Desenvolvimento de materiais têxteis inteligentes por inserção de óxidos metálicos nanoestruturados e ciclodextrinas com aplicação em proteção UV

Abstract

O desenvolvimento de materiais têxteis inteligentes para proteção UV foi realizado utilizando nanopartículas (NPs) de óxido de cobre e óxido de zinco (separadamente) em tecidos planos de composição 100% algodão. Na primeira parte deste trabalho um processo de pré-tratamento para tecidos planos de algodão foi desenvolvido, incluindo as etapas de desengomagem e pré-alvejamento. No processo de pré-alvejamento foi preparado um planejamento experimental variando as concentrações de peróxido de hidrogênio e detergente, e dois tempos de processo diferentes. Os resultados foram avaliados de acordo com o grau de alvura, a hidrofilidade média e a perda de massa das amostras. Com o processo de pré-tratamento selecionado, as amostras demonstraram um grau de alvura superior a 60 (WI CIE), hidrofilidade média (capilaridade) superior a 8,5 cm e perda de massa de 8,8%, com um tempo de processo de 15 minutos, que seria menor do que o praticado atualmente em processos industriais. Para aprofundar este estudo, as amostras foram divididas em dois grupos e um deles foi funcionalizado com MCT-ß-CD, um derivado reativo de ß-ciclodextrina capaz de reagir e formar ligações covalentes com as cadeias celulósicas. Este derivado reativo foi preparado neste trabalho a partir de adaptações de uma rota de síntese disponível na literatura. Um procedimento por impregnação em meio alcalino para inserção de MCT-ß-CD em tecidos planos de algodão foi proposto e os resultados indicaram um grau de inserção de 2,8% para uma concentração de 80 g/L de MCT-ß-CD. A inserção dos óxidos metálicos nas fibras de algodão foi realizada por um processo in situ proposto nesta tese, separado em dois estágios, iniciando pela impregnação dos precursores (sulfato de cobre ou sulfato de zinco) e, posterior formação dos óxidos metálicos no interior das fibras por um processo de esgotamento em meio alcalino. Sendo a estrutura complexa e porosa das fibras de algodão utilizada como meio estabilizador das dimensões das NPs. Para comparação dos resultados, foram utilizadas concentrações de precursor de 1%, 2%, 3% e 4% spm nas amostras 100% CO e de 2%, 3% e 4% spm nas amostras funcionalizadas com MCT-ß-CD, concentrações maiores reduziriam o rendimento da reação de formação das NPs. Para as amostras com óxido de cobre foi obtido um grau de inserção máximo próximo de 4% nas amostras 100% CO e 2,5% nas amostras funcionalizadas. Na inserção de óxido de zinco a saturação ocorreu abaixo de 1% em amostras 100% CO, e aumentou para quase 1,5% nas amostras funcionalizadas. Os resultados da caracterização não indicaram danos pronunciados às fibras durante os processos utilizados neste trabalho, mas evidenciaram a formação de NPs de CuO ou ZnO no interior das mesmas. De maneira geral, o aumento da concentração de precursor provoca o aumento do diâmetro médio das NPs e a presença de MCT-ß-CD diminui as dimensões das NPs e modifica o rendimento da reação de cristalização. De acordo com os processos utilizados, neste trabalho foram obtidas NPs de morfologia esférica e diâmetro médio de Feret na faixa de 5 a 10 nm. Os resultados de proteção UV mostraram correlação positiva com o grau de inserção e com a concentração de precursor. Com melhores resultados para o CuO que obteve um maior grau de inserção. O efeito da MCT-ß-CD foi positivo melhorando o bloqueio da radiação UV principalmente na região dos raios UV-B que são responsáveis pela incidência de câncer de pele.

Abstract: The development of smart textile materials for UV protection was carried out using, separately, copper oxide and zinc oxide nanoparticles (NPs) in 100% CO plain weave fabrics. In the first part of this work a pre-treatment process for cotton weave fabrics was developed, including desizing and simultaneous scouring/bleaching steps. In the scouring/bleaching process an experimental design was prepared varying the hydrogen peroxide and detergent concentrations, and two different process times. The results were evaluated according to whiteness, average hydrophility and mass loss of sample. With the pre-treatment process selected, the samples demonstrated a whiteness level higher than 60 (WI CIE), mean hydrophilicity (capillarity) higher than 8.5 cm and mass loss of 8.8%, with a process time of 15 minutes, which would be less than that currently practiced in industrial processes. To improve this study, the samples were divided into two groups and one of them was functionalized with MCT-ß-CD, a reactive ß-cyclodextrin derivative capable of reacting and forming covalent bonds with the cellulosic chains. This reactive derivative was prepared in this work from adaptations of a synthesis route available in the literature. An alkaline impregnation procedure for the insertion of MCT-ß-CD in cotton fabrics was proposed and the results indicated a degree of insertion of 2.8% for a concentration of 80 g/L of MCT-ß-CD. The insertion of metallic oxides into the cotton fibers was performed by an in situ process proposed in this thesis, separated in two stages, starting with an impregnation of the precursors (copper sulfate or zinc sulfate) and the subsequent formation of metallic oxides inside the fibers by an exhaustion process in alkaline medium. Being the complex and porous structure of the cotton fibers used as a stabilizer of the NPs dimensions. For comparison, precursor concentrations of 1%, 2%, 3% and 4% owf were used in the samples 100% CO and 2%, 3% and 4% owf in the samples functionalized with MCT-ß-CD, higher concentrations would reduce the yield of the NPs formation reaction. For the copper oxide samples a maximum degree of grafting near to 4% was obtained in 100% CO and 2.5% in the functionalized samples. At zinc oxide grafting saturation occurred below 1% in 100% CO samples, and increased to almost 1.5% in functionalized samples. The results of the characterization did not indicate pronounced damage to the fibers during the processes used in this work, but showed the formation of CuO or ZnO NPs inside them. In general, the increase of the precursor concentration causes the increase of the average diameter of the NPs and the presence of MCT-ß-CD decreases the dimensions of the NPs and modifies the yield of the crystallization reaction. According to the processes used, in this work spherical morphological NPs and mean diameter of Feret in the range of 5 to 10 nm were obtained. The results of UV protection showed a positive correlation with the degree of grafting and with the precursor concentration. With better results for CuO that obtained a higher degree of grafting. The effect of MCT-ß-CD was positive improving the blocking of UV radiation mainly in the region of UV-B rays that are responsible for the incidence of skin cancer.