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Tipo: Dissertação
Título: Caracterização e aplicações de celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC)
Characterization and nanoscale applications of nanofibrillated cellulose (NFC) and cellulose nanocrystals (CNC)
Autor(es): Damásio, Renato Augusto Pereira
Abstract: A nanotecnologia surgiu no contexto mundial há algum tempo, e como consequência dessa inovação têm sido desenvolvidos materiais e produtos de características únicas visando aplicações industriais. Diante disso, as nanoceluloses têm sido estudadas como biopolímeros de alta tecnologia para aplicação em diversos materiais. A busca por nanomateriais como biopolímeros tem motivado o interesse para estudos e diversas aplicações tecnológicas. As fibras vegetais são renováveis e biodegradáveis, o que lhes permite competir com produtos fósseis e industrializados. Por exemplo, as nanofibras de origem vegetal vêm se destacando no cenário atual principalmente pelas grandes inovações trazidas pela nanotecnologia. As aplicações das celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC) em materiais compósitos têm despertado a atenção de pesquisadores e industrialistas por elas serem de alta disponibilidade na natureza e serem de baixa densidade, com alta resistência e rigidez. Os objetivos principais deste estudo foram caracterizar, detalhadamente, as celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC) produzidas em planta piloto e investigar algumas de suas potenciais aplicações nas indústrias de polpa e papel e de materiais compósitos e nanocompósitos. O trabalho está divido em quatro capítulos distintos: no Capítulo 1 tem-se a revisão bibliográfica, voltada para o estado da arte da produção e aplicação de nanoceluloses; no Capítulo 2 é apresentada a caracterização detalhada da estrutura físico-química e morfológica de CNF e CNC produzidas em planta piloto, utilizando ferramentas analíticas avançadas; no Capítulo 3 é apresentado um estudo de produção de papel nanoestruturado a partir de fibra curta branqueada; e no Capítulo 4 tem-se uma investigação da produção de nanocompósitos estruturados de CNF, utilizando CNC como agente de reforço mecânico. As principais conclusões desse estudo foram: A investigação do estado da arte sobre a CNF e CNC (Capítulo 1) indica grandes desafios no que tange às tecnologias de produção, armazenamento e transporte desses materiais, bem como aos seus potenciais impactos ambientais. Também revela um número significativo de potenciais aplicações desses nanomateriais, por exemplo, nas indústrias do setor químico e de materiais. Nesse capítulo foi possível acumular conhecimento técnico científico sobre a matéria-prima e os processos de funcionalização da produção de CNF e CNC, assim como seus potenciais de aplicações. A caracterização físico- química e morfológica completa da CNF e CNC foi realizada por meio das técnicas de análise elementar, HPLC-PAD, AAS, microscopias eletrônicas e de força atômica, difratometria de raio-X, FTIR, termogravimetria, potencial zeta e biodegradação por fungos (Capítulo 2). Constatou-se que as composições químicas orgânica e inorgânica de CNF e CNC são diferenciadas principalmente pelo processo de obtenção utilizado em escala industrial. Além disso, o formato cilíndrico da CNC e tubular da CNF foram mapeados de modo a permitir estudos inéditos de topografia de superfície. Essas caracterizações permitiram o conhecimento dos nanomateriais para sua aplicação. A incorporação de CNF freeze-dried na produção de papel nanoestruturado como aditivo industrial (Capítulo 3) foi investigada, determinando-se as propriedades físicas, mecânicas e ópticas de papéis produzidos, após adição de duas dosagens de CNF (6 e 12 %) em polpa kraft branqueada de fibra curta refinada a 2.000, 3.000 e 5.000 rpm no moinho PFI. Concluiu-se que a adição de CNF a 12 % foi a que apresentou maior valor para as propriedades de resistência e ópticas para a polpa não refinada. O efeito do refino sobressaiu-se à adição de CNF para algumas propriedades de resistência mecânica e ópticas. A investigação do potencial da CNF e do CNC na produção de nanocompósitos transparentes de elevada resistência mecânica (Capítulo 4) foi realizada de acordo com a técnica de casting, utilizando CNF como matriz polimérica de dispersão e diferentes dosagens de CNC como reforço mecânico. A base polimérica utilizada de CNF empregou 10 g/m2 dessa nanocelulose em sua forma suspensa, enquanto a CNC foi aplicada nas dosagens de 3 , 6 e 12 %, após sua suspensão em água. Os nanocompósitos produzidos formaram filmes notadamente transparentes e de elevada resistência mecânica, devido à incorporação de CNC.
