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Influência do uso de tensoativo não iônico nos ensaios de molhabilidade.

Coelho KD1, Albuquerque L2, Medeiros CBS3, Nascimento IO4, Costa THC5, Silva JS6, Alves Jr C7.

1Mestranda em Ciências da Saúde, Programa de Pós-Graduação em Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

2Graduanda em Odontologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.3Graduanda em Ciência e Tecnólogia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

4Doutorando em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.5Professor Doutor da Escola de Ciência e Tecnologia da Universidade Federal do Rio Grande

do Norte.6Departamento de Odontologia, Professor Doutor de Cirurgia da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte.7Departamento de Engenharia Mecânica, Professor Titular da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte.

Resumo

Os ensaios de molhabilidade são freqüentemente utilizados para avaliar a energia superficial de sólidos e o conhecimento dos aspectos que envolvem esse fenômeno é extremamente relevante no campo do processamento de biomateriais. Apesar de difundido como um método eficaz para a mensuração da energia de superfície, a técnica da gota séssil é bastante sensível e sofre interferência de vários fatores. O presente estudo avaliou a influência do detergente enzimático, utilizado nos processos de limpezas de discos de titânio, bem como, a interferência do tempo nos ensaios de molhabilidade. As amostras de titânio foram imersas no banho com água-detergente-água(36°C); água-detergente-água (70°C); água-detergente-água-álcool; água-detergente-água-acetona, em ultrassom por 10min/líquido e submetidas à molhabilidade pela técnica da gota séssil com água bidestilada e glicerol. Para análise foi utilizado um goniômetro DAS 100 Kruss e o goniômetro desenvolvido pelo LabPlasma (Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma). Os ensaios demonstraram um aumento do ângulo de contato em função do tempo e conseqüente diminuição da molhabilidade do titânio. A presença de resíduos de tensoativos na superfície das amostras afetou significativamente a energia de superfície do titânio, alterando o ângulo de contato.

Palavras-chaves: energia de superfície, molhabilidade, tensoativos não iônicos, titânio.

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Abstract

The wettability tests are often used to evaluate the surface energy of solids and knowledge of issues surrounding this phenomenon is extremely relevant in the field of processing of biomaterials. Despite widespread as an effective method for the measurement of surface energy, the sessile drop technique is very sensitive and is influenced by many factors. The present study evaluated the influence of enzyme detergent used in cleaning processes of titanium disks, as well as interference in the time trials wettability. Titanium samples were immersed in the bath water-detergent-water (36 ° C) water-detergent-water (70 ° C) water-detergent-alcohol-water, water-acetone-water-detergent, or ultrasonic by 10min/líquido and subjected to wetting by the technique of the sessile drop with bidistilled water and glycerol. For analysis we used a goniometer and the 100 Krüss goniometer developed by LabPlasma (Laboratory of Plasma Materials Processing). The tests showed an increase in contact angle as a function of time and consequent reduction of wettability of titanium. The presence of the surfactant residue on the sample surface, significantly affect the surface energy of the titanium by changing the contact angle.

Keywords: surface energy, wettability, non-ionic surfactants, titanium.

1. Intodução

Os ensaios de molhabilidade, empregados por variadas técnicas como peso da gota1; 2, técnica da gota séssil, gota transferida, gota pendente, capilaridade3, dentre outras, são freqüentemente utilizados para avaliar a energia superficial de sólidos.

O conhecimento dos aspectos que envolvem esse fenômeno é extremamente relevante no campo do processamento de biomateriais, que visa primordialmente modificar a superfície de materiais que entram em contato com o organismo vivo. Ponsonnett e colaboradores estudaram a energia de superfície pela técnica da gota séssil e correlacionaram baixos valores do

componente polar com a proliferação de fibroblastos em substrato de Ticp (titânio comecialmente puro), NiTi (liga de níquel titânio) e Ti6Al4V (liga de titânio, alumínio e vanádio)4.

Apesar de difundido como um método eficaz para a mensuração da tensão superficial de sólidos, a técnica da gota séssil é bastante sensível e sofre interferência de vários fatores como umidade relativa do ar, temperatura ambiente e da amostra, resíduos orgânicos e do processo de limpeza, equipamento utilizado, formação de bolhas, formato do conta-gotas, tamanho e velocidade da formação da gota, rugosidade do substrato4, dentre outros.

O titânio e suas ligas tem sido o material de escolha para a

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confecção de próteses e implantes em decorrência da excelente biocompatibilidade da fina camada de óxido de titânio que interage com o tecido celular5. Entretanto, durante os procedimentos de metalografia e manuseio do titânio é inevitável a deposição de sujidades, gorduras e proteínas. Dessa forma, é preconizado o uso de detergentes enzimáticos nas etapas de limpeza das amostras antes e após os procedimentos de processamento de superfícies6.

