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Type: Tese
Title: Indução de radiofotoluminescência em polímeros biodegradáveis e bioplásticos à base de amido natural por exposição às radiações UV e gama
Authors: Elisete Lopes da Cunha
First Advisor: Luiz Oliveira de Faria
First Referee: Adriana de Souza Medeiros Batista
Second Referee: Críssia Carem Paiva Fontainha
Third Referee: Thiago Schimitberger
metadata.dc.contributor.referee4: Luiz Claudio Meira Belo
Abstract: Neste trabalho foram investigadas as propriedades fotoluminescentes em polímeros biodegradáveis e bioplásticos à base de amido, radio-induzidas por exposição à radiação gama e radiação ultravioleta. Assim como a grande maioria dos materiais orgânicos, estes polímeros inicialmente não possuem características fotoluminescentes. Biofilmes de amidos naturais de milho, batata ou mandioca foram preparados a partir de soluções contendo amido comercial, água pura e plastificante de glicerina PA. Filmes de poli (butileno adipato-co-tereftalato) [PBAT], um copoliéster alifático-aromático biodegradável, foram preparados a partir de evaporação de solução em triclorometano. No estudo da fotoluminescência PL induzida por radiação UV no PBAT foi descoberto que os filmes passam a apresentar esta característica, após a exposição a uma lâmpada UV fluorescente de 8W por um tempo superior a 50 horas. A análise do espectro de emissão PL, revelou que a irradiação UV realizada sob atmosfera rica em O2 aumenta a emissão PL quando comparada às irradiações realizadas em atmosfera comum. A relação linear entre Intensidade PL e Irradiância Espectral pode ser utilizada para realizar dosimetria 2D em campos de radiação UV. Os dados de FTIR confirmam que o mecanismo por trás da fotoindução UV indicados pelos resultados de PL é semelhante ao mecanismo sugerido para a emissão de PL no PBAT obtidos por exposição à radiação gama, i.e. o aparecimento de aminas aromáticas durante a irradiação. Por outro lado, a investigação da radio-indução de propriedades fotoluminescentes em biofilmes de amidos naturais foi realizada para as duas qualidades da radiação, isto é gama e ultravioleta. Com relação à irradiação gama, as amostras de filmes foram irradiadas com doses variando de 0,0 kGy a 2.100,0 kGy. Para a irradiação UV, as amostras foram irradiadas com Irradiâncias Espectrais variando de 0,0 a 141,69 J.cm-2. Características fotoluminescentes induzidas por irradiação gama semelhantes as reportadas para o PBAT foram observadas nos três tipos de biofilme de amido, embora com foto-emissão em comprimentos de onda diferentes, isto é 490 nm e 532 nm, respectivamente. As intensidades de emissão PL observada em amostras irradiadas por UV foram muito menores do que aquelas irradiadas com doses gama. A relação dosimétrica entre Intensidade PL e a dose de radiação para os três tipos de biofilmes de amido é linear, com fatores de correlação linear de 0,98, 0,97 e 0,99 para amidos de batata, mandioca e milho, respectivamente. Dentre os amidos estudados, ficou claro que o amido de milho possui uma fotoluminescência quase 100% maior que os demais. Os espectros de FTIR das amostras irradiadas com gama e UV revelaram evidências da radioindução de aminas aromáticas, principalmente em 1265 cm-1, atribuído ao modo de estiramento das ligações C-N em moléculas de NH2, e em 1712 cm-1, atribuído à deformação do NH2 em aminas primárias. O aumento nas intensidades dos picos na faixa de 3000 a 3600 cm-1 foi atribuído ao aumento das ligações OH, pela conversão de grupos de aldeídos em grupos carboxila, na irradiação em presença de oxigênio. O aumento também foi atribuído à ligação de grupos N-H em anéis de hidrocarbono ou de piranose, identificado no FTIR pelo modo de alongamento destas ligações. O fenômeno de radio-indução de propriedades fotoluminescentes no PBAT e nos Amidos estudados é análogo ao fenômeno conhecido como Radiofotoluminescência, observado em materiais inorgânicos desde os anos 50. A descoberta de altas intensidades de emissões fotoluminescentes em materiais amiláceos abre um amplo campo de aplicações para esta classe de materiais, como em dosimetria de altas doses 2D e 3D e também em dispositivos de bioimagem.
