Produção e caracterização de nanocompósitos poliméricos à base de resina acrílica odontológica reforçada com nanocristais de celulose modificados, e não modificados, superficialmente com anidrido maleico.

Resins constituted, basically, by methacrylate polymers are widely used in the manufacture of dental prostheses. Cellulose nanocrystals (CN), due to their intrinsic properties such as stiffness and high surface area, have been used as reinforcing agent in several polymer matrices. However, CNs are hydrophilic, which makes it difficult to apply them to non-hydrophilic or low hydrophilic matrices. Thus, chemical modifications are necessary through the substitution of hydroxyl groups on the surface of the CN by other groups that can help in the dispersion and compatibilization of CN with these matrices. In this work CN were extracted from Kraft pulp (Eucalyptus urograndis) by acid hydrolysis in three different reaction times to choose the best reinforcement element for a commercial dental acrylic resin (PEMA RESIN). The results showed that CN extracted with the time of 55 minutes (NC55) presented higher aspect ratio and crystallinity index and, therefore, were selected as best reinforcing agent. In an attempt to improve the dispersion of these nanoparticles in the polymer matrix under study, chemical modifications were performed on the surface of NC55, using 20 and 100 mg of maleic anhydride (MA) for each gram of cellulosic material, resulting in the nanoparticles NCmod1 and NCmod2 respectively. The proof of the modifications performed were evaluated in the FTIR spectra through a new band centered around 1730 cm-1 attributed to the stretches of the vibrations of the C = O carbonyl groups of acids and / or esters. The effects caused by the modifications were analyzed by the morphology, crystallinity, thermal stability and degree of polymerization of the produced nanoparticles. Nanocomposites were produced by in situ incorporation of NC in the reaction medium during the polymerization of PEMA RESIN ( in situ method ) and by incorporation of NC in the polymer matrix after polymerization (ex situ method), in which the nanocomposites in general presented superior mechanical performance over PEMA RESIN. The nanocomposites, produced by in situ polymerization with 1.0 % w/w of the chemically modified nanoparticles, reinforced the matrix more effectively in both flexural analysis (Fs), 50% higher than the matrix, as in the dynamic mechanical thermo analysis (DMTA), 42% greater than the matrix. The nanocomposites produced in the same percentage of NC55 and NCmod1, by ex situ method had better performance in DMTA analysis, 47 and 53% higher than the polymer matrix, than the corresponding nanocomposites produced by in situ polymerization. The incorporation of chemically modified or unmodified CN through the in situ polymerization methodology in PEMA RESIN provided visible mechanical reinforcements, especially when modified reinforcement was used that has the ability to chemically bond to the matrix through the unsaturation of the modifying group added on its surface. The method of ex situ incorporation proved to be superior in the DMTA analysis due to the good dispersion and adhesion of the nanocrystals in the matrix and also to the fact that in this method of production of nanocomposites the CN are not in the reaction medium of the matrix polymerization and so they do not interfere and do not limit this process, thus not altering the molar mass of the matrix. The present study showed that the incorporation of CN may represent an alternative to maximize the mechanical properties of acrylic resins.Tese (Doutorado)Resinas constituídas basicamente por polímeros metacrilatos são amplamente utilizadas na confecção de próteses odontológicas. Nanocristais de celulose (NC), devido à suas propriedades intrínsecas tais como rigidez e elevada área superficial, têm sido empregados como agente de reforço em diversas matrizes poliméricas. Porém, os NC são hidrofílicos, o que dificulta a sua aplicação em matrizes não hidrofílicas ou pouco hidrofílicas. Assim, faz-se necessário modificações químicas através da substituição dos grupamentos hidroxilas na superfície dos NC por outros grupamentos que podem auxiliar na dispersão e compatibilização dos NC com essas matrizes. Neste trabalho NC foram extraídos de polpa Kraft (Eucalyptus urograndis) por hidrólise ácida em três tempos distintos de reação (25, 55 e 85 min) para a escolha do melhor elemento de reforço para uma resina acrílica odontológica comercial (RESINA PEMA), que é basicamente um copolímero formado pela polimerização das unidades monoméricas de metacrilato de etila e metacrilato de isobutila. Os resultados revelaram que os NC extraídos com o tempo de 55 minutos (NC55) apresentaram maior razão de aspecto e índice de cristalinidade e por isso foram selecionados como melhor agente de reforço. Na tentativa de melhorar a dispersão dos NC55 na matriz polimérica em estudo, modificações químicas foram realizadas na superfície dos NC55 utilizando 10 e 100 mg de anidrido maleico (AM) resultando em NCmod1 e NCmod2 respectivamente. A comprovação das modificações realizadas foram avaliadas nos espectros de FTIR através de uma nova banda centrada por volta de 1730 cm-1 atribuída aos estiramentos das vibrações dos grupos carbonila C=O de ácidos e/ou ésteres. Os efeitos provocados pelas modificações foram analisados através da morfologia, cristalinidade, estabilidade térmica e grau de polimerização dos NC produzidos. Foram produzidos nanocompósitos de duas formas, por incorporação dos NC no meio reacional durante a polimerização da RESINA PEMA (in situ) e por incorporação e mistura dos NC na matriz polimérica polimerizada e dissolvida (ex situ), em que os nanocompósitos em geral apresentaram desempenho mecânico superior em relação à RESINA PEMA. Os nanocompósitos, produzidos pelo método in situ com 1,0 % m/m das nanopartículas modificadas quimicamente reforçaram a matriz mais eficazmente tanto na análise de resistência à flexão (Fs), quase 50% superior à matriz, quanto na análise dinâmico termo mecânica (DMTA), 42% superior à matriz. Os nanocompósitos produzidos na mesma porcentagem de 1,0 % m/m de NC55 e NCmod1, pelo método ex situ tiveram melhor desempenho na análise de DMTA, 47 e 53% superior à matriz polimérica, do que os correspondentes nanocompósitos produzidos através do método in situ. A incorporação de NC quimicamente modificados ou não modificados, através da metodologia da polimerização in situ, na RESINA PEMA forneceu reforços mecânicos visíveis, principalmente quando foi utilizado reforço modificado que possui a capacidade de se ligar quimicamente à matriz através da instauração do grupo modificador adicionado em sua superfície. O método de incorporação ex situ provou ser superior na análise de DMTA devido à boa dispersão e adesão dos NC na matriz e também ao fato de que neste método de produção de nanocompósitos os NC não estão no meio reacional da polimerização da matriz e por isso não interferem e não limitam este processo, não alterando então a massa molar da matriz. O presente trabalho mostrou que a incorporação de NC de celulose pode representar uma alternativa para maximizar as propriedades mecânicas das resinas acrílicas