Análise ambiental e técnica para a obtenção de nanocristais de celulose de bagaço da cana-de-açúcar aplicados em nanocompósitos

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016.O setor de cana no Brasil vem crescendo desde o início da década de 2000, obtendo uma produção anual de cerca de 654 milhões de toneladas em 2015, tornando o bagaço um importante resíduo agroindustrial. Esse fato leva a utilização de bagaço como fonte para a obtenção de nanocristais de celulose. Portanto, o presente estudo tem como objetivo obter nanocristais de celulose de forma técnica e ambiental que possam ser utilizados em nanocompósitos. Nanocristais de celulose podem ser extraídos por vários métodos, assim, a Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) apresenta-se como a metodologia mais indicada para investigar quais as formas mais viáveis de obtenção. Para isso, o inventário dos sistemas englobou a produção de cana-de-açúcar e dos nanocristais. Insumos, energia e processos auxiliares como transporte e uso de combustível também foram quantificados. A unidade funcional adotada foi de 1 kg de nanocristais de celulose. Inicialmente, foram utilizados doze cenários para extração dos nanocristais de celulose que envolveu condições experimentais da literatura abrangendo pré-tratamento e hidrólise. Essas condições permitiram isolar os nanocristais de celulose, como também a composição química do bagaço e de cada fase de tratamento. Assim, as fibras e os nanocristais de celulose foram caracterizados por um conjunto de técnicas (microscopia eletrônica de varredura MEV; microscopia eletrônica de transmissão MET; microscopia de força atômica MFA; espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier FTIR, difração de Raios-X e análises térmicas). Depois da obtenção dos nanocristais de celulose, nanocompósitos de acrilonitrilabutadieno estireno (ABS) reforçados com 0,5, 1,0 e 1,5% de nanocristais de celulose foram obtidos por extrusão. Além disso, a influência do teor de nanocristais de celulose nos nanocompósitos foi estudada por difração de Raios-X,TGA análise termogravimétrica, DSC calorimetria exploratória diferencial e DMA análise dinâmico-mecânica, ensaios mecânicos, análise estatística, MEV e reologia. Os resultados mostraram que em todos os cenários, na fase de pré-tratamento e na produção dos nanocristais, houve uma grande contribuição para os impactos ambientais devido à quantidade de produtos químicos utilizados e, especialmente, ao consumo elevado de água e energia. A composição química do bagaço em massa foi de 39% de celulose, 21% de lignina e 27% de hemicelulose. Entretanto, a caracterização por MEV mostrou que o tratamento mudou a morfologia das fibras, bem como o aumento da rugosidade da superfície. A caracterização por MET mostrou o cumprimento em torno de 44-300 nm e o diâmetro de 10-30 nm. A caracterização por MFA mostrou a morfológia dos cristalitos e aglomerados de nanocristais. A análise de FTIR identificou claramente nos espectros, picos em 890-1364 cm-1 típico de celulose I. E, finalmente a análise de difração raios-X mostrou aumento da cristalinidade com sucessivos tratamentos, resultando em uma cristalinidade de 67% para os nanocristais. Difração de raios-X mostram diminuição do ângulo para os nanocompósitos, comprovando a dispersão da carga na matriz. As curvas TGA mostraram que a inserção dos nanocristais provocou uma estabilidade térmica intermediária para os nanocompósitos, e as curvas DSC para os nanocompósitos mostraram eventos térmicos semelhantes ao ABS. As curvas DMA mostraram aumento do módulo de armazenamento dos nanocompósitos. A adição dos nanocristais de celulose ao ABS, alterou as propriedades do polímero, comprovado estatisticamente. Assim, dependendo da aplicação, dos nanocompósitos terá um desempenho de maior, tração; flexão; impacto, estabilidade; viscosidade ou em termosambientais.The sugarcane sector in Brazil has been growing since the beginning of the 2000s, obtaining a annual production of about 654 million tonnes in 2015, making sugarcane an important agricultural residue, may generate many applications. This fact carries the use of exceeding bagasse as a source to obtain cellulose nanocrystals. Therefore, the present study aims to obtain cellulose nanocrystals technical and environmental that can be used in nanocomposites. Nanocrystals cellulose can be extracted by various methods, so the Life Cycle Assessment (LCA) is presented as the most appropriate methodology to investigate what the most viable forms of obtainment. For that, inventory of the systems involved the sugarcane and nanocrystals production. Inputs, energy and auxiliary processes such as transportation and fuel use also were quantified. The functional unit used was 1 kg of cellulose nanocrystals. Initially, were used twelve scenarios for extraction of cellulose nanocrystals that involved experimental conditions of the literature including pre-treatment and hydrolysis. These conditions allowed isolation of cellulose nanocrystals, as well as, the chemical composition of the bagasse and of each treatment phase. The fibers and cellulose nanocrystals were characterized by a range of technical (scanning electron microscopy SEM, transmission electron microscopy TEM, atomic force microscopy AFM; infrared spectroscopy Fourier transform FTIR, X-ray diffraction and thermal analysis). After obtaining of the cellulose nanocrystals, nanocomposites of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) reinforced with 0.5, 1.0 and 1.5% cellulose nanocrystals were obtained by extrusion. Furthermore, the influence of cellulose nanocrystals content in the nanocomposites was studied by (X-ray diffraction, TGA-thermogravimetric analysis, DSC-differential scanning calorimetry and DMA-dynamic mechanical analysis), mechanical testing, SEM and rheology. The results showed that in all scenarios in the pre-treatment phase and nanocrystals production was there was a great contribution to that contributed to environmental impacts due amounts chemicals used, and especially the high consumption of water and energy. The chemical composition of the bagasse mass was 39% of cellulose, 21% of hemicellulose and 27% of lignin. However, the SEM characterization showed that the treatment changed the morphology of the fibers, as well as, increased surface roughness. The TEM characterization showed lenght around 44-300 nm and a diameter of 10-30 nm. The AFM characterization showed the morphology of the crystallites and agglomerates. The FTIR spectra analysis clearly identified, band in 890-1364 cm-1 characteristic of cellulose I. And, finally X-ray diffraction analysis showed that the crystallinity increased with successive treatments, resulting in nanocrystals with crystallinity, about 67%. X-rays show decreased angle for nanocomposites, showing the load dispersion in the matrix. The TGA curves showed that the insertion of the nanocrystal caused a intermediate in thermal stability for the nanocomposite, and the DSC curves for nanocomposites showed thermal events similar to the ABS. The DMA curves showed increased storage modulus of the nanocomposites. The addition of the cellulose nanocrystals to ABS occurs alteration in polymer properties, statistically confirmed. Thus, depending on the application, each material will have a performance tensile higher; flexural; impact, stability; viscosity or environmental

