Aerogel sustentável baseado em nanocelulose e lignina com propriedades retardantes de chama

Abstract

A constante busca por excelência tecnológica tem levado empresas, pesquisadores e governos a procurarem soluções sustentáveis tanto em termos econômicos quanto ambientais. Aerogéis de nanocelulose combinam as características ímpares de ambos os materiais. Os aerogéis são materiais sólidos porosos derivados de um gel, no qual o líquido é substituído por um gás, que possuem baixíssima densidade, alta porosidade e elevada área superficial específica. Já a celulose é o biopolímero mais abundante da Terra e possui características notáveis como atoxicidade, baixo custo e o fato de ser ambientalmente amigável, o que faz que, juntos, possam ser aplicados com diferentes propósitos. A lignina é um dos três principais constituintes de uma planta. Devido a sua estrutura química, a lignina é capaz de produzir uma grande quantidade de resíduo de carvão após aquecimento em temperatura elevada, o que reduz o calor de combustão e a taxa de liberação de calor dos materiais poliméricos e, assim, aumenta a propriedade retardante de chama de um material. Diante disso, este trabalho teve como objetivo preparar aerogéis baseados em nanocelulose e lignina (NCB/LIG), reticulados com ácido cítrico (AC), com o intuito obter um material com propriedades retardantes de chama. Hidrogéis de nanocelulose foram obtidos a partir da bactéria Komagataeibacter hansenii, utilizando glicerol, coproduto da produção do biodiesel, como fonte de carbono para o crescimento microbiano e a produção de celulose. A lignina foi obtida do processo industrial de produção de papel. A partir do hidrogel de nanocelulose reticulado com lignina foi produzido o aerogel pelo método de liofilização. As caracterizações realizadas confirmaram a produção de um nanomaterial, com fibras em escala nanométrica, além de uma área superficial de 71,40 m²/g. As análises morfológicas e microestruturais evidenciaram a reticulação da celulose com lignina. A análise termogravimétrica mostrou que a lignina presente nos aerogéis reduz o pico da taxa de degradação do material quando comparado com o aerogel de NCB pura. As propriedades retardantes de chama foram verificadas em testes de flamabilidade e os resultados obtidos mostraram que as amostras de NCB/LIG, quando comparadas com amostras de NCB pura, demoraram mais tempo tanto para iniciar o processo de queima quanto para propagar a chama, confirmando a melhora no desempenho dessas propriedades para o material.

The constant search for technological excellence has led companies, researchers and governments to seek sustainable solutions both in economic and environmental terms. Nanocellulose aerogels combine the unique characteristics of both materials. Aerogels are porous solid materials derived from a gel, in which the liquid is replaced by a gas, that have very low density, high porosity and high specific surface area. Cellulose, on the other hand, is the most abundant biopolymer on Earth and has remarkable characteristics such as non-toxicity, low cost and the fact that it is environmentally friendly, which means that, together, they can be applied for different purposes. Lignin is one of the three main constituents of a plant. Due to its chemical structure, lignin is capable of producing a large amount of coal residue after heating at high temperature, which reduces the heat of combustion and the rate of heat release of polymeric materials, and thus increases the flame retardancy property of a material. Therefore, this work aimed to prepare aerogels based on nanocellulose and lignina (NCB/LIG), crosslinked with citric acid (AC), to obtain a material with flame retardant properties. Nanocellulose hydrogels were obtained from the bacterium Komagataeibacter hansenii, using glycerol, a coproduct of biodiesel production, as a carbon source for microbial growth and cellulose production. Lignin was obtained from the industrial paper production process. Aerogel based on nanocellulose cross-linked with lignin, was produced by the freeze drying method. The characterizations carried out confirmed the production of a nanomaterial, with fibers on a nanometric scale, in addition to a surface area of 71.40 m²/g. Morphological and microstructural analyzes showed the crosslinking of cellulose with lignin. Thermogravimetric analysis showed that the lignin present in the aerogels reduces the peak degradation rate of the material when compared to the pure NCB aerogel. The flame retardant properties were verified in flammability tests and the results obtained showed that the samples of NCB/LIG, when compared to samples of pure NCB, took longer both to start the burning process and to propagate the flame, confirming the improves the performance of these properties for the material.