O presente estudo pretende avaliar a influência dos detergentes enzimáticos, utilizados nos processos de limpezas durante a metalografia das amostras de titânio, bem como, a interferência do tempo na tensão superficial do titânio tipo II.

2. Métodos Experimentais

2.1 Amostras de titânio

Discos de titânio comercialmente puro grau II de 15mm (diâmetro) x 1,5mm de espessura. Inicialmente os discos foram embutidos em resina epóxi e lixados manualmente com lixas de carbeto de silício na ordem de 100, 220, 360, 400, 600, 1200, 1500, 2000 MESH. Posteriormente as amostras foram submetidas ao polimento usando politriz (AROTEC, modelo APL2 e série 212560, BRASIL) com uma solução coloidal de sílica e peróxido de hidrogênio 20V em um pano de polimento OP-

CHEM até a obtenção de uma superfície espelhada.

As amostras de titânio (n=3) foram imersas no banho água-detergente-agua, em ultrassom por 10min/líquido, e submetidas à molhabilidade, em dois equipamentos distintos, pela técnica da gota séssil com água bidestilada por períodos de 1h, 72h, 120h, após o banho.

Para analise foi utilizado um goniômetro automático DAS 100 Kruss, com aquisição de imagens e medição dos valores de ângulos através do software DAS 3, e o goniômetro desenvolvido pelo LabPlasma que é composto por uma base plana móvel (porta-amostra) com movimentos no sentido vertical, uma micro câmera, uma pipeta de volume regulável e uma fonte de luz difusa. A aquisição de imagens foi obtida com o software Pinnacle Studio QuickStart versão 8 e a média e desvio padrão de seis medidas foram realizadas através do programa Surftens. O perfil da gota foi avaliado em 60s após sua deposição no substrato.

2.2 Tensão superficial x tempo

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Três amostras após o polimento passaram pelos ensaios de molhabilidade imediatamente, 30minutos e 25horas após o banho e seus valores médios estão representados na tabela 1 . Àgua e glicerol foram utilizados para obtenção dos componentes polares e dispersivos, respectivamente. As medidas foram analisadas com o software Pinnacle Studio QuickStart versão 8, com aquisição de imagens fotográficas após 60s da deposição da gota. A média e desvio padrão fora realizados no programa Surftens.

2.3 Processos de limpeza

Planejamento experimental foi utilizado para determinar a ordem dos banhos em ultrassom e os líquidos utilizados foram: água

bidestilada em temperatura ambiente e a 70°C, detergente enzimático RiozymeB ive neutro gold diluído a 5% em água bidestilada, álcool etílico 70% e acetona pura. Três amostras foram utilizadas e após os respectivos banhos passaram pela análise de molhabilidade no goniômetro do LabPlasma, quando 20µl de água bidestilada e 20µl de glicerol foram utilizadas em cada superfície para obtenção da energia de superfície. Os valores médios e respectivos desvios padrões estão representados na tabela 2. A molhabilidade das amostras que passaram pelo banho apenas em água bidestilida foi tomada como parâmetro. A atmosfera do ensaio foi mantida constante em 19°C e 35% de umidade relativa do ar.

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3. Resultados

Fig. 1- Ensaios de molhabilidade Goniômetro DAS 100, Kruss. Ensaios

realizados 1h (a), 72h (b) e 120h (c) após o banho em água-detergente-água.

Fig. 2- Ensaios de molhabilidade no goniômetro do LabPlasma. As figura a,b e c apresentam os ensaios de 1h, 72h, e 120h, respectivamente, após o banho em água-

detergente-água.

Tensão x Tempo

H2O 36°C H2O 70°C Tensão 36°C Tensão 70°C

Tempo água glicerol água glicerol sp s

d s sp s

d s

0h 56,72

0,87 54,16 0,5 73,34 0,8 69,66 0,59

30,89156 12,77708 43,6686404319,26829709 11,01335425 30,28165134

30m 70,07

0,84 70,08 0,8 76,58 0,66 68,4 0,65

25,53086 7,433364 32,964228213,0963855 16,58052892 29,67691441

25h 73,44

0,67 67,49 0,63 80,01 0,55 81,35 0,83

16,85609 13,98788 30,843969421,10900252 4,503792466 25,61279498

Tab. 1- Influência do tempo na tensão superficial

Processo de LimpezaLíquidos água glicerol s

p sd s

Água/ detergente/água 57,33 0,61 63,83 1,29 42,81875 3,98762 46,80637Água/detergente/água/acetona 53,16 0,45 57,08 1,26 41,57874 6,807773 48,38651Água/detergente/água/álcool 52,11 1,05 41,78 1,08 25,92757 23,01904 48,94661Água/detergente 27,74 0,74 22,23 0,34 46,19208 18,51324 64,70532Água/detergente/água/água 60,6 0,49 69,34 0,77 44,28937 2,088306 46,37767Água/detergente/água 70ºC 59,86 0,4 79,98 1,82 66,03443 0,515958 66,55039

Tab. 2 – Energia de superfície e molhabilidade em função do banho.

