Desenvolvimento de filmes e filamentos de celulose regenerada a partir de resíduos têxteis de algodão pré-consumo utilizando líquidos iônicos imidazólicos

Abstract

Este trabalho teve como objetivo avaliar o potencial da utilização de um resíduo têxtil de algodão pré-consumo para a produção de filmes e filamentos de celulose regenerada por meio da dissolução em líquidos iônicos (LI?s) imidazólicos. Inicialmente, foi estudada a dissolução do resíduo de algodão nos LI?s cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio (BMIMCl), cloreto de 1-etil-3-metilimidazólio (EMIMCl) e acetato de 1-etil-3-metilimidazólio (EMIMAc), utilizando uma proporção mássica de 3% de resíduo em LI e temperatura de 110 °C. Nesta etapa, foi observada boa capacidade de dissolução dos LI?s, com tempos de dissolução entre 1,5h (EMIMCl) e 4 h (EMIMAc). A regeneração da celulose em forma de filme foi realizada em água, etanol, acetona e solução aquosa de ácido acético. O processo de dissolução e regeneração da celulose promoveu a redução do grau de polimerização e da massa molar da celulose para todos os LI?s e antissolventes avaliados. Os filmes obtidos a partir da dissolução da celulose em EMIMAc e regenerado em acetona e água apresentaram menor despolimerização, seguido dos filmes obtidos em EMIMCl e BMIMCl e regenerados em água e etanol, respectivamente. A comparação das propriedades do filme de celulose regenerada com o resíduo de algodão indicou mudança da celulose I para celulose II e redução da cristalinidade em 68%. A temperatura de degradação principal do filme regenerado foi de 339 °C contra 364 °C do resíduo de algodão. Pela análise de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), foi observadoum evento de fusão endotérmica para o resíduo e um evento de degradação exotérmica para o filme regenerado. A análise da morfologia do filme evidenciou uma superfície lisa e homogênea, com ausência de impurezas e/ou fibras não dissolvidas. Para a obtenção de filamentos regenerados, foi utilizada a técnica de fiação a úmido e as amostras de resíduo de algodão foram dissolvidas em EMIMCl associado a concentrações de DMSO de 30%, 50% e 70% (g DMSO/g LI). Os filamentos regenerados em etanol apresentaram maior grau de polimerização (DP) do que em água, sendo os maiores valores obtidos para a concentração de 70% de DMSO. Entre os filamentos regenerados em água, o maior DP foi obtido para a concentração de 50% de DMSO. A estabilidade térmica dos filamentos regenerados foi reduzida quando comparada à estabilidade térmica dos filmes regenerados. A temperatura de degradação principal do filme regenerado foi de 339 °C contra 275 °C, 325 °C e 283 °C para filamentos regenerados a partir de concentrações de 30%, 50% e 70% de DMSO, respectivamente. A morfologia dos filamentos regenerados revelou uma microestrutura lisa, densa e homogênea. As propriedades mecânicas dos filamentos não foram influenciadas pela proporção de cossolvente e pelo banho de coagulação utilizado para a regeneração da celulose. Este estudo evidenciou a possibilidade de obtenção de filmes e filamentos de celulose regenerada a partir da dissolução da celulose proveniente de resíduos têxteis pré-consumo em líquidos iônicos imidazólicos e coagulação em antissolventes acessíveis, como água e etanol. A tecnologia de líquidos iônicos para obtenção de novos filamentos à base de celulose regenerada demonstrou ser um campo de pesquisa promissor com grandes perspectivas para aplicações industriais.

Abstract: This work aimed to evaluate the dissolution potential of pre-consumer cotton textile waste for the production of regenerated cellulose films and filaments, using imidazolium ionic liquids (IL's). Initially, the dissolution of cotton waste in the IL's 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIMCl), 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (EMIMCl) and 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIMAc) was evaluated using a weight ratio of 3% residue in LI and a temperature of 110 °C. In this stage, good dissolution capacity of ILs was observed, with dissolution times between 1.5h (EMIMCl) and 4 h (EMIMAc). The regeneration of cellulose as films was carried out in water, ethanol, acetone and aqueous acetic acid solution. The cellulose dissolution and regeneration process promoted a reduction in the degree of polymerization and molecular mass of cellulose for all LI's and antisolvents evaluated. The films obtained from dissolution of cellulose in EMIMAc and regenerated in acetone and water showed less depolymerization, followed by the films obtained from dissolution in EMIMCl and BMIMCl and regenerated in water and ethanol, respectively. Comparison of the properties of the regenerated cellulose film with the cotton residue indicated a change from cellulose I to cellulose II and a 68% reduction in crystallinity. The main degradation temperature of the regenerated film was 339 °C against 364 °C of the cotton residue. By Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis, an endothermic melting event was observed for the residue and an exothermic degradation event for the regenerated film. The analysis of the film's morphology showed a smooth and homogeneous surface, with no impurities and/or undissolved fibers. To obtain regenerated filaments, the wet spinning technique was used and the samples of cotton waste were dissolved in EMIMCl associated with DMSO concentrations of 30%, 50% and 70% (g DMSO/g LI). Filaments regenerated in ethanol showed a higher degree of polymerization (DP) than in water, with the highest values obtained for a concentration of 70% DMSO. Among the filaments regenerated in water, the highest DP was obtained for the concentration of 50% DMSO. The thermal stability of regenerated filaments was reduced when compared to the thermal stability of regenerated films. The main degradation temperature of the regenerated film was 339 °C against 275 °C, 325 °C and 283 °C for filaments obtained from DMSO concentrations of 30%, 50% and 70%, respectively. The morphology of the regenerated filaments revealed a smooth, dense and homogeneous microstructure. The mechanical properties of the filaments were not influenced by the proportion of co-solvent and the coagulation bath used for cellulose regeneration. This study showed the possibility of obtaining regenerated cellulose films and filaments from the dissolution of cellulose from pre-consumer textile waste in imidazolium ionic liquids and coagulation in accessible antisolvents, such as water and ethanol. The technology of ionic liquids to obtain new filaments based on regenerated cellulose proved to be a promising field of research with great prospects for industrial applications.