Avaliação da Cinética de Degradação Térmica de Membranas de Acetato de Celulose Híbridas usando Métodos Isoconversionais

Cellulose acetate membranes are widely used in industry, emphasizing water purification processes, such as desalination. With some limiting mechanical properties, the synthesis of hybrid membranes appears as an alternative for developing high-performance materials. For its application, knowledge of thermal stability is crucial. In this work, the thermal degradation kinetics of AC-SiO2-(CH2)3NH2 hybrid cellulose acetate membranes are evaluated from thermogravimetric analysis, at three heating rates, 5, 10, and 20°C/min. The isoconversional methods proposed by Kissinger, Flynn-Wall-Ozawa, and Friedman were used for the present study of degradation kinetics. It was observed that insertion of silicon to polymeric structure promoted thermal stability to the membrane, presenting higher activation energy than pure cellulose acetate membrane, increasing from 240.28 to 1039.01 KJ/mol, using the method of Friedman. In contrast, the increase in nitrogen concentration decreases its thermal stability compared to the cellulose acetate membrane with incorporated silicon, reducing the activation energy from 1039.01 to 250.50 KJ/mol. However, it is more stable than the pure cellulose acetate membrane. The evaluation carried out in this study explained the influence of the minimum variation in the chemical composition against the thermal stability of hybrid membranes, being a factor of great importance for its application.As membranas de acetato de celulose são amplamente utilizadas na indústria, nos processos de purificação de água, principalmente na dessalinização. Com algumas propriedades limitantes, a síntese de membranas híbridas aparece como uma alternativa para o desenvolvimento de materiais de alto desempenho. Para sua aplicação, o conhecimento da estabilidade térmica é crucial. Neste trabalho, a cinética de degradação térmica de membranas híbridas de acetato de celulose AC-SiO2-(CH2)3NH2 é avaliada a partir de análise termogravimétrica, em três taxas de aquecimento, 5; 10 e 20 °C/min. Os métodos isoconversionais propostos por Kissinger, Flynn-Wall-Ozawa e Friedman foram usados para o presente estudo da cinética de degradação. Observou-se que a inserção do silício na estrutura polimérica promoveu estabilidade térmica à membrana, apresentando energia de ativação superior à membrana de acetato de celulose puro, passando de 240,28 para 1039,01 kJ/mol, pelo método de Friedman. Em contraste, o aumento na concentração de nitrogênio diminui sua estabilidade térmica em relação à membrana de acetato de celulose com silício incorporado, reduzindo a energia de ativação de 1039,01 para 250,50 kJ/mol. No entanto, é mais estável do que a membrana de acetato de celulose pura. A avaliação realizada neste estudo explicou a influência da variação mínima na composição química contra a estabilidade térmica de membranas híbridas, sendo um fator de grande importância para sua aplicação

Síntese de Membranas de Acetato de Celulose Híbridas e Aplicação do Método Isoconversional de Flynn-Wall-Ozawa