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4.

5. Discussão

A molhabilidade dos materiais expressa a sua tensão superficial e hidrofilia, que pode ser modificada de acordo com o tratamento de superfície empregado5. O método de ensaio de molhabilidade pela técnica da gota séssil prevê o acompanhamento do perfil da gota de um determinado líquido depositado na superfície (fig. 3)

Fig. 3- Ensaio de molhabilidade pela técnica da gota séssil3.

A interação das moléculas no interior de um líquido é sempre superior as interações moleculares externas. A tensão superficial de um líquido representa a resistência de penetração na superfície de um líquido e é proporcional a força de coesão de suas moléculas. De forma análoga é como se uma barreira recobrisse o liquido, sendo que a energia necessária para romper tal barreira, representa a tensão superficial do líquido. A substância líquida se curva em busca de uma menor energia livre pela diminuição da área superficial, e os métodos para quantificar a tensão superficial, baseiam-se principalmente na quantificação do

trabalho necessário para aumentar a área superficial2.

Quando da eliminação do líquido do conta-gotas o que observamos é a presença de três elementos com suas respectivas tensões superficiais. Após o contato do líquido com o substrato as energias individuais desaparecem dando origem a energia de interface vapor-líquido-sólido (Fig. 4). O formato da gota e o seu espalhamento dependem da tensão superficial do líquido utilizado e da energia livre de superfície do substrato3.

Fig.4- Tensão superficial3.Dessa forma o molhamento

da superfície pode ser definido pela medição do ângulo de contato, que se torna estável após o equilíbrio das energias γsv , γlv e γsl 7. Superfícies hidrofílicas apresentam ângulos entre 0°, espalhamento total do líquido quando depositado, e 90°, espalhamento parcial da gota. As superfícies de comportamento hidrofóbico, por sua vez, apresentam ângulos entre 90 e 180° e visualmente as gotas não espalham sobre a superfície.

De modo geral as amostras de titânio tomadas como padrão apresentaram um caráter hidrofílico com uma molhabilidade média de 62,27° e desvio quadrático de 0,64.

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Entretanto, a presença do detergente enzimático alterou significativamente a molhabilidade das superfícies para 27,74° e tensão superficial de 64,71(mJ/m2) (Tab.2).

Os tensoativos são substâncias que interagem na interface entre duas fases (água/água – água/óleo – superfície de sólidos) diminuindo a tensão da superfície e, por conseguinte, aumentam a molhabilidade. Os detergentes enzimáticos são tensoativos de Balanço hidrofílico-lipofílico entre 11 e 15 em uma escala que varia de 0 (tensoativos totalmente lipofílico) a 20 (tensoativos totalmente hidrofílicos). Portanto, apresenta um balanço eqüidistante na sua constituição do grupo lipofílico, cadeias apolar de hidrocarbonetos mais ou menos longas e solúveis em óleo e gorduras, e do grupo hidrofílico, grupo polar de caráter iônico e solúvel em água.

O grupo funcional, espécie da molécula com ação tensoativa, pode ser dividido em catiônicos; aniônicos; anfôteros; e não iônicos ou neutros. Estes não se ionizam, logo não possuem carga e são principalmente formados por grupos éter, hidroxi e éster. Além disso, os tensoativos não iônicos apresentam uma baixa concentração crítica micelar (cmc), que é a capacidade dos tensoativos formarem micelas, a partir de uma determinada concentração, em contato com substâncias líquidas no fenômeno de micelização (fig. 5)8.

Fig. 5 – Fenômeno Micelização de tensoativos após cmc.8

Quando em contato com a solução aquosa os monômeros do surfactante dispersos na água apresentam para o exterior o grupo lipofílico, formando um filme na superfície da água que culmina com a diminuição da tensão superficial. Durante a micelização os grupos apolares são vertidos para o interior após ligarem-se as substâncias lipofílicas, e expõem ao meio aquoso os grupos polares, sendo então o complexo água-detergente-sujidades removidos da superfície. O aumento de surfactantes depois de alcançado a cmc não interfere na tensão superficial, visto que a formação das micelas dispersa o tensoativo em toda a solução2 (fig 6).

Fig. 6 – Curva do fenômeno de micelização.8

Contudo, como relatado acima, o que observamos é que resíduos de detergente enzimático com concentração de 5% alteraram significativamente os ensaios (fig. 7) quando comparados com o banho final em água bidestilada.

