli(
H
-caprolactona) (PCL)
Poli(caprolactona) (PCL) é um poliéster sintético alifático e biodegradável,
bastante aplicado na área biomédica, como dispositivos para uso temporário,
implantados em organismos vivos (ZHAO et al., 2008; ALBERTSSON &
KARLSSON, 1996). Degrada internamente no corpo após interagir com células,
fluidos e enzimas, resultando em molécula de baixa massa molar, que pode ser
absorvida pelo corpo e/ou removida pelo metabolismo (WU & GAN, 1998; KWEON et
al., 2003). No setor agrícola, o PCL é utilizado em embalagens de mudas de árvores
(DARWIS et al., 1998).
O polímero semicristalino (60% cristalino) possui baixo ponto de fusão (60ºC)
inclusive para amostras com massa molar média de 80.000 g/mol. A temperatura de
transição vítrea ocorre bem abaixo da temperatura ambiente (-60ºC) e o polímero possui
baixa força tênsil (23 MPa), porém possui alta elasticidade (!700%). Outra propriedade
do PCL é a sua facilidade para formar blendas compatíveis com diversos outros
polímeros. PCL com alta massa molar tem sido utilizado como termoplástico em
adesivos e também misturado com outros polímeros, inclusive com o PVC (AMASS et
al., 1998). Sua formula estrutural está apresentada na figura 4.
6
Figura 4. Fórmula estrutural do PCL.
Poli(cloreto de vinila) (PVC)
O poli (cloreto de vinila) (PVC) é o segundo termoplástico mais consumido em
todo o mundo, com uma demanda mundial de resina superior a 35 milhões de toneladas
no ano de 2005, sendo a demanda mundial de produção de resinas de PVC estimada em
cerca de 36 milhões de toneladas ao ano. Dessa demanda total, 21% são consumidos na
América do Norte (principalmente nos Estados Unidos), 20% na China, 18% nos países
da Europa Ocidental e 5% no Japão. O Brasil foi responsável pelo consumo de cerca de
2% da demanda mundial de resinas de PVC (NUNES, 2006). É muito utilizado em
recipientes e film
es para embalagens, conduítes, solados, forros, cortinas, bandejas,
capas e canos de tubulação (SHAH et al., 2008; ANON, 1997). Muitos polímeros são
misturados com o PVC, para melhorar as suas propriedades mecânicas e aumentar sua
aplicabilidade na indústria e no comércio (KARAL et al., 1997).
O PVC é um polímero obtido principalmente pelo processo de polimerização em
suspensão. Possui rápida gelificação, alta fluidez do fundido, alta transparência, brilho e
boa estabilidade térmica. Devido a sua estrutura molecular, o PVC é obtido a partir de
57% de insumos provenientes do sal marinho ou da terra (sal gema) e 43% de insumos
provenientes do petróleo e do gás natural. A presença do átomo de cloro em sua
estrutura molecular torna o PVC um polímero naturalmente resistente à propagação de
chamas, contribuindo para aplicações nas quais o retardamento de chama é item
desejado, tais como em fios e cabos elétricos, eletrodutos e forros/revestimentos
residenciais. Além disso, o grande teor de cloro que aumenta sua afinidade e permite
sua mistura com uma gama de aditivos (NUNES, 2006). Sua temperatura de transição
vítrea (Tg) está entre 80ºC e 86ºC. Possui temperatura de fusão relativamente baixa, à
130ºC e em condições normais de uso é considerado amorfo (EKENSTEIN et al.,
1997). Sua fórmula estrutural é:
7
Figura 5. Fórmula estrutural do PVC.
2.2. Biodegradação
Estudos de biodegradação in vivo e in vitro, são importantes tanto para minimizar
os efeitos dos resíduos plásticos sintéticos descartados no meio ambiente, como para
melhorar a aplicação dos polímeros biodegradáveis às áreas médicas e de embalagens
(WU & GAN, 1998).
A biodegradação dos polímeros ocorre, basicamente, por dois mecanismos
distintos, dependendo da natureza do polímero e do meio (SCOTT, 2000): hidrólise
biológica e oxidação biológica.
Hidrólise biológica é a hidrólise catalisada por enzimas hidrolases. Certas
enzimas proteolíticas (proteases) catalisam a hidrólise de ligações peptídicas e outras
catalisam a hidrólise de ligações éster (CHANDRA & RUSTGI, 1998). Este mecanismo
é seguido pela oxidação biológica das cadeias poliméricas (catalisada pelas oxigenases),
quebra das mesmas, gerando cadeias menores e bioassimilação destas pelos
microrganismos. Este processo ocorre em heteropolímeros, tais como celulose, amido e
poliésteres alifáticos, dos quais os PHAs são típicos (SCOTT, 2000). Os grupos ésteres
deste polímero são facilmente hidrolisáveis, pela ação enzimática das esterases de
fungos (CHANDRA & RUSTGI, 1998).
Oxidação biológica ocorre com a introdução de grupos peróxidos nas cadeias
carbônicas, por ação das mono-oxigenases e dioxigenases, ocorrendo quebra das
cadeias, seguida por bioassimilação de produtos de baixa massa molar, como ácidos
carboxílicos, aldeídos, cetonas. Este mecanismo se aplica essencialmente a polímeros
apenas de cadeias carbônicas. A degradação pode ser controlada pelo uso apropriado de
antioxidantes. A bioassimilação começa tão logo forem formados produtos de baixa
8
massa molar no processo de peroxidação (LUCAS et al., 2008; CHANDRA &
RUSTGI, 1998; SCOTT, 2000).
Em geral, a velocidade de hidrólise dos polímeros é controlada por várias
propriedades, incluindo estrutura, área superficial e morfologia. A suscetibilidade de
polímeros à degradação enzimática é determinada pela relação entre propriedades e
estrutura. Os microrganismos secretam enzimas que quebram o polímero em blocos
moleculares menores, hidroxiácidos, que são utilizados como fonte de carbono para o
crescimento destes microrganismos. Neste sentido é conhecido, por ex., o desempenho
das enzimas despolimerases de Penicillium funiculosum e Aspergillus fumigatus na
biodegradação de poliésteres bacterianos. A incubação de filmes de PHB e PHB-V em
lodos anaeróbios mostrou significativa degradação em um tempo de 6 a 10 semanas, a
37ºC, monitorada por perda de massa dos filmes e formação de biogás. PHB foi
degradado anaerobicamente (23% de perda de massa), mais rapidamente que o
copoliéster PHB-V (22,5% de perda de massa). PCL degradou mais lentamente e menos
(7,6% de perda de massa) que os poliésteres naturais PHB e PHB-V (ABOU-ZEID et
al., 2001). Outro estudo revelou que lipase de Pseudomonas é capaz de acelerar a
biodegradação do PCL e esta ocorre principalmente na superfície da matriz, pois é
difícil para uma enzima hidrofílica difundir para o interior do polímero hidrofóbico
(WU & GAN, 1998).
A biodegradação sob ação de enzimas pode ser caracterizada por: medidas de
massa molar (GPC), pela presença de grupos polares (FTIR), pelas mudanças nas
propriedades mecânicas (DMTA), pelas mudanças de estrutura de microfase
(Calorimetria Exploratória Diferencial – DSC) ou pela estrutura de macrofase (MEV)
(ZHUCHOWSKA et al., 1999). A biodegradação envolve não só a ação de enzimas
como também outros mecanismos de interação entre microrganismos e a superfície
polimérica e pode ser chamada de biodegradação (FLEMMING, 1998).
A biodegradação é um processo interfacial, em que os microrganismos atacam e
colonizam as superfícies poliméricas na forma de biofilmes, os quais são uma mistura
de microrganismos, água, polissacarídeos e proteínas que, em contato com o polímero
sintético, causam algumas modificações, entre elas: cobertura da superfície, mascarando
suas propriedades superficiais e contaminando o meio adjacente; aumento da dessorção
9
de aditivos e monômeros para fora da matriz; ataque ao polímero por enzimas; acúmulo
de água e penetração na matriz com filamentos microbianos, causando intumescimento
e aumento de condutividade e, excreção de pigmentos microbianos lipofílicos que
colorem o polímero (LUCAS et al., 2008).
A biodegradação é então um processo muito complexo, que depende das
condições do meio, dos tipos de microrganismos e outros organismos e da e da estrutura
do substrato, inclusive o polímero. Se o polímero for biodegradável, isto é, com
estrutura de cadeias alifáticas e grupos funcionais hidrolisáveis, o processo pode
ocorrer, sob certas condições do meio (pH, umidade, oxigênio, etc), de maneira mais
direta por ação de enzimas: hidrólise e subseqüente oxidação (AMASS et al., 1998). Se
o polímero não tiver grupos funcionais, como ésteres, pode haver degradação, mas não
chegando a mineralização do polímero até os produtos finais: água e dióxido de carbono
ou metano. A superfície polimérica pode ser inerte ao ataque microbiano, sendo apenas
um suporte para o crescimento bacteriano (MARTINS-FRANCHETTI &
MARCONATO, 2006).
Os microrganismos podem agir de diferentes maneiras sobre a superfície
polimérica: por deposição de material extracelular excretado por eles (“fouling”); por
degradação de compostos extraídos (lixiviados) do polímero; por corrosão – isto é, pela
ação do biofilme e de seu gradiente de pH e potencial de óxido-redução, que ajudam na
deterioração do polímero. Corrosão deste tipo ocorreu em isolantes elétricos,
poliuretanas, usados em vários equipamentos do aeroporto de Zurique, entre 1967 e
1969, que foram completamente deteriorados pela colonização e penetração de fungos
nos equipamentos. Os microrganismos podem agir também, por hidratação e
penetração, devido à composição do biofilme (95% de água), ele se constitui de um
eletrólito e aumenta a condutividade na superfície do polímero e isto leva a falhas no
funcionamento de equipamentos elétricos. As hifas de fungos podem penetrar no
material polimérico e provocar diminuição de sua estabilidade mecânica; podem colorir
o filme polimérico – isto é, o biofilme pode conter microrganismos que produzem
pigmentos lipofílicos que difundem na superfície da matriz polimérica (FLEMMING,
1998).
10
A degradabilidade de materiais poliméricos está relacionada com a estrutura do
material na presença da população microbiana degradativa e condições ambientais
apropriadas ao crescimento microbiano. Os materiais, incluindo metais, minerais
inorgânicos e polímeros orgânicos são suscetíveis à formação de biofilmes microbianos
em sua superfície. A formação de biofilmes é um pré-requisito para a corrosão
substancial e/ou a degradação dos materiais. Todas as superfícies podem agir como
substratos para a adesão microbiana e a formação de biofilmes. O ataque dos
microrganismos no material polimérico depende da especificidade dos microrganismos,
das propriedades químicas e físicas dos materiais e das condições ambientais. O
biofilme formado, neste caso, consiste de uma mistura de microrganismos embebidos
em uma matriz orgânica de biopolímeros, produzidos por estes microrganismos, em
condições naturais. Precipitados microbianos, minerais e produtos de corrosão podem
também coexistir (GU, 2003).
Blendas poliméricas oferecem a possibilidade de preparar materiais
biodegradáveis com diferentes propriedades mecânicas (BHATT et al., 2008) e facilitar
o ataque de microrganismos na superfície polimérica (CAMPOS et al, 2003)
Blendas de polipropileno isotático (i-PP) e sindiotático (s-PP) foram estudadas
por calorimetria exploratória diferencial, que mostrou a não diminuição esperada do
ponto de fusão destas blendas. A porcentagem de cristalização do i-PP e do s-PP foi
diferente em cada caso, com duas fases completamente separadas. A temperatura de
cristalização do i-PP foi maior quando comparada com o s-PP (THOMANN et al.,
1996).
Blendas de poli(caprolactona)-poli(etileno glicol) (PCL/PCE) copolimerizada
com poli(propileno) (PP) foram extrudadas por molde de compressão e investigadas
quanto à compatibilidade e degradação. Os resultados mostraram que a fase do PCE
tende a se dispersar em discretas partículas na matriz do PP, na blenda de PP/PCE
75/25. Anidrido maleico (MA) misturado com PP melhora a compatibilidade entre PCE
e PP eficientemente, apresentando diminuição de massa e força tênsil. Além disso, a
blenda de PP/PCE compatibilizada com MA é mais hidrofílica que a blenda sem MA
(TJONG et al., 1999).
11
Mejía e colaboradores (2007) estudaram o comportamento físico e mecânico dos
homopolímeros e das blendas de PP/amido e PP/Mater-Bi -60% de amido termoplástico
e 40% de copolímero (álcool etileno vinílico) (EVOH) (VALLÉS-LLUCH et al., 2002)
para serem empregadas em plantações das regiões tropicais da Colômbia. Os resultados
mostraram que a condição de exposição ambiental estudada induziu a um baixo nível de
degradação nos diferentes materiais. No entanto, o amido e o biopolímero Mater-bi
reduzem a força tênsil do PP devido à baixa adesão interfacial.
Tsuji (2002) analisou a biodegradação de poliésteres (PCL, PLLA e PHB) em
solo com temperatura controlada a 25ºC, no qual os filmes permaneceram durante 12 a
16 dias. Verificaram que a biodegradabilidade dos filmes poliésteres alifáticos obtidos
por evaporação de solvente diminuíram na seguinte ordem: PCL!PHB!PLLA.
Alguns microrganismos puros, de culturas mistas e comensalistas, capazes de
degradar o PVA foram identificados (SOLARO et al., 1998). Sua biodegradação segue
dois caminhos oxidativos diferentes, por intermédio da enzima oxidase álcool
secundário (SAO) e da hidrolase (BDH). O primeiro está baseado no consumo de O
2
e
produção de H
2
O
2
durante a reação, produzindo E-dicetonas ativadas ou grupos cetonas.
O segundo envolve a quebra hidrolítica destas cetonas (CORTI et al., 2002;
CHIELLINI et al., 2003).
SAO de espécies de Pseudomonas catalisou a oxidação de oligômeros de álcool
vinílico com massa molar na faixa de 220-1500, como E-cetonas alifáticas (5-hidroxi-3-
pentanona, 4-hidroxi-2-nonanona, 3-hidroxi-5-nonanona, 7-hidroxi-5-dodecanona e 8-
hidroxi-6-tridecanona). A E-dicetona suportou a clivagem hidrolítica pela E-hidrolase
específica de dicetona, produzida e excretada na cultura pela mesma bactéria. Quando a
cadeia carbônica possui diferentes tamanhos ao lado da E-dicetona, a clivagem
hidrolítica acontece no lado que for menor, produzindo a metil cetona e ácido
carboxílico do maior e menor segmento, respectivamente (CHIELLINI et al., 2003).
Baseado nesses resultados, duas enzimas produzidas por espécies de Pseudomonas
biodegradaram o PVA (Figura 6).
12
Figura 6. Biodegradação do PVA por oxidase álcool secundário (SAO) e
hidrolase E-dicetona (BDH) (CHIELLINI et al., 2003).
Filmes de PCL, PVA e suas blendas foram incubadas na presença de
microrganismos isolados de um composto industrial. O PCL puro foi completamente
assimilado pelos microrganismos nos períodos de 600 a 800 horas. O PVA puro não é
degradado mesmo quando exposto por longo tempo. A blenda PVA/PCL também não
foi alterada com a presença desses microrganismos. Através de análises de consumo de
oxigênio e angulo de contato, verificou-se que o PVA forma um filme protetor na
superfície do PCL. Como o PVA não é biodegradável, segundo Kesel e colaboradores
(1999), a superfície do PCL não foi acessível aos microrganismos.
Blendas de filmes de PHBV/PVA foram estudadas na presença de água de rio em
meio mineral. Através de análises de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), ângulo
13
de contato e reflectância total atenuada – infra vermelho com transformada de Fourier
(ATR-FTIR), verificou-se que os filmes foram afetados em suas fases estruturais e nas
propriedades superficiais. Os polímeros apresentaram maior biodegradação quando
presentes na blenda, o que aumentou a hidrofilicidade e diminuiu a cristalinidade,
devido à presença de PVA na blenda (IKEJIMA et al., 1998).
Filmes de PVA contendo 25% de lignina foram irradiados com luz UV durante
diferentes períodos de tempo, apresentando um aumento na estabilidade térmica, o que
se deve à incorporação de lignina em filmes de PVA (BITTENCOURT et al., 2004).
