Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-8TNVG6
Tipo: Tese de Doutorado
Título: Nanocristais de celulose para preparação de bionanocompósitos com quitosana e carbonos nanoestruturados para aplicações tecnológicas e ambientais
Autor(es): Joao Paulo de Mesquita
Primeiro Orientador: Claudio Luis Donnici
Primeiro Coorientador: Fabiano Vargas Pereira
Primeiro membro da banca : Denise Freitas Siqueira Petri
Segundo membro da banca: Mercês Coelho da Silva
Terceiro membro da banca: Luiz Carlos Alves de Oliveira
Quarto membro da banca: Rodrigo Lassarote Laval
Resumo: Nesta tese de doutorado, nanocristais de celulose (NCCs), preparados a partir de polpa de eucalipto, foram utilizados como material de reforço em bionanocompósitos poliméricos com o biopolímero quitosana e na preparação de nanoestruturas de carbono, através de pirólise controlada. As nanoestruturas de carbono obtidas foram usadas para modificar a superfície de vermiculita expandida (VE). Os NCCs foram obtidos por meio da hidrólise da polpa de eucalipto com H2SO4 e caracterizados com diferentes técnicas incluindo MET, DRX, FT-IR e titulação potenciométrica. Os NCCs obtidos apresentaram em média 145+-25 nm de comprimento e 6+-1,5 nm de diâmetro e uma superfície negativamente carregada, com 141mmol.Kg-1 de grupos funcionais ácidos na superfície dos nanocristais.Para preparação dos bionanocompósitos de quitosana com NCCs foram utilizadas três diferentes estratégias. Primeiro, os bionanocompósitos de quitosana com NCCs foram preparados utilizando o método de evaporação do solvente. O efeito da incorporação dos NCCs nas propriedades mecânicas, térmicas e de capacidade de absorção de água dos filmes dos nanocompósitos com diferentes concentrações de NCCs foram avaliados. Foi verificado que os NCCs encontram-se uniformemente dispersos na matriz interagindo fortemente com as cadeias poliméricas da quitosana. Essas interações fortes resultaram em melhorias de até 160% no módulo de elasticidade, 115% na resistência a tração e numa diminuição significativa da capacidade de absorção de água do biopolímero. Nos bionanocompósitos obtidos através da ligação química entre os NCCs e a quitosana foram observadas propriedades mecânicas semelhantes às observadas para os materiais preparados com NCCs não funcionalizados. No entanto, neste compósito, a diminuição da capacidade de absorção de água foi consideravelmente maior que a observada no material obtido pela simples incorporação de NCCs no biopolímero. A técnica de deposição camada por camada foi também utilizada para preparação de filmes finos de bionanocompósitos QT/NCCs. Verificou-se, com a espectroscopia UV-Vis, um crescimento linear dos filmes com os ciclos de imersão, e, em cada ciclo mediu-se uma deposição de 14,7 mg.m-2 de quitosana. Essa massa de quitosana depositada, mais a camada de NCC formaram uma bicamada (QT+NCC) de 7 nm de espessura. Além disso, imagens obtidas com MEV mostraram que a superfície dos filmes apresentam uma morfologia porosa tipo ¿espaguete¿ sendo caracterizada, por microscopia de força atômica (MFA), como relativamente suave com um valor de rugosidade médio menor que 11 nm para um filme de 20 bicamadas. Os NCCs foram também utilizados na preparação de nanoestruturas de carbono por meio de pirólise em diferentes temperaturas. Foi verificado que as diferentes temperaturas de pirólise modificam profundamente as características do carbono obtido. Com a pirólise a 300ºC tem-se uma carbonização incompleta, entretanto foi possível identificar através da MET-AR a presença de estruturas tubulares com ordenamento grafítico. Com o aumento da temperatura de pirólise para 600 e 900ºC, as estruturas tubulares desaparecem e outras, constituídas de carbono amorfo e carbono grafítico, com morfologia esférica e oval predominam. Além disso, há um significativo aumento na área específica e volume de micro e mesoporos com a elevação da temperatura de pirólise. Os materiais obtidos foram então utilizados na adsorção de bisfenol A. A amostra de NCC pirolisada a 900°C (CANCC900) apresentou uma significativa afinidade pela molécula do bisfenol A, apresentando uma capacidade de adsorção rápida e alta. A capacidade máxima de adsorção, obtida com o ajuste dos dados pela isoterma de Langmuir, foi de 1029 mgg-1. Essa alta capacidade de adsorção foi atribuída à maior área superficial e também a maior acessibilidade à superfície, proporcionada pelo significativo montante de mesoporos. Finalmente, os NCCs foram dispersos e depositados sobre a superfície de vermiculitas expandidas através do simples controle dos ciclos de imersão. A deposição de NCCs sobre a superfície da vermiculita foi confirmada por FTIR e TG. Posteriormente, as vermiculitas recobertas com NCC foram pirolisados a 900ºC para a formação de uma camada superficial de carbono nanoestruturado amorfo e grafítico. A presença desta camada de carbono modificou significativamente a morfologia da superfície, assim como o seu caráter hidrofóbico/hidrofílico aumentado a capacidade de absorção de óleo vegetal e de motor em 250 e 100%, respectivamente, em relação à VE
