Estudo do pré-tratamento e do tempo de hidrólise na produção de nanocristais de celulose

Abstract

Nanocristais de celulose (NCC) vêm sendo aplicados como material de reforço em matrizes poliméricas em virtude das excelentes propriedades mecânicas e do fato de serem advindos de fibras naturais, as quais são biodegradáveis e de fontes renováveis. Neste trabalho, foram estudadas as características morfológicas, dimensionais, químicas e de superfície dos nanocristais de celulose isolados a partir de fibras de algodão pré-tratadas com NaOH 2% e hidrólise com ácido sulfúrico 65% (m/m), a 50 °C, razão ácido:biomassa correspondente a 20 mL g -1 com a variação do tempo de hidrólise nos níveis de 50, 70, 90, 110 e 130 minutos. A caracterização foi realizada por microscopia eletrônica de transmissão, difratometria de raios- X, FTIR, termogravimetria, DLS, potencial zeta, e EDS. O rendimento também foi determinado para todos os tempos avaliados. Uma questão importante no processo é que, durante a etapa de centrifugação, a suspensão de baixa concentração, composta por suspensões originadas dos vários ciclos, geralmente é obtida de 3 a 6 ciclos. Assim, um dos objetivos deste trabalho foi avaliar a fase de suspensão dos nanocristais na centrífuga por meio do pH e da turbidez de cada ciclo de centrifugação para os tempos de 50 e 70 minutos de hidrólise. A caracterização das suspensões de nanocristais de cada ciclo foi realizada através do diâmetro hidrodinâmico, potencial zeta, concentração e rendimento da etapa. Os resultados mostraram que os nanocristais começaram a se suspender a valores de pH entre 1, atingindo o máximo a pH 2 conforme os valores de turbidez, em torno de 10 e 300 NTU, respectivamente. Para o 3° ciclo (turbidez máxima), obteve-se maior rendimento de produção de nanocristais, além de observar que estes apresentavam menores dimensões e suspensões estáveis avaliadas pelos resultados de potencial zeta. Diante destes resultados, a produção de NCC para os demais tempos de hidrólise foram realizadas com centrifugações até o 3° ciclo. Os nanocristais apresentaram formas semelhantes a agulhas, razão de aspecto de 12,7 ± 0,8 e 15,6 ± 1,1 para tempo de 50 e 130 minutos, respectivamente. Cargas superficiais elevadas foram obtidas para nanocristais com maior teor de enxofre. O rendimento máximo atingido foi de 33% ± 0,1 para o tempo de 110 minutos.

Cellulose nanocrystals (CNC) have been used as a reinforcing material in polymer matrices because of their excellent mechanical properties and also because they are derived from natural biodegradable fibers, originated from renewable sources. In this work, the morphological, dimensional, chemical and surface characteristics of cellulose nanocrystals, isolated from cotton fibers pretreated with 2% NaOH and hydrolysis with 65% sulfuric acid (w/w), were studied at 50 °C , at a acid: biomass ratio corresponding to 20 mL g -1 with the variation of the hydrolysis time of 50, 70, 90, 110 and 130 minutes. The characterization was performed by transmission electron microscopy, X-ray diffraction, FTIR, thermogravimetry, DLS, zeta potential, and EDS. Yield was also determined for all the evaluated times. During the centrifugation step, low concentration suspensions, consisting of an overlap of previous cycles, are generally obtained between the third and sixth ones. Thus, one of the objectives of this work was to evaluate the suspension phase of the nanocrystals in the centrifuge by means of the pH and the turbidity of each cycle of centrifugation for the times of 50 and 70 minutes of hydrolysis. The characterization of the suspensions of nanocrystals of each cycle was determined by the analysis of the hydrodynamic diameter, zeta potential, concentration and yield of the step. The results showed that the nanocrystals began to be suspended at about pH 1, reaching the maximum at pH 2 according to turbidity values, around 10 and 300 NTU, respectively. For the third cycle (maximum turbidity), a higher production yield of nanocrystals was obtained. It was also observed that they had smaller dimensions and stable suspensions, as showedby the zeta potential results. Considering these outcomes, the NCC production for the other hydrolysis times were performed with centrifugations until the third cycle. The nanocrystals presented needle - like shapes, aspect ratio of 12.7 ± 0.8 and 15.6 ± 1.1 for times of 50 and 130 minutes, respectively. High surface loads were obtained for nanocrystals with higher sulfur content. The maximum yield reached was 33% ± 0.1 for the time of 110 minutes.