ÁREA: Química Orgânica
TÍTULO: EXTRAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCRISTAIS DE CELULOSE A PARTIR DAS FIBRAS DO CAPIM MOMBAÇA
AUTORES: Ferreira Martins, D. (UFU) ; Bernaldino de Souza, A. (UFU) ; Pasquini, D. (UFU)
RESUMO: Este trabalho descreve a extração e caracterização de nanocristais de celulole
(NC). Os NC extraídos através de hidrólise ácida têm um grande potencial como
agente de reforço em compósitos. A obtenção do material foi feita variando o
tempo
de extração. A eficiência do processo foi avaliada através da determinação dos
rendimentos. Os NC obtidos foram analisados por análise termogravimétrica (TGA)
e
análises de difração de raios-x (DRX). Foi possível isolar NC de capim mombaça,
obtendo-se uma dispersão aquosa estável. Porém, os NC obtidos apresentaram um
menor índice de cristalinidade que as fibras de capim purificado e também uma
menor establidade térmica ao longo do tempo de extração.
PALAVRAS CHAVES: Nanocristais de celulose; Capim mombaça; Hidrólise ácida
INTRODUÇÃO: Novos materiais estão sendo desenvolvidos a partir de polímeros de várias fontes
renováveis. A celulose é o mais abundante dos polímeros naturais e um dos mais
utilizados [BELGACEM & GANDINI, 2008]. Muitas inovações tecnológicas têm surgido
na área da nanotecnologia, sendo uma delas os nanocristais de celulose (NC) ou
“whiskers”. Esses NC são extraídos a partir de fibras de celulose de diversas
fontes, tais como madeiras de eucalipto e pinus, e plantas de ciclo anual como
bagaço da cana-de-açúcar, etc. [TEIXEIRA et al., 2010; ROSA et al., 2010]. O
processo de extração de NC consiste no isolamento dos domínios cristalinos das
fibras de celulose, através da hidrólise seletiva das regiões amorfas das mesmas
[SILVA et al., 2009]. Os NC extraídos deste biopolímero têm um grande potencial
como agente de reforço em compósitos, podendo ser usados em plásticos sintéticos
e em biopolímeros, melhorando a biodegradabilidade de plásticos, assim como
melhorando as propriedades mecânicas dos novos materiais [SILVA et al., 2009].
Neste trabalho, foi estudado a hidrólise das fibras de celulose do capim mombaça
(Panicum maximum), para obtenção de NC. Os NC foram isolados e caracterizados
quanto a sua cristalinidade e sua estabilidade térmica.
MATERIAL E MÉTODOS: A purificação das fibras de capim mombaça foi realizada em duas etapas. A
primeira etapa consistiu na remoção da lignina, com solução de NaOH 2% por 4
horas sob refluxo e agitação. O volume de solução de NaOH utilizada para o
tratamento das fibras foi 30 mL para cada 1g de capim mombaça. As fibras foram
filtradas e lavadas com água destilada entre cada tratamento até a neutralidade.
Posteriormente, iniciou a segunda etapa da purificação, tratou – se as fibras
com uma mistura de 300 mL de solução 50/50(v/v) de clorito aquoso (1,7 % NaClO2
em água) e 300 mL de tampão acetato (27g de NaOH e 75 mL de ácido acético
glacial diluídos em 1L de água), a 80ºC por 6 horas com agitação. Logo após
lavou-se as fibras com água até a neutralidade e secou em estufa à 60°C por
24hrs. As fibras da folha de capim mombaça, antes e após a purificação, foram
caracterizadas quanto aos teores de lignina pelo método Klason (TAPPI – 222 OM -
02), para avaliar a eficiência do processo de purificação. Os processos de
hidrólise das fibras purificadas, para extração dos NC, foram realizados a 40°C,
variando – se os tempos de hidrólise de 10, 20, 30 e 40 min, sob agitação
vigorosa e constante, utilizando 30 mL de H2SO4 (11,22 M) para cada grama de
celulose. Após a hidrólise a suspensão foi diluída 10 vezes, para interromper a
reação de hidrólise, e centrifugada por 10 min a 7500 rpm, para retirar o
excesso de ácido. Posteriormente o precipitado foi dialisado contra água até pH
neutro. Os nanocristais resultantes foram caracterizados quanto sua estabilidade
térmica por análise termogravimétrica (TGA) e quanto sua cristalinidade por
ensaios de difração de raios-x (DRX).