The influence of the coconut fiber treated as reinforcement in PHB (polyhydroxybutyrate) composites

This study evaluated how the treatment of coconut fiber (CF) affected the fiber itself and the composites prepared with treated and in nature coconut fiber used as reinforcement in PHB (polyhydroxybutyrate) as a polymeric matrix. The coconut fiber in nature (CFi) underwent to a thermochemical treatment (CFt) with hot water (80 °C). The efficiency of treatment was evaluated by FT-IR analysis. The FT-IR and scanning electron microscope results showed partial removal of impurities such as waxes. The composites of (PHB/CFi or PHB/CFt) with weight rate of 90/10 and 80/20 were characterized by thermal and morphological properties. Thermogravimetric analysis showed that the presence of fiber in the PHB matrix improved thermal stability of the composite. The SEM analysis of the microstructure showed ta good interfacial adhesion between the PHB and coconut fiber especially when treated fiber was used

The recycling of sugarcane fiber/polypropylene composites

Mechanical recycling is utilized to reuse waste and obtain other plastic products via the reprocessing of a material in industrial equipment. Natural fiber composites have become more popular in recent years; however, these composites' mechanical behavior remains less well-understood than single polymers’ behavior after recycling. Therefore, the objective of this work was to study the degradation of different sugarcane fibers/polypropylene composites using new grinding and injection processes and to evaluate the mechanical properties of these materials using analysis of variance (ANOVA). This work reveals the mechanical behaviors of recycled natural fiber composites that contain thermal stabilizer additives. Polypropylene composites reinforced with differently treated bagasse and straw fibers (10 and 20 wt%/PP) were obtained through melt mixing using a high-intensity thermokinetic mixer and were subsequently injected. The recycled composites exhibited decreased tensile strength relative to the original composites. However, when thermal stabilizers were added, the mechanical properties were maintained or increased, depending on the fiber and additive types

Thermal properties of recycled polystyrene composite reinforced with cellulose from sugarcane bagasse