Superfície de blendas de PVA com amido e glicerol foram modificadas com
quitosana e analisadas por microscopia de força atômica, ângulo de contato, MEV,
FTIR e difração de raios-X. Para todas as técnicas utilizadas a blenda PVA/amido
mostrou a formação de um filme flexível e homogêneo (JAYASEKARA et al., 2004).
Bactérias degradadoras de PVA foram isoladas de várias fontes, como lodo ativo
de águas têxteis, solo de cultivo e de folhagens. Através do método modificado de
Sturm, foi medido a mineralização do PVA em CO
2
. As bactérias selecionadas
(Cardiobacterium sp, Achromobacter cholinophagum) mostraram alta atividade em
degradar o PVA, com 75% de PVA, 0,01% mineralizado, durante 46 dias com o método
de Sturm modificado (LEE & KIM, 2003).
Cultura mista, capaz de degradar completamente 1g L
-1
de PVA completamente,
foi isolada de lodo da Indústria Têxtil do Pacífico da China. Essa cultura mista,
composta por sete bactérias, tem a capacidade em degradar PVA com baixa
polimerização e alta saponificação. Fonte de nitrogênio inorgânico foi mais apropriada
no crescimento da cultura mista e degradação do PVA do que fonte de nitrogênio
orgânico. Pequenas moléculas de PVA foram encontradas em extrato celular da cultura
mista, indicando que a degradação de PVA pela cultura mista é de fato provocada pela
ação conjunta de enzimas extracelulares e intracelulares (CHEN et al., 2007).
Filmes de PVA e PVA-oxálico apresentaram redução de massa quando em
contato com a cultura de Pseudomonas aeruginosas de 15% e 6% respectivamente.
MEV confirmou algumas mudanças morfológicas e a análise termogravimétrica (TG)
14
mostrou a perda de massa dos polímeros que sofreram ação dos microrganismos (ZENI
et al., 2004).
Tokiwa e colaboradores (2001) estudaram um método para isolar bactérias que
degradam PVA, adicionando catalase ou peroxidase em meio de ágar contendo PVA.
Verificaram que bactérias gram-negativas, do grupo proteobactérias, degradaram PVA
de alta massa molar após 1 dia, produzindo oligômeros de PVA, verificado por GPC.
2.3. Solo e microrganismos
O solo é um sistema bastante complexo e de sua composição e propriedades
depende a população microbiana. Dentre as propriedades, estão a composição do solo,
a umidade, o pH e a textura (areia, silte e argila). Nos experimentos em coluna de solo,
este deve ser preparado para ter uma umidade padrão, cerca de 60%, chamada
capacidade de campo (CETESB, 1990). O solo contém minerais dissolvidos e materiais
orgânicos solúveis, bem como o ar entre as partículas do solo (REICHARDT, 1986).
A aeração é um fator essencial para a degradação. Sem um suprimento suficiente
de oxigênio, o processo se torna anaeróbio, retarda a degradação da matéria orgânica e
produz odores desagradáveis. A aeração também ajuda a manter a temperatura ideal
para os microrganismos (LOPES FILHO et al., 2005). A umidade considerada ideal
para o processo varia de a 50% a 70% (CETESB, 1990). Níveis muito baixos de
umidade (abaixo de 30%) inibem a atividade microbiana, enquanto que, um meio muito
úmido (acima de 70%) resulta em decomposição lenta, condições de anaerobiose e
lixiviação de nutrientes (LOPES FILHO et al., 2005).
A faixa de pH entre 5,5 e 8,5 é considerada ótima para os microrganismos
responsáveis pela degradação (LOPES FILHO et al., 2005; CETESB, 1990).
A textura do solo refere-se à distribuição das partículas em termos de tamanho.
Solo classificado como franco, apresenta as três frações: areia, silte e argila, em
proporções bem equilibradas. Possui menos que 52% de areia, 7 a 27% de argila e 28 a
50% de silte (REICHARDT, 1986). A água é retida no solo, isto é, em seus poros,
devido a fenômenos de capilaridade e adsorção. A capilaridade está ligada à afinidade
entre partículas sólidas e a água. Muitos fatores afetam a retenção de água no solo. O
principal deles é a textura, pois ela, diretamente, determina a área de contato entre as
15
partículas sólidas e a água e determina as proporções de poros de diferentes tamanhos.
A matéria orgânica, quando coloidal, também apresenta boas propriedades de retenção
de água (REICHARDT, 1986).
A ação dos microrganismos do solo está relacionada ao efeito adesivo de
polissacarídeos extracelulares provindos de hifas e de bactérias que diminuem a
destruição de agregados por aumentar sua resistência ao umedecimento (DUFRANC et
al., 2004).
Um dos fungos degradadores de macromoléculas persistentes no meio ambiente,
Phanerochaette chrysosporium é reconhecidamente importante na área de
biodegradação, como degradador de antracenos (MOHAMMADI & NASERNEJAD,
2008) e hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PHAs), por exemplo (ZHANG et al.,
2008)
O estudo da microbiota utilizando meios de cultura apresenta grandes limitações
(AMANN et al., 1995), já que somente uma pequena porcentagem (0,1 a 0,5%) dos
microrganismos do solo podem ser cultivados em laboratório (TORSVIK et al., 1990).
Além disso, os microrganismos que conseguem crescer em meios de cultura não são
necessariamente dominantes no meio natural de onde foram retirados, havendo uma
seleção muito forte em função da habilidade do microrganismo em se desenvolver em
meio com altas concentrações de nutrientes e geralmente em condições aeróbias
(MUYZER & RAMSING, 1995).
A adição de certas substâncias ao solo, como por exemplo, o chorume (resíduo de
aterros sanitários), que contém uma microbiota diversificada, pode influenciar nos
processos biodegradativos (MARTINS-FRANCHETTI & MUNIZ, 2002).
Positivamente, o chorume pode ser utilizado como fonte de nutrientes no cultivo de
plantas, por possuir altas concentrações de compostos orgânicos e inorgânicos (SILVA
FILHO et al., 2005).
A composição físico-química do chorume é extremamente variável dependendo
de fatores que vão desde as condições pluviométricas locais, tempo de disposição e das
características do próprio lixo (BERTAZZOLI & PELLEGRINI, 2002).
16
2.4. Métodos de Determinação da Biodegradação de Polímeros e Blendas.
Os métodos mais comumente empregados para avaliar a biodegradabilidade de
polímeros são: plaqueamento em Agar, marcação com
14
C radiativo, enriquecimento do
solo, zona clara e evolução de CO
2
(AUGUSTA et al., 1993).
A evolução de CO
2
pode ser analisada pelo método respirométrico de Bartha
(CETESB, 1990). O ensaio permite estimar o tempo de estabilização de um resíduo
orgânico quando disposto no solo.
O comportamento da respiração do solo tem sido considerado como indicador da
sua atividade microbiana, bem como do efeito de toxicidade e da biodegradação de
compostos orgânicos adicionados ao solo. O comportamento da respiração pode ser
avaliado através da medida do gás carbônico produzido, durante a biodegradação dos
compostos orgânicos (CETESB, 1990). Pode-se determinar a taxa de aplicação
adequada para determinados tipos de solo e ainda verificar a possibilidade de detecção
de agentes tóxicos que inibem a população microbiana do solo.
A Norma Técnica L 6.350 da Cetesb (1990) considera que a medida de CO
2
produzido nos respirômetros pode ser efetuada em sistemas de análise em fluxo
contínuo ou em sistemas fechados. Os sistemas de fluxo contínuo constituem-se por
câmaras de incubação por onde se faz passar um fluxo de ar isento de CO
2
, sendo o ar
efluente borbulhado em solução alcalina para remover o CO
2
produzido pela respiração
dos microrganismos do solo. O gás carbônico gerado é então medido pelo sistema
contínuo, por método químico.
O respirômetro de Bartha é um sistema fechado, formado por duas câmaras
integradas, onde ocorre a biodegradação e a remoção do CO
2
, produzido para a
quantificação, determinado através da análise química.
Kataoka (2001) investigou a degradação de resíduo proveniente de refinaria de
petróleo denominado borra oleosa. O resíduo foi submetido à biodegradação,
utilizando-se microrganismos isolados de áreas que estavam sendo expostas a este tipo
de material, sendo que o acompanhamento da biodegradação foi realizado através da
respirometria e da cromatografia gasosa. Os dados obtidos com a evolução de CO
2
nos
respirômetros de Bartha indicaram que os resíduos podem ter importante influência no
17
aumento da taxa de biodegradação, com a inoculação de microrganismos
adequadamente selecionados.
Solaro e colaboradores (1998) investigaram a degradação de diferentes materiais
poliméricos (PHB/HV, PCL, PVA e celulose) em solo. Os poliésteres biodegradáveis
apresentaram significativa mineralização, mostrando que a mineralização de PCL,
PHB/HV e celulose ainda continuava após 120 dias de incubação.
Estudos sobre efeitos da eletrólise em efluente simulado com o composto
Flexzone 3P (amina aromática n-fenil-n-isopropil-p-feniladiamina) em diferentes
tempos de tratamento (5, 15, 30, 45 e 60 min) foram analisados por respirometria de
Bartha. O tempo de eletrólise de 5 min foi o que apresentou melhor resultado na
biodegradação do que os demais períodos de tratamento, no ensaio de respirometria
(INAZAKI et al., 2004).
Coneglian e colaboradores (2006) verificaram que adicionando borra oleosa no
solo, a biodegradação de resíduos de petróleo foi mais eficiente. Aplicando-se lodo
biológico nas mesmas taxas da borra oleosa, a respiração ocasionada pela
biodegradação não sofreu diferenças quantitativas.
Outras técnicas são empregadas para investigar alterações na superfície
polimérica, quando em contato com sistemas vivos, dentre eles destacam-se a
espectroscopia fotoeletrônica de raios-X (XPS), a microscopia eletrônica de varredura
(MEV), a espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e com
refletância atenuada (IR-ATR), medidas de ângulo de contato e DSC (RATNER et al.,
1993; CANEVAROLO, 2004).
Filmes de PVC fotodegradados apresentam no infravermelho mudanças na faixa
de 1800 à 1700 cm
-1
, relativas ao surgimento de grupos carbonílicos e polienos. FTIR
determina a presença e concentração da carbonila a 1720 cm
-1
(ANTON-PRINET et al.,
1998). FTIR é empregado em estudos de miscibilidade de blendas poliméricas tais
como: polihidroxibutirato-co-polihidroxivalerato (PHB-co-PHV) e poli(cloreto de
vinila) (PVC), sendo 8% de hidroxivalerato (HV), mostrando o estiramento da carbonila
na faixa de 1722 e 1740 cm
-1
, atribuídas as fases cristalina e amorfa, respectivamente.
Verificou-se, neste estudo, um aumento da largura da banda da carbonila, com aumento
18
do conteúdo de hidroxivalerato (de 8 para 19%) no copolímero PHB-HV, não havendo
alterações de posição do máximo da banda.
Esta técnica também foi utilizada para detectar produtos de oxidação em filmes de
PVC fototratados por UVA, a 50ºC (HOLLANDE & LAURENT, 1997), sendo
utilizada rotineiramente para estimar a identidade e concentração de espécies
absorventes em sistemas de multicomponentes como as blendas (POSPISIL, 1999).
Blendas de PVC/Polipirrol, preparadas por polimerização oxidativa do pirrol, na
fase de vapor, foram caracterizadas por ATR/FTIR, que sugeriu que a polimerização
ocorre de preferência na superfície da matriz produzindo estruturas do tipo sanduíche
(GUMARGALIEVA et al.,1999; XU & GUO,1995).
A estrutura e a morfologia do PVA foram determinadas por infravermelho,
difração de raio-X e MEV. Os filmes irradiados com radiação gama acima de 20 mrad
tiveram a coloração mudada para amarelo-amarronzado. A cristalinidade diminuiu e
foram observadas mudanças, revelando a possibilidade de liberação de –H, grupos –OH
e cisão na cadeia (BHAT et al., 2006).
Fernandes e colaboradores (2006) estudaram a estabilidade térmica e fotoquímica
da blenda lignina/PVA. As análises FTIR, RMN, DSC e TG sugeriram que ocorrem
interações intermoleculares entre hidroxilas do PVA com grupos polares da lignina,
como aminas, carbonilas, carboxilas e outros.
Karal e colaboradores (1997) estudaram a blenda poli(H-caprolactona)/poli(dimetil
siloxano)/poli(H-caprolactona)/poli(cloreto de vinila) (PCL-PDMS-PCL/PVC),
mostrando ter apenas uma temperatura de transição vítrea (Tg), o que sugere uma
interação entre os segmentos de dois polímeros, indicando portanto miscibilidade. O
resultado deste experimento foi confirmado pela diminuição da Tg com a adição do
PVC.
A degradação da blenda PCL/P(DL)LA em solução tampão de fosfato com
Pseudomonas lípase (PS) foi estudada por Gan e colaboradores (1999), mostrando que a
mistura de um polímero semicristalino, como o PCL, com um amorfo, como o
P(DL)LA, pode formar estruturas cristalinas. A presença de um novo pico no DSC
19
desta blenda após a degradação foi atribuído à cristalização de uma fração de
macromoléculas, resultante do processo degradativo.
A blenda de PHB/PHV na presença de Phanerochaete chrysosporium,
Penicillium simplicissimum e Aspergillus fumigatus foi analisada por DSC,
apresentando aproximadamente 10% de diminuição de cristalinidade, após 44 dias de
degradação e redução da massa molar (RENSTAD et al., 1999). Esta blenda mostrou
excelente biodegradabilidade em solo, o que resultou num compromisso entre as
propriedades biodegradativas e as propriedades físicas (ponto de fusão) (RIZZARELLI
et al., 2004).
A cristalização e a morfologia dos esferulitos do PCL em blendas miscíveis de
PCL/PVC, PCL/poli(hidroxieter de bifenol) (resina fenólica) e PCL/poli(bifenol
carbonato A) (PC), foram investigadas por DSC e microscopia de luz polarizada. Com a
comparação da morfologia do PCL cristalino com a energia de interação entre os
componentes miscíveis destas blendas, verificou-se que a adição de um componente não
cristalizável tem um ótimo efeito na formação de esferulitos (MA et al., 2001).
Chiu e colaboradores (2000) estudaram a miscibilidade, morfologia e
propriedades tênsil da blenda PVC/PCL. Verificaram que o tamanho dos cristais de
PCL formados na blenda, não são influenciados pelo grupo Cl do PVC. No entanto, a
cristalinidade do PCL diminui com o aumento de grupos Cl do PVC na blenda.
Blenda de PCL e PVA foi obtida por evaporação da solução dos dois
componentes em hexafluorisopropanol. A miscibilidade da blenda da fase amorfa tem
sido estudada pelos métodos convencionais (FTIR, microscopia ótica e DSC) e RMN. A
separação de fases é observada na fusão. A não redução da T
f
e a Tg a baixa
temperatura (próxima do PCL puro), confirma a hipótese de separação de fases na fase
amorfa da blenda (KESEL et al., 1999).
O ângulo de contato é um método utilizado para verificar hidrofilicidade ou
hidrofobicidade da matriz polimérica (CHEN et al., 2008; CAMPOS et al., 2007). A
aderência bacteriana a lentes intra-oculares de silicone e poli(metil metacrilato)
(PMMA)foi verificada utilizando-se um modelo in vitro com três microrganismos
patogênicos: Staphilococcus aureus, Staphilococcus epidermidis e Pseudomonas
20
aeruginosa. Pseudomonas aeruginosa apresentou uma maior aderência em ambos os
materiais. Silicone foi o material mais hidrofóbico, quando comparado com poli(metil
metacrilato) (LOCATELLI et al., 2004).
Filmes de blendas de PVC/PCL obtidos por evaporação de dicloroetano foram
submetidos ao tratamento microbiano em solo e solo com chorume, mostrando que após
4 meses de tratamento, os filmes apresentaram maiores degradações superficiais quando
tratados em solo com chorume. Essas mudanças indicaram aumento de hidrofilicidade,
observadas por medidas de ângulo (CAMPOS et al, 2007).
A morfologia dos polímeros tem sido extensivamente investigada através de
técnicas microscópicas tais como (MEV e Microscopia Eletrônica de Transmissão,
MET) e isto contribui para elucidar propriedades e comportamentos de materiais
poliméricos (KACZMAREK, 1996).
