Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/81484
Title: Filmes compósitos de celulose nanofibrilada e minerais argilosos
Other Titles: Novel composite films of nanocellulose and fibrous clayey minerals
Authors: Coelho, Marisa Vieira 
Orientador: Gamelas, José António Ferreira
Ferreira, Paulo Jorge Tavares
Keywords: Nanofibras de celulose; Sepiolite; Paligorsquite; propriedades de barreira; resistência mecânica; cellulose nanofibrils; sepiolite; palygorskite; gas barrier capability; mechanical strength
Issue Date: 19-Sep-2016
Serial title, monograph or event: Filmes compósitos de celulose nanofibrilada e minerais argilosos
Place of publication or event: DEQ-FCTUC
Abstract: The present dissertation aims at using the potential of the nanofibrillated cellulose (CNF) paired with mineral fibers, namely palygorskite and sepiolite, to produce films whose mechanical properties allow the application in several areas, from the technological area to the use in packaging.The method to prepare the nanocellulose - chemical oxidation mediated by N-oxil-2,2,6,6-tetramethilpiperidine (radical TEMPO) allows to achieve a smaller size of nanocelluloses (from 3 to 15 nm diameter) without losing their crystalline and dense network, thus ensuring that the distinctive properties of mechanical strength are present. The silicate clay minerals, similarly to the nanocelluloses, are made up of small fibers and have the presence of functional groups (namely the hidroxyl groups) which favour the formation of bonds with nanocelluloses.The preparation of composite films is a quite simple experimental procedure and consisted in preparing individuals suspensions of CNF and mineral under magnetic agitation followed by adding a portion of the mineral suspension into the nanocellulose suspension, without suspending the magnetic agitation. Tree different mineral samples were used (two kind of sepiolite (Clay NC and Pansil) and one type of palygorskite (designated Cimsil) and a formulation with different proportions of CNF and mineral (wt/wt): 0; 90/10; 80/20; 50/50.The next step was to pour the mixture in Petri dishes exposed to the room temperature until the films were completely dried. This procedure has some conditioning factors, namely the quality of material dispersion and the mixture drying process under to obtain films with a uniform appearance and satisfactory mechanical properties. Therefore, as alternative some films were produced with addition of dispersant, drying an oven with a suction system and controlled temperature, and others with ultrasonic bath complementary to the magnetic stirring. The mineral dispersion was enhanced by the addition of a sodium polyphosphate dispersant. When the amount of mineral used in the film is maximum, these have a tendency to begin to roll. The use of the oven also led to slightly wrinkled films, so that air drying is the most appropriate method. The use of ultrasonic bath system did not show improvement in the appearance of the films (also warped).The films obtained were then characterized by several techniques in terms of physical, chemical and mechanical characteristics. The FTIR-ATR technique shows, as expected, that the band characteristic of the mineral (~970 cm-1) increasing relatively to that of nanocellulose (~1030 cm-1) for increasing amounts of mineral in the composite. The materials showed a significant thermal degradation at 210 °C resulting from the presence of nanocellulose, since the thermal profiles of the CNF/mineral films resemble those of nanocellulose used in their preparation. It can also be seen that the greater the amount of mineral in the composite the smaller the loss of weight of the film.From the transparency analysis, it is concluded that the increasing amount of mineral in the composite film reduces the transparency and that, from three composites, the CNF films with the sepiolite Clay NC are the most transparent (for the same amount of mineral).The mechanical tests indicate that the introduction of minerals in CNF films do not affect negatively the good mechanical resistance that is distinctive of the CNF films. In the case studies present in this work, with the low mineral percentage films (of 10% and 20%), namely with the Clay NC and Cimsil, it is possible to achieve acceptable values for the tensile strength and for the Young’s modulus. For example, the CNF/Clay_P (90/10, w/w) film presents a tensile strength of 24.3 MPa and a Young’s modulus of 16.5 GPa, whereas a pure CNF film has a tensile strength of 16.3 MPa and 8008 Young’s Modulus. The films dried in the oven and the films that resulted from the ultrassound bath presented worse results than those of the films obtained after solvent casting, leading to the conclusion that solvent casting is the best procedure.The results of SEM analysis revealed a stratified internal structure for the composite films allowing to expect good barrier to gases, namely oxygen.Taking into account all the results obtained, it is possible to highlight the films CNF/ Clay and CNF/Cimsil in the proportions 90/10 and 80/20. From the results it is possible to conclude that the experimental procedure based on the use of dispersant, magnet stirring and nature drying are there leading to better results.
