Produção e caracterização de filmes de celulose nanofibrilada e microcristalina

Orientador: Prof. Dr. Dimas Agostinho da SilvaCoorientador: Prof. Dr. Umberto Klock, Prof. Dr. Alan Sulato de Andrade, Profa. Dra. Elaine Cristina LengowskiDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 06/05/2022Inclui referênciasÁrea de concentração: Tecnologia e Utilização de Produtos FlorestaisResumo: O uso de materiais nanoestruturados para diversos usos vem apresentando grande destaque e, no âmbito de compostos renováveis, as nanoceluloses, tem se posicionado como promissores alternativos para produção de diferentes materiais industrializados. Este polímero natural tem recebido grande atenção nos últimos anos devido às destacadas propriedades oferecidas pela sua estrutura cristalina de natureza orgânica produzida através de fontes renováveis. Este trabalho teve como objetivo caracterizar filmes produzidos com suspensões de celulose nanofibrilada (CNF) com adição de celulose microcristalina (CMC) em diferentes concentrações (5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 % e 30 % m:m). Os filmes produzidos passaram por caracterização para determinação das propriedades morfológicas, físicas, químicas, térmicas e mecânicas. Os resultados indicam o aumento no índice de cristalinidade de acordo com o aumento da incorporação da CMC, passando de um valor em S0 de 76,91 % a S30 de 82,98 %, equivalente a um ganho porcentual de 7 %. A análise estatística mostrou uma alta correlação positiva entre o aumento do índice de cristalinidade com o aumento do potencial Zeta, a estabilidade térmica, o ângulo de contato, a rugosidade, a microdureza e o modulo de elasticidade. Houve também uma correlação negativa com a taxa de desgaste e o arrebentamento. Através da análise morfológica (MET) se expôs aumento nos diâmetros das estruturas nas suspensões quando as proporções de CMC foram aumentadas. A análise MEV exibiu filmes de estrutura compacta com formação de pontos aglomerados. A espessura dos filmes foi incrementada com a adição de CMC, contrário às densidades que diminuíram em filmes com presença de microcristais. A análise de potencial Zeta nas suspensões evidenciou que as amostras S20, S25 e S30 podem ser consideradas moderadamente estáveis. A estabilidade térmica dos filmes incrementou de acordo as quantidades de CMC adicionadas na matriz CNF. Os filmes nanoestruturados apresentaram destacado comportamento tribológico contra o desgaste em condições secas quando comparados a filmes de origem sintético. A rugosidade superficial média foi influenciada diretamente pelas concentrações de CMC nos filmes, atingindo valores de até três vezes maiores em concentrações de 30% de CMC em comparação com a amostra testemunha. A taxa de desgaste específico dos filmes foi inversamente proporcional às concentrações de CMC, observando-se que para baixas concentrações de CMC (5%), a redução do desgaste foi de 7% em relação à amostra testemunha e ao passar para a maior concentração a redução do desgaste foi ainda mais significativa (até 95% menor o desgaste). Evidenciaram-se valores relacionados com materiais isolantes no estudo da condutividade elétrica. A concentração da carga cristalina influenciou a produção de filmes com valores elevados nas propriedades de modulo de elasticidade e microdureza, evidenciando a importância de entender a fragilidade dos filmes. Os resultados obtidos demostraram que os filmes podem ser utilizados como revestimentos de reforço sobre diferentes materiais.Abstract: The use of nanostructured materials for various uses has been highlighted, and in the context of renewable compounds, nanocelluloses have been positioned as promising alternatives for producing different industrialized materials. This natural polymer has received significant attention in recent years due to the outstanding properties offered by its crystalline structure of organic nature produced through renewable sources. This work aimed to characterize films produced with suspensions of nanofibrillated cellulose (NFC) with the addition of microcrystalline cellulose (MCC) at different concentrations (5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, and 30 % m:m). The films produced underwent characterization to determine the morphological, physical, chemical, thermal, and mechanical properties. According to the increase in MCC incorporation, results indicate an increase in crystallinity index from (S0) 76.91% to (S30) 82.98%, equivalent to a percentage gain of 7%. Statistical analysis showed a high positive correlation between the increase in the crystallinity index with the increase in zeta potential, thermal stability, contact angle, roughness, microhardness, and modulus of elasticity. There was also a negative correlation between wear rate and burst. Through the morphological analysis (TEM), an increase in diameters of the structures in suspensions was exposed when proportions of MCC were increased. The SEM analysis showed films of compact structure with the formation of clustered points. The films' thickness was increased with the addition of MCC, contrary to the densities that decreased in films with the presence of microcrystals. The zeta potential analysis in the suspensions showed that samples S20, S25, and S30 could be considered moderately stable. The thermal stability of the films increased according to the amounts of MCC added to the NFC matrix. The nanostructured films showed outstanding tribological behavior against wear in dry conditions compared to films of synthetic origin. The average surface roughness was directly influenced by MCC concentrations in the films, reaching values up to three times higher at concentrations of 30% of MCC compared to the control sample. The specific wear rate of the films was inversely proportional to the concentrations of MCC, noting that for low concentrations of MCC (5%), the wear reduction was 7% about the control sample, and when moving to the highest concentration, the Wear reduction was even more significant (up to 95% less wear). Values related to insulating materials were evidenced in the study of electrical conductivity. The concentration of the crystalline charge influenced the production of films with high values in the properties of modulus of elasticity and microhardness, evidencing the importance of understanding the fragility of the films. The results showed that the films could be used as reinforcement coatings on different materials