Bionanocompósito formado por polihidroxibutirato e nanofibras de celulose de fibras do Rami

Abstract

Resumo: O Polihidroxibutirato (PHB) é um biopolímero natural e biodegradável que tem despertado grande interesse científico devido às suas características distintas. Contudo, alguns problemas estruturais de desempenho têm dificultado sua ampla utilização. Com superior desempenho como material convencional, as fibras de Rami têm grande potencial tecnológico ainda não explorado como nanoreforços em matrizes poliméricas biodegradáveis. Neste contexto, o presente estudo avalia as características e propriedades das Nanofibras de Celulose (NFC) obtidas das fibras de Rami Boehmeria nivea (L.) Gaud. e analisa a influência da sua adição na matriz de PHB. O estudo começa com a obtenção das polpas celulósicas por processo organosolv alcalino e segue com branqueamentos, análises químicas e estudos fractográficos da estrutura das fibras. Os resultados preliminares apontaram para fibras pouco degradadas com elevadas concentrações de celulose, hemicelulose e mínimos valores para lignina. A preparação das NFC foi por desfibrilação mecânica por moagem ultrafina com 1, 3, 5 e 10 passes. As características apresentadas na Microscopia Eletrônica de Transmissão mostraram estruturas manométricas sem diferenciação de padrão. Na forma de filmes, a Difração de Raio-X, a Termogravimetria, a Resistência Mecânica à Tração e Dinâmico-Mecânica foram analisadas. Nas propriedades de durabilidade física, o teor de umidade, atividade em água, permeabilidade ao oxigênio e ao vapor de água complementaram a caracterização dos filmes. O aumento do número de passes influenciou na diminuição do índice de cristalinidade, redução das propriedades térmicas e aumento no teor de umidade, refletindo na perda da resistência mecânica de tração e dinâmico-mecânica. Por outro lado, proporcionou baixa solubilidade em água, satisfatório desempenho de atividade em água, mínimos níveis de permeabilidade ao oxigênio e ao vapor de água. Na forma de bionanocompósitos foram avaliados a influência da adição de 1%, 2%, 4%, 6% e 8% de NFC no PHB. O teor de umidade, densidade média, propriedades mecânicas (Tração, Flexão, Impacto Izod e Dureza Shore-D), Análises termogravimétricas, Calorimetria Exploratória Diferencial, Difração de Raio-X e ângulo de contato aparente, foram usadas para verificar variações de comportamentos. O teor de umidade e a densidade aparente não influenciou nenhuma propriedade. A adição de NFC acima de 2% não produziu respostas positivas nos Índices de Cristalinidade, na Dureza Shore-D, na Tensão máxima na Tração e Flexão devido à redução das regiões cristalinas e problemas de dispersão das NFC no PHB. De outro modo, o impacto Izod, módulo de elasticidade na Tração e flexão tiveram ganhos significativos resultado da adequada adesão interfacial. A estabilidade térmica também melhorou devido à resistência à degradação da celulose. A calorimetria exploratória diferencial mostrou que a presença de NFC atuou como agente nucleante impedindo a formação de ligações secundária intermoleculares, contribuindo para o aumento de propriedades mais elásticas. O ângulo de contato aparente diminuiu pela influência hidrofílica das NFC. Em geral, a adição Nanofibras contribuiu com diversas melhoria nas propriedades físicas, mecânicas e térmicas do PHB.

Abstract: Polyhydroxybutyrate (PHB) is a natural and biodegradable biopolymer that has aroused great scientific interest due to its distinct characteristics. However, some structural performance problems have hampered its widespread use. With superior performance as conventional material, Rami fibers have great technological potential not yet exploited as nanoreforcement in biodegradable polymer matrices. In this context, the present study evaluates the characteristics and properties of the Cellulose Nanofibers (NFC) obtained from the Rami fibers and analyzes the influence of their addition on the PHB matrix. The study begins with the preparation of the cellulosic pulps by means of alkaline organosolv method and follows with bleaching, chemical analysis and fractographic studies of the fiber structure. Preliminary results pointed to low degraded fibers with high concentrations of cellulose, hemicellulose and minimum values for lignin. The preparation of the NFC was by mechanical defibrillation by ultrafine milling with 1, 3, 5 and 10 passes. The characteristics presented in the Transmission Electron Microscopy showed manometric structures without pattern differentiation. In the form of films, X-ray Diffraction, Thermogravimetry, Mechanical Strength Tensile and Dynamic-Mechanical were analyzed. In the properties of physical durability, the Content of Moisture, Activity in Water, Oxygen Permeability and Water Vapor complemented the characterization of the films. The increase in the number of passes influenced the decrease in Crystallinity Index, reduction of thermal properties and increase in Moisture Content, reflecting the decrease of Mechanical and Dynamic-Mechanical tensile strength. Otherwise, it provided low solubility in water, satisfactory performance of water activity, minimum levels of permeability to oxygen and water vapor. The influence of the addition of 1%, 2%, 4%, 6% and 8% of NFC in the PHB was evaluated in the form of bionanocomposites. The Moisture Content, Specific Gravity, Mechanical Properties (Tensile and Flexural Strength, Izod Impact and Shore-D Hardness), Thermogravimetric Analysis, Differential Exploration Calorimetry, Xray Diffraction and Apparent Contact Angle were used to verify behavioral variations. Moisture Content and Specific Gravity did not influence any properties. The addition of NFC above 2% did not produce positive responses in the Crystallinity Indices, Shore-D Hardness, Maximum Tensile Strength and Flexion due to the reduction of the crystalline regions and the dispersion problems of the NFC in the PHB. Otherwise, the Izod Impact, Modulus of Elasticity in the Tensile and Flexural had significant gains due to adequate interfacial adhesion. The thermal stability has also improved due to the degradation resistance of the cellulose. Differential scanning calorimetry showed that the presence of NFC acted as a nucleating agent preventing the formation of intermolecular secondary bonds, contributing to the increase of more elastic properties. The apparent contact angle was decreased by the hydrophilic influence of the NFC. In general, the addition of NFC contributed several improvements in the physical, mechanical and thermal properties of PHB.