| dc.description.abstract | Resumo: O poli (acetato de vinila) – PVAc é um polímero de baixo custo e excelentes propriedades adesivas e a celulose nanofibrilada (CNF) de Phormium tenax, é um material promissor devido às excelentes propriedades mecânicas e características desta planta, pouco explorada. A preparação de nanocompósitos in situ com matrizes poliméricas é uma técnica pouco usada e permite a obtenção de nanocompósitos em apenas uma etapa, com maior interação do nanomaterial com a matriz. Estudou-se a cinética de secagem das folhas de Phormium tenax, tanto em convecção forçada quanto em convecção natural. As fibras de Phormium tenax foram tratadas sob pressão de 2,8 kgf/cm2, agitação de 2,5 rpm e temperatura de 140°C com água (tratamento 1), água e etanol (tratamento 2), água e NaOH (tratamento 3), água ou etanol e NaOH (tratamento 4). Assim, verificou-se a extração de distintos componentes da fibra lignocelulósica sob diferentes condições, obtendo-se as polpas tratadas P1, P2, P3 e P4, respectivamente, buscando-se tratamentos mais amigáveis em relação ao meio ambiente. Realizou-se a caracterização química parcial (determinação dos teores de lignina e de extrativos totais) das polpas P1, P2, P3 e P4, bem como a sua análise por meio de Espectroscopia na região do Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e mapeamento químico por meio de Espectroscopia por Energia Dispersiva (EDS). As polpas tratadas foram submetidas a um tratamento mecânico em moinho coloidal, dando origem aos materiais T1, T2, T3 e T4, que foram avaliados por meio de FTIR, Difração de Raios-X (DRX), MEV e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Foram usadas as nanofibras de celulose (CNF) T3 e T4 na preparação de nanocompósitos. Produziram-se nanocompósitos com matriz de PVAc a partir da polimerização de acetato de vinila em emulsão, na presença de suspensão de CNF de Phormium tenax em concentrações iguais a 1%, 2%, 3%, 4% e 5%, e microcompósitos na presença de celulose comercial Exilva nestas mesmas concentrações. Os nanocompósitos foram avaliados por meio de ensaios de tração, DRX, FTIR e MEV das superfícies de fratura dos corpos de prova após os ensaios de tração. Na caracterização química, o teor de lignina foi de 16,2 ± 1,0% na amostra P1, 17,2 ± 1,0% na P2, 9,5 ± 0,6% na P3 e 6,1 ± 0,2% na P4, enquanto a serragem apresentou 11,9 ± 0,9% de lignina. Quanto aos extrativos totais, os valores foram de 3,1 ± 0,1% para P1, 2,4 ± 0,5% para P2, 1,9 ± 0,1% para P3 e 0,9 ± 0,4% para P4, sendo que a serragem apresentou um teor significativamente maior, de 26,7 ± 0,7%. Por meio de FTIR foi possível perceber a influência dos tratamentos químicos, principalmente aqueles na presença de NaOH, aplicados nas fibras de Phormium tenax, para remoção de hemicelulose, lignina e demais componentes não celulósicos. As micrografias das polpas tratadas mostraram em P1 a manutenção da estrutura original das fibras; em P2 notou-se uma disposição entrelaçada das fibras, com algumas já mostrando sinais de desestruturação, possivelmente devido ao tratamento combinado de água e etanol. Todas as polpas tratadas mantiveram o agradável odor da Phormium tenax. As amostras P3 e P4 produziram CNF na forma de gel (T3 e T4) após a desfibrilação mecânica no moinho de pedras, enquanto as amostras P1 e P2 nas mesmas condições resultaram em suspensões aquosas (T1 e T2). Os resultados de DRX de T1, T2, T3 e T4 mostraram picos característicos da celulose I, embora sutilmente, nos difratogramas de T2, T3 e T4. Os índices de cristalinidade dos filmes das polpas de Phormium tenax tratadas após a desfibrilação mecânica variaram conforme o tratamento aplicado, com valores de 63,1% para T1, 61,4% para T2, 69,2% para T3 e 66,0% para T4. A partir dos resultados de FTIR, observou-se um aumento das bandas associadas aos grupos funcionais da celulose, acompanhado da redução ou desaparecimento das bandas referentes à lignina e hemicelulose, indicando que os tratamentos químicos com NaOH (tratamento 3) e NaOH/etanol (tratamento 4) foram eficazes na remoção dos componentes não celulósicos das amostras analisadas. A micrografia de MET da amostra CNF-T3 revelou a presença de nanofibras com uma espessura em torno de 20,62 a 24,76 nm; na micrografia de MET da CNF-T4, as nanofibras também apresentam dimensões semelhantes, com diâmetros variando entre 19,23 e 28,11 nm. Os resultados dos ensaios de tração indicaram que a resistência à tração dos nanocompósitos e microcompósitos aumentou com a adição de reforço até uma concentração entre 1% e 3%, variando conforme o tipo