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O teor de lignina Klason das fibras antes e após purificação foram de 18,60% e
2,12%, respectivamente, confirmando a eficiência do processo de purificação. A
Figura1(A) mostra que foi possível obter uma suspensão coloidal, aquosa,
homogênea e estável, que é um indicativo da presença de partículas nanométricas
[SILVA & D’ALMEIDA, 2009]. Os rendimentos de NC obtidos nos processos de
hidrólise estão de acordo com os rendimentos obtidos para fibras de celulose de
outras fontes [DUFRESNE, 2008]. Observa-se através da Figura 1(B) uma diminuição
do rendimento no processo de hidrólise quando se aumenta o tempo de reação. Os
índices de cristalinidade (IC) (Figura 1(B)) dos NC e da celulose purificada
foram estimados a partir dos difratogramas de raios-X (Figura 2(A)) e verificou-
se que houve uma diminuição do IC da celulose purificada (IC= 77,4%) em relação
aos nanocristais obtidos. Este comportamento pode ser atribuído à dissolução
parcial da celulose durante a hidrólise e que pode ter sido reprecipitada na
forma de celulose Tipo II [JAYME & LANG, 1963]. As Figuras 1(B) e 2(B)
apresentam os valores das temperaturas de degradação e as curvas de TGA,
respectivamente, realizados para as fibras purificadas e para os NC obtidos.
Verifica-se uma redução na temperatura inicial de degradação para os NC em
relação às fibras purificadas, e uma redução nestas temperaturas com o aumento
do tempo de hidrólise. A perda de estabilidade térmica pode ser atribuída a
introdução de grupos sulfato na celulose que diminui a estabilidade térmica dos
NC, que é potencializada com maiores tempos de hidrólise [ROMAN & WINTER, 2004].
Figura 1
1(A) Suspensão aquosa de NC obtida após hidrólise;
1(B) Resultados de rendimento, índice de
cristalinidade e temperatura inicial de degradação
Figura 2
(A)DRX obtidos para as fibras purificadas e para os
NC;(B) Curvas de TGA obtidas para as fibras
purificadas e para os NC obtidos após hidrólise.
CONCLUSÕES: Foi possível realizar a extração de nanocristais de celulose das fibras do capim
mombaça. As análises de DRX comprovaram que as fibras purificadas apresentam um
maior índice de cristalinidade em relação aos whiskers obtidos e que este mesmo
índice também reduziu quando trabalhou com tempos de hidrólise maiores. As
análises de TGA demonstraram uma queda na estabilidade térmica dos NC em relação a
fibra purificada. Este mesmo comportamento também pôde ser observado quando se
elevou o tempo de obtenção de extração dos whiskers.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à FAPEMIG, CAPES e CNPq pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: BELGACEM, M. N.; GANDINI, A. Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Elsevier, Amsterdam, 552p., 2008.
DUFRESNE, A. Cellulose-Based Composites and Nanocomposites. In: M. N. Belgacem and Gandini A. (Eds.). Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Elsevier, Amsterdam, 2008, pp. 401–418.
JAYME, G.; LANG, F. Cellulose solvents In: Whistler, R. L. (Ed.). Methods in Carbohydrate Chemistry. Academic Press, New York, 1963; Vol. 3, 75-83.
ROMAN, M.; WINTER, W. T. Effect of Sulfate Groups from Sulfuric Acid Hydrolysis on the Thermal Degradation Behavior of Bacterial Cellulose. Biomacromol. 2004, 5, 1671.
ROSA, M. F.; MEDEIROS, E. S.; MALMONGE, J. A.; GREGORSKI, K. S.; WOOD, D. F.; MATTOSO, L. H. C.; ORTS, G. G.; IMAM, S. H.. Cellulose nanowhiskers from coconut husk fibers: Effect of preparation conditions on their thermal and morphological behavior. Carbohydr. Polym, 2010, 81, 83.
SILVA, D. J.; D’ALMEIDA, M. L. O. Nanocristais de Celulose. O Papel. 2009, 70, 34.
SILVA, R.; HARAGUCHI, S. K.; MUNIZ, E. C.; RUBIRA, A. F.. Aplicações de fibras lignocelulósicas na química de polímeros e em compósitos. Química Nova, 2009, 32, 661.
TEIXEIRA, E. M.; CORRÊA, A. C. C.; MANZOLI, A.; LEITE, F.L.; OLIVEIRA, C. R.; MATTOSO, L. H. C.. Cellulose Nanofibers From White and Naturally Colored Cotton Fibers. Cellulose, 2010, 17, 595.