O uso de MEV para examinar as superfícies das amostras pode revelar
importantes detalhes sobre a maneira como as células microbianas aderem à superfície
do polímero (CARR et al., 1996). Fotomicrografias eletrônicas de amostras de PVC
expostas em outdoor, durante 11 anos, apresentaram sua superfície alterada pela
presença de irregularidades ou grãos, atribuídos à perda de HCl do PVC, semelhantes
aos observados em PVC exposto ao arco de mercúrio (1000 horas) (CARLSSON et al.,
1998). Filmes finos de PVC submetidos ao tratamento biológico, em chorume (líquido
residual escuro, rico em microflora, coletado em lixões municipais), apresentaram
numerosas bolhas em sua superfície, verificadas através de MEV (MARTINS-
FRANCHETTI et al., 1999).
Como o PVA é solúvel em água, é viável determinar a sua concentração através
do método espectrofotométrico, que é baseado na coloração verde produzida pela
reação de PVA com I
2
-KI na presença de ácido bórico (NOGUCHI et al., 1998).
A formação do complexo PVA-iodo é semelhante à do complexo amido-iodo, isto
é, formação de iodo polimerizado dentro da cadeia helicoidal do amido, bem como a
formação de íons iodo na cadeia helicoidal das moléculas de PVA. As reações químicas
de equilíbrio de iodo-amido, aparentemente simples, são apresentadas na figura 6a, no
21
entanto, complexo de iodo-amido real, similar ao de iodo-PVA, são complicados
(CHETRI et al., 2007).
Figura 6a. Mecanismo de desidratação do PVA catalisado por I
2
-KI.
A biodegradação de filmes poliméricos exige pesquisa intensiva, dada a
complexidade do processo degradativo e a dependência de muitos fatores envolvidos: a
natureza do polímero (propriedades e morfologia) e as condições do meio onde vivem
os microrganismos, bem como o tipo e espécie de microrganismos. Na análise dos
filmes é necessário um conjunto de métodos de caracterização, que nem sempre elucida
completamente o processo biodegradativo, podendo, no entanto, indicar caminhos e
mecanismos deste complexo processo.
22
3. MATERIAL E MÉTODOS
Polímeros
Poli(H-caprolactona) (PCL) (da Solvay – K-6800) - MY: 85.000g/mol; Tg: -71ºC;
T
f
: 60ºC; 'H
m
: 58J/g.
Poli(cloreto de vinila) (PVC) (Sigma-P-9401) - MY:73,491, Tg: 82ºC; T
f
: 180ºC.
Polipropileno (PP) Suzano Petroquímica S.A. (TS6100); MY; 145.000 g/mol, 4-
12ºC; T
f
: 165-175ºC; 'H
f
: 69J/g e 'H
c
: 68,9J/g.
Poli(álcool vinílico) MY: 70.000 - 100.000 g/mol; Tg: 85ºC, hidrólise: 86,1%.,
T
f
: 230-240ºC
Preparo dos filmes
Os filmes de PVC, PCL, PVA e blendas PVC/PCL (1:1 w/w), PVA/PCL (4:1
w/w) e PVA/PVC (1:1 w/w), foram obtidos pela evaporação de soluções diluídas de
dimetilformamida (DMF).
Filmes de PVC/PCL foram obtidos a 60ºC, com agitação magnética durante
aproximadamente 1 hora. Depois disso, os filmes foram colocados em placa de inox e
levados em uma estufa à vácuo, a 50ºC e 100 mmHg para a evaporação do solvente.
Os filmes de PVA e PCL foram obtidos a 80ºC, com agitação magnética durante
aproximadamente 1 hora (Fig.7). Depois disso, os filmes foram colocados em placa de
inox secos em estufa à vácuo, a 65ºC e 500 mmHg. A blenda de PVA/PCL 4:1 foi
solubilizada, com os dois polímeros juntos em um béquer, com DMF a 80ºC e secos em
placa de inox, à 65ºC e 500 mmHg. Os filmes da blenda PVC/PVA 1:1, foram obtidos
da mesma maneira que PVA/PCL, porém foram solubilizados separadamente nos
primeiros 15 minutos e após, as soluções foram misturadas e agitadas por mais 30
minutos, a 70ºC, para evitar separação de fases. Da evaporação desta solução a 65
0
C e
100 mmHg, obteve-se o filme da blenda (Fig.7). Todos os filmes foram secos em
dessecador à vácuo durante 48 horas antes do tratamento microbiano (Fig. 7).
Os filmes de PP, PCL e PP/PCL (1:1 w/w) foram obtidos por fusão, em uma
prensa hidráulica - SOLAB, a 170ºC, 1 ton, 5 minutos (Fig. 8).
Os polímeros foram misturados manualmente em almofariz e em seguida,
colocados entre folhas de teflon para a fusão na prensa e obtenção do filme PP/PCL 1:1.
23
Figura 7. Preparo dos filmes PVC, PCL, PVA, PVC/PCL 1:1, PVA/PCL 4:1 e
PVA/PVC 1:1.
Figura 8. Preparo dos filmes PP, PCL e PP/PCL 1:1.
3.1. Medidas de massa
Foram feitas medidas de massa dos filmes antes e após o tratamento microbiano,
em balança analítica.
A degradação microbiana pode ser expressa como porcentagem de perda de
massa.
Perda de Massa (%) = (W
0
– W
1
)/ W
0
x 100% (DARWIS et al., 1998)
Seca
g
em em estufa a vácuo
24
Onde: W
0
= massa do filme original
W
1
= massa do filme após tratamento microbiano
3.2. Tratamento microbiano
Microrganismos empregados no tratamento microbiano:
Os microrganismos empregados foram os de solo e os de chorume por possuírem
uma microbiota diversificada, contendo várias espécies de fungos e bactérias, com a
finalidade de aproveitar os microrganismos naturalmente presentes nestes meios.
O chorume foi coletado no aterro sanitário de Piracicaba-SP (Fig. 9) e tinha pH
7,0 e o solo foi coletado no jardim da UNESP, Campus de Rio Claro, SP, sendo o solo
coletado próximo de plantações e serrapilheira.
O chorume foi coletado em agosto de 2005 e armazenado em câmara fria, 8
0
C,
que é um fator de seleção para microrganismos psicrófilos (temperatura de reprodução
entre 0 a 20
0
C). Dentre estes podem ser citadas as espécies: Enterobacter cloacae,
Yersinia enterocolitica e Hafnia alvei (FRANÇA FILHO et al., 2006).
O solo foi analisado quimicamente, assim como a sua granulometria, pelo método
do IAC, Campinas (VAN RAIJ et al., 2001).
Figura 9- Aterro Sanitário de Piracicaba – SP
Preparo do solo para a Respirometria de Bartha
25
Para medir a respirometria de Bartha, foi feito o ajuste da umidade do solo,
calculado a partir da capacidade de campo, segundo as normas da Cetesb L6.350
(1990). O solo foi colocado em um funil, encharcado com água destilada e coberto com
papel alumínio, por 24 horas. O solo umedecido e natural (duplicatas) foi pesado e
levado para secar em estufa a 105ºC por 24 horas.
Os testes de biodegradação foram feitos com dois tipos de solo:
Solo de jardim
com umidade de cerca de 60% da capacidade de campo (Campus
UNESP-Rio Claro-SP), coletado em agosto de 2005.
Solo de jardim com chorume,
também com 60% da capacidade de campo.
Para o preparo dos respirômetros, foi seguida a norma técnica L.6.350 da
CETESB (1990).
As amostras dos filmes poliméricos descritos anteriormente (item 3.2.1.) foram
incubadas em respirômetros de Bartha (Fig. 10), contendo solo de jardim não estéril e
solo de jardim não estéril com chorume, durante 120 dias, à 28ºC.
Os tratamentos, realizados em triplicatas, consistem de respirômetros contendo 50
g da mistura de solo e 2mL de chorume e filmes de aproximadamente 0,02g, com
aproximadamente 100 μm de espessura. Foi acrescentada água no solo até atingir 60%
de umidade. Ao braço lateral de cada respirômetro foram adicionados 10 mL da
solução de hidróxido de potássio (KOH) 0,1M, com o auxílio de uma seringa. Os
respirômetros foram hermeticamente fechados e incubados em estufa a 28ºC.
Amostras de KOH foram retiradas de cada respirômetro semanalmente e tituladas com
ácido clorídrico (HCl), para se medir a quantidade de KOH restante, após sua reação
com o dióxido de carbono (CO
2
), gerado no respirômetro. A cada análise feita, o
sistema foi aerado, sendo a aeração um fator essencial para a biodegradação.
Ocorrem as seguintes reações nos respirômetros de Bartha com ensaios de
biodegradação:
a) Biodegradação da matéria orgânica:
Matéria orgânica + O
2
ĺ H
2
O + CO
2
b) Absorção do CO
2
gerado:
2KOH + CO
2
ĺ K
2
CO
3
+ H
2
O + KOH
(excesso)
c) Cloreto de bário reage com carbonato de potássio:
26
K
2
CO
3
+ BaCl
2
ĺ BaCO
3
Ļ + 2KCl
d) Titulação do excesso de KOH com o HCl:
KOH
(excesso)
+ HCl ĺ KCl + H
2
O
e) Substâncias resultantes no final das reações:
KCl
(aq)
+ BaCO
3
Ļ + HCl
(gota excesso)
Figura 10 – Respirômetro de Bartha (Norma técnica L.6.350 da CETESB, 1990).
Quantificação do gás carbônico produzido na biodegradação
A medição da produção de CO
2
foi realizada através da titulação da solução de
hidróxido de potássio (KOH), contendo CO
2
, com solução de ácido clorídrico (HCl).
Para a titulação, foram adicionadas 2 gotas de fenolftaleína e 1 mL de solução de
cloreto de bário (BaCl
2
) 0,5M.
A solução de KOH contendo CO
2
foi retirada do respirômetro de Bartha com uma
seringa de 10 mL. Para isto, a rolha de borracha do filtro de cal sodada foi removida e a
válvula para entrada de oxigênio no respirômetro, aberta.
A solução de KOH contendo CO
2
foi introduzida no erlenmeyer contendo a
fenolftaleína e a solução de cloreto de bário. Foi realizada uma lavagem do braço lateral
27
com 10 mL de água destilada isenta de CO
2
. Imediatamente após esta lavagem, foi feita
a titulação da solução de KOH com a de HCl (0,1M). A quantidade de ácido necessária
para a viragem da coloração rosa para a incolor foi registrada e uma nova solução de
KOH foi reposta no respirômetro de Bartha.
Para cada ensaio, foi realizada a prova em branco e um erlenmeyer contendo 10
mL de solução de KOH (0,1M), 2 gotas de fenolftaleína,1 mL de cloreto de bário
(0,5M) e 10 mL de água destilada isenta de CO
2
.
A produção de gás carbônico no respirômetro foi calculada pela seguinte
expressão:
mgCO
2 solo
= (A – B) x 50 x 0,044 x f
HCl
onde:
A= volume de solução de HCl 0,1M gasto para titular a solução de KOH da prova
em branco, em mL.
B= volume de solução de HCl 0,1M gasto para titular a solução de KOH do
respirômetro com o solo, em mL.
50= fator para transformar equivalente em Pmol de CO
2
.
0,044= fator para transformar Pmol de CO
2
em mg de CO
2
.
F
HCl
= fator de solução de HCl 0,1M.
Foi construído gráficos para representar a quantidade de CO
2
produzida em
função do tempo de incubação.
Preparo das colunas de solo
As amostras dos filmes, em duplicatas, foram incubadas em colunas de solo
(transparentes para a entrada de luz), de altura de 25 cm e diâmetro de 13cm. O sistema
foi umedecido por capilaridade, atingindo a umidade de 48% . As amostras de 8 cm de
diâmetro, foram enterradas na parte superior da coluna, sobre 17 cm de solo úmido e
28
cobertas com 2 cm de solo, para possibilitar a ação de microrganismos aeróbios. As
colunas tinham aproximadamente 40 furos distribuídos uniformemente, para auxiliar na
oxigenação do solo e na atividade microbiana. Além disso, tinham 2 furos na base para
a umidificação do sistema, o que manteve a umidade a 48%, durante o tempo do
experimento. As amostras também foram enterradas em colunas de solo contendo
chorume, nas mesmas condições (Fig. 11).
Os filmes foram desenterrados para análises após 30, 45, 60 dias, 90 e 120 dias de
tratamento.
Após o tratamento microbiano, os filmes foram lavados com água destilada, secos
com papel de filtro e levados ao dessecador por 48 horas.
Figura 11. Coluna de solo: A- disposição do filme e B- coluna após 4 meses de
tratamento.
3.3. Análise do solo
O solo coletado no Campus da Unesp-Rio Claro foi analisado quimicamente pelo
laboratório AFOCAPI/COPLACANA, Piracicaba e a análise granulométrica foi
realizada pelo IAC-Campinas (VAN RAIJ et al., 2001).
.
A
B
29
3.4. Análise de Inibição
Esta análise foi realizada com a finalidade de verificar se o polímero ou o solvente
residual utilizado no preparo do filme inibia a adesão microbiana sobre o filme.
As amostras de filmes foram colocadas no centro da placa Petri sobre o meio
Sabouraud-Malte com ágar. O fungo Phanerochaete chrysosporium (fungo da podridão
branca) conhecido por degradar ligninas, polímeros e corantes) (ZHANG et al., 2008),
foi inoculado através do método por espalhamento com alça de Drygalsky (1 mL do
inóculo) (PELCZAR et al., 1996).
As placas foram incubadas em estufa bacteriológica, a 28ºC. Após 7 dias,
verificou-se o crescimento fúngico por toda a placa, inclusive sobre o filme. Este
mesmo procedimento foi feito com os polímeros em pó, a fim de comparar a ação
microbiana com o filme (influência do solvente).
Considera-se que há interação do fungo com o filme polimérico quando o fungo
cresce ao redor ou sobre o filme, colocado no centro da placa.
3.5. Hidrólise química de poliésteres
Esta análise foi realizada para verificar ocorrência de hidrólise química nos
poliésteres, diferenciando da hidrólise enzimática, pela ação microbiana.
Filmes de PCL (DMF), PCL (fusão), PVC/PCL, PP/PCL, PVA, PVA/PCL e
PVA/PVC foram colocados em frascos contendo tampão fosfato, pH 5,6 (mesmo pH do
solo) e incubado a 28ºC, durante 2 meses. O tampão fosfato foi preparado com água
Milli Q.
Os filmes de PCL, PVC/PCL e PP/PCL foram analisados quinzenalmente, durante
2 meses, através de medidas de perda de massa, FTIR e MEV e os filmes de PVA,
PVA/PCL e PVA/PVC foram analisados diariamente, durante 6 dias, através de leituras
no espectrofotômetro UV-Vis, após a adição de ácido bórico e soluções de I
2
-KI, de
acordo com os procedimentos descritos por Finley (1961).
30
3.6. Quantificação de PVA por análise espectrofotométrica
Esta análise foi aplicada apenas no caso do PVA, devido a sua solubilização no
meio aquoso, o que dificulta a sua quantificação por outras técnicas.
A determinação quantitativa da concentração de PVA, após o tratamento
microbiano, em meio líquido, foi obtida por análises espectrofotométricas diárias após a
adição de ácido bórico e soluções de I
2
-KI, de acordo com os procedimentos descritos
por Finley (1961). O método espectrofotométrico foi desenvolvido para a determinação
de PVA. O método baseia-se na cor verde produzida pela reação de PVA com I
2
-KI na
presença de ácido bórico. Medidas espectrofotométricas são conduzidas ao
comprimento de absorção máxima (550 nm) e a lei de Beer é aplicada na concentração,
correspondente a 0,1-1mg de PVA para 50 mL da solução (CHEN et al., 2007)
3.7. Adaptação dos microrganismos de solo e chorume com a solução de PVA
Os microrganismos de solo e de chorume, foram adaptados ao PVA em meio
líquido, para tornar possível a análise pelo método de Finley (CHIELINI et al., 2003).
O chorume e o solo de jardim foram utilizados como inóculo microbiano. O solo
(2g) foi adicionado em 200 mL de meio mineral (KH
2
PO
4
, MgSO
4
.7H
2
O, NH
4
NO
3
,
NaCl, FeSO
4
.7H
2
O, ZnSO
4
.7H
2
O, MnSO
4
.7H
2
O), esta quantidade foi determinada em
ensaios prévios, mostrou-se adequada para o crescimento microbiano.
