Síntese e caracterização de materiais poliméricos absorventes (hidrogéis) oriundos de resíduos par sua aplicação na engenharia - Moreno, Diego David Pinzon (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
O presente relatório do projeto de pós-doutorado intitulado “Síntese e caracterização de materiais poliméricos absorventes (hidrogéis) oriundos de resíduos para sua aplicação na engenharia”, realizado no período de 09 de janeiro de 2023 a 10 de janeiro de 2025, permitiu a obtenção de resultados destacáveis relacionados à metodologia de síntese polimérica, processamento, propriedades físico-químicas, entre outros. No que diz respeito à síntese polimérica dos hidrogéis, foi implementada uma rota de síntese por radical livre em meio aquoso, em forma de batelada controlada sob atmosfera inerte, o que permitiu alcançar melhores rendimentos na síntese. Por outro lado, após a síntese, foram implementadas diferentes técnicas de processamento do hidrogel, tais como vertimento, moagem e eletrofiação, para a obtenção de filmes, partículas e mantas, respectivamente. Essas apresentações foram caracterizadas por meio de diversas análises, como inchamento/desinchamento e molhabilidade. No caso do inchamento, algumas composições dos materiais sintetizados atingiram valores de até 700 g/g, o que, em termos de desenvolvimento deste tipo de material, é um resultado destacável em comparação com outros estudos similares. Quando analisados de forma cíclica, os materiais mantiveram seus resultados ao longo de três ciclos de inchamento/desinchamento. Cabe ressaltar que apenas três ciclos foram realizados. Além disso, os hidrogéis foram submetidos a diferentes técnicas de processamento, o que permitiu gerar diversas apresentações para sua exploração em diferentes aplicações. Entre essas apresentações, destacam-se as mantas obtidas por eletrofiação, além da definição das condições ótimas para sua produção (corrente, voltagem, fluxo de polímero e velocidade de deposição sobre a superfície, entre outros). O estudo desse conjunto de variáveis permitiu estabelecer as melhores relações para a geração de mantas com diferentes diâmetros de fibras e variados graus de dispersibilidade. Adicionalmente, foram estudados critérios para a obtenção de diferentes tipos de filmes. Por outro lado, os hidrogéis sintetizados foram moídos e peneirados para a obtenção de partículas com diferentes granulometrias. Em relação aos resultados, constatou-se a efetividade da síntese do polímero por meio de análises de FTIR, verificando as bandas associadas às ligações de interesse, o que validou a formação dos hidrogéis. Adicionalmente, foram obtidas as curvas cinéticas de inchamento utilizando a metodologia da sacola de chá, o que permitiu avaliar a influência da fibra utilizada. Paralelamente, foi analisada a cinética de molhabilidade, registrando os ângulos de contato associados à molhabilidade da água sobre a superfície do hidrogel. Verificou-se que a presença da fibra altera a cinética de molhabilidade, especialmente ao aumentar seu teor na estrutura do polímero. Outras técnicas empregadas para a caracterização dos materiais incluíram termogravimetria TGA e calorimetria exploratória diferencial DSC, que permitiram determinar as temperaturas críticas de perda de massa, bem como as temperaturas de transição vítrea, fornecendo informações valiosas sobre o comportamento térmico dos polímeros estudados. As características morfológicas e elementares dos hidrogéis foram analisadas por meio de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS), respectivamente. Essas técnicas permitiram identificar características como a porosidade intrínseca, texturas, formas resultantes dos métodos de processamento, além do reconhecimento e medição dos diâmetros das fibras, entre outros aspectos. Finalmente, foi possível realizar um mapeamento da composição elementar dos hidrogéis nas diferentes estruturas formadas, fornecendo informações detalhadas sobre a distribuição dos elementos químicos presentes. Neste sentido, no desenvolvimento do presente projeto, foi possível obter uma variedade de materiais superabsorventes com capacidades destacáveis de inchamento, retenção e liberação de fluidos. Além disso, os hidrogéis sintetizados demonstraram versatilidade no processamento, podendo ser moldados em diferentes formatos, como granulares, filmes, fibras e mantas. Essa flexibilidade é altamente vantajosa, pois permite adaptar os materiais a diversas aplicações conforme as necessidades específicas de cada caso.

This report presents the results of the postdoctoral research project entitled “Synthesis and Characterization of Absorbent Polymeric Materials (Hydrogels) Derived from Waste for Engineering Applications,” conducted from January 9, 2023, to January 10, 2025. The project yielded significant outcomes related to polymer synthesis methodologies, processing strategies, physicochemical properties, and more. Regarding hydrogel polymerization, a free-radical aqueous batch synthesis route under an inert atmosphere was implemented. This approach enabled improved reaction yields. Following synthesis, various processing techniques were applied—such as casting, grinding, and electrospinning—to produce films, particles, and fibrous mats, respectively. These hydrogel forms were characterized using diverse analyses, including swelling/deswelling and wettability tests. Some compositions reached swelling capacities of up to 700 g/g—an outstanding result in the development of such materials, especially when compared with similar studies. When subjected to cyclic swelling/deswelling analysis, the materials maintained consistent performance over three cycles. It is worth noting that only three cycles were performed. Furthermore, the hydrogels underwent multiple processing routes to generate different material formats for potential application in diverse fields. Among these, the electrospun mats were especially noteworthy. Optimal parameters for their production—including current, voltage, polymer feed rate, and collector speed—were defined. Studying these variables allowed the determination of relationships that yielded mats with varying fiber diameters and degrees of dispersibility. Additionally, conditions for obtaining various film types were examined, and ground hydrogels were sieved to obtain particles of different granulometries. The effectiveness of the polymer synthesis was confirmed via FTIR analysis, where characteristic bands of interest were identified, validating the hydrogel formation. Swelling kinetics curves were obtained using the tea bag method, enabling the evaluation of fiber influence on fluid absorption behavior. Parallel wettability kinetic analyses were performed, measuring water contact angles on the hydrogel surface. The presence and increased content of fiber in the polymer matrix notably affected wettability kinetics. Additional characterization techniques included thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), which provided critical data on thermal degradation behavior and glass transition temperatures, thus offering insights into the thermal behavior of the polymers studied. Morphological and elemental characteristics were assessed through optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). These techniques enabled the observation of intrinsic porosity, surface textures, morphology resulting from processing methods, and measurement of fiber diameters. Moreover, elemental mapping revealed detailed distributions of chemical elements within the hydrogel structures. Overall, the project successfully produced a variety of superabsorbent materials with excellent swelling, retention, and fluid release capacities. The synthesized hydrogels also demonstrated substantial processing versatility, with the ability to be shaped into granules, films, fibers, or mats. This adaptability is a significant advantage, allowing the materials to be tailored for a wide range of applications depending on specific requirements.
Synthesis and characterization of absorbent polymeric materials (Hydrogels) derived from waste for engineering applications
Keywords: Hidrogéis; Sintese; Polimeros; Caracterização de polímeros; Superabsorvente