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Title: Desenvolvimento de bionanocompósitos utilizando nanofibras celulósicas de bambu como agente de reforço em matriz de amido e álcool polivinílico.
Authors: Guimarães Júnior, Mário
metadata.dc.contributor.advisor: Botaro, Vagner Roberto
Keywords: Soluções polimericas
Nanotecnologia
Bambu na produção de celulose
Issue Date: 2015
Citation: GUIMARÃES JUNIOR, M. Desenvolvimento de bionanocompósitos utilizando nanofibras celulósicas de bambu como agente de reforço em matriz de amido e álcool polivinílico. 2015. 234f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2015.
Abstract: Diante da necessidade de produtos mais sustentáveis, nanofibras de materiais lignocelulósicos podem ser uma alternativa para o desenvolvimento de novos materiais a serem utilizados em diferentes aplicações. Neste sentido, bionanocompósitos a partir da mistura de polímeros biodegradáveis reforçados com nanofibras de polpa de bambu, para aplicações na indústria de embalagens plásticas e setor agrícola, utilizando o método “casting”, foram confeccionados. As polpas de bambu foram obtidas industrialmente através do processo químico soda/antraquinona, seguido de refino em moinho de disco, a partir de bambu com dois anos de idade. O primeiro estudo teve como meta determinar a metodologia de branqueamento da polpa. Os resultados mostraram que a solução com 4% de hidróxido de sódio e 24% de peroxido de hidrogênio, na proporção de 1:1, proporcionou melhores rendimento e alvura. A eficiência promovida pelos pré-tratamentos químicos e mecânico foi avaliada através dos resultados de suas analises químicas durante o segundo estudo experimental. As analises confirmaram a eficiência ao revelar um aumento gradativo do teor de alfa-celulose, apos o primeiro branqueamento, em relação à fibra “in natura”. No terceiro estudo, a polpa branqueada foi utilizada na obtenção de nanofibras através de um desfibrilador mecânico Super Masscolloider Masuko Sangyo MKCA6-3, seguido de cavitação em sonicador de 450W. A influencia do numero de passagens das suspensões de nanofibras pelo desfibrilador nas suas propriedades morfológicas, estruturais, óticas, térmicas e viscosimétricas foi analisada e avaliada apos sua diluição e sonicação. Apos 30 passagens, a suspensão se mostrou mais dispersa e transparente na faixa compreendida entre 400 e 800 nm, tornando-se mais estável que as demais. A análise de microscopia de forca atômica revelou uma redução de 87,2% nos valores médios das larguras das nanofibras destas suspensões em relação aquelas com 5 passagens. O quarto estudo foi norteado para averiguar as propriedades morfológicas, viscoamilográficas, térmicas, microestruturais e funcionais dos grânulos de polissacarideos. Por apresentar baixos valores de setback e viscosidade de quebra, aliado a elevados valores de viscosidade máxima, viscosidade final e temperatura de pasta, os grânulos de amido de modificado de mandioca (FMM) exibiram um alto potencial para formação de biofilmes. O quinto estudo foi dirigido a produção e seleção de biofilmes para a formação da blenda. Após a definição das concentrações de solução filmogênica e plastificantes dos biofilmes de polissacarideo e álcool polivinílico (PVA), fundamentado nas suas propriedades subjetivas, morfológicas, mecânicas, térmicas, microestruturais e físicas, foram escolhidas as formulações com 3% de FMM e 12% de glicerol e com 4% de PVA e 25% de glicerol. O sexto estudo foi conduzido para a elaboração da blenda. Cinco formulações foram elaboradas e avaliadas em função de suas propriedades funcionais, morfológicas, mecânicas, térmicas e físicas. A blenda com 80% de PVA e 20% de FMM se mostrou mais eficiente exibindo características almejadas para a formação da matriz do bionanocompósito. No sétimo estudo, a blenda selecionada foi reforçada com nanofibras obtidas apos 5 e 30 passagens pelo desfibrilador nas concentrações de 0,5; 1,5; 4,5 e 6,5% (b.s). Os bionanocompósitos foram avaliados segundo suas propriedades mecânicas, estruturais, morfológicas, físicas e térmicas. O bionanocompósito com 6,5% de nanofibras com 30 passagens apresentou um aumento de 24 e 51% em seus valores médios de tensão e alongamento máximo na ruptura, respectivamente, em relação a blenda de controle. O contrario aconteceu com os valores médios de permeabilidade ao vapor de água e solubilidade. Houve uma redução de 20 e 30%, respectivamente. ____________________________________________________________________________________
Abstract: Considering the need to more sustainable products, nanofibrils from lignocellulosic materials can be an alternative for developing of new materials for different applications. In this sense, bionanocomposites were made using the casting method from the mixture of biodegradable polymers reinforced with nanofibrils of bamboo pulp for applications on the industry of plastic packages and agricultural sector. The bamboo pulp were obtained industrially by the soda-anthraquinone chemical process followed by refining in a disk mill from bamboo with two years of age. The first study aimed to determine the methodology of pulp whitening. Results showed that the solution with 4% of sodium hydroxide and 24% of hydrogen peroxide in the proportion 1:1 provided the best income and whiteness. The efficiency promoted by the chemical and mechanical pre-treatments was evaluated through the results of chemical analysis during the second study. Analyses have confirmed the efficiency when revealing a gradual increase on the content of alpha-cellulose after the first whitening in relation to the native fiber. In the third experimental study, the bleached pulp was used to obtain the nanofibrils in a mechanical defibrillator super Masscolloider Masuko Sangyo MKCA6-3, followed by cavitation in sonicator of 450W. The influence of number of passages of the nanofibril suspensions through the mechanical defibrillator under the morphological, structural, optical and viscosimetric properties was analyzed and assessed after dilution and sonication. After 30 passages the suspension was more disperse and transparent in the range between 400 and 800 nm, thus becoming more stable than others. The analysis at atomic force microscopy revealed a reduction of 87.2% on mean values of the nanofribril width of these suspensions in relation to those with 5 passages. The forth study was conducted in order to verify the morphological, viscoamylographic, thermal, microstructural and functional properties of the polysaccharide granules. Due to the low values of setback and breaking viscosity allied to the high values of maximum and final viscosity and paste temperature, the granules of modified cassava starch (FMM) exhibited a high potential to form biofilms. The fifth study was directed to the production and selection of biofilms for the blend formation. After defining the concentrations of the filmogenic solution and plasticizers for biofilms of polysaccharide and polyvinyl alcohol (PVA) based on their subjective, morphological, mechanical, thermal, microstructural and physical properties, the formulations with 3% of FMM and 12% of glycerol and 4% of PVA and 25% of glycerol were chosen. The sixth study was conducted to make the blend. Five formulations were made and assessed according to their functional, morphological, mechanical, thermal and physical properties. The blend with 80% of PVA and 20% of FMM was more efficient, exhibiting desirable characteristics for the formation of the bionanocomposite matrix. In the seventh study, the selected blend was reinforced with nanofibrils obtained after 5 and 30 passages by the defibrillator in the concentrations 0.5, 1.5, 4.5 and 6.5% (dry weight). The produced bionanocomposites were assessed according to their mechanical, structural, morphological, physical and thermal properties. The bionanocomposite with 6.5% of nanofibrils and 30 passages presented an increase of 24 and 51% on mean values of maximum tensile strength and maximum elongation at break, respectively, in relation to the control blend. The opposite was observed with mean values of water vapor permeability and water solubility. There was a reduction of 20 and 30%, respectively.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/5801
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo autor(a), 28/10/2015, com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0, que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que seja citado o autor e licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação desta.
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