Essa mistura foi agitada por 30 minutos e incubada por 48 horas. Em seguida,
1mL deste inóculo foi transferido para placas contendo os meios de PDA (batata,
dextrose e Agar, pH 5,6), PCA(5g/L de peptona, 2,5g/L de extrato de levedura, 10g/L
de glicose e 14g/L de ágar) e Sabouraud(10g/L de peptona, 40g/L de glicose e 17g/L de
ágar), e foram incubados novamente à 28ºC, durante 1 semana. Destas placas, foram
transferidas as raspagens do micélio para um único tubo de solução salina e após, uma
alíquota foi transferida para erlenmeyers contendo 50 mL de meio mineral e 5mL da
solução de PVA (5g/L). Foram agitados durante 30 minutos e em seguida, incubados a
28ºC.
Durante 2 meses permaneceram incubados para a possível adaptação dos
microrganismos com a solução de PVA.
Os microrganismos adaptados foram transferidos para um novo meio mineral
estéril.
31
O inóculo dos microrganismos (5mL), foi adicionado em 200mL de meio mineral,
contendo 0,2mL/mL da solução de PVA (5g/L), para analisar a biodegradação do PVA.
As análises foram feitas em triplicatas, obtendo-se uma média dos resultados.
As leituras no espectrofotômetro Visível (Shimadzu, modelo UV-2401 PC, na
faixa de 550 nm) foram realizadas diariamente, durante 20 dias, através da retirada de
10 mL do meio contendo PVA e microrganismos, com a adição de 3mL de ácido bórico
e 2mL da solução de I
2
-KI.
3.7.1. Preparo da Curva de Calibração (Finley, 1961)
A partir de uma solução padrão de PVA 0,1mg/mL, foi retirado 1mL, adicionado
15 mL de ácido bórico e 3 mL de I
2
-KI e completado com água destilada em um
erlenmeyer de 50 mL. A calibração foi obtida transferindo alíquotas de até 10,0 mL da
última solução (50 mL), obtendo concentrações de 0,1-1mg/50mL.
3.8. Análise de Filmes
3.8.1. Espectroscopia de Absorção no Infravermelho com Transformada de
Fourier (FTIR)
Os filmes de PCL, PVC, PP, PVC/PCL e PP/PCL, originais e após tratamento
microbiano após o tratamento microbiano, foram analisados por FTIR, em
espectrofotômetro IR com transformada de Fourier, marca Shimadzu, modelo FTIR
8300, com resolução 4 cm
-1
.
3.8.2. Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
Foi utilizado o equipamento TA Instrumentos (DP Union) Mod. DSC2910
(IFSC-USP), para o estudo do comportamento de fusão destas amostras. Neste estudo
foram analisadas amostras com cerca de 6 mg, utilizando taxa de aquecimento de
10ºC/min, partindo da temperatura de 25ºC a 250ºC sob atmosfera de nitrogênio 50
mL.min
–1
. O equipamento foi devidamente calibrado utilizando o padrão de Índio
(T
f
=159,11ºC; 'H=30,66 J/g).
32
Para cálculo do grau de cristalinidade das blendas foram considerados os
seguintes valores de 'H: para o PCL 100% cristalino 136J/g (KESEL et al., 1999), para
o PVA 100% cristalino 'H de 152 J/g e para iPP 100% cristalino 'H de 190J/g
(OTAGURO et al., 2004).
3.8.3. Termogravimetria (TG)
Os filmes de PVC e PVA foram analisados pelo equipamento Netzsch Mod. STA
409 Cell, com intervalo de operação de 25ºC a 300ºC, 10
0
C/min.
3.8.4. Ângulo de Contato
As amostras dos filmes antes e depois do tratamento microbiano, foram colocadas
sobre uma lâmina plana de vidro, e sobre esta foi depositada uma gota (20 PL) de água
destilada, à temperatura ambiente. A gota foi iluminada e sua imagem, aumentada pela
lente, projetada. O ângulo de contato foi medido por projeção.
As propriedades superficiais dos homopolímeros e blendas originais e tratadas
foram investigadas pelas medidas de ângulo de contato. Os resultados foram
reproduzidos em ± 2ºC.
Calculou-se a média das análises em triplicatas e o desvio padrão (S) (equação 2).
Onde: Xi = valor de cada evento individual
X = média aritmética dos valores Xi
n = nº de amostragens
3.8.5 Microscopia Eletrônica de Varredura
A microscopia dos filmes (100 Pm de espessura) foi medida em um microscópio
eletrônico de varredura (MEV) Carl Zeiss DSM 940-A, à 5KV e 200 X de aumento
(ESALQ-USP-Piracicaba). Os filmes originais e após tratamento microbiano foram
(equação 2)
33
recortados e acoplados nos “stubs” com fita dupla face de carbono e recobertos com
ouro, em câmara de vácuo, utilizando o metalizador Bal-Tec SC SCD050, com
"sputtering".
34
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
1ª PARTE
4.1.Filmes de PCL, PVC e PVC/PCL (1:1 w/w) em DMF.
35
4.1.1. Medidas de Massa
As perdas de massa dos filmes tratados por microrganismos de solo e solo com
chorume são apresentadas na tabela 1.
Tabela 1. Perda de massa dos polímeros após o tratamento microbiano.
Filmes % de Perda de Massa
(solo)
% de Perda de Massa
(solo com chorume)
Desvio
padrão
PVC 120 dias 1,02 1,27 0,7
PCL 30 dias 12,4 19,8 0,7
PCL 45 dias 34,16 20 0,8
PCL60 dias 89,7 22 0,7
PVC/PCL 120 dias 1,94 1,57 0.5
Verificou-se a diminuição de massa após tratamento microbiano. A perda de
massa dos filmes de PCL e PVC/PCL foi maior quando tratado em solo sem o chorume.
Esse resultado mostra que a atividade microbiana do solo é mais eficiente do que
quando há outros microrganismos diferentes, como no caso do chorume, que diminuiu a
atividade microbiana do solo. Deve-se levar em conta, ainda, que a população
microbiana do chorume já foi pré-selecionada pela temperatura de armazenamento
(8
0
C).
A perda de massa dos filmes de PVC foi insignificante. Nos filmes de PCL houve
grande perda de massa, principalmente quando tratados por 60 dias em solo, chegando a
90% de perda de massa. Com 90 dias de tratamento em solo, os filmes de PCL foram
totalmente biodegradados, não sendo possível encontrar o filme no solo. Para a blenda
de PVC/PCL houve melhora da biodegradação em relação ao PVC, mas, menor perda
de massa em relação ao PCL. Esse resultado indica uma interação intermolecular entre
os dois polímeros, entre os grupos H-C-Cl do PVC e C=O do PCL, o que deixa o PCL
menos suscetível à biodegradação (MARTINS-FRANCHETTI et al., 2008; CAMPOS
et al., 2007; KARAL et al., 1997).
36
4.1.2. Características do solo
Do solo coletado no Campus da Unesp-Rio Claro, foi analisada a granulometria e
alguns parâmetros (Tabela 2). O solo dos experimentos é de textura franca (16% de
argila, 45% de silte e 39% de areia).
Pode-se considerar que não houve mudanças do solo após o tratamento dos filmes
a não ser na quantidade de íons, o que é normal, devido a perda de nutrientes durante os
4 meses de ensaio.
Tabela 2. Resultado das análises químicas do solo utilizado.
Análise
Mat.Org.
(g/dm
3
)
pH
(CaCl
2
)
K
+
Ca
++
Mg
++
Fe
+++
(mg/dm
3
)
Solo (anterior ao tratamento) 227 5,9 2,7 136 26 168
Solo (após ao tratamento) 216 5,7 5,6 65 32 135
Solo com chorume (após o
tratamento)
219 5,9 7,6 81 38 100
4.1.3. Teste de Inibição
Verificou-se o crescimento fúngico por toda a placa que contém o filme de PVC
obtido pela evaporação do solvente (DMF), mas não sobre o filme e em PVC em pó.
Foi feito o teste de inibição para o filme de PCL (DMF), verificando-se grande
crescimento fúngico sobre o filme de PCL e também do PCL em pó.
O filme de PVC inibiu mais a ação microbiana do que o filme de PCL. No caso
do filme, o solvente residual e a morfologia do filme inibiram o crescimento do fungo
utilizado. As fotos de crescimento do fungo nas placas com os polímeros são
apresentadas como modelo, no apêndice C.
4.1.4. Biodegradação - método respirométrico de Bartha
São apresentados da evolução de CO
2
para as amostras de PVC, PCL e blenda na
figura 12. Os dados referentes a esses gráficos e o desvio padrão não serão mostrados
37
aqui. Como o experimento foi feito em triplicata, não é necessário o desvio padrão das
medidas, seguindo a norma da CETESB (L6.350) (1990).
0 20406080100120140
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
A
mg CO
2
(acumulativo)
dias
solo
PVC + solo
PCL + solo
PVC/PCL + solo
0 20406080100120140
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
B
mg CO
2
(acumulativo)
dias
solo + chorume
PVC + solo + chorume
PCL + solo + chorume
PVC/PCL + solo + chorume
Figura 12. Produção acumulada de CO
2
durante 120 dias de incubação: A- solo, B- solo
com chorume.
Observou-se que a evolução de CO
2
do filme PCL no solo foi maior do que a do
PVC e a do PVC/PCL (Fig. 16-A).
A blenda de PVC/PCL no solo também mostrou uma evolução maior de CO
2
quando comparado com o filme de PVC puro, porém, menor que a do PCL. O PCL está
protegido na blenda, devido à interação dos grupos H-C-Cl do PVC e C=O do PCL
(MARTINS-FRANCHETTI et al., 2008).
Houve aumento na evolução de CO
2,
no solo com a presença do filme de PVC,
mostrando que houve biodegradação do PVC no solo. A biodegradação do PVC no solo
foi menor quando comparada com os filmes de PVC/PCL e PCL.
No caso do PVC, PCL e blenda, no solo com chorume, não houve diferenças na
evolução de CO
2
, em relação à respiração do solo com chorume sem o filme, mostrando
que a evolução de CO
2
para estes filmes, seguem a mesma tendência (Fig. 16-B).
Observou-se que o chorume dificultou a biodegradação destes homopolímeros e
blenda, ocorrendo possivelmente, uma competição dos microrganismos do solo com os
microrganismos do chorume, que, além disso, já haviam sofrido uma pré-seleção pela
temperatura de armazenamento.
38
4.1.5. Verificação de hidrólise química
4.1.5.1. Medidas de Massa
As massas dos filmes submetidos à hidrólise foram verificadas a cada 15 dias
durante 60 dias. Não foi verificado perda de massa significativa dos filmes, obtidos por
evaporação de solvente, sendo que para o PCL, houve 3% de perda e para a blenda
PVC/PCL não houve perda de massa. Portanto, quando ocorre degradação destes filmes
é essencialmente pela ação enzimática dos fungos e não por hidrólise química.
4.1.5.2. Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)
As análises de FTIR dos filmes não apresentaram mudanças dos filmes em
contato com o tampão fosfato.
4.1.5.3. Microscopia eletrônica de varredura
A figura 13 apresenta as micrografias dos filmes de PCL original e após 30 dias
no tampão fosfato.
Figura 13. MEV do filme A-PCL original e B- PCL 30 dias no tampão fosfato.
As análises de MEV mostraram que houve mudança de morfologia do PCL, após
30 dias em contato com o tampão fosfato. A presença de estruturas diferenciadas na
matriz polimérica após o tratamento químico pode ser um indicativo de degradação,
semelhante ao que ocorre em outras blendas (PEZZIN et al., 2002). Por outro lado, a
blenda não apresentou mudança de morfologia, sugerindo que o PCL na blenda está
protegido pelo PVC
BA
6
P
m6
P
m
39
4.1.6. Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR)
4.1.6.1. FTIR de filmes incubados em Coluna de Solo sem e com chorume.
Os espectros de FTIR dos filmes tratados em coluna de solo com e sem chorume,
são apresentados nas figuras 14 a 17, comparados com os filmes originais (sem
tratamento microbiano).
4.1.6.2. FTIR de filmes de PVC incubados durante 120 dias em coluna de solo e
solo com chorume
As análises FTIR dos filmes de PVC foram obtidas com a normalização dos
espectros I/I
0
, utilizando a banda padrão interna 1252 cm
-1
(apêndice 6A).
Figura 14. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVC original e após tratamento
microbiano: A- solo, B- solo com chorume.
Os espectros dos filmes de PVC tratado em coluna de solo e solo com chorume
não apresentaram mudanças significativas em 4 meses de tratamento microbiano (Fig.
14-A e 14-B).
Como o FTIR é medido por transmissão e a biodegradação ocorre
preferencialmente na superfície, não aparecem mudanças expressivas. Não foram
realizadas medidas de infravermelho por reflexão (ATR), pois as amostras
apresentaram-se mais rígidas e rugosas após o tratamento microbiano, dificultando sua
colocação sobre a superfície do suporte de cristal do ATR.
2000 1500 1000 500
A
Abs (u.a.)
cm
-1
PVC original
PVC solo
2000 1500 1000 500
B
Abs
cm
-1
PVC original
PVC solo+ chorume
40
4.1.6.3. FTIR de filmes de PCL incubados durante 60 dias em coluna de solo e solo
com chorume
As análises de FTIR dos filmes de PCL original e após o tratamento com
microrganismos de solo são apresentadas na figura 15.
2000 1500 1000 500
A
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo 30 dias
2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo 60 dias
Figura 15. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e após o tratamento
microbiano no solo: A- 30 dias, B- 60 dias.
Os filmes de PCL foram desenterrados após 30 dias, 60 dias e 90 dias de
tratamento, porém foram analisados até 60 dias de tratamento, pois após esse período os
filmes se decompuseram totalmente.
As análises de FTIR dos filmes de PCL foram feitas qualitativamente, isto é,
foram consideradas mudanças: deslocamentos, surgimento de novas bandas ou
desaparecimento, pois a baixa intensidade de absorção no IR compromete a
quantificação e a complexidade do espectro, no qual as absorções se sobrepõem,
tornando difícil estabelecer uma linha base apropriada (valor I
0
), sendo as medidas
quantitativas impraticáveis nesses espectros.
As análises de FTIR dos filmes de PCL em solo 30 dias (Fig. 15-A) e dos filmes
após tratamento microbiano de PCL em solo 60 dias (Fig. 15-B), não apresentaram
mudanças expressivas, mas mostraram distorções dos espectros dos filmes tratados,
devido às irregularidades ocorridas no filme após o tratamento microbiano: furos e
rugosidades.
41
Na figura 16 observa-se a análise de FTIR dos filmes de PCL após tratamento
microbiano em solo com chorume, após 30 e 60 dias (Fig.16-A e 16-B,
respectivamente).
2000 1500 1000 500
1295
1299-1289
C-C(=O)-O
A
1182
1176
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo+chorume 30 dias
2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo+chorume 60 dias
Figura 16. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo e chorume: A- 30 dias e B- 60 dias.
O filme de PCL tratado em solo com chorume durante 30 dias (Fig. 16-A)
apresentou deslocamento da banda a 1295 cm
-1
, relacionada a ligação C-C e vibração de
estiramento C-O da fase cristalina do PCL (KEROACK et al., 1998). Verificou-se que
após o tratamento, esta banda duplica, surgindo bandas em 1299 e 1289 cm
-1
. Em 1182
cm
-1
, (deformação axial de C-C(=O)-O, verificaram-se mudanças, em relação ao
espectro original.
Para o PCL tratado em solo com chorume por 60 dias (Fig. 16-B) fica difícil
analisar os dados de FTIR, pois ocorrem imperfeições espectrais devido à rugosidade do
filme e opacidade após a ação microbiana.
4.1.6.4. FTIR de filmes de PVC/PCL incubados em Coluna de Solo e solo com
chorume
As análises de FTIR dos filmes de blendas de PVC/PCL original e biodegradada
são apresentadas na figura 17.
42
2000 1500 1000 500
1099
1354
1424
1460
A
1257
1244
Abs. (u.a.)
cm
-1
PVC/PCL original
PVC/PCL solo 120 dias
2000 1500 1000 500
1042
1066
B
734
1331
1327
1390
1384
1461
1712
1673
Abs. (u.a.)
cm
-1
PVC/PCL original
PVC/PCL solo + chorume 120 dias
Figura 17. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado: A- solo, B-
solo com chorume.
O espectro de PVC/PCL tratado com solo durante 120 dias (Fig. 17-A) apresentou
deslocamentos de bandas e diminuição expressiva de bandas após o tratamento
microbiano (apêndice 7A). Ocorreram deslocamentos de bandas a 1460 cm
-1
, atribuída à
vibração de deformação angular de CH, a 1424 cm
-1
, atribuída à deformação axial
simétrica do ânion carboxilato, a 1354 cm
-1
, atribuída à deformação angular de CH, a
1260 e 1099 cm
-1,
atribuídas à
deformação axial assimétrica de C-O-C e deformação
axial de C-O, respectivamente.