The synthesis of hybrid materials is a promising alternative in the production of materials with optimized properties. In this context, the classic cellulose acetate membranes are being modified. It is worth mentioning that knowing the thermal stability of cellulosic materials is an essential factor in their use since organic polymers have low thermal resistance, limiting their applicability. This work evaluates the synthesis and the study of the thermal degradation kinetics of hybrid cellulose acetate membranes. The synthesis was carried out using the sol-gel process, with the phase inversion technique, through the reaction of cellulose acetate with organometallic precursors: tetraethyl orthosilicate, TEOS; 3-aminopropyl triethoxysilane, APTES, and titanium isopropoxide, TiPOT, in fixed composition. Thermal characterization was performed with thermogravimetric analysis at different heating rates under a nitrogen atmosphere. The kinetic parameter of thermal decomposition activation energy, Ea, was estimated with the isoconversional method proposed by Flynn-Wall-Ozawa (FWO). The degradation kinetics shows that the change in the chemical composition of the samples directly interferes with their thermal properties. Thus, it is possible to observe that the activation energy found for the reference sample, AC-Pure, in the first and second batches was 233.5 and 219.05 kJ/mol, respectively. The composition modification results in an increase in activation energy, in which sample B0//100-30 recorded 310.31 and 226.05 kJ/mol in the first and second batches; and sample B100//0-30 reached 452.73 and 424.74 kJ/mol. It is clear that the increase in the thermal resistance of the samples is associated with the change in the chemical composition and must be attributed to the increase in the TEOS content in the composition due to the formation and increase in the presence of siloxane groups in the material.A síntese de materiais híbridos é uma alternativa promissora na produção de materiais com propriedades otimizadas. Neste contexto, as clássicas membranas de acetato de celulose estão sendo modificadas. Conhecer a estabilidade térmica dos materiais celulósicos é um importante fator na sua utilização, uma vez que os polímeros orgânicos possuem baixa resistência térmica, limitando sua aplicabilidade. Neste trabalho é avaliada a síntese e o estudo da cinética de degradação térmica das membranas de acetato de celulose híbridas. A síntese foi realizada utilizando o processo sol-gel, com a técnica da inversão de fases, através da reação do acetato de celulose com os precursores organometálicos: ortossilicato de tetraetila, TEOS; 3-aminopropril trietoxissilano, APTES, e o isopropóxido de titânio, TiPOT, em composição fixa. A caracterização térmica foi realizada com análise termogravimétrica em diferentes taxas de aquecimento, sob atmosfera de nitrogênio. O parâmetro cinético de decomposição térmica energia de ativação, Ea , foi estimado com o método isoconversional proposto por Flynn-Wall-Ozawa (FWO). A cinética de degradação mostra que a modificação na composição química das amostras interfere diretamente em suas propriedades térmicas. Desta forma, é possível observar que a energia de ativação encontrada para a amostra de referência, AC-Pura, na primeira e segunda batelada, foi de 233,5 e 219,05 kJ/mol, respectivamente. A modificação da composição resulta no aumento da energia de ativação, em que a amostra B0//100-30 registrou 310,31 e 226,05 kJ/mol na primeira e segunda batelada; e a amostra B100//0-30 atingiu 452,73 e 424,74 kJ/mol. O aumento da resistência térmica das amostras está associado à modificação na composição química e pode ser atribuído ao aumento do teor de TEOS, devido à formação e aumento da presença de grupos siloxanos no material

Avaliação do perfil termogravimétrico de membranas híbridas de acetato de celulose empregando abordagens de aprendizado de máquina

Thermogravimetric analysis (TGA) is a characterization technique routinely used in materials science. In this particular case, TGA determines the variation of weight with temperature. The thermogravimetric analysis of cellulose acetate (CA) hybrid membranes can provide similar results, despite their different chemical composition. The present study uses machine learning algorithms to correlate data from thermogravimetric analyses with variations in chemical composition. Experimental points relating to temperature and weight from these analyses were treated in different ways and used to estimate the composition of the membranes. The Extra-Trees Classifier, Random Forest, Decision Tree, and K-Nearest Neighbors (KNN) algorithms were applied to this data and then evaluated using a confusion and accuracy matrix. The decision tree-based algorithms demonstrated a superior capacity for estimating the composition, albeit with negligible disparities in the thermogravimetric profile. The Extra-Trees Classifier algorithm, in particular, stood out for its ability to estimate composition in all tests, achieving 90% accuracy.A análise termogravimétrica (TGA) é uma técnica de caracterização rotineiramente utilizada na ciência dos materiais. Neste caso particular, a TGA determina a variação de massa com a temperatura. A análise termogravimétrica das membranas híbridas de acetato de celulose (CA) pode fornecer resultados muito semelhantes, apesar de sua composição química diferente. O presente estudo utiliza algoritmos de aprendizado de máquina para tentar correlacionar dados de análises termogravimétricas com variações na composição química. Pontos experimentais relacionados à temperatura e massa dessas análises foram tratados de diferentes maneiras e utilizados para estimar a composição das membranas. Os algoritmos Extra-Trees Classifier, Random Forest, Decision Tree e K-Nearest Neighbors (KNN) foram aplicados a esses dados e, em seguida, avaliados usando uma matriz de confusão e de acurácia. Os algoritmos baseados em árvore de decisão mostraram habilidade superior na estimativa da composição, com diferenças menores no perfil termogravimétrico. O algoritmo Extra-Trees Classifier, em particular, destacou-se por sua habilidade em estimar a composição em todos os testes, atingindo 90% de acurácia