Síntese in situ de TiO2 nanoestruturado em solução de PP para produção de filmes fotodegradáveis e antibacterianos

Abstract

Este estudo relatou uma comparação fundamental de dois métodos de síntese de TiO2 nanoestruturado nas propriedades antibacterianas e fotodegradáveis de filmes de PP/ TiO2. O TiO2 nanoestruturado foi obtido pelo 1) método tradicional sol-gel e pela 2) síntese in situ em uma solução de PP/xileno. Os filmes foram produzidos por casting. O TiO2 obtido in situ apresentou estrutura nanométrica (7,7 nm de diâmetro), elevada área superficial (159,8 m².g-1) e elevada cristalinidade (mesmo sem tratamento térmico), apresentando uma mistura de fases anatase e rutilo. Essas fases, juntas, exercem um efeito sinérgico que é benéfico nas propriedades antibacterianas e fotocatalisadoras das partículas de TiO2. Essas características foram fundamentais para a ação antibacteriana, com redução quase total da população de bactérias tanto Gram-positivas quanto Gram-negativas. Também foi observada degradação de 20 % do PP sob UV com a adição das partículas obtidas in situ. O método in situ mostrou ser a maneira mais simples de obter filmes de PP/ TiO2 em uma única etapa com ação antibacteriana e fotodegradável para possível uso em embalagens ativas. Os estudos comparativos com Titânia obtida pelo método sol-gel mostraram que a área superficial e a cristalinidade foram fatores determinantes para a atividade fotocatalítica. Partículas de elevada cristalinidade, obtidas com tratamento de 500 °C, promoveram efeito de nucleação no filme de PP, aumentando sua cristalinidade, o que dificultou sua fotodegradação. Por outro lado, as partículas tratadas a 400 °C e obtidas tanto com etanol quanto com butanol apresentaram maior atividade fotocatalítica. Também foi observado que o efeito combinado de tamanho de partícula, área superficial e cristalinidade aumenta a eficiência antibacteriana do TiO2. As partículas de Titânia com maior área superficial e baixa cristalinidade mostraram eficiência antibacteriana limitada apenas contra bactérias Gram-positivas, que são do tipo menos resistente. Por outro lado, partículas de TiO2 com alta cristalinidade mostraram eficácia contra as bactérias Gram-negativas. Partículas com melhor equilíbrio das propriedades, ou seja, com elevada área superficial (de no mínimo 78 m².g-1), pequeno tamanho de cristalito (no máximo 7,7 nm) e elevada cristalinidade conseguiram um efeito bactericida contra ambos os tipos de bactérias.

This study reported a fundamental comparison of two synthesis methods to obtain nanostructured TiO2 in the antibacterial and photodegradable properties of PP/TiO2 films. The nanostructured TiO2 was obtained by 1) the traditional sol-gel method and by 2) in situ synthesis in a PP/xylene solution. The films were produced by casting. The TiO2 obtained by in situ synthesis showed a nanometric structure (7.7 nm), high surface area (159.8 m².g-1) and high crystallinity (even without thermal treatment), presenting a mixture of anatase and rutile phases. These phases together have a synergistic effect that is beneficial in the antibacterial and photocatalytic properties of TiO2 particles. These characteristics were fundamental to the antibacterial action, with almost total reduction of the population of both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Also, degradation of 20 % of the PP was observed under UV with the addition of the particles obtained by in situ route. The in situ method proved to be the simplest way to obtain PP/TiO2 films in a single step with antibacterial and photodegradable action for possible use in active packaging. Comparative studies with Titania obtained by the sol-gel method showed that the surface area and the crystallinity were determinant factors for photocatalytic activity. Particles of high crystallinity, treated at 500 °C, promoted a nucleation effect on the PP film, increasing its crystallinity, which decreasing its photodegradation. On the other hand, particles treated at 400 °C and obtained with ethanol and butanol showed higher photocatalytic activity. It was also observed that the combined effect of particle size, surface area and crystallinity increase the antibacterial efficiency of TiO2. Titania particles with higher surface area and low crystallinity showed limited antibacterial efficiency only against Gram-positive bacteria, which are of the least resistant type. On the other hand, TiO2 particles with high crystallinity showed efficacy against Gram-negative bacteria. Particles with a satisfactory distribution of properties, that is, with a high surface area (at least 78 m².g-1), small crystallite size (at most 7.7 nm) and high crystallinity achieved a bactericidal effect against both types of bacteria.