A blenda biotratada em solo com chorume durante 120 dias (Fig. 17-B)
apresentou deslocamento da banda 1712 cm
-1
para 1673 cm
-1
, atribuída à deformação
axial do grupo carbonílico. Observou-se também o deslocamento das bandas a 1390 e
1327 cm
-1
, atribuídas à deformação angular simétrica de C-H e deformação axial de C-
O, respectivamente (apêndice 8A).
Verificou-se também desaparecimento da banda a 1461 cm
-1
, atribuída à
deformação angular de CH, desaparecimento das bandas a 1066 e 1042 cm
-1,
atribuídas
à deformação axial de O-C-C. Observou-se também o desaparecimento da banda a 734
cm
-1
, atribuída à deformação axial de C-Cl.
Houve degradação da blenda após 120 dias de tratamento, enquanto que o PCL
degradou em 60 dias e totalmente em 90 dias e a degradação do PVC não foi expressiva
neste tempo.
43
4.1.7. Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
Para a caracterização térmica dos filmes de PVC, PCL e blendas PVC/PCL 1:1 foi
utilizada a técnica de DSC, sob atmosfera de nitrogênio a 10ºC.min
-1
(50 mL min
-1
).
Esta medida foi feita para obter o grau de cristalinidade dos filmes antes e após o
tratamento microbiano, utilizando a equação 3 (QUENTAL et al., 2005).
(equação 3)
onde %X
c
é o grau de cristalinidade em porcentagem, 'H
f
é a entalpia de fusão
dos polímeros obtidas por DSC e ǻH
100%
é a entalpia de fusão para o polímero 100 %
cristalino.
As análises de DSC dos filmes originais e após o tratamento microbiano estão
apresentadas nas figuras 18 a 21.
44
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
A
69ºC
60ºC
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PVC original
PVC em solo
0 20 40 60 80 100 120 140 160
B
67ºC
60ºC
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PVC original
PVC em solo + chorume
Figura 18 Curva DSC de filmes de PVC original e tratados: A- em solo e B- solo com
chorume.
45
0 50 100 150 200 250
A
60,98ºC
72,83J/g
60,49ºC
68,71J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PCL original
PCL em solo
0 50 100 150 200 250
61ºC
88 J/g
61ºC
73 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PCL original (DMF)
PCL em solo+chorume (DMF)
Figura 19. Curva DSC de filmes de PCL original e tratados: A- em solo e B- solo com
chorume.
46
0 50 100 150 200
A
41 J/g
56ºC
29 J/g
55ºC
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PVC/PCL original (DMF)
PVC/PCL solo (DMF)
0 50 100 150 200 250
B
30 J/g
55ºC
29 J/g
55ºC
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PVC/PCL original
PVC/PCL solo+chorume
Figura 20. Curva DSC de filmes de PVC/PCL original e tratados: A- em solo e B- solo
com chorume.
47
0 50 100 150 200
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
61ºC
73 J/g
29 J/g
55ºC
Fluxo de calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PCL original
PVC/PCL 1:1 original
Figura 21. Curva DSC de filmes de PCL original e PVC/PCL original.
Os filmes de PVC originais (amorfos) em DMF apresentaram Tg 60ºC. O filme de
PVC obtido por DMF apresentou Tg baixa, sugerindo a ação do DMF residual, como
plastificante, isto é, provocando um aumento do volume livre da matriz polimérica. No
PVC, um grupo lateral como o cloro, tende a ancorar a cadeia polimérica, exigindo
maiores níveis de energia para que a cadeia adquira mobilidade, ou seja, aumentando a
Tg do polímero, na ausência de plastificante (CANEVAROLO, 2004).
As Tgs dos filmes de PVC em solo e solo com chorume foram maiores que a do
filme original. Após o tratamento microbiano há um enrijecimento dos filmes (Fig. 18).
A curva de DSC do PCL (semicristalino) em solo (Fig. 19-A) é semelhante ao
PCL original, mudando levemente o formato da curva (mais estreita) em relação ao
PCL original, sugerindo uma melhor organização da fase cristalina (lamelas). Alguns
autores (CALIL et al., 2006; VANIN et al., 2004), reconhecem que os microrganismos
e suas enzimas agem na fase amorfa do filme, provocando um rearranjo das cadeias
poliméricas e aumento da fase cristalina. As curvas de DSC do PCL tratado em solo e
chorume (Fig.23-B), não apresentaram mudanças significativas do formato do pico de
fusão, aumentando um pouco a temperatura de fusão, sugerindo melhor organização das
cadeias. Isto concorda com o resultado de respirometria em que a evolução do CO
2
é
menor nos casos dos filmes tratados com solo e chorume (Fig.12), indicando uma
48
menor biodegradabilidade. Os filmes tratados em solo com chorume apresentaram
degradação superficial, observadas nas medidas de ângulo de contato e MEV, ou seja,
uma erosão superficial, não havendo mudanças estruturais significativas.
A curva de DSC de filmes de PVC/PCL (Fig. 20) apresenta 1 pico de fusão,
atribuído ao PCL na blenda. Para a blenda biotratada em solo (Fig. 20-A) observou-se
aumento do valor ¨H
m
, correspondendo ao aumento da fração cristalina do PCL na
blenda, devido à reorganização das cadeias após a ação microbiana (CONTAT-
RODRIGO et al., 2001). A blenda tratada em solo com chorume apresentou resultados
semelhantes à blenda tratada em solo.
A figura 21 mostra que a presença do PVC na blenda original diminui a fração
cristalina na blenda. Segundo Chiu & Min (2000), o tamanho dos esferulitos do PCL é
quase independente da composição da blenda PVC/PCL, no entanto, um tamanho
menor dos esferulitos pode ocorrer com a adição do PVC no PCL. Observa-se também a
diminuição da temperatura de fusão do PCL, isto indica aumento de desordem, mais
PCL na fase amorfa e maior interação com o PVC, como discutido por Calil e
colaboradores (2006) e Karal e colaboradores (1997).
O 2º pico, o de cristalização, não será levado em conta na análise, pois é
insignificante. Isto ocorre também na figura 20-B.
Na tabela 3 observam-se os parâmetros obtidos do DSC: temperatura de fusão e
cristalinidade dos filmes PVC, PCL e PVC/PCL.
49
Tabela 3: Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PVC, PCL e PVC/PCL
1:1. T
f
(ºC)= temperatura de fusão, X
DSC
=porcentagem de cristalinidade obtido por
DSC.
Referência: PCL 100% cristalino, 'Hf=136 J/g (KESEL et al., 1999).
Amostra
Tg ºC T
f
ºC
'H
f
(J/g)
X
DSC
(%)
PVC (o) 60 -------- ------- ----------
PVC em solo (s) 69 -------- ------- ----------
PVC em solo+chorume (s+ch) 67 -------- ------- ----------
PCL (o) 61 73 54
PCL (s) 61 73 54
PCL (s+ch) 61 88 64
PVC/PCL (o) 55 29 43
PVC/PCL (s) 56 41 60
PVC/PCL (s+ch) 55 30 45
A Tg do PVC aumentou após o tratamento em solo e solo com chorume, devido
ao enrijecimento do filme e possível perda de solvente, que estava agindo como
plastificante.
A cristalinidade do PCL aumentou quando foi tratado em solo, sugerindo maior
biodegradação da fase amorfa do PCL e reorganização das cadeias não degradadas
(CONTAT-RODRIGO et al., 2001). A presença do PCL, na blenda de PVC/PCL,
diminuiu a Tg do PVC, indicando interação do grupo carbonílico do PCL, com o grupo
HC-Cl do PVC, concordando com Calil e colaboradores (2006) e Karal e colaboradores
(1997). O tratamento microbiano da blenda em solo provocou um aumento da
cristalinidade do PCL na blenda, tal como ocorreu no filme de PCL.
50
4.1.8. Análise de TG
Os resultados obtidos das análises de TG são mostrados na figura 22.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Perda de massa (%)
Temperatura (ºC)
PVC original
PVC solo
PVC solo+chorume
Figura 22. Curvas de TG dos filmes de PVC original, tratado em solo e em solo com
chorume.
O PVC apresentou 2 estágios de perda de massa. Para o PVC puro, o início da
perda de massa ocorre a 150ºC, com a perda de 2%. No 2º estágio ocorre a maior perda
de massa, 61%, a 300ºC, indicando a possibilidade de vários mecanismos de
degradação. Para o PVC tratado em solo, verificou-se 2 estágios bem definidos,
mostrando diminuição da temperatura nos 2 estágios. O 1º estágio inicia a 132ºC, com
perda de massa de 3%. O 2º estágio começa a 290ºC, indicando a degradação térmica
do PVC. Esses resultados podem sugerir diminuição da estabilidade do PVC quando
tratado no solo. Para o PVC tratado em solo com chorume não foi verificado mudanças
em relação ao original.
As derivadas de TG indicam melhor as temperaturas de decomposição do PVC
(apêndice 2B e 3B).
51
4.1.9. Medidas de ângulo de contato dos filmes biodegradados em coluna de solo.
Na tabela 4, apresentam-se as medidas de ângulo de contato dos filmes originais e
após o tratamento microbiológico.
Tabela 4- Medidas de ângulo de contato de filmes após tratamento microbiano.
Filmes original solo Solo com chorume Desvio Padrão
PVC 72,3 49,5 44,5 0,8
PVC/PCL 58,7 54 50,5 0,8
Obs.: Os desvios padrões de cada medida foram aproximadamente 0,8.
Foi observada a diminuição do ângulo de contato nas blendas de PVC/PCL,
quando tratadas em solo e diminuição maior ainda quando tratadas em solo com
chorume (Tabela 4). O mesmo aconteceu para o filme de PVC.
Os filmes puros de PCL sofreram decomposição no solo, apresentando em sua
superfície furos e rugosidade (Fig.23-B e 23-C) quando comparado com o filme de PCL
original (Fig. 23-A), portanto, não puderam ser analisados por ângulo de contato (Fig.
23).
Os resultados mostraram que os filmes tornaram-se mais hidrofílicos após o
tratamento microbiano, sugerindo a presença de erosões e possíveis quebras de cadeias
e/ou oxidação.
Figura 23. Análise visual do A- PCL original, B-PCL após tratamento microbiano e C-
PCL após 30 dias no solo observado pelo microscópio ótico.
Obs.: setas indicativas de vazios.
A B
C
52
4.1.10. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
4.1.10.1 MEV de filmes de PVC (DMF)
Microscopias de filmes de PVC originais e biodegradadas são apresentadas na
figura 24
Figura 24. MEV de filmes de PVC (DMF): A-original, B-após tratamento microbiano
em solo e C-tratado em solo com chorume
Na microscopia do filme de PVC original (DMF) (Fig.24-A) verificou-se uma
superfície com domínios interligados, parecidos com estruturas de géis que sugerem a
saída do solvente (MARTINS-FRANCHETTI & MUNIZ, 2002). O filme de PVC em
solo (Fig. 24-B) apresentou buracos, formados devido à saída de cloreto de hidrogênio
da superfície polimérica (CAMPOS & MARTINS-FRANCHETTI, 2005). Observou-se
também no filme de PVC em solo com chorume mudança na morfologia do filme
(Fig.24-C).
4.1.10.2. MEV de filmes de PCL (DMF)
Na figura 25 são apresentadas as microscopias de filmes de PCL original e após o
tratamento microbiano.
6
P
m 6
P
m 6
P
m
B
A
C
53
Figura 25. MEV de filmes de PCL (DMF): A-original, B-tratado em solo, 30 dias, C-
tratado em solo, 45 dias e D-tratado em solo, 60 dias.
O filme de PCL (DMF) original (Fig. 25-A) apresentou uma superfície rugosa. A
superfície do PCL no solo (30 dias enterrado) (Fig.25B) apresentou buracos, estruturas
aderidas e estruturas em relevo por todo o filme. No filme de PCL tratado em solo
durante 45 dias observou-se o aumento do tamanho das crateras e a presença mais
evidente de estruturas microbianas aderidas no filme (Fig. 25-C), assim como no filme
após o tratamento em solo durante 60 dias (Fig. 25-D).
Filmes de PCL tratados em solo com chorume são apresentados na figura 26.
6
P
m 6
P
m
B
A
6
P
m
C
6
P
m
D
54
Figura 26. MEV de filmes de PCL (DMF): A-tratado em solo com chorume, 30 dias e
B-tratado em solo com chorume, 45 dias e C- tratado em solo com chorume, 60 dias.
Nos filmes tratados em solo com chorume durante 30 dias, apareceram crateras
(Fig. 26-A). Nos filmes de PCL tratados em solo com chorume durante 45 e 60 dias
(Fig.26-B e 26-C), observaram-se o aumento de estruturas em relevo na superfície e
adesão microbiana.
4.1.10.3. MEV de filme de PVC/PCL 1:1 (DMF)
MEV de filmes de PVC/PCL original e após tratamento em solo e solo com
chorume são apresentadas na figura 27.
Figura 27. MEV de filmes de PVC/PCL (DMF): A-original, B-tratado em solo e C-
tratado em solo com chorume.
A blenda de PVC/PCL 1:1 apresentou uma superfície lisa, semelhante ao PVC
(Fig. 27-A). Após o tratamento microbiano no solo durante 120 dias, verificou-se a
formação de estruturas diferentes, sugerindo adesão microbiana (Fig. 27-B). O filme
tratado em solo com chorume apresentou maior mudança morfológica quando
6
P
m
6
P
m
6
P
m
A
B C
6
P
m
6
P
m
B C
6
P
m
A
55
comparado com o filme tratado somente em solo (Fig. 27-C), indicando que a presença
do chorume no solo causou maior erosão superficial.
Verificou-se que a presença de chorume no solo causou alteração morfológica na
superfície dos filmes também. Esta mudança é compatível com a perda de massa e
mudanças estruturais verificadas por FTIR e DSC.
4.1.11. CONCLUSÕES PARCIAIS
O PCL apresenta grande degradação em apenas 60 dias no solo, porém, quando
presente na blenda de PVC/PCL, há inibição de sua biodegradação. Essa diminuição de
biodegradação deve-se à interação entre os polímeros, tornando o PCL menos suscetível
à degradação.
O acréscimo de chorume no solo diminui a biodegradação do PCL e da blenda,
mostrando a ineficiência do sistema chorume/solo, neste caso.
Verificou-se pela Evolução de CO
2
(Respirometria) que:
1 Na biodegradação em solo: PCL!PVC/PCL!PVC
2 Na biodegradação em solo com chorume: não há diferenças significativas
entre os homopolímeros e a blenda.
Pelas análises de DSC, verificou-se a presença do chorume no solo aumentou a
cristalinidade do PCL, devido a rearranjos de cadeias na fase amorfa ou na interfase
cristalina-amorfa e aumento de cristalinidade. No caso da blenda tratada em solo
ocorreu o mesmo.
56
2ª PARTE
4.2. Filmes de PP, PCL e PP/PCL (1:1 w/w) por fusão.
Filmes de PP e blendas PP/PCL foram estudados para analisar a biodegradação
desses materiais no solo e verificar se há contribuição do polímero biodegradável
quando misturado com o PP, um polímero sintético difícil de ser degradado.
57
4.2.1. Medidas de Massa
Essa medida é importante para verificar a biodegradação dos filmes poliméricos.
Na tabela 5 são apresentadas as perdas de massas dos filmes de PP, PCL e PP/PCL 1:1.
Tabela 5. Perda de massa de PP, PCL e PP/PCL após o tratamento microbiano
Filmes Solo Solo com chorume Desvio
padrão
PP 120 dias
0 0
0
PCL 30 dias
24,9 15,4
0,6
PCL 45 dias
53,6 70,7
0,8
PCL 60 dias
66,8 88,6
0,5
PP/PCL 120 dias 48,5 33,7 0,5
Filmes de PCL e PP/PCL apresentaram diminuição de massa após o tratamento
microbiano. Os filmes de PCL sofreram grande diminuição de massa em 30 e 60 dias de
tratamento, chegando a 67% quando tratados em solo e 89% quando tratados em solo
com chorume (Tabela 5). O filme de PCL com 90 dias de tratamento estava muito
degradado, o que impossibilitou a pesagem e análise do filme. A blenda de PP/PCL 1:1
apresentou grande diminuição de massa, após o tratamento microbiano com solo, porém
menor quando se adicionou chorume. Estas variações com o passar do tempo, se devem
à variação da população microbiana no solo e no solo com chorume.
