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Title: Modificações da celulose kraft branqueada de eucalipto por tratamento térmico e de radiação ultravioleta.
Authors: Caux, Leonardo Souza de
metadata.dc.contributor.advisor: Botaro, Vagner Roberto
Keywords: Celulose - tratamento térmico
Radiação ultravioleta
Propriedades mecânicas
Eucalipto
Issue Date: 2009
Publisher: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.
Citation: CAUX, L. S. de. Modificações da celulose kraft branqueada de eucalipto por tratamento térmico e de radiação ultravioleta. 2009. 146 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2009.
Abstract: A celulose é utilizada na produção de diversos materiais em sua forma nativa (celulose I) ou nas formas modificadas (Celulose II, III1, III2, IV1, IV2) e pode ser obtida através de muitos processos e matérias primas, sendo os processos de polpação química de madeiras (hardwood/softwood) os mais utilizados. A celulose sofre modificações ao longo do tempo associadas a processos hidrolíticos, térmicos, foto induzidos, bacterianos ou a combinação destes, catalisados ou não por metais de transição. Estas modificações podem alterar suas propriedades ópticas e mecânicas, levando a falhas e depreciação dos produtos. O comportamento das propriedades ópticas das fibras e derivados de celulose é bastante estudado, porém o efeito da degradação nas propriedades mecânicas ainda não recebeu a mesma atenção. De forma adicional, os mecanismos, intensidade e o papel dos demais constituintes da polpa celulósica já foram extensamente discutidos, porém ainda persistem algumas questões. Para a maioria dos autores os mecanismos de degradação concentram-se na ação de radicais livres com contribuição importante dos metais de transição. Os metais podem ainda ser fonte direta de cor nas polpas. O papel de estruturas cromóforas nas modificações das propriedades óticas também é discutida, sendo atribuído às estruturas oxidadas dos carboidratos, ácido hexenuroxilana (Hexas) e complexos lignina carboidrato a maior parte do efeito de amarelecimento da celulose branqueada. Neste trabalho amostras de fibras de celulose branqueada de Eucalipto foram expostas à energia térmica em temperaturas variando de 60°C a 100°C e à radiação ultravioleta na região de 360mn em tempos variáveis. As propriedades ópticas, mecânicas e térmicas foram avaliadas após os tratamentos demonstrando alterações importantes. Foi experimentado ainda o tratamento das amostras com sulfato de magnésio hepta hidratado (MgSO4.7H2O) e a enzima Xilanase a fim de minimizar os efeitos não desejados da exposição ao calor e ultravioleta prolongando a vida útil dos produtos. A exposição ao calor provocou maior amarelecimento detectado através da análise de brancura CIELab e com isso elevação na opacidade. Foi observada também substancial remoção de compostos solúveis em acetona e nenhuma alteração no teor de pentoses. O surgimento de estruturas oxidadas foi monitorada pela análise de ultravioleta observando-se o incremento do teor de carbonilas e carboxilas, a elevação do teor de carboxilas solúveis em água levou ainda alterações no pH e condutividade das amostras. O grau de polimerização viscosimétrico foi alterado tanto em função da temperatura quanto pelo tempo de exposição com maior redução em temperaturas e tempos mais elevados. Os espectros de FTIR mostraram alterações importantes na estrutura das ligações de hidrogênio que aliadas ao incremento na resistência à tração, módulo de elasticidade e tenacidade levou à suposição do fortalecimento da interação entre as cadeias e fibras de celulose. As análises térmicas (TGA e DTA) apresentaram alterações nas curvas termogravimétricas indicando redução na estabilidade térmica. A exposição à radiação ultravioleta provocou maior redução de alvura comparada à exposição ao calor. Foi observada também substancial remoção de compostos solúveis indicando possível alteração na sua estrutura tornando-os insolúveis em acetona. Assim como na exposição ao calor, não foi observada nenhuma alteração no teor de pentoses. O surgimento de estruturas oxidadas foi monitorado pela análise de ultravioleta observando-se o incremento no teor de carbonilas e carboxilas. De forma inesperada o grau de polimerização viscosimétrico não foi alterado com a exposição à radiação ultravioleta. Foram observadas ainda nos espectros de FTIR alterações na estrutura das ligações de hidrogênio, porém de forma menos pronunciada quando comparada à exposição ao calor. Foi observada ainda drástica redução na resistência à tração, módulo de elasticidade e tenacidade. As análises térmicas (TGA e DTA) apresentaram alterações nas curvas termogravimétricas indicando redução na estabilidade térmica. O tratamento das amostras com sulfato de magnésio (MgSO4.7H2O) não apresentou nenhum benefício quanto à preservação das propriedades ópticas, mecânicas e térmicas das fibras. Entretanto a xilanase mostrou-se eficiente quanto à redução da perda de alvura, amarelecimento e propriedades mecânicas. Os resultados de TGA e DTG mostraram que não houve alteração da estabilidade térmica da amostra após tratamento com xilanase em atmosfera de N2, enquanto os resultados em atmosfera de ar apresentaram ligeira elevação na estabilidade na primeira fase de decomposição e redução na fase final.