Abstract: In this work, cellulose nanocrystals (CNCs) were prepared from eucalyptus cellulose pulp and were used as reinforcement material for chitosan biopolymer (CH). In addition, the CNCs were used to form carbon nanostructures through controlled pyrolysis and the carbon nanostructures obtained were use to modify the surface of expanded vermiculite clay (EV). The CNCs were obtained by hydrolysis of eucalyptus cellulose pulp using H2SO4 and characterized with different techniques including TEM, XRD, FT-IR and potentiometric titration. The length and diameter of the CNWs were characterized as being 145 25 nm and 6 1.5 nm, respectively. Potentiometric titration gave 141 mmol.kg-1 of sulfates groups on the whiskers surface. In order to prepare the chitosan/CNCs bionanocomposites, three different strategies were used. Firstly, chitosan/CNCs were prepared using the simple casting method. The effect of different concentrations of CNCs on the mechanical and thermal properties and water absorption capacity of the films were evaluated. It was found that the CNCs were uniformly dispersed throughout the matrix, interacting strongly with the polymer chains of chitosan. These interactions resulted in a strong improvement in the tensile modulus (up to 160%) and in the tensile strength (up to 115%). Also, a significant decrease in water absorption capacity of the biopolymer was measured. The second approach was the preparation of bio-based nanocomposite through covalent linkage between CH and CNCs. These nanocomposites showed similar mechanical properties compared to those observed for materials prepared from the simple casting method. On the other hand, the water resistance properties were considerably enhanced for the CH-graft-CNCs relative to those systems obtained from the casting method. Finally the layer-by-layer (LBL) technique was also used to prepare thin films of chitosan/NCCs. The film growth was followed by UV-vis spectroscopy and showed the deposition of 14.7 mgm-2 of chitosan polymer in each cycle. Scanning electron microscopy showed high density and homogeneous distribution of CNCs adsorbed on each chitosan layer. Cross section characterization of the assembled films indicates an average of ~ 7 nm of thickness per bilayer. The surface of the film also shows a morphology made by laterally aggregated nanowhiskers generating a morphology which looks like a bundle of spaghetti-like fibers. The film surface was also characterized by AFM and showed a relatively smooth surface having the roughness values lower than 11 nm for a film of 140nm. The NCCs were also used in the preparation of carbon nanostructures by pyrolysis at different temperatures. It was found that different pyrolysis temperatures deeply modify the characteristics of the carbon obtained. With the pyrolysis at 300 °C, the CNCs presented an incomplete carbonization, but this sample showed (using HR-TEM) the presence of tubular structures with graphitic order.With increasing pyrolysis temperature to 600 and 900 °C, the tubular structures disappear, and other carbon nanostructures take place, mainly spherical nanoparticles, consisting of amorphous and graphitic carbon. In addition, it was observed a significant increase in specific surface area and volume of micro-and mesopores with increasing temperature of pyrolysis. The materials were then used in the adsorption of bisphenol A. The sample obtained at 900°C (CANCC900) showed a significant affinity for bisphenol A moieties, showing a rapid and high adsorption capacity. The maximum adsorption capacity obtained from the fitting data of the Langmuir isotherm was 1029 mgg-1. This high adsorption capacity was attributed to large surface area and also due to the great accessibility to the surface by the significant amount of mesopores. Finally, the NCCs were dispersed on the expanded vermiculite surface (EV) through the simple control of dipping cycles. The deposition of the NCCs on the surface of the vermiculite was confirmed by FTIR and TG. Subsequently, the composites CNCs/EV were pyrolyzed at 900 °C to form a surface layer of amorphous and nanostructured graphitic carbon. The presence of these carbon nanostructures on the EV surface produced a hydrophobic character on the vermiculite surface and strongly increased the oil absorption capacity for soy bean and engine oil
Assunto: Química inorgânica
Quitosana
Vermiculita
Nanotecnologia
Cristais
Celulose
Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-8TNVG6
Data do documento: 28-Fev-2012
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