A perda de massa da blenda possivelm
ente deve-se a degradação do PCL, visto
que o PP puro não sofreu degradação após 4 meses de tratamento microbiano.
Observa-se que as perdas de massa dos filmes de PP/PCL em solo e solo com
chorume, são bem menores que as dos filmes de PCL, a partir de 45 dias.
58
4.2.2. Teste de inibição
Os filmes de PCL, PP e PP/PCL 1:1 foram fotografados após o crescimento
fúngico do microrganismo Phanerochaete chrysosporium, após 7 dias de
crescimento em meio Sabouraud-malte e ágar, incubados em estufa bacteriológica, a
28ºC, como representado no apêndice C.
Verificou-se o crescimento fúngico por toda a placa que contém o filme de PCL
por fusão. Para o filme de PP, verificou-se somente o crescimento na placa e não
crescimento fúngico sobre o filme e PP/PCL 1:1, verificou-se também o início de
crescimento do fungo sobre os filmes.
4.2.3. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de Bartha
As análises de evolução de CO
2
dos filmes de PCL, PP e blenda PP/PCL são
apresentadas na figura 28
0 20 40 60 80 100 120
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
A
mgCO
2
(acumulativo)
dias
Solo
PCL + solo
PP + solo
PP/PCL + solo
0 20 40 60 80 100 120
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
B
mg CO
2
(acumulativo)
dias
solo + chorume
PCL + solo + chorume
PP + solo+ chorume
PP/PCL + solo + chorume
Figura 28. Produção acumulada de CO
2
durante 120 dias de incubação: A- solo, B- solo
com chorume.
Verificou-se a tendência da evolução de CO
2
acumulativa durante 120 dias,
observando que o filme de PCL e a blenda de PP/PCL apresentaram evolução de CO
2
similar, porém o filme de PP apresenta menor evolução de CO
2
quando comparado com
a evolução de CO
2
do solo sem filme, mostrando que o homopolímero inibe de certa
forma a atividade microbiana do solo, mas não a do chorume. (Fig.28).
59
Na figura 28-C é comparada a evolução de CO
2
dos filmes de PCL preparado de 2
maneiras diferentes: por fusão e por evaporação de solvente.
0 20 40 60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
100
120
140
160
C
mg CO
2
(Devido a biodegradação)
dias
% PCL + solo - solo (DMF)
% PCL + solo - solo (Fusão)
Figura 28-C. Produção de CO
2
devido a biodegradação, durante 120 dias de incubação
dos filmes de PCL – fusão e PCL – DMF.
O filme de PCL obtido por fusão apresentou menor evolução de CO
2
do que o
filme de PCL obtido por evaporação de solvente (DMF). O solvente agiu como
plastificante, neste caso, mudando a morfologia do filme, o que pode ter favorecido a
ação dos microrganismos. Esse resultado é melhor visualizado na figura 28-C, que é a
da respirometria devido à biodegradação, ou seja, a respirometria dos filmes tratados
subtraída da respirometria do solo.
4.2.4.Verificação de hidrólise química
4.2.4.1. Medidas de Massa
As medidas de massa mostraram que a perda de massa para o homopolímero PCL
não é expressiva (1,4%), mas quando está na blenda PP/PCL 1:1, a perda de massa é
maior (25%). Quando se compara com a degradação microbiana, a perda de massa
hidrolítica é menor, mostrando a importância da ação microbiana na degradação.
60
4.2.4.2. FTIR
Os espectros dos filmes tratados não apresentaram mudanças significativas,
quando comparados com os originais.
4.2.4.3. MEV
As superfícies dos filmes de PCL original e após 30 dias no tampão fosfato são
apresentadas na figura 29. Observaram-se mudanças na superfície do filme. O mesmo
foi observado para a blenda de PP/PCL (Fig. 30)
Figura 29. MEV do filme de PCL original e PCL 30 dias no tampão fosfato.
Figura 30. MEV do filme de PP/PCL original e PP/PCL 30 dias no tampão fosfato
.
6
P
m
6
P
m
6
P
m
6
P
m
61
4.2.5. FTIR de filmes incubados em Coluna de Solo sem e com chorume.
Os espectros de FTIR de filmes tratados em coluna de solo com e sem chorume,
são apresentados nas figuras 31 a 34, comparados com os filmes originais (sem
tratamento microbiano).
4.2.5.1. FTIR de filmes de PCL incubados em coluna de solo com e sem chorume
As medidas foram feitas para os filmes tratados por 30, 45 e 60 dias. Com 90 dias
de tratamento, os filmes estavam totalmente decompostos. São apresentados espectros
dos filmes de PCL após tratamento microbiano durante 30 e 60 dias e de 120 dias para
PP e PP/PCL.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
A
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo 30 dias
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo 60 dias
Figura 31. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo: A- 30 dias e B- 60 dias.
A baixa absorção dos filmes tratados deve-se provavelmente, à presença de
orifícios, rugosidade e pequenos pedaços (grande perda de massa).
62
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
A
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL orignal
PCL solo+chorume 30 dias
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PCL original
PCL solo+chorume 60 dias
Figura 32. Espectro de absorção FTIR de filmes de PCL original e tratado com
microrganismos de solo + chorume: A- 30 dias e B- 60 dias.
O FTIR dos filmes de PCL tratado em solo e solo com chorume, durante 30 dias,
não apresentou mudanças, tais como deslocamentos de bandas, aparecimento de novas
bandas ou perda de grupos. Os espectros apresentaram diminuição ou aumento de
intensidade de bandas, observados pela normalização dos espectros pela banda 2864
cm
-1
(apêndice 1A). Houve diminuição das bandas a 2940 e 1725 cm
-1
, indicativas de
perda de grupos C-H de alcanos e grupos carbonílicos na fase amorfa, respectivamente.
A banda a 1725 cm
-1
é atribuída à carbonila, na fase amorfa, enquanto que a 1734 cm
-1
é
atribuída à carbonila, na fase cristalina (KEROACK et al., 1998).
A faixa de 1500 a 1000 cm
-1
não deve ser considerada, pois há deformação após
os tratamentos, não sendo confiáveis as análises.
As análises de FTIR dos filmes de PCL tratados em solo com chorume, durante
60 dias, não serão discutidas por apresentarem baixa absorção e distorção espectral, o
que torna as análises não confiáveis.
63
4.2.5.2. FTIR de filmes de PP incubados em coluna de solo com e sem chorume
Os filmes foram desenterrados após 120 dias de tratamento. As análises de FTIR
dos filmes PP foram verificadas pela normalização da banda 2720 cm
-1
(apêndice A,
tabela 2A). (GOMEZ-ELVIRA et al., 2004).
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
A
Abs. (u.a.)
cm
-1
PP original
PP solo 120 dias
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PP original
PP solo + chorume 120 dias
Figura 33. Espectro de absorção FTIR de filmes de PP original e tratado com
microrganismos: A- solo e B- solo + chorume.
As bandas a 2890, 2836, 1447 e 1371 cm
-1
, apresentaram grande diminuição no
filme tratado em solo (Fig. 33-A), indicando perda de grupos C-H.
4.2.5.3. FTIR de filmes de PP/PCL incubados em coluna de solo com e sem
chorume
Na figura 34, verificam-se os espectros de absorção FTIR de filmes de PP/PCL
original e após tratamento microbiológico
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
A
Abs. (u.a.)
cm
-1
PP/PCL original
PP/PCL solo 120 dias
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
B
Abs. (u.a.)
cm
-1
PP/PCl original
PP/PCL solo+chorume 120 dias
Figura 34. Espectro de absorção FTIR de filmes de PP/PCL 1:1 original e tratado com
microrganismos: A- solo e B- solo + chorume.
64
O espectro da blenda após tratamento em solo (Fig.34-A) apresentou diminuição
das bandas a 2890 e 2867 cm
-1
, atribuídas à deformação de grupos C-H e 1457 e 1375
cm
-1
, atribuídas à sobreposição de grupos C-C e C-O. Observou-se o aparecimento da
banda 1722 cm
-1
, atribuída a grupos carbonílicos e da banda 1193 cm
-1
, atribuída a
grupos C-C(=O)-O.
O FTIR do filme da blenda após tratamento em solo com chorume (Figura 34-B)
foi semelhante ao tratado somente em solo, porém houve aumento de intensidade das
bandas a 2890, 2867 e 2849 cm
-1
, atribuídas a grupos C-H. Houve diminuição das
bandas a 1457 e 1375 cm
-1
, porém menos expressiva, quando comparado com o filme
tratado microbiologicamente sem a adição do chorume, mostrando novamente que o
chorume prejudicou a ação dos microrganismos do solo.
65
4.2.6.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
As curvas de DSC são apresentadas nas figuras 35 a 38.
0 50 100 150 200 250
A
56,36ºC
75,06 J/g
60,02ºC
95,86 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
temperatura (ºC)
PCL original
PCL 30 dias solo
0 50 100 150 200 250
B
58,41 ºC
63,35 J/g
56,36 ºC
75,06 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
temperatura (ºC)
PCL original
PCL 30 dias solo + chorume
Figura 35. Curvas de DSC de filmes de PCL original e após 30 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume.
66
0 50 100 150 200 250
161,60 ºC
97,99 J/g
161,77 ºC
88,44 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PP original
PP solo
0 50 100 150 200 250
162,52 ºC
89,45 J/g
161,60 ºC
97,99 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PP original
PP solo + chorume
Figura 36. Curvas de DSC de filmes de PP original e após 120 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume.
67
0 50 100 150 200 250
161,71 ºC
65,52 J/g
59 ºC
9,532 J/g
161,90 ºC
47,94 J/g
59,85 ºC
35,35 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PP/PCL 1:1 original
PP/PCL 1:1 solo
0 50 100 150 200 250
161,37 ºC
72,07 J/g
58,39 ºC
17,40 J/g
161,90 ºC
47,94 J/g
59,85 ºC
35,35 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
PP/PCL original
PP/PCL solo + chorume
Figura 37. Curvas de DSC de filmes de PP/PCL original e após 120 dias de tratamento
microbiano: A- solo e B- solo + chorume.
68
0 50 100 150 200 250
61,41ºC
87,66 J/g
58,41 ºC
63,35 J/g
Fluxo de calor (w/g)
temperatura (ºC)
PCL 30 dias solo+chorume (DMF)
PCL 30 dias solo+chorume (fusão)
Figura 38. Curvas de DSC de filmes de PCL original e após 30 dias de tratamento
microbiano: A- PCL fusão e B- PCL DMF.
O filme de PCL após 30 dias de tratamento microbiano em solo apresentou
aumento da temperatura de fusão (Fig. 35-A) e aumento da cristalinidade (Tabela 6). O
aumento do grau de cristalinidade e da temperatura de fusão indica reorganização das
lamelas e aumento de espessura das lamelas. Quando tratado em solo com chorume
(Fig. 35-B), a cristalinidade diminuiu. Esse resultado indica que a adição do chorume no
solo, favoreceu a biodegradação do PCL, obtido por fusão. Esse resultado é diferente
para os filmes de PCL em DMF, em que há aumento de cristalinidade, após os
tratamentos microbianos (1ª parte, item 4.1.8).
Filmes de PP semicristalino quando tratados em solo e solo com chorume (Fig.
36-A e 36-B) não apresentaram mudanças na cristalinidade (Tabela 6).
Filmes de PP/PCL 1:1 tratados em solo e solo com chorume (Fig. 37-A)
apresentaram 2 picos de fusão, indicativos de 2 fases na blenda. O 1º pico se refere à
fusão do PCL e o 2º pico à fusão do PP. Após os tratamentos, observou-se diminuição
da cristalinidade do 1º pico (PCL) e aumento de cristalinidade no 2º pico (PP),
sugerindo a degradação do PCL inclusive de finais de cadeias, na fase cristalina e
reorganização das cadeias do PP (MORIANA-TORRÓ et al., 2008) (Fig. 37-A e 37-B).
69
A figura 38 mostra uma comparação entre os filmes de PCL submetidos ao
tratamento microbiano, obtidos por vias diferentes: em DMF e por fusão. Com solvente
ocorre: aumento do ponto de fusão e aumento do ¨H, significando um aumento de
ordem e espessura cristalina.
Tabela 6: Parâmetros obtidos dos term
ogramas das amostras de PCL, PP e PP/PCL 1:1,
T
f
(ºC)= temperatura de fusão, X
DSC
=porcentagem de cristalinidade obtido por DSC.
Referência: PCL 100% cristalino, 'H
f
=136 J/g (KESEL et al., 1999),
i
PP 100%
cristalino, 'H
f
= 190 J/g (OTAGURO et al., 2004)
Amostra
T
f
ºC
'Hf (J/g)
XDSC(%)
PCL original 56 75 55
PCL solo 60 96 70,5
PCL solo + chorume 58 63 47
PP original 162 98 52
PP solo 162 88 46,5
PP solo + chorume 162 89 47
PP/PCL original 60
162
35
48
37
50,5
PP/PCL solo 59
162
9
66
10
69
PP/PCL solo + chorume 58
161
17
72
18
76
4.2.7. Medidas de ângulo de contato dos filmes tratados em coluna de solo.
As medidas de ângulo de contato dos filmes originais e tratados são apresentadas
na tabela 7.
Os filmes de PCL não foram analisados por apresentarem orifícios e rugosidade
após os tratamento microbianos.
70
Tabela 7. Medidas de ângulo de contato dos filmes de PP e PP/PCL.
Filmes Origina
l
Solo Solo com chorume Desvio
padrão
PP 57 56,6 67,5 0,5
PCL 60,7 ----- ----- -----
PP/PCL 58,7 48 63,7 0,7
Os filmes de PP apresentaram ângulo de contato de 57º, tanto para o filme tratado
em solo quanto para o filme tratado em solo com chorume, mostrando que a adição do
chorume ao solo não causou mudanças na superfície do filme. Para os filmes da blenda,
tratada em solo, os ângulos de contato foram de 58º, enquanto para os tratados em solo
com chorume, o ângulo foi de 48º. Neste caso, o chorume favoreceu a mudança
superficial do filme, tornando-o mais hidrofílico (ARKATKAR et al., 2008). Isto
sugere a biodegradação do PCL na blenda, pois o PP não sofre mudanças em sua
superfície.
4.2.8. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
As análises de microscopia, importantes na análise morfológica, são apresentadas
nas figuras 39 a 41.
6
P
m
6
P
m
A
B
71
Figura 39. MEV de filmes de PCL: A- original e B- solo 30 dias, C- solo 45 dias, D-
solo 60 dias, E- solo + chorume 30 dias, F- solo + chorume 45 dias e G- solo + chorume
60 dias.
O filme de PCL obtido por fusão (Fig.39-A) apresentou a superfície lisa, com
alguns domínios.
Os filmes de PCL tratados durante 30 dias (Fig.39-B) apresentaram orifícios e a
presença de estruturas diferenciadas. Verificou-se que com o aumento do tempo de
tratamento, com 45 dias e 60 dias (Fig. 39-C e D), o filme tornou-se mais deteriorado,
com a presença de grandes orifícios e aparência superficial mais esponjosa.
Os filmes de PCL tratados em solo com chorume (Fig. 39- E, F e G) apresentaram
grande mudança superficial, com orifícios e estruturas diferenciadas. A presença do
chorume no solo favoreceu alterações morfológicas, observadas pelas microscopias e
perda de massa.
6
P
m
6
P
m
6
P
m
E
F
G
6
P
m
6
P
m
D
C
72
Figura 40. MEV de filmes de PP: A- original, B- solo e C- solo + chorume.
PP obtido por fusão (Fig.40-A) apresentou uma superfície com estruturas,
sugerindo cristais de PP. Quando tratado em solo (Fig. 40-B), e em solo com chorume
(Fig. 40-C), verificou-se estruturas em relevo na superfície polimérica. .
Na figura 41-A é apresentada a mo
rfologia do filme de PP/PCL original
Figura 41. MEV de filmes de PP/PCL: A- original, B- solo e C- solo + chorume.
Quando tratado em solo (Fig. 41-B), apresentou erosão superficial. A erosão se
deve à presença do PCL na blenda, suscetível ao ataque microbiano.
A blenda biotratada em solo com chorume (Fig.41-C) apresentou a superfície
alterada, com estruturas diferenciadas e alongadas.