metadata.dc.description.abstracten: Cellulose is used like raw material on many products, it may be found in native form (cellulose I) or on its modified forms (cellulose II, III1, III2, IV1, and IV2). Cellulose is obtained by many processes and raw materials being, alkaline pulping of woods (hardwood/softwood) is most frequent. In time function cellulose products are modified since hydrolysis, heating, light exposure, bacterial or mix of all. These degradation mechanisms may be catalyzed for transition metals and changing its optical and mechanical properties leading failures and depreciation. Optical properties behavior of cellulose and derivatives during degradation was fairly studded, however the effects on mechanical properties did not receive same attention. The role of pulp constituents on degraded processes was intensively investigated but still some questions. For most authors the degradation mechanisms are concentrated in free radicals action with important contribution of transition metals. Metals may also be direct source of pulp color. The chromofores contribution on optical properties changes is discussed and attributed to oxidized carbohydrates, Hexas and carbohydrate-lignin complexes the main yellowness of bleached pulp. In work bleached Eucalyptus fiber samples were exposed to thermal energy at 60°C to 100°C and ultraviolet radiation at 360 nm in many times. Optical, mechanical and thermal properties were evaluated after exposures showing important changes. It also experienced magnesium and xylanase treatments aiming to reduce unwanted effects of heat and ultraviolet exposure extending life cycle of products. The heat exposure caused more yellowness analyzed by whiteness CIELab and opacity rise. There was also observed acetone soluble compounds removal and no changing in pentoses content. The appearance of oxidized structures was monitored by ultraviolet analysis observing carbonyl and carboxyl increasing, the rise o carboxyl content led to pulp pH and conductivity changes. Viscosimetric polymerization degree was changed in time and temperature function with bigger reduction on higher time and temperature. The FTIR spectra showed important changes on hydrogen bonds that combined to tensile, elastic modulus and tenacity increase led to assumption of strengthening on cellulose chains and fiber interaction. Thermal analysis (TGA and DTA) showed changes indicating reduction on thermal stability. The ultraviolet exposure caused more brightness reduction than heat exposure. There was also observed acetone soluble compounds removal indicating it structure change making them insoluble. Like on heat exposure no change on pentoses content was observed. The appearance of oxidized structures was monitored by ultraviolet analysis observing carbonyl and carboxyl increasing. In unexpected way the viscosimetric polymerization degree did not change with ultraviolet exposure. Were also observed on FTIR spectra changes on hydrogen bonds but. It was observed tensile, elastic modulus and tenacity reduction ant thermal analysis (TGA and DTA) showed either thermal stability reduction. The samples treatment with magnesium (MgSO4.7H2O) showed none benefit on optical, mechanical and thermal properties preservation of fibers. Moreover xylanase treatment shown to be efficient on reduction of brightness lost, yellowness and mechanical properties. Thermal analysis showed no change after xylanase treatment in N2 atmosphere, while the results on Air showed thermal stability rise on first decomposition step and reduction on final step.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2800
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