A presente dissertação tem como objetivo utilizar o potencial da celulose nanofibrilada (NFC) e minerais fibrosos, designadamente paligorsquite e sepiolite, na produção de filmes cujas propriedades mecânicas e de barreira a gases possibilitem a aplicação em várias áreas, desde a área da eletrónica à formação de peliculas para embalagens.O método utilizado na preparação de nanocelulose - oxidação química mediada por N-oxil-2,2,6,6-tetrametilpiperidina (radical TEMPO), permite alcançar o menor tamanho (3 a 15 nm diâmetro) de nanoceluloses e obter uma densa rede cristalina, assim garantindo as propriedades de resistência mecânica que lhes são intrínsecas. Os minerais argilosos silicatados, à semelhança das nanoceluloses, são constituídos por fibras de pequeno tamanho e apresentam ainda grupos funcionais (nomeadamente os grupos hidroxilo) que podem potencialmente favorecer a formação de ligações com as nanoceluloses.A preparação dos filmes compósitos seguiu uma metodologia experimental bastante simples, que consistiu na preparação de suspensões individuais de NFC e mineral sob agitação magnética seguindo-se a adição de uma porção da suspensão de mineral à suspensão de nanocelulose, continuamente em agitação. Foram utilizadas três amostras diferentes de minerais, dois tipos de sepiolite (Clay NC e Pansil) e um tipo de paligorsquite (designado por Cimsil) e usadas as proporções de NFC e mineral (peso/peso) de 0; 90/10; 80/20 e 50/50. Depois a mistura foi vertida em caixas de Petri expostas à temperatura ambiente até ter-se um filme completamente seco. Este procedimento tem como fatores condicionantes a qualidade da dispersão dos materiais e a secagem, de forma a obter filmes com um aspeto final homogéneo e propriedades mecânicas satisfatórias. Assim, como alternativa foram produzidos filmes com a adição de dispersante, secagem com temperatura controlada e sistema de convecção numa estufa, e outros com banho ultrassons em complementaridade à agitação magnética. A dispersão dos minerais foi melhorada pela adição de polifosfato de sódio. Verificou-se ainda que quando a quantidade de mineral usada no filme é máxima, este tem tendência para encarquilhar. A utilização da estufa também conduziu a filmes ligeiramente enrugados, pelo que se depreende que a secagem natural seja a mais adequada. A utilização do sistema de banho de ultrassons igualmente não revelou melhorias na aparência dos filmes (também encarquilhados).Os filmes foram então caracterizados por diversas técnicas quanto às suas características, físicas, químicas e mecânicas. A técnica de FTIR-ATR indicou que a banda caraterística do mineral (~ 970 cm-1) se sobrepõe em relação à banda identificativa de NFC (~ 1030 cm-1) quando se aumenta a proporção de mineral no filme compósito. Os materiais mostraram uma degradação térmica significativa a partir de 210 °C resultante da presença de nanocelulose, dado que os perfis térmicos dos filmes de NFC/mineral se assemelham aos da nanocelulose usada na sua preparação. Pode ainda verificar-se que quanto maior a quantidade de mineral no compósito menor é a perda de massa final do filme. Da análise da transparência, constata-se que o aumento da percentagem de mineral no filme compósito diminui a transparência e que dos três minerais, os filmes de NFC com a sepiolite Clay NC são os mais transparentes (para a mesma percentagem de mineral).Os testes mecânicos indicam que a introdução dos minerais em filmes de NFC não afeta negativamente a boa resistência mecânica que é caraterística dos filmes de NFC. Nos casos de estudo deste trabalho, para os filmes com baixas percentagens de mineral (10 e 20%), nomeadamente com o Clay NC e Cimsil, conseguem-se valores razoáveis quer de resistência à tração quer de módulo de Young. Como exemplo, o filme NFC/Clay (90/10, peso/peso) apresentou uma resistência à tração de 24,3 MPa e um módulo de Young de 16,5 GPa, enquanto o filme de NFC apresenta uma resistência à tração igual a 16,3 MPa e módulo de Young de 8008 MPa. Os filmes secos na estufa assim como os filmes que resultaram da utilização do banho de ultrassons apresentaram resultados aparentemente inferiores aos anteriores, pelo que se conclui mais uma vez que a secagem natural é o melhor procedimento. Os resultados da análise por SEM revelaram uma estrutura interna estratificada para os filmes compósitos permitindo antever uma boa capacidade de barreira a gases, nomeadamente ao oxigénio.Tendo em conta todos os resultados alcançados, é possível destacar os filmes NFC/Clay e NFC/Cimsil 90/10 e 80/20. Dos resultados é possível concluir que o procedimento experimental com uso de dispersante, agitação magnética e condições de secagem natural conduzem a melhores resultados.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/81484
Rights: embargoedAccess
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