The nanotechnology has emerged on the world stage for some time and with this innovation, unique materials and products are emerging in the industrial setting. Thus the nanocelluloses have been studied as high-tech nanomaterials for applications in various materials. The search for materials such as bio-polymers has motivated the interest for studies and technological applications. Vegetable fibers are renewable and biodegradable, which allows them to compete with fossil materials and industrial materials. For example, the nanofibers of biomass origin have been highlighted in the current scenario, especially due to major innovations brought by nanotechnology. Applications of nanofibrillated cellulose (NFC) and nanocrystalline (CNC) in composite materials has attracted the attention of researchers and industrialists because they are high availability in nature and are weightless materials with high strength and stiffness. The main objective of this study was to characterize in detail nanofibrilada cellulose (NFC) and nanocrystalline (CNC) produced in a pilot plant and investigate some of its potential applications in the pulp and paper sector and wood composite industries. The work is presented in four separate chapters, the first being a focused literature review on the state of the art production and application of nanocelluloses (Chapter 1); the second a detailed characterization of the physical-chemical and morphological structure of NFC and CNC (Chapter 2) produced in a pilot plant, using advanced analytical tools; a nanostructured the third papermaking study from bleached hardwood (Chapter 3); and the fourth an investigation of nanocomposites production structured NFC using CNC as mechanical reinforcement agent (Chapter 4). The study of the state of NFC and CNC (Chapter 1) shows major challenges with respect to production technologies, storage and transportation of these materials and their potential environmental impacts. It also reveals a significant number of potential applications of these nanomaterials, for example, in industries in the chemical industry and materials. In this chapter I was possible to understand in detail the raw material and process production of NFC and CNC for functionalization and moreover many applications for this nanomaterials. The Full physical-chemical and morphological characterization of NFC and CNC was performed through the techniques of elemental analysis, HPLC-PAD, AAS, electronic microscopy and atomic force, X-ray diffraction, FTIR, thermogravimetric analysis, zeta potential and biodegradation by fungi (Chapter 2). It was concluded that organic and inorganic chemical composition of NFC and CNC are differentiated mainly due to the production process used on an industrial scale. Besides the CNC cylindrical structure, tubular NFC were mapped to allow develop the novel surface topography studies. These characterizations allowed possible to acquire knowledge of nanomaterials for your application. The incorporation of NFC freeze-dried in the production of nanostructured paper as an industrial additive (Chapter 3) was investigated by determining the physical, mechanical and optical properties, after addition of two strengths of NFC (6 and 12%) in bleached kraft pulp refined hardwood to 2000, 3000 and 5000 rpm in the PFI mill. It was concluded that the addition of NFC to 12% was the highest values for resistance and optical properties for the unrefined pulp. The effect of refining, traditional operation of in the paper industry, exceeded the addition of NFC for some mechanical and optical properties of strength. Nevertheless the use of NFC in order to promote the nanostructuring of the paper is a different alternative as well as ensuring increase in optical and strength properties allows developments for structuring the surface and the ability known as print ability. The research potential of produce NFC and CNC nanocomposites, transparent with high mechanical strength (Chapter 4) was performed according to casting technique, using as the polymeric matrix NFC dispersion and different dosages CNC as mechanical reinforcement. The base polymer employed NFC 10 g/m2 nanocellulose that in its suspended form as CNC was applied in doses of 3%, 6% and 12% after suspension in water. The nanocomposites produced formed transparent nanofilms and high mechanical strength due to incorporating CNC. The nanocomposites produced are potential application in electronics devices and composition of translucent coatings.This study shows substantial changes in various mechanical, physical and optical properties of materials used as the different scattering matrix in this study, NFC and CNC are novel nanomaterials that due to nanotechnology may be used differentially. Thus the functionalization of biorefinery processes that integrate nanocelluloses as one of their products has become a reality. We hope that this work has the beginning of a great contribution not only to the pulp and paper industry as well as for the main industries processing and chemical industries in the brazil.
Palavras-chave: Celulose
Celulose nanofibrilada
Celulose nanocristalina
Nanotecnologia
Papel
CNPq: Tecnologia e Utilização de Produtos Florestais
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Citação: DAMÁSIO, Renato Augusto Pereira. Caracterização e aplicações de celuloses nanofibrilada (CNF) e nanocristalina (CNC). 2015. 90 f. Dissertação (Mestrado em Ciência Florestal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2015.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.locus.ufv.br/handle/123456789/6239
Data do documento: 7-Abr-2015
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