6
P
m
6
P
m
6
P
m
A
B
C
6
P
m
6
P
m
6
P
m
A
B
C
73
4.2.9. CONCLUSÕES PARCIAIS
O PCL possibilitou mudanças superficiais da blenda de PP/PCL, por outro
lado, tornou o PP mais cristalino, do que o PP puro, ou seja, mais difícil de biodegradá-
lo.
A respirometria mostrou que:
x Biodegradação em solo: PCL=PP/PCL!PP
PCL(DMF) !PCL(fusão)
x Biodegradação em solo com chorume: PP/PCL!PCL=PP
Verificou-se novamente que a biodegradação do PCL é inibida quando se
adiciona chorume ao solo.Os filmes de PCL com solvente apresentaram maior
biodegradação. O solvente agiu como plastificante, facilitando, neste caso, a
biodegradação do PCL. O filme PCL (DMF) em solo apresentou diminuição de
cristalinidade enquanto que o filme de PCL (fusão) aumentou a cristalinidade quando
tratado em solo. A diminuição de cristalinidade do filme de PCL (DMF) deve-se a
diminuição da fração cristalina após a biodegradação e o aumento da cristalinidade no
filme de PCL por fusão quando tratado em solo deve-se a reorganização de cadeias após
a biodegradação.
O PCL obtido por fusão apresentou uma morfologia diferente do PCL obtido por
casting. O aumento de cristalinidade do PCL obtido por fusão influenciou na menor
biodegradação quando comparado com PCL obtido por casting.
74
3ª PARTE
4.3. Filmes de PVA, PCL e PVA/PCL (4:1 w/w) em DMF.
Filmes de PVA e blendas PVA/PCL foram estudados para analisar a
biodegradação desses materiais no solo e em solo com chorume e verificar se há um
sinergismo do PVA quando misturado com o PCL ou há interação de um polímero com
outro, assim como na blenda de PVC/PCL, o que dificultaria a biodegradação.
75
4.3.1. Medidas de Massa
Os filmes de PVA, PCL e blenda foram decompostos durante o tratamento, não
sendo possível analisá-los por esta técnica.
4.3.2. Teste de inibição
Os filmes de PVA, PCL e blenda PVA/PCL 4:1, foram fotografados após o
crescimento fúngico do microrganismo de solo Phanerochaete chrysosporium, após 7
dias de crescimento em meio Sabouraud-malte e ágar, incubados em estufa
bacteriológica, a 28ºC, como representado no apêndice C. Observou-se o crescimento
fúngico na placa contendo filme de PVA após 7 dias de crescimento fúngico. Na placa
com PVA em pó, o crescimento foi maior quando comparado com PVA filme. No
plaqueamento dos filmes de PVA/PCL, verificou-se o crescimento fúngico por toda a
placa, inclusive sobre o filme.
4.3.3. Verificação de hidrólise química
Filmes de PVA submetidos ao teste de hidrólise em tampão fosfato pH 5,6
(mesmo pH do solo), a 28ºC, na presença de água Milli Q e tubos estéreis, foram
investigados durante 6 dias.
Observou-se que o PVA em tampão fosfato não sofre hidrólise após 6 dias.
Portanto, as mudanças observadas no PVA, quando tratado em solo, chorume e solo
com chorume (Fig.42) são relacionadas à degradação por microrganismos: hidrólise
enzimática e/ou oxidação.
Resultados dos filmes de PCL, submetidos à hidrólise química, estão apresentados
na parte1 (4.1.5).
76
4.3.4. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de Bartha
Observa-se na
42 a evolução de CO
2
em solo e solo com chorume, dos filmes de PVA, PCL e
PVA/PCL.
0 20406080100120
0
50
100
150
200
250
300
mg CO
2
acumulativo
dias
solo
solo + PVA
solo + PCL
solo + PVA/PCL 4:1
0 20406080100120
0
50
100
150
200
250
mg CO
2
acumulativo
dias
solo + chorume
solo + chorume + PVA
solo + chorume + PCL
solo + chorume + PVA/PCL 4:1
Figura 42. Produção acumulada de CO
2
dos filmes de PVA, PCL e PVA/PCL 4:1: A-
em solo e B- em solo com chorume.
Observou-se que a evolução de CO
2
do filme PVA no solo foi maior que a do
PVA/PCL 4:1 e do PCL (Fig. 42). Na blenda, o PCL inibiu a biodegradação do PVA.
Esta inibição pode ser devida às interações dos grupos acetato do PVA com os grupos
carbonílicos do PCL.
Novamente, neste caso, observou-se que em solo contendo chorume, ocorre a
inibição da biodegradação, devido a presença de microrganismos pré-selecionados no
armazenamento do chorume, a baixas temperaturas.
4.3.5. FTIR de filmes incubados durante 120 dias em Coluna de Solo sem e com
chorume.
Os espectros de FTIR dos filmes originais são apresentados nas figuras 43 e 44,
para atribuição de bandas e comparação com a blenda.
Os filmes após o tratamento microbiano não foram analisados, pois não foram
encontrados, após os tratamentos, por terem sido completamente degradados.
77
4.3.5.1. FTIR de filmes de PCL em DMF incubados em Coluna de Solo
As análises dos filmes de PCL foram apresentadas na parte 1 (item 4.1.7.3).
4.3.5.2. FTIR de filmes de PVA original
Na figura 43 apresenta-se o espectro do filme PVA original e a atribuição de suas
bandas, sendo que a banda a 3436 cm
-1
é atribuída à vibrações de grupos OH ligados
por ligações de hidrogênio.
A banda 2946 cm
-1
é atribuída à estiramento assimétrico de -CH e –CH
2
(RAJENDRAN et al., 2004), a banda a 1259 cm
-1
é atribuída a grupos C-O e a banda a
1085 cm
-1
é atribuída ao grupamento C-O-C, de grupos acetatos do PVA (grau de
hidrólise 86%) (HYDER et al., 2006).
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0
1
2
3
4
5
1386
-C-O-C
1085
1429
C-H
841
598
C-O
1259
C=O
1725
-CH e -CH
2
2941
-OH
3436
Abs (u.a.)
cm
-1
Figura 43. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVA.
4.3.5.3. FTIR de filmes de PVA/PCL 4:1 original
Na figura 44 apresenta-se o espectro do filme de PVA/PCL 4:1 original.
Verificou-se a similaridade deste espectro com o de PVA, considerando que a
blenda tem a maior proporção deste polímero. Observou-se ainda, mudança na banda a
78
3353 cm
-1
, atribuída à deformação axial de OH, em ligação de hidrogênio
intermolecular (banda deslocada em relação ao PVA puro).
Observou-se que uma banda a 1735 cm
-1
, diferente do PVA puro, cuja banda é em
1725 cm
-1
, segundo KEROACK e colaboradores (1998), a banda 1735 cm
-1
é atribuída
a grupos carbonílicos na fase cristalina e em 1725 cm
-1
é atribuída a grupos carbonílicos
na fase amorfa.
O deslocamento da banda de OH no FTIR da blenda, em relação à banda do PVA
puro, indica a possibilidade de interação entre grupos de OH do PVA e C=O do PCL, na
fase amorfa, o que também contribuiu para a diminuição da biodegradação.
4000 3000 2000 1000 0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
945
1422
1377
841
598
1098
1235
1735
2935
3353
Abs (u.a.)
cm
-1
Figura 44. Espectro de absorção FTIR de filmes de PVA/PCL 4:1 original.
4.3.6.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
As análises de DSC dos filmes de PCL (DMF) tratados em solo e solo com
chorume são apresentadas na parte 1, item 4.1.8 e as análises de PVA original e blenda
de PVA/PCL original são apresentadas na figura 45e 46.
79
0 50 100 150 200 250
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
A
196,04ºC
43,77J/g
106,03ºC
67,78J/g
PVA original (DMF)
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
050100150200
-10
-8
-6
-4
-2
0
B
60,49ºC
68,71J/g
Fluxo de Calor
temperatura (ºC)
PCL original
Figura 45. Curva de DSC de filmes de A- PVA original e B-PCL original.
0 50 100 150 200 250
-8
-6
-4
-2
0
191ºC
24,99 J/g
59,71ºC
25,03 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
temperatura (ºC)
PVA/PCL 4:1 original
Figura 46. Curva de DSC de filmes de PVA/PCL 4:1 original.
O filme de PVA apresentou um pico de fusão alargado (196
0
C), indicando grande
quantidade de pequenos cristais. O primeiro pico pode ser devido à perda de água da
amostra .Na blenda, o DSC apresentou dois picos de fusão, porém, esses picos foram
deslocados para temperaturas menores, em relação aos homopolímeros, sugerindo
diminuição da ordem e da espessura cristalina do PCL e do PVA, na blenda (TSUJI &
IKARASHI, 2004).
80
Na tabela 8 são apresentados os parâmetros obtidos do DSC: temperatura de fusão
e grau de cristalinidade dos filmes PVA, PCL e PVA/PCL 4:1.
Tabela 8. Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PCL, PVA e PVA/PCL
4:1. T
f
(ºC)= temperatura de fusão, X
DSC
=porcentagem de cristalinidade obtido por
DSC.
Referência: PCL 100% cristalino, 'H
f
=136 J/g (KESEL et al., 1999; PVA 100%
cristalino, 'H
f
=152 J/g (KESEL et al., 1999).
Filmes T
f
ºC
'H
f
(J/g)
X
DSC
(%)
PVA original
106
196
68
44
44
29
PCL original 60 69 50
PVA/PCL 4:1original
60
191
25
25
90
20
Houve diminuição da fração cristalina de PVA na blenda e aumento significativo
da fração cristalina de PCL na blenda, talvez isto seja devido a possíveis interações
entre os grupos OH do PVA e grupos C=O do PCL, ainda não bem explicadas
(ARCANA et al., 2008).
Observou-se que mesmo com a cristalinidade elevada do PCL na blenda, o filme é
totalmente biodegradado, o que indica que a presença de determinados grupos
funcionais é mais importante que a cristalinidade do polímero.
81
4.3.7. Análise termogravimétrica
Na figura 47 é apresentada a curva de TG do filme puro de PVA e a derivada da
curva no apêndice 2.4.
0 100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
Perda de Massa (%)
temperatura (ºC)
PVA original
Figura 47. Curvas de TG dos filmes de PVA original.
Verificou-se 4 estágios de perda de massa. A 1ª perda de massa é de 7%, a 2ª é de
42% de perda de massa, a 3ª é de 31% e a 4ª de 16% de perda de massa. A
decomposição inicia em 316ºC, que pode ser observada melhor com a derivada da TG
(apêndice 2.4).
4.3.8. Análise quantitativa da concentração de PVA
A análise de concentração de PVA foi realizada para investigar o efeito de
diferentes microrganismos: de solo, de chorume e solo com chorume, na biodegradação
do PVA.
82
0 5 10 15 20
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Concentração de PVA (0,1g/mL)
Tempo de incubação (dias)
PVA + solo
PVA + chorume
PVA + solo + chorume
Figura 48. Variação da concentração de PVA na presença de cultura mista adaptada.
Na figura 48 observa-se o decréscimo da concentração de PVA com o tempo de
incubação. Solução de PVA em solo ou PVA com chorume tem a mesma tendência, no
entanto, no 2º caso, a queda da concentração de PVA é maior. Esses resultados mostram
que soluções de PVA são degradadas em 20 dias na presença de microrganismos
presentes no solo e em solo com chorume, apresentando um sinergismo entre os
diferentes microrganismos.
4.3.9. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
As fotomicrografias dos filmes de PCL original e tratados são apresentadas na figura 49.
O filme de PCL (DMF) original (Fig. 49-A) apresentou superfície rugosa. As
fotomicrografias dos filmes de PCL após tratamento microbiano são apresentadas na
parte 1, item 4.1.11.2.
6
P
m
6
P
m
6
P
m
A
C
B
Figura 49. MEV de filmes de: A- PCL original, B- PVA original e C- PVA/PCL 4:1 original.
83
O filme de PVA original (Fig. 49-B) apresentou uma superfície lisa, com
domínios que podem ser de cristais não dissolvidos (flechas indicativas). A blenda de
PVA/PCL original (Fig. 49-C) apresentou uma superfície rugosa e heterogênea. As
blendas de PVA/PCL tratadas em solo e solo com chorume não puderam ser analisadas,
pois degradaram durante o tratamento.
4.3.10. CONCLUSÕES PARCIAIS
Os microrganismos do solo com os do chorume favoreceram a biodegradação do
PVA e da blenda PVA/PCL, porém prejudicaram a biodegradação do PCL, observada
pela análise respirométrica.
As análises de iodometria ajudaram a concluir que a adição dos microrganismos
do chorume no solo auxilia a biodegradação do PVA.
Com as análises de respirometria, verificou-se que a biodegradação no solo e em
solo com chorume é maior para o filme de PVA, seguido da blenda PVA/PCL 4:1 e
menor biodegradação para o filme de PCL.
As análises pelo método de Finley (reações de PVA com I
2
-KI) mostraram que
microrganismos de solo e de chorume adaptados a solução de PVA apresentaram
sinergismo na biodegradação de PVA.
Observou-se que mesmo que a cristalinidade da blenda tenha aumentado, a
degradação da blenda foi maior que PCL, indicando que a presença de grupos
funcionais são mais importantes na biodegradação que a cristalinidade.
84
4ª PARTE:
4.4. Filmes de PVA, PVC e PVA/PVC (1:1 w/w) em DMF.
Com base nos estudos das blendas de PVC/PCL e de PVA/PCL, o estudo da
blenda de PVA/PVC tem por objetivo investigar o comportamento dos homopolímeros
e da blenda em contato com microrganismos de solo e de chorume, bem como a
influência de um polímero sobre o outro, em relação à biodegradação.
85
4.4.1. Medidas de Massa
Os filmes de PVA e blenda não puderam ser analisados, pois degradaram
totalmente durante o tratamento microbiano.
4.4.2. Teste de inibição
Os filmes de PVA, PVC e blendas PVA/PVC 1:1 foram fotografados após o
crescimento fúngico do microrganismo de solo Phanerochaete chrysosporium, após 7
dias de crescimento em meio Sabouraud-malte e ágar, incubados em estufa
bacteriológica, a 28ºC, representados no apêndice C.
Observou o crescimento fúngico na placa contendo PVA em pó e filme de PVA
(DMF). Na placa com PVA em pó, o crescimento foi maior quando comparado com
PVA filme.
O plaqueamento com o filme de PVC foi discutido na parte 1, item 4.1.4. No
plaqueamento dos filmes de PVA/PVC, observou-se o crescimento fúngico
principalmente no centro da placa, onde foi colocado o filme.
4.4.3. Ensaio de biodegradação utilizando o método respirométrico de
Bartha.
Na figura 50 observa-se a evolução de CO
2
acumulativa dos filmes de PVA, PVC
e PVA/PVC.
0 20 40 60 80 100 120
0
50
100
150
200
250
300
A
mg CO
2
acumulativo
dias
solo
solo + PVC
solo + PVA
solo + PVA/PVC 1:1
0 20406080100120
0
50
100
150
200
250
B
mg CO
2
acumulativo
dias
solo + chorume
solo + chorume + PVC
solo + chorume + PVA
solo + chorume + PVA/PVC 1:1
Figura 50. Produção acumulada de CO
2
, devido a biodegradação dos filmes, durante
120 dias de incubação, A- filmes em solo e B- filmes em solo com chorume.
86
No 120º dia, verificou-se a grande evolução de CO
2
na blenda de PVA/PVC em
solo, igualando-se com o homopolímero de PVA, mostrando a influência da
biodegradação do PVA na composição da blenda de PVA/PVC perante os
microrganismos do solo. O aumento na evolução de CO
2
na degradação da blenda é
observado após 80 dias de tratamento, o que se deve a adaptação dos microrganismos
do solo com os filmes de PVA. Esse aumento foi observado somente para a blenda,
mostrando que a biodegradação está ocorrendo por causa do PVA, visto que filmes de
PCL não apresentam a mesma evolução.
O tratamento microbiano em solo com chorume apresenta maior biodegradação
para os filmes de PVA. Filmes de PVC e blenda PVA/PVC apresentam menor evolução
que o solo com chorume, podendo o PVC homopolímero e na blenda PVA/PVC, estar
inibindo a atividade microbiológica do solo e do chorume.
4.4.4. FTIR de filmes de PVA em DMF original
O espectro do filme de PVA está apresentado na parte 3, item 4.3.5.2.