de reforço. As melhorias alcançaram até 130%, 223,43% e 167,84% com CNF-T3, CNF-T4 e CMF-E, respectivamente. O nanocompósito produzido através da incorporação in situ da CNF-T4 a 2% apresentou resistência à tração 120% maior do que o produzido através da mistura por dispersão simples da CNF-T4 com o PVAc. Observou-se também uma tendência de aumento no módulo de Young com a adição de CNF ou celulose microfibrilada, como era esperado; no entanto, este comportamento não foi linear, o que sugeriu que as amostras não eram homogêneas. Houve uma tendência de redução no alongamento com a adição de CNF ou celulose microfibrilada, devido à limitação de deformação imposta pela presença do reforço. A incorporação de diferentes tipos de celulose (CNF-T3, CNF-T4 e CMF-E) ao PVAc resultou em um aumento expressivo da cristalinidade dos nanocompósitos ou microcompósitos, indicado pelos perfis dos difratogramas e pelos índices de cristalinidade. Foram observados incrementos de até 240,48%, 260,61% e 300,87% com a adição de 3% de CNF-T3, 3% de CNF-T4 e 5% de CMF-E, respectivamente. Contudo, este aumento não seguiu um padrão linear, possivelmente devido à dispersão não homogênea da nanocelulose ou microcelulose na matriz polimérica. As imagens de MEV das superfícies de fratura dos nanocompósitos e microcompósitos, obtidas após os ensaios de tração, evidenciaram diferenças nas características morfológicas, sugerindo distintos graus de interação entre a matriz polimérica e a nanocelulose. Este estudo demonstrou que os métodos mais amigáveis em relação ao meio ambiente empregados na extração de nanocelulose de Phormium tenax foi eficaz na produção de amostras de CNF com excelente potencial de reforço do PVAc, inclusive para adesivos comerciais de emulsões de PVAc. Além disto, a técnica de polimerização in situ utilizada na produção dos nanocompósitos mostrou-se vantajosa em relação à técnica convencional de mistura da CNF com a matriz, destacando-se por sua simplicidade, eficiência e baixo custo. A concentração de 2% de nanocelulose, obtida a partir do tratamento 4 (CNF-T4), apresentou o melhor desempenho como reforço, que também apresentou maior translucidez. Considerando a transparência dos filmes produzidos, uma possível aplicação viável seria no desenvolvimento de embalagens | pt_BR |
| dc.description.abstract | Abstract: Polyvinyl acetate (PVAc) is a low-cost polymer with excellent adhesive properties, and nanofibrillated cellulose (NFC) from Phormium tenax is a promising material due to the excellent mechanical properties and characteristics of this plant, littleexplored. The preparation of in situ nanocomposites with polymer matrices is a rarely used technique and allows obtaining nanocomposites in just one step, with greater interaction of the nanomaterial with the matrix. The drying kinetics of Phormium tenax leaves were studied, both in forced convection and in natural convection. The Phormium tenax fibers were treated under a pressure of 2.8 kgf/cm2, agitation of 2.5 rpm and temperature of 140 °C with water (treatment 1), water and ethanol (treatment 2), water and NaOH (treatment 3), or ethanol and NaOH (treatment 4). Thus, the extraction of different components from the lignocellulosic fiber was verified under different conditions, obtaining the treated pulps P1, P2, P3 and P4, respectively, seeking more environmentally friendly treatments. Partial chemical characterization (determination of lignin and total extractive contents) of the pulps P1, P2, P3 and P4 was performed, as well as their analysis by means of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and chemical mapping by means of Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The treated pulps were subjected to mechanical treatment in a colloidal mill, giving rise to the materials T1, T2, T3 and T4, which were evaluated by means of FTIR, X-ray Diffraction (XRD), SEM and Transmission Electron Microscopy (TEM). Cellulose nanofibers (CNF) T3 and T4 were used in the preparation of nanocomposites. Nanocomposites with PVAc matrix were produced from the polymerization of vinyl acetate in emulsion, in the presence of CNF suspension of Phormium tenax in concentrations equal to 1%, 2%, 3%, 4% and 5%, and microcomposites in the presence of commercial cellulose Exilva in these same concentrations. The nanocomposites were evaluated by means of tensile tests, XRD, FTIR and SEM of the fracture surfaces of the specimens after the tensile tests. In the chemical characterization, the lignin content was 16.2 ± 1.0% in sample P1, 17.2 ± 1.0% in P2, 9.5 ± 0.6% in P3 