Abstract: In this work, the photoluminescent properties of biodegradable polymers and starch-based bioplastic films, radio-induced by exposure to gamma and ultraviolet UV radiation, were investigated. As well as the vast majority of organic materials, these polymeric materials initially do not have any photoluminescent characteristics. Natural starch-based biofilms made of corn, potato and cassava were produced. Solutions containing commercial starch, pure water and glycerin PA plasticizer were prepared. Film samples of Poly (butylene adipate-co-terephthalate) [PBAT], a biodegradable aliphatic-aromatic copolyester, were prepared by “casting” from trichloromethane at room temperature. The PBAT low energy UV study revealed that the irradiated films show high PL output after exposure to an 8 watts UV Fluorescent Lamp, by more than 50 h. The PL emission spectra taken during photo-excitation with a blue Led source (405 nm) revealed that the PL output yield is higher for samples irradiated under O2 rich atmosphere than in the air. The relationship between PL Intensity and Spectral Irradiance shows a linear behavior, allowing to perform 2D dosimetry in UV fields. Additionally, the PL emission’s red and blue components also have dosimetric behavior. FTIR data confirms that the mechanism behind the radio-induction of PL features by UV radiation is similar to that suggested earlier for gamma radiation, i. e. the appearing of aromatic amines during irradiation. On the other hand, the investigation of the radio-induction of photoluminescent properties in natural starch biofilms was carried out using the two radiation qualities, namely gamma and ultraviolet. Regarding gamma irradiations, the film samples were irradiated with doses ranging from 0.0 kGy to 2,100.0 kGy. For UV irradiations, the samples were irradiated with Spectral Irradiances ranging from 0.0 to 141.69 J.cm-2. Photoluminescent characteristics induced by gamma irradiation similar to those reported for PBAT were observed in the three types of starch biofilm, although with photo-emission at different wavelengths, i.e. 490 nm and 532 nm, respectively. The PL intensities observed in samples irradiated with UV radiation were much lower than those samples irradiated with gamma doses. The dosimetric relationship between PL intensity and radiation dose for the three types of starch biofilms is linear, with linear correlation factors of 0.98, 0.97 and 0.99 for potato, cassava and corn starches, respectively. Among the studied starches, it was clear that the corn starch has a photoluminescence almost 100% greater than the others. The FTIR spectra of samples irradiated with gamma and UV revealed evidences of radio-induction of aromatic amines, mainly at 1,265 cm-1, which was attributed to the stretching C-N bonds in NH2 molecules, and at 1,712 cm-1, attributed to the deformation of NH2 in primary amines. The peak intensity increase in the 3,000 to 3,600 cm-1 spectral range was attributed to the increase of OH bonds, by converting aldehydes into carboxyl groups during irradiation in the presence of oxygen. It has also been attributed to the bonding of N-H groups to the hydrocarbon or pyranose rings, identified in the FTIR spectra by the elongating vibrational modes of these bonds. The phenomenon of radio-induction of photoluminescent properties in PBAT and in the starch-based biofilms is analogous to the elsewhere well-known phenomenon of Radiophotoluminescence, observed in inorganic materials since the 1950s. The discovery of high yields of photoluminescent emission features in starchy materials opens up a wide field of applications for this class of materials, such as in high dose 2D and 3D dosimetry and also in bioimaging devices.
Subject: Engenharia nuclear
Radiação - Dosimetria
Polímeros
Fotoluminescência
Amido
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/34780
Issue Date: 5-Aug-2020
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