O tratamento microbiano levou à degradação das amostras de PVA e da blenda,
não sendo possível medidas de FTIR.
4.4.5.Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
As curvas de DSC dos filmes de PVA e PVA/PVC originais estão apresentadas na
figura 51.
0 50 100 150 200 250
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
196,04ºC
43,77J/g
106,03ºC
67,78J/g
PVA original (DMF)
Fluxo de Calor (w/g)
Temperatura (ºC)
0 50 100 150 200
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
191,98ºC
27,11 J/g
Fluxo de Calor (w/g)
temperatura (ºC)
PVA/PVC 1:1 original
Figura 51. Curvas de DSC de filmes de: A-PVA original e B- PVA/PVC original
87
As curvas de DSC dos filmes de PVC originais e tratados estão apresentadas na
parte 1, item 4.1.8.
O filme de PVA (Fig. 51-A) apresentou 2 picos de fusão, o 1º indica perda de
água e o 2º fusão do PVA. No caso da blenda de PVA/PVC (Fig. 51-B) verificou-se que
o 2º pico (192
0
C) deslocou para uma temperatura menor, indicando diminuição da
ordem cristalina do PVA na blenda.
A tabela 9 apresenta os parâmetros obtidos do DSC: temperatura de fusão e
cristalinidade dos filmes de PVC, PVA e PVA/PVC.
Tabela 9: Parâmetros obtidos dos termogramas das amostras de PVC, PCL, PVC/PCL
1:1, PVA e PVA/PVC. T
f
(ºC)= temperatura de fusão, X
DSC
=porcentagem de
cristalinidade obtido por DSC.
Referência: PCL 100% cristalino, 'H
f
=136 J/g (KESEL et al., 1999); PVA 100%
cristalino 'H
f
=152 J/g (KESEL et al., 1999).
Amostra Tg ºC T
f
ºC
'H
f
(J/g)
XDSC(%)
PVC (o) (DMF) 60 -------- ------- ----------
PVC em solo (s) (DMF) 69 -------- ------- ----------
PVC em solo+chorume (s+ch) (DMF) 67 -------- ------- ----------
PVA (o) (DMF) 106
196
68
44
44
29
PVA (s) (DMF) * * *
PVA (s+ch) (DMF) * * *
PVA/PVC (o) (DMF) 192 27 36
PVA/PVC (s) (DMF) * * *
PVA/PVC (s+ch) (DMF) * * *
* Não foi possível analisar, pois os filmes sofreram decomposição no solo.
88
4.4.6. Análise termogravimétrica
Na figura 52 é apresentada a análise termogravimétrica do filme de PVA em
DMF.
0 100 200 300 400
20
40
60
80
100
Perda de massa (%)
Temperatura (ºC)
PVA
PVA/PVC
PVC
Figura 52. Curvas de TG de filmes de PVA original, da blenda PVA/PVC e do filme de
PVC.
O filme de PVA apresentou 4 estágios de perda de massa. O início da perda de
massa (7%) do PVA original (puro) ocorreu a 98ºC, , indicativo de perda de água. O 2º
estágio ocorre em 316ºC com 42% de perda de massa. O 3º estágio acontece a 368ºC,
com 31% de perda de massa e o último estágio ocorre a 450ºC, com 17% de perda de
massa. Com a adição de PVC na blenda, observou-se um decaimento na temperatura de
início de perda de massa próximo a 84ºC, indicando uma diminuição na estabilidade do
PVC, tornando a blenda mais suscetível ao calor. O comportamento da curva também
mudou, apresentando 3 estágios de perda de massa. As derivadas de TG estão
apresentadas no apêndice 5B.
O PVC apresentou 2 estágios de perda de massa. Para o PVC puro, o início da
perda de massa ocorre a 150ºC, com a perda de 2%. No 2º estágio ocorre a maior perda
de massa, 61%, a 300ºC, indicando a possibilidade de vários mecanismos de
degradação. Para o PVC tratado em solo, verificou-se 2 estágios bem definidos, com
diminuição de temperatura de decomposição. O 1º estágio inicia a 132ºC, com perda de
89
massa de 3,24%. O 2º estágio começa a 290ºC, indicando a degradação térmica do
PVC. Portanto o tratamento microbiano degradou o filme de PVC.
A blenda de PVA/PVC 1:1 apresentou 3 estágios de perda de massa. O início da
perda de massa é em 83ºC, com perda de 4%. O 2º estágio ocorre a 276ºC, com 39% e o
3º estágio a 340ºC com perda de 20% de massa. Houve deslocamento dos picos em
relação ao PVC puro e PVA puro, indicando a influência de um componente sobre o
outro, talvez até a existência de uma interação entre os polímeros.
As análises de TG mostraram que filmes de PVA apresentam maior estabilidade
que filmes de PVC e blenda de PVA/PVC.
4.4.7. Medidas de ângulo de contato dos filmes tratado em coluna de solo.
Análises de ângulo de contato dos filmes de PVC estão apresentadas na tabela 10.
Tabela 10. Ângulo de Contato dos filmes de PVC e PVA/PVC.
Amostras (DMF)
Média Desvio padrão
PVC original (o) 72º3 0,58
PVC solo (s) 49º5 0,7
PVC solo + chorume (s+ch) 44º5 0,7
PVA (o) * *
PVA (s) * *
PVA (s+ch) * *
PVA/PVC (o) 53º 0,58
PVA/PVC (s) * *
PVA/PVC (s+ch) * *
*Obs.: não foi possível medir devido à quebra do filme em pedaços minúsculos ou
desaparecimento do filme.
Filmes de PVA e blendas de PVA/PVC não foram analisados, pois biodegradaram
totalmente após os tratamentos microbianos.
Os filmes de PVC após os tratamentos em solo e em solo com chorume tornaram-
se mais hidrofílicos, sugerindo a entrada de grupos C=O nas cadeias poliméricas,
resultantes da ação enzimática dos microrganismos (MORIANA-TORRÓ et al., 2008;
MARTINS-FRANCHETTI & MUNIZ, 2002).
90
Observou-se que a blenda original é mais hidrofílica que o filme de PVC original,
o que facilita o ataque microbiano na matriz polimérica. Talvez a disposição de cadeias
de PVA, na superfície do filme, seja mais propícia ao ataque microbiano.
4.4.8. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
4.4.8.1. MEV de filmes de PVC
Na microscopia do filme de PVC original (DMF) (Fig. 24-A) verificou-se uma
superfície com domínios interligados, parecidos com estruturas de géis que indicam a
saída do solvente (MARTINS-FRANCHETTI & MUNIZ, 2002). O filme de PVC
(DMF) em solo (Fig. 24-B) apresentou furos e o filme de PVC em solo com chorume
(Fig. 24-C) mostrou a presença de estruturas diferenciadas (apresentado no item
4.1.11.1).
4.4.8.2. MEV de filme de PVA
As fotomicrografias dos filmes de PVA e PVC originais são apresentadas na
figura 53.
Figura 53. MEV de filmes de: A-PVA original e B- PVC original
O filme de PVA original (Fig. 53-A) apresentou uma superfície lisa, com
domínios que podem indicar a saída do solvente e cristais não dissolvidos. A figura 53-
B apresenta o filme de PVC original, com a presença de grandes domínios indicativos
de géis cristalinos devido a saída do solvente (MARTINS-FRANCHETTI & MUNIZ,
2002).
B
6
P
m
6
P
m
A
91
4.4.8.3. MEV de filmes de PVA/PVC 1:1
A micrografia do filme de PVA/PVC original é apresentada na figura 54-A.
Figura 54. MEV de filmes de PVA/PVC 1:1 original
Obs.: O filme após tratamento microbiano não foi analisado, pois desapareceu no solo.
Observa-se a separação de fases e marcas que sugerem a saída do solvente da
matriz polimérica.
O PVA favoreceu a biodegradação da blenda contendo PVC, pois alterou sua
morfologia.
4.4.9. CONCLUSÕES PARCIAIS
O PVA favoreceu a biodegradação do PVC, na blenda. Por outro lado, houve
diminuição da biodegradação do PVA na blenda, ou seja, na evolução de CO
2
em solo
observou-se maior biodegradação para o filme de PVA, e menor biodegradação para o
filme de PVC (homopolímeros). A respirometria da blenda é intermediária, o que
sugere uma possível interação entre os grupos acetato do PVA e H-C-CL do PVC , Na
análise termogravimétrica verifica-se diminuição da estabilidade do PVA quando
presente na blenda, novamente indicando interação entre os dois polímeros.
6
P
m
6
P
m
92
5. CONCLUSÕES
No solo, os filmes sofreram biodegradação oxidativa. Com a adição de chorume,
ocorreu uma erosão superficial e diminuição da biodegradação, devido à mudança no
sistema microbiano.
A biodegradação em todos os filmes foi influenciada pela morfologia da matriz
polimérica (principalmente cristalinidade).
O PVA favorece a biodegradação do PVC e o PVC inibe a degradação rápida do
PVA. Efeito semelhante ocorre com PVC/PCL. O PCL favorece a biodegradação do
PVC na blenda e o PVC inibe a rápida biodegradação do PCL.
A presença de grupos ésteres no PCL e no PVA é fundamental, neste caso, para a
ação microbiana, isto é, hidrólise enzimática dos ésteres, semelhante a outros trabalhos
da literatura (MARTINS-FRANCHETTI et al., 2008; CAMPOS et al, 2003; KARAL et
al., 1997). A presença do PCL na blenda de PP/PCL possibilitou um aumento de
cristalinidade do PP, que também indica um processo degradativo, tal como em
CONTAT-RODRIGO et al (2001).
Dos métodos empregados neste estudo, o respirométrico foi o mais eficiente para
acompanhar a biodegradabilidade dos diferentes polímeros e blendas, no decorrer do
tempo.
As blendas de PVC/PCL e PP/PCL podem ser aplicadas em materiais plásticos
como: embalagens de alimentos, de cosméticos e produtos agrícolas, que serão
utilizados rapidamente e descartados no ambiente. Blendas como PVA/PVC e
PVA/PCL poderiam ser aplicadas em filmes plásticos que não tenham contato com
água, tais como as sacolas para supermercados, por exemplo, que terão curto prazo de
vida.
93
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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104
7. APÊNDICE 1 - FTIR
105
Tabela 1.1- Normalização dos espectros FTIR do PCL original, tratado em
solo e solo com chorume (I
0
= 2864 cm
-1
)
cm
-1
original Solo 30
dias
Solo 60
dias
Solo+chorume 30
dias
Solo + chorume 60
dias
2940 2,5 1,0 1,0 1,03 1,02
2864 1,0 1,0 1,0 1,2 1,0
1725 1,9 1,04 1,1 1,2 1,1
1469 0,7 0,9 0,9 1,2 1,1
1420 0,8 1,4 0,9 1,2 1,1
1366 1,4 1,4 0,9 1,2 1,1
1295 1,6 1,4 1,0 1,2 1,1
1242 2,0 1,4 1,1 1,2 1,1
1179 2,0 1,4 1,1 1,2 1,1
1107 0,8 1,4 1,1 1,2 1,1
1064 0,6 1,2 0,9 1,2 1,06
1046 1,1 1,4 1,0 1,2 1,1
961 1,2 1,4 0,9 1,2 1,1
936 0,2 0,8 0,5 0,8 0,8
730 0,4 1,2 0,7 1,1 1,1
106
Tabela 1.2- Normalização dos espectros FTIR do PP tratado em solo (I
0
=
2720 cm
-1
) (GOMEZ-ELVIRA et al., 2004)
cm
-1
original Solo
2890 12,0 6,6
2836 10,8 6,24
2720 1,0 1,0
1447 8,3 6,8
1371 12,0 6,8
1358 2,5 2,4
1302 0,7 0,8
1167 2,1 2,1
996 1,9 1,9
967 2,1 2,2
900 0,7 0,7
839 1,6 1,6
Tabela 1.3- Normalização dos espectros FTIR do PP tratado em solo +
chorume (I
0
= 2720 cm
-1
) (GOMEZ-ELVIRA et al., 2004).
cm
-1
original Solo + chorume
2890 12,4 10,2
2836 8,6 9,3
2720 1,0 1,0
1447 8,6 8,6
1371 11,5 9,6
1358 2,5 2,5
1167 2,1 2,2
996 2,0 2,0
967 2,2 2,2
839 1,7 1,6
107
Tabela 1.4- Normalização dos espectros FTIR da blenda PP/PCL tratado em
solo (I
0
= 2720 cm
-1
).
cm
-1
original Solo
2890 12 8,75
2867 10,7 7,0
2840 1,0 1,0
1722 ------ 2,6
1457 8,4 5,7
1375 12,0 6,1
1193 ------ 2,1
1164 2,1 3,0
995 2,0 2,0
973 2,1 2,0
108
Tabela 1.5- Normalização dos espectros FTIR da blenda PP/PCL tratado em solo
com chorume (I
0
= 2720 cm
-1
).
Tabela 1.6- Normalização dos espectros dos filmes de PVC original, tratado
em solo e solo com chorume (Banda padrão interna 1252 cm
-1
).
cm
-1
PVC original PVC solo PVC solo +
chorume
1502 0,27 0,3 0,37
1433 0,77 0,77 0,8
1385 0,64 0,53 0,57
1333 0,6 0,62 0,68
1252 0,00 0,00 0,00
1198 0,37 0,41 0,49
1090 0,69 0,61 0,64
960 0,56 0,58 0,65
692 0,46 0,50 0,57
637 0,66 0,68 0,73
612 0,67 0,69 0,72
cm
-1
origina
l
Solo + chorume
2890 12,3 13,9
2867 11,2 12,1
2840 10,6 11,4
1722 ------ 2,6
1457 8,7 7,0
1375 12,4 10,0
1357 2,6 2,7
1193 ----- 2,0
1164 2,2 3,1
1100 0,3 1,0
1045 0,2 1,1
995 2,0 1,9
973 2,2 2,1
109
Tabela 1.7- Deslocamento e desaparecimento de bandas da blenda PVC/PCL
1:1 tratado em solo.
PVC/PCL original PVC/PCL solo
1460 cm
-1
1470 cm
-1
1424 cm
-1
1419 cm
-1
1354 cm
-1
1367 cm
-1
1260 cm
-1
1244 cm
-1
1099 cm
-1
1107 cm
-1
Tabela 1.8- Deslocamento e desaparecimento de bandas da blenda PVC/PCL
1:1 tratado em solo com chorume.
PVC/PCL original PVC/PCL solo + chorume
1712 cm
-1
1673 cm
-1
1461 cm
-1
----------
1390 cm
-1
1384 cm
-1
1327 cm
-1
1331 cm
-1
1066 cm
-1
----------
1042 cm
-1
----------
734 cm
-1
----------
110
Apêndice 2: Termogravimetria (TG)
111
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
30
40
50
60
70
80
90
100
PVC original
DTG
Temperatura (ºC)
Perda de massa (%)
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
DTG
Figura 2.1- Curva TG e DTG do filme de PVC/PCL 1:1 original.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
30
40
50
60
70
80
90
100
PVC solo
DTG
Temperatura (ºC)
Perda de massa (%)
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
DTG
Figura 2.2- Curva TG e DTG do filme de PVC tratado em solo.
112
0 100 200 300 400
30
40
50
60
70
80
90
100
110
PVC solo+chorume
DTG
Temperatura (ºC)
Perda de massa (%)
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
DTG
Figura 2.3- Curva TG e DTG do filme de PVC tratado em solo com chorume.
0 100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
PVA
DTG
temperatura (ºC)
Perda de Massa (%)
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
316ºC
DTG
Figura 2.4- Curva TG e DTG do filme de PVA original.
113
0 100 200 300 400 500
30
40
50
60
70
80
90
100
PVA/PVC 1:1 original
DTG
temperatura (ºC)
Perda de Massa (%)
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
276ºC
DTG
Figura 2.5- Curva TG e DTG do filme de PVA/PVC 1:1 original.
114
Apêndice 3 – Teste de Inibição
Fotos representativas de polímeros em pó e em filme, originais e após 7 dias de
inoculação com Phanerochaete chrysosporium, a 28ºC.
115
Figura 3.1. Teste de inibição: A-PVC (pó) original, no dia da inoculação e B-PVC
com Phanerochaete chrysosporium, após 7 dias.
Figura 3.2. Teste de inibição: A-PP/PCL (filme-fusão) original, no dia da
inoculação e B-PP/PCL com Phanerochaete chrysosporium, após 7 dias.
A B
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