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Fig. 7- água-detergente (b e d) e água-detergente-água (a e c)

A presença de calor acelera a evaporação dos surfactantes e facilita a sua remoção da superfície como se pode perceber nos resultados das amostras que passaram pelo banho em água-detergente-água70°, que foram equivalentes aos resultados demonstrados nos ensaios com água-detergente-água-água(fig. 8) e significativamente maior para os ensaios de imersão em apenas um banho com água, para a eliminação do detergente (fig 8).

Utilizando os dados dos ensaios de energia de superfície x tempo, também podemos perceber melhores resultados no banho com água 70°C sobre água ambiente, tendo em conta os resultados de molhabilidade para ambos (tab.1).

Fig 8- Resultados banhos em ultrassom.

O uso de produtos como álcool e acetona são preconizados para remover o excesso de água e estabilizar a superfície. Para o presente estudo, o que observou-se é que a presença dessas

substancia, pouco contribui para a remoção dos resíduos de detergentes divergindo significativamente dos valores de molhabilidade expressos pelo banho água-detergente-água70° e água-detergente-água-água. Contudo, a presença de álcool e acetona, analisados isoladamente, parece contribuir pouco para os resultados de molhabilidade quando comparados com o banho água-detergente-água (fig. 8).

Não houve correlação entre os equipamentos utilizados, posto que os ângulos obtidos no goniômetro DAS Kruss e goniômetro Labplasma, variaram em até 12,17° e 19,24°, respectivamente (fig. 1 e 2). O que se observou, contudo, nesse experimento e corroborado pelos dados da energia de superfície x tempo (tab. 1) é um aumento do ângulo de contato em função do tempo e proporcional a diminuição da tensão superfricial. Este fenômeno pode ser explicado tendo como base que após o banho as amostras de titânio apresentam uma superfície limpa e ávida por ligações, entretanto, a deposição de sujidades em função do tempo poderia ser a responsável pelo aumento do ângulo de contato9. Além disso, o titânio quando exposto ao ar forma uma fina camada de poucos nanômetros de óxido responsável pelas suas características anticorrorisas e biocompatíveis, que, contudo, alteram a hidrofilia da superfície.

6. Conclusões

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A presença de resíduos de detergentes enzimáticos na superfície das amostras altera a sua tensão superficial, aumentando a molhabilidade das amostras. Para a adequada remoção desses

resíduos, foi determinada uma metodologia de banhos em ultrassom, sendo o melhor resultado expresso pelo banho em água-detergente-água 70°C em ultrassom por 10min para cada substância.

Não houve diferença significativa entre o goniômetro do Labplasma e o DAS 100 Kruss, entretanto,

observou-se uma diferença nos ensaios em função do tempo.

7. Bibliografia

1 NETO, É. T. Medidas de tensão superficial pelo método de contagem de gotas: descrição do método e experimentos com tensoativos não-iônicos etoxilados. MALTA, M. M. Química Nova. vol. XY: pag. 01-05 p. 2008.

2 JL, B. Adaptação no método do peso da gota para determinação da tensão superficial: Um método simplificado para a quantificação da CMC de surfactantes no ensino da química. M, L. Química Nova. Vol. 27: 492-495 p. 2004.

3 LUZ, A. Artigo revisão: Uso da molhabilidade na investigação do comportamentode corrosão de materiais refratários. RIBEIRO, S. Cerâmica. 54: 174-183 p. 2008.

4 PONSONNET, L. et al. Relationship between surface properties (roughness, wettability) of titanium and titanium alloys and cell behaviour. Materials Science and Engineering: C, v. 23, n. 4, p. 551-560, 2003. ISSN 0928-4931. Disponível em: <

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092849310300033X >.

5 ALVES JR, C. et al. Nitriding of titanium disks and industrial dental implants using hollow cathode discharge. Surface and Coatings Technology, v. 194, n. 2–3, p. 196-202, 2005. ISSN 0257-8972. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897204009843 >.

6 GUERRA NETO, C. Experimental study of plasma nitriding dentalimplant surfaces. DA SILVA, M. Surface Engineering. 25: 430-433 p. 2009.

7 KUBIAK, K. J. et al. Wettability versus roughness of engineering surfaces. Wear, v. 271, n. 3–4, p. 523-528, 2011. ISSN 0043-1648. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164810001390 >.

8 SILVA, A. Tensoativos: Conceitos Gerais e suas aplicações em tintas PONZETTO, E. Oxiteno 2003.

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9 CARP, O.; HUISMAN, C. L.; RELLER, A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Progress in Solid State Chemistry, v. 32, n. 1–2, p. 33-177, 2004. ISSN 0079-6786. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079678604000123 >.