O poliestireno expandido (EPS) é um polímero reciclável amplamente utilizado na fabricação de embalagens para isolamento acústico, proteção de bens de consumo duráveis e na indústria da construção civil. O PS é facilmente reciclável com o aumento da temperatura, podendo dar origem a novos materiais. Entretanto suas propriedades térmicas podem ser afetadas, principalmente se acrescidos de fibras naturais. Diante desse contexto, esse trabalho tem como objetivo estudar as propriedades térmicas dos compósitos de poliestireno reciclado reforçados com fibra de celulose do bagaço de cana-de-açúcar. Os compósitos de PS reciclados contendo 10 e 20% (m/m) de celulose de bagaço foram obtidos por extrusão e caracterizados por análise térmica: Análise Termogravimétrica (TGA), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) e Temperatura de Deflexão Térmica (HDT). Os resultados mostraram que as fibras ricas em lignina residual atuaram como reforço melhorando a rigidez do material com a adição das fibras, bem como promoveram o aumento da temperatura de deflexão térmica. Já a estabilidade térmica dos compósitos é intermediária entre a fibra e matriz, diminuindo com o aumento do teor de fibras. Portanto, conclui-se que a utilização de EPS como matriz na obtenção de compósitos reforçados com fibras naturais é viável e sugere o uso deste resíduo como uma excelente alternativa para o setor de reciclagem.Expanded polystyrene (EPS) is a recyclable polymer widely used in the manufacture of packaging for acoustic insulation, protection of durable consumer goods and in the construction industry. The PS is easily recyclable with increasing temperature, giving new materials. However, thermal properties can be affected, mainly if added of natural fibers. In this context, this work objective to study the thermal properties of recycled polystyrene composites reinforced with cellulose fibers from sugarcane bagasse. The recycled composites of PS reinforced 10 and 20 wt% cellulose bagasse were obtained by extrusion, and characterized by thermal analysis thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA) and heat deflection temperature (HDT). The results showed that the fibers rich in residual lignin act as reinforcement improving the stiffness of the material with the addition of the fibers, as well as promoted the increase of the heat deflection temperature for the composites. The thermal stability of the composites is intermediate between the fiber and matrix, decreasing with the increase of fibers content. Therefore, it is concluded that the use of EPS as a matrix in the obtainment composites reinforced with natural fibers is viable and suggest the use of this residue as an excellent alternative for the recycling industry

Comportamento térmico de compósitos de poliestireno reciclado reforçado com celulose de bagaço de cana

O poliestireno expandido (EPS) é um polímero reciclável amplamente utilizado na fabricação de embalagens para isolamento acústico, proteção de bens de consumo duráveis e na indústria da construção civil. O PS é facilmente reciclável com o aumento da temperatura, podendo dar origem a novos materiais. Entretanto suas propriedades térmicas podem ser afetadas, principalmente se acrescidos de fibras naturais. Diante desse contexto, esse trabalho tem como objetivo estudar as propriedades térmicas dos compósitos de poliestireno reciclado reforçados com fibra de celulose do bagaço de cana-de- açúcar. Os compósitos de PS reciclados contendo 10 e 20% (m/m) de celulose de bagaço foram obtidos por extrusão e caracterizados por análise térmica: Análise Termogravimétrica (TGA), Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise DinâmicoMecânica (DMA) e Temperatura de Deflexão Térmica (HDT). Os resultados mostraram que as fibras ricas em lignina residual atuaram como reforço melhorando a rigidez do material com a adição das fibras, bem como promoveram o aumento da temperatura de deflexão térmica. Já a estabilidade térmica dos compósitos é intermediária entre a fibra e matriz, diminuindo com o aumento do teor de fibras. Portanto, conclui-se que a utilização de EPS como matriz na obtenção de compósitos reforçados com fibras naturais é viável e sugere o uso deste resíduo como uma excelente alternativa para o setor de reciclagem.Expanded polystyrene (EPS) is a recyclable polymer widely used in the manufacture of packaging for acoustic insulation, protection of durable consumer goods and in the construction industry. The PS is easily recyclable with increasing temperature, giving new materials. However, thermal properties can be affected, mainly if added of natural fibers. In this context, this work objective to study the thermal properties of recycled polystyrene composites reinforced with cellulose fibers from sugarcane bagasse. The recycled composites of PS reinforced 10 and 20 wt% cellulose bagasse were obtained by extrusion, and characterized by thermal analysis thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA) and heat deflection temperature (HDT). The results showed that the fibers rich in residual lignin act as reinforcement improving the stiffness of the material with the addition of the fibers, as well as promoted the increase of the heat deflection temperature for the composites. The thermal stability of the composites is intermediate between the fiber and matrix, decreasing with the increase of fibers content. Therefore, it is concluded that the use of EPS as a matrix in the obtainment composites reinforced with natural fibers is viable and suggest the use of this residue as an excellent alternative for the recycling industry

Propriedades mecânicas de compósitos de poliestireno reforçado com celulose de bagaço de cana

