Modification of polymeric surfaces for biological fluids repellency

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA presente dissertação surgiu com o objetivo de modificar a superfície de luvas cirúrgicas para aumentar a sua repelência a fluidos biológicos. Durante os procedimentos médicos, o operador depara-se com tempos prolongados que levam a uma maior aderência de vários fluidos, como o sangue, dificultando a sua visibilidade. Por esta razão, um revestimento altamente hidrofóbico e oleofóbico pode proteger a superfície ao permitir que a água e outros líquidos aglomerem e escorram, levando ao fenómeno de auto-limpeza da luva. Assim, foram realizados quatro tipo de modificações nas luvas de poli-isopreno, todas eles sem incorporação de flúor. A necessidade de obter luvas repelentes sem flúor surge devido aos problemas de saúde e ambientais que possam advir da utilização de cadeias de carbono fluoradas. Por esta razão, o principal grupo químico incorporado durante os procedimentos experimentais deste trabalho foi o metilo, que apresenta baixa tensão superficial depois do flúor (-CF2 ou -CF3).O primeiro revestimento foi realizado recorrendo ao Sylgard® 184, um polidimetilsiloxano comercial e hidrofóbico. Por ser fornecido num kit, a sua preparação consistiu na mistura entre a base e o agente de reticulação. A segunda modificação passou por submeter as luvas a um tratamento de plasma. Este foi realizado com o propósito de aumentar a sua rugosidade superficial, por se saber que esta é uma característica a verificar quando se pretende o aumento da hidrofobicidade das superfícies, para além da diminuição da sua energia de superfície. O terceiro procedimento reuniu várias estratégias de revestimento com hexametildisilazano, alterando as condições reacionais e o pré-tratamento a que as luvas foram submetidas, já que este composto apresenta na sua constituição seis grupos -CH3. Finalmente, recorreu-se ao processo sol-gel para a formação de uma rede de sílica à superfície das luvas, alterando-se o precursor utilizado, desde o metiltrimetoxisilano ao dimetildimetoxisilano e trimetilmetoxisilano, com um, dois e três grupos metilo, respetivamente.Todos os revestimentos foram preparados por dip coating, dada a sua simplicidade operatória. Todas as modificações implementadas foram alvo de caracterização da maior ou menor hidro- e oleofobicidade alcançada, recorrendo às medições dos ângulos de contacto que gotas de água, diiodometano e n-hexadecano fazem com a superfície. Alguns revestimentos foram analisados quanto à sua modificação química, recorrendo à Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier, morfologia e rugosidade superficial, recorrendo à Microscopia Eletrónica de Varrimento e Microscopia Ótica de Focagem Infinita, ou até quanto à sua maior ou menor repelência à água e sangue de porco através de testes visuais. Após realizadas e analisadas as modificações das luvas, concluiu-se que o processo sol-gel com o trimetilmetoxisilano como precursor foi o procedimento com o qual se atingiram os melhores resultados, tendo-se obtido luvas superhidrofóbicas (com um ângulo de contacto com água de 150°). Porém, as luvas continuaram oleofílicas, por não se conseguir uma maior diminuição da energia de superfície apenas recorrendo aos grupos metilo.Finalmente, os testes de repelência visuais realizados puderam comprovar as melhorias alcançadas não só com a água, mas também com o sangue (de porco). Por se ter verificado uma menor aderência deste último nas luvas revestidas com trimetilmetoxisilano, concluiu-se que este foi o precursor que apresentou maior potencial no que toca à repelência de fluidos biológicos desejada.The present work aims to modify the surface of surgical gloves to increase their biological fluids repellency. During medical procedures, the operator is faced with prolonged periods of time, leading to a bigger adhesion of various fluids, like blood, that difficult its visibility. For this reason, a highly hydrophobic and oleophobic coating can protect the surface by allowing the water and other liquids to agglomerate and flow through it. This leads to the auto cleaning phenomenon of the glove. Four different modifications were performed in the poly-isoprene gloves during this work, all of them without the incorporation of fluorine. This need to obtain repellent gloves without fluorine on it, is mainly because of the environmental and health problems that can arise due to the use of fluorocarbon chains. Thus, the methyl group was the principal chemical group used during the experimental procedures in this work, with the lowest superficial tension after fluorine ( CF2 or -CF3).The first coating was prepared using Sylgard® 184, a commercial hydrophobic polydimethylsiloxane. Its preparation consists in the mixture between the base and the curing agent of the supplied kit. The second modification to which the gloves were submitted was a plasma treatment. This treatment was performed with the purpose to increase the surface nanoroughness of the gloves, since this is a characteristic to fulfil when an increase of the surface hydrophobicity is required along with the decrease of their surface free energy. The third procedure included some strategies of coating with hexamethyldisilazane, by changing the reactional conditions and the pre-treatment to which the gloves were submitted, since this is a compound with six methyl groups. Finally, the sol-gel process was used to create a silica network across the gloves surface, with different silica precursors: methyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane and trimethylmethoxysilane, with one, two and three methyl groups, respectively.All the surface modifications except plasma treatment were performed by dip coating, due to its operational simplicity. All the implemented modifications were characterized according to their degree of hydrophobicity and oleophobicity, by measuring the contact angles that drops of water, diiodomethane and n hexadecane made with the surface. Some coatings were analysed in terms of chemical modifications, using the Fourier Transform Infrared Spectroscopy, in terms of morphology and surface roughness, using the Scanning Electron Microscopy and Infinite Focus Microscopy, or even in terms of their water and pig blood repellency using simple visual tests. After preparation and analysis of the gloves modifications, it can be concluded that the sol-gel process with trimethylmethoxysilane as precursor was the procedure with which it was possible to obtain the best results, leading to the creation of superhydrophobic gloves (with a water contact angle of 150°). However, the gloves remained oleophilic, since it was not possible to decrease even more the surface free energy solely using methyl groups.Finally, the visual repellency tests proved the improvements achieved, not only with water, but also with blood (of pig). Because very low adhesion of the blood to the gloves coated with trimethylmethoxysilane, it was concluded that this was the precursor with the highest potential for biological fluids repellency as desired