ÁREA: Iniciação Científica
TÍTULO: PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS DE MATRIZ DE AGAROSE REFORÇADOS COM NANOCRISTAIS DE CELULOSE EXTRAÍDOS DE FIBRAS DE CAROÇO DE MANGA.
AUTORES: Henrique, A. (UFU) ; Pasquini, D. (UFU) ; Silvério, A.H. ()
RESUMO: Os nanocristais de celulose (NCC) também conhecidos como ‘whiskers’, são cristais
de alta pureza e que podem ser utilizados em matrizes poliméricas, e tem gerado
grande interesse científico e industrial devido sua ampla disponibilidade e
características químicas. O trabalho tem como objetivo a incorporação de NCC em
matriz de agarose. Os NCC utilizados na incorporação foram isolados através de
hidrólise com ácido sulfúrico (H2SO4) 11,2 mol.L-1 com tempo de 10 minutos e
temperatura de 40°C. A incorporação dos NCC (0, 2, 4, 6, 8 e 10% m/m) na matriz de
agarose induziram a um aumento de resistência mecânica e também conferiram ao
nanocompósito uma maior elasticidade, preservando as propriedades de transparência
dos filmes.
PALAVRAS CHAVES: nanocristais de celulose; agarose; nanocompósito
INTRODUÇÃO: A necessidade por materiais e processos compatíveis com o meio ambiente tem
motivado o estudo cada vez mais intenso de materiais obtidos de fontes
renováveis (biomassa) e o desenvolvimento de produtos recicláveis ou
biodegradáveis. As macromoléculas naturais, com ênfase especial àquelas de
origem vegetal, podem ser empregadas, isoladamente ou em associação com outros
materiais, para produção de materiais termoplásticos ou termorrígidos, bem como
blendas e compósitos poliméricos (BELGACEM e GANDINI, 2008). Os nanocompósitos
constituem uma classe de materiais formados por híbridos de materiais orgânicos
e inorgânicos, onde as partículas de reforço estão dispersas, em nível
nanométrico, em uma matriz polimérica. Sua preparação é viável em muitos casos
por encontrar um compromisso entre um baixo custo, devido à utilização de menor
quantidade de carga, e um elevado nível de desempenho. Os nanocristais de
celulose (NCC) são partículas isoladas sob condições controladas que conduzem à
formação de cristais de alta pureza. Eles constituem uma classe genérica de
materiais com resistências mecânicas equivalentes às forças de ligação dos
átomos adjacentes. As propriedades de resistência à tração dos NCC são muito
superiores aos dos atuais reforços de alto volume e permitem o processamento de
compostos mais fortes. Compósitos poliméricos reforçados com NCC apresentam
excelentes propriedades mecânicas mesmo com baixas quantidades de NCC (DUFRESNE,
2008). Este comportamento pode ser atribuído à formação de uma rede rígida
resultante da forte interação entre os NCC adjacentes ligados por ligações de
hidrogênio. O trabalho vem com o objetivo de pesquisar o reforço de filmes de
agarose com NCC provenientes de fibras de caroço de manga.
MATERIAL E MÉTODOS: Os nanocristais de celulose foram isolados a partir de fibra de celulose de
caroço de manga pudificados, através de hidrólise com H2SO4 11,2 mol.L-1 por 10
minutos e temperatura de 40°C. Esses nanocristais foram caracterizados quanto ao
tamanho através de imagens obtidas por microscopia eletrônica de transmissão
(MET) realizadas em um microscópio Zeiss EM 109, quanto sua cristalinidade por
medidas de difração de raios-x (DRX) realizadas em um difratômetro Shimadzu LabX
XRD-6000 e quanto sua estabilidade térmica por análise termogravimétrica (TGA)
realizadas em um equipamento Shimadzu DTG-60H.
Os filmes de nanocompósitos foram preparados via “casting”. Pesou 0,3g de
agarose pura dissolvendo-a em 20 mL água fervente e adicionou-se à solução as
quantidades de NCC variando de 0, 2, 4, 6, 8 e 10% m/m em relação à agarose,
partindo de uma solução de concentração conhecida. Após a diluição colocou-se a
solução em um vidro de relógio e o colocou para secar em uma estufa por 24 horas
a 50°C. Os filmes resultantes (nanocompósitos) foram caracterizados quanto a
estabilidade térmica por TGA, quanto ao comportamento mecânico por ensaios de
tração em uma máquina de ensaios universal MTS - 810 Material Test System e
quanto à cristalinidade por DRX.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O rendimento de NCC de cellulose foi de 22,8% e sua cristalinidade foi de 61,2%.
Os NCC apresentaram menor estabilidade térmica que as fibras de cellulose de
caroço de manga purificadas, pois a temperatura inicial de degradação para os
NCC foi de 245°C enquanto que para as fibras foi de 285°C. O tamanho dos NCC
variam entre 100-200 nm de comprimento (L) e 15-20 nm de espessura (D), que
resulta em uma razão de aspecto (L/D) em torno de 10. A figura 1a apresenta a
imagem de MET dos NCC.
Na preparação dos nanocompósiots, observa-se que mesmo com a incorporação dos
NCC obtiveram-se filmes com a mesma transparência das condições iniciais (Figura
1b e 1c). Essa característica torna a incorporação muito viável para diversas
aplicações, como em embalagens entre outros, visto que os compósitos
convencionais não possuem a característica da transparência. Pelos gráficos de
raios-x dos filmes dos nanocompósitos (imagem não mostrada aqui), verifica-se
que com a incorporação dos nanocristais houve uma indução no aumento de
cristalindidade da agarose. A incorporação de whiskers aos filmes de agarose não
alterou a estabilidade térmica do polímero. Pelos gráficos de TGA (não mostrados
aqui), observa-se que o começo da perda de massa dos filmes são em torno de
276°C, independente da quantidade de NCC. A incorporação dos NCC tem a
finalidade de promover possíveis melhoramentos nas condições de rigidez e/ou
elasticidade do polímero. A tabela 1 exibe os valores de tensão na ruptura e
porcentagem de deformação dos filmes de agarose, com e sem incorporação dos NCC.
Verifica-se que com a adição dos NCC há um aumento na tensão na ruptura e na
deformação, ou seja, os materiais estão ficando mais reforçados porém mais
elásticos.
TABELA 1
Quantidade de NCC e agarose empregados na preparação
dos nanocompósitos e valores de tensão na ruptura e
deformação dos ensaios mecânicos dos filmes.
FIGURA 2
a) imagem de MET dos NCC; b) filme de agarose puro e
c) filme de agarose com 10% de NCC.
CONCLUSÕES: Foi possível obter NCC de celulose a partir de fibras de celulose de caroço de
manga. Estes NCC incorporados à matriz de agarose produziram nanocompósitos que
preservaram a transparência original do polímero, e com preservação da
estabilidade térmica. Verificou-se também um aumento da cristalinidade dos
nanocompósiots induzidos pela incorporação dos NCC. Nos ensaios mecênicos
verificou-se que com a incorporação dos NCC houve um aumento na resitência dos
nanocompósitos juntamente com um aumento de elasticidade dos mesmos
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à FAPEMIG, CAPES e CNPq pelo suporte financeiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: BELGACEM, M.N.; GANDINI, A. (Eds.). Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Oxford, UK: Elsevier, 552p, 2008.
DUFRESNE, A. Cellulose-Based Composites and Nanocomposites. In M. N. Belgacem and A. Gandini (Eds.). Monomers, Polymers and Composites from Renewable Resources. Oxford, UK: Elsevier, pp. 401-418, 2008.
