Tratamento com plasma frio na produção de sistemas multicamadas sustentáveis

Abstract

Resumo: O plástico derivado do petróleo representa um desafio ambiental devido à sua longa durabilidade. Materiais biodegradáveis e renováveis, como filmes à base de nanocelulose, tanino e nanoquitosana, oferecem propriedades promissoras para aplicações sustentáveis em embalagens. A tecnologia de plasma frio é amplamente empregada para aprimorar esses materiais. Com esse propósito, foi desenvolvido um sistema multicamadas utilizando micro e nanoestruturas provenientes de fontes renováveis. A matriz do sistema multicamadas consistiu em nanocelulose (CNF), seguida por uma camada de tanino (2% m/v) e uma de nanoquitosana/CNC (50:50, v/v), produzidos com uso de dispositivo a vácuo tipo Millipore, aspersão e casting, respectivamente. A ordem das camadas foi determinada pelas suas cargas superficiais. Para aprimorar a adesão entre elas, especificamente a interação entre CNF e tanino, e a interação entre tanino e nanoquitosana/CNC, aplicou-se um tratamento na superfície por meio de uma descarga de barreira dielétrica (DBD) em um reator de plasma frio, utilizando nitrogênio como gás de arraste. Para avaliar os sistemas multicamadas, foram analisadas as propriedades de barreira (permeabilidade a líquidos, vapor d'água e oxigênio), morfológicas (MEV e perfilometria), químicas (FT-IR), ópticas (UV-Vis), físicas (densidade e gramatura) e dinâmico-mecânicas (DMA). Investigou-se também a eficácia desses sistemas na conservação de morangos quando expostos ao ambiente. Os principais resultados evidenciaram que os materiais apresentam estabilidade dos potenciais Zeta e viscosidade pseudoplástica. Tanto a morfologia quanto os espectros de IR corroboram com informações já presentes na literatura. Observou-se, na morfologia dos filmes, que o tratamento a plasma frio provocou o fenômeno "etching" na matriz de CNF, resultando em uma diminuição da rugosidade e uma distribuição mais uniforme do tanino, embora a rugosidade tenha aumentado após a adição das camadas. Sutis modificações nas bandas e intensidades foram observadas nos espectros do FT-IR. A matriz de CNF demonstrou maior hidrofilia após o tratamento a plasma e maior hidrofobicidade com a adição das camadas de tanino e nanoquitosana/CNC. As propriedades de barreira ao vapor d’água e ao oxigênio foram aprimoradas com a incorporação das camadas, enquanto a análise de DMA revelou um aumento na resistência dos sistemas multicamadas. A análise utilizando morangos mostrou que a última camada com tratamento a plasma frio teve o melhor resultado. As conclusões sugerem que o tratamento com plasma representa uma estratégia promissora para aprimorar a adesão das partículas de tanino, nanoquitosana e CNC nos filmes de nanocelulose, formando assim sistemas multicamadas aperfeiçoados. Essa abordagem resulta em melhorias nas propriedades de barreira do sistema, abrindo caminho para possíveis inovações em aplicações de embalagens. Além disso, proporciona uma compreensão mais aprofundada da interação entre as camadas e sua capacidade de formar sistemas específicos e adequados para uso em embalagens.

Abstract: Plastics derived from petroleum pose an environmental challenge due to their long durability. Biodegradable and renewable materials, such as films based on nanocellulose, tannin, and nano-chitosan, offer promising properties for sustainable packaging applications. Cold plasma technology is widely employed to modify the surface properties and improve the performance of these materials. With this purpose, a multilayer system was developed using micro and nanostructures from renewable sources. The multilayer system matrix consisted of nanocellulose (CNF), followed by a layer of tannin (2% w/v) and one of nano-chitosan/CNC (50:50, v/v), produced using a Millipore-type vacuum device, spray, and casting, respectively. The layer's order was determined by their surface charges. To improve adhesion between them, specifically the interaction between CNF and tannin and the interaction between tannin and nanochitosan/CNC, a surface treatment was applied through a dielectric barrier discharge (DBD) in a cold plasma reactor, using nitrogen as the carrier gas. To evaluate the multilayer systems, barrier properties (liquid, water vapor, and oxygen permeability), morphological (SEM and profilometry), chemical (FT-IR), optical (UV-Vis), physical (density and grammage), and dynamic-mechanical (DMA) properties were analyzed. The effectiveness of these systems in strawberry preservation when exposed to the environment was also investigated. The main results showed stability of the Zeta potentials and pseudoplastic viscosity of the materials. Both morphology and IR spectra corroborate information already present in the literature. In the morphology of the films, cold plasma treatment resulted in an "etching" phenomenon in the CNF matrix, leading to decreased roughness and more uniform distribution of tannin, although roughness increased after the addition of layers. Slight modifications in bands and intensities were observed in the FT-IR spectra. The CNF matrix showed higher hydrophilicity after plasma treatment and greater increased hydrophobicity with the addition of tannin and nano-chitosan/CNC layers. Barrier properties to water vapor and oxygen were enhanced with the incorporation of layers, while DMA analysis revealed an increase in film resistance of the multilayer systems. Analysis using strawberries showed that the last layer with cold plasma treatment performed the best. The conclusions suggest that plasma treatment represents a promising strategy to enhance the adhesion of tannin, nano-chitosan, and CNC particles in nanocellulose films, thus forming improved multilayer systems. This approach leads to improvements in the barrier properties of the system, paving the way for potential innovations in packaging applications. Additionally, it provides a deeper understanding of the interaction between layers and their ability to form suitable systems for packaging use.