O EPS (poliestireno expandido) é um polímero resultante da polimerização do estireno em água e é imensamente utilizado para a confecção de embalagens. Em vista disso, é produzido em grandes proporções. Por outro lado, outro importante resíduo produzido é o bagaço de cana-de-açúcar, por conta da grande produção de açúcar e etanol no Brasil. Deste modo, este trabalho propõe o uso destes dois resíduos, combinando as suas propriedades em um único material, um compósito. Para a obtenção das fibras celulósicas, estas foram extraídas do bagaço de cana em meio fortemente alcalino (NaOH), resultando em fibras celulósicas com lignina residual. Os compósitos de PS reforçados com 10 e 20% (m/m) de fibras foram preparados em extrusora mono-rosca, seguido por dupla-rosca e moldagem por injeção. Os compósitos reforçados com as fibras naturais foram avaliados por propriedades mecânicas de tração, flexão e dureza. A superfície fraturada dos compósitos foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Observou-se que a adição de 20% (m/ m) de fibra de celulose ao poliestireno possibilitou um melhoramento das propriedades mecânicas de flexão, tração e dureza em comparação ao PS reciclado. Este resultado indicou melhor transferência de esforço da matriz para as fibras devido à melhora na interface do compósito devido à presença de lignina residual que atuou como agente compatibilizante.The EPS (expanded polystyrene) is a polymer resulting from the polymerization of styrene in water and is greatly used in package manufacturing. Because of that, the entire world produced a large quantity of these residues. Meanwhile, another important agro residue is the sugarcane bagasse, because of the massive sugar and ethanol production in Brazil. Thereby, this work will propose an application of these residues, combining its properties in a single product, a composite. The pulping process in a strongly alkaline medium (NaOH) extracted the cellulosic fibers from sugarcane bagasse, resulting in cellulose fibers with residual lignin. Fibers (10 and 20% by weight) and PS were mixed by extrusion in a single-screw extruder, followed by double-screw, and then injection molding. The natural fiber composites was evaluated by tensile, flexural and hardness mechanical properties. The surface of fractured composites was analyzed by scanning electron microscopy (SEM). As a result, the addition of 20 % wt of fibers to polystyrene improves the flexural, tensile and hardness properties in respect to recycled PS. This result indicates best stress transference of fibers to matrix due to the interface interaction promoted by residual lignin, which actuates as coupling agent

Propriedades térmicas de compósitos de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) e fibras de celulose modificadas com nanopartículas de sílica (SiO2)

O objetivo deste trabalho foi caracterizar os compósitos produzidos com o terpolímero acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) reforçados com fibras de polpa celulose modificadas com nanopartículas de sílica (SiO2). Primeiramente, as fibras foram modificadas utilizando o processo sol-gel, tendo como precursor da sílica o ortosilicato de tetraetila (TEOS). Adicionalmente, duas concentrações de TEOS e dois tempos de reação foram utilizados para produzir dois tipos de fibras modificadas, FT1 e FT2, logo depois, foi determinado o rendimento de cada processo de modificação. As fibras foram caracterizadas por meio da microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise termogravimetria (TGA) e sua derivada (DTG). Depois da obtenção das fibras os compósitos de acrilonitrila-butadieno-estireno reforçados com 10 e 20% (m/m) de fibras de polpa celulose branqueada não modificadas (FNT) e modificadas com nanopartículas de sílica (FT1 e FT2) foram obtidos por extrusão e posteriormente por injeção, depois os compósitos foram caracterizados quanto à densidade, análise térmica (TGA/DTG), temperatura de deflexão térmica (HDT) e a temperatura de amolecimento VICAT. A adição de fibras, de modo geral, proporcionou incremento para a temperatura de deflexão térmica HDT e temperatura de amolecimento VICAT, sendo mais acentuado quando o teor de fibras passou de 10% para 20%. No entanto, o aumento do teor de fibras de 10% para 20%, em comparação ao ABS puro provocou diminuição da temperatura de início de degradação e provocou aumento da densidade.Palavras-chave: compósitos, celulose, nanopartículas de sílica, sol-gel, acrilonitrila-butadieno-estireno

Tensile behavior analysis combined with digital image correlation and mechanical and thermal properties of microfibrillated cellulose fiber/ polylactic acid composites

Microfibrillated cellulose (MFC) employed as reinforcement of polymeric matrices can increase elastic modulus, stiffness and strength of a composite. In this work, the assessment of the mechanical, thermal properties and tensile tests assisted by digital image correlation (DIC) was performed for curaua fiber MFC-reinforced polylactic acid (PLA) composites as a function of MCF content. First, MFC was incorporated into PLA using a solvent exchange technique and subsequent polymer solubilization to produce master batch composites. Then, more PLA was added to obtain composites with 0.5 and 1.5 wt% MFC by using double screw extrusion and injection molding. As a result, the addition of MFC caused the flexural, tensile, indentation, impact and modulus strengths to increase compared to those of pure PLA. The deformation gradient obtained from DIC verified that the 0.5 wt % MFC/PLA composite presented greater homogeneity in relation to load dispersion, corroborating the higher rigidity, maximum stress, and Poisson’s ratio