and 6.1 ± 0.2% in P4, while the sawdust presented 11.9 ± 0.9% of lignin. As for the total extractives, the values were 3.1 ± 0.1% for P1, 2.4 ± 0.5% for P2, 1.9 ± 0.1% for P3 and 0.9 ± 0.4% for P4, with the sawdust presenting a significantly higher content, of 26.7 ± 0.7%. Using FTIR, it was possible to observe the influence of chemical treatments, mainly those in the presence of NaOH, applied to Phormium tenax fibers to remove hemicellulose, lignin and other non-cellulosic components. The micrographs of the treated pulps showed that in P1 the original fiber structure was maintained; in P2, an intertwined arrangement of the fibers was observed, with some already showing signs of destructuring, possibly due to the combined treatment with water and ethanol. All treated pulps maintained the pleasant odor of Phormium tenax. Samples P3 and P4 produced CNF in the form of gel (T3 and T4) after mechanical defibrillation in the stone mill, while samples P1 and P2 under the same conditions resulted in aqueous suspensions (T1 and T2). The XRD results of T1, T2, T3 and T4 showed peaks characteristic of cellulose I, although subtle, in the diffractograms of T2, T3 and T4. The crystallinity indexes of the films of Phormium tenax pulps treated after mechanical defibrillation varied according to the treatment applied, with values of 63.1% for T1, 61.4% for T2, 69.2% for T3 and 66.0% for T4. From the FTIR results, an increase in the bands associated with the cellulose functional groups was observed, accompanied by the reduction or disappearance of the bands related to lignin and hemicellulose, indicating that the chemical treatments with NaOH (treatment 3) and NaOH/ethanol (treatment 4) were effective in removing the non-cellulosic components from the analyzed samples. The TEM micrograph of the CNF-T3 sample revealed the presence of nanofibers with a thickness of approximately 20.62 to 24.76 nm; in the TEM micrograph of CNF-T4, the nanofibers also presented similar dimensions, with diameters ranging from 19.23 to 28.11 nm. The results of the tensile tests indicated that the tensile strength of the nanocomposites and microcomposites increased with the addition of reinforcement up to a concentration between 1% and 3%, varying according to the type of reinforcement. The improvements reached up to 130%, 223.43% and 167.84% with CNFT3, CNF-T4 and CMF-E, respectively. The nanocomposite produced by in situ incorporation of 2% CNF-T4 showed tensile strength 120% higher than that produced by simple dispersion mixing of CNF-T4 with PVAc. A tendency for an increase in Young's modulus was also observed with the addition of CNF or microfibrillated cellulose, as expected; however, this behavior was not linear, which suggested that the samples were not homogeneous. There was a tendency for a reduction in elongation with the addition of CNF or microfibrillated cellulose, due to the deformation limitation imposed by the presence of reinforcement. The incorporation of different types of cellulose (CNF-T3, CNF-T4 and CMF-E) into PVAc resulted in a significant increase in the crystallinity of the nanocomposites or microcomposites, indicated by the diffractogram profiles and crystallinity indexes. Increases of up to 240.48%, 260.61% and 300.87% were observed with the addition of 3% CNF-T3, 3% CNF-T4 and 5% CMF-E, respectively. However, this increase did not follow a linear pattern, possibly due to the non-homogeneous dispersion of nanocellulose or microcellulose in the polymer matrix. The SEM images of the fracture surfaces of the nanocomposites and microcomposites, obtained after the tensile tests, showed differences in the morphological characteristics, suggesting different degrees of interaction between the polymer matrix and nanocellulose. This study demonstrated that the more environmentally friendly methods used in the extraction of nanocellulose from Phormium tenax were effective in producing CNF samples with excellent potential for reinforcing PVAc, including for commercial PVAc emulsion adhesives. Furthermore, the in situ polymerization technique used in the production of nanocomposites proved to be advantageous in relation to the conventional technique of mixing CNF with the matrix, standing out for its simplicity, efficiency and low cost. The concentration of 2% nanocellulose, obtained from treatment 4 (CNF-T4), presented the best performance as reinforcement, which also presented greater translucency. Considering the transparency of the films produced, a possible viable application would be in the development of packaging | pt_BR |
