Avaliação das condições de hidrólise ácida na obtenção de nanocristais de celulose de pinus taeda

Abstract

A busca por materiais inovadores e desenvolvidos a partir de recursos renováveis impulsionaram pesquisas direcionadas a obtenção de nanocristais de celulose. Diversas aplicações vêm sendo estudadas. Entretanto, é necessário um bom entendimento da influência das condições de tratamento para obtenção de materiais de alta qualidade, com alto rendimento e com menor custo possível. Neste trabalho, nanocristais de celulose (NCCs) foram isolados a partir de fibras de celulose kraft de Pinus taeda através de tratamento químico seguido de hidrólise ácida com ácido sulfúrico. Foram avaliados os efeitos da temperatura, concentração de ácido sulfúrico e tempo de hidrólise em relação ao rendimento, a composição, a cristalinidade, a estabilidade térmica e a estrutura dos NCCs. A fibra bruta, branqueada e os NCCs foram caracterizados por meio de rendimento, espectroscopia do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), análises térmicas (TGA e DTG), difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Com as análises de FTIR, observou-se que grande parte da lignina foi removida após o tratamento químico. Os nanocristais de celulose obtidos apresentaram forma esférica e/ou de haste, tamanho nanométrico variando entre 0,5 a 96 nm, rendimento de até 85% nas condições mais brandas de reação e, em condições severas, observou-se a degradação dos NCC cristalinidade superiores ao da fibra bruta NCCs com coexistência das estruturas cristalinas I e II nos tratamentos realizados com temperatura de 35 ºC, independente do tempo de reação e da concentração de ácido utilizadas. Para as amostras preparadas a 45 ºC foram obtidos NCCs de celulose I. As melhores condições para obtenção de NCCs de Pinus taeda foram observadas com 30 min de reação, tanto para as condições de 66% H2SO4 e temperatura de 45 ºC, bem como de 71% H2SO4 e temperatura de 35 ºC. Nestas condições, os NCCs apresentaram rendimento e cristalinidade de 20-25% e 80%, respectivamente. As análises de estabilidade térmica demonstraram que os NCCs compostos de estutura cristalina de celulose I apresentam maior estabilidade térmica.<br>

Abstract: The search for innovative materials and developed from renewable resources drove researches directed to obtain nanocristais of cellulose. Various applications are being studied. However, it is necessary a good understanding of the influence of the treatment for obtaining high quality materials, with high yield and with the lowest possible cost. The cellulose nanocristais (CNCs) were isolated from the kraft pulp fibers of Pinus taeda through chemical treatment followed by acid hydrolysis with sulfuric acid. We evaluated the effects of temperature and concentration of sulfuric acid and time of hydrolysis in relation the yield, composition, crystallinity, thermal stability and structure of the CNCs. Crude fiber, bleached and the CNCs were characterized by means of infrared spectroscopy with Fourier transform (FTIR), thermal analysis (TGA and DTG), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). With FTIR analyzes, it was observed that a large part of the lignin was removed after the chemical treatment. The nanocristais pulp obtained showed spherical shape and/or rod, the nanometric size ranging from 0.5 to 96 nm, yield up to 85% in milder conditions of reaction and, in severe conditions, it was observed the degradation of the CNCs with incomes below the 2%. Through the acid hydrolysis controlled samples were obtained with crystallinity index higher than the crude fiber and there was the formation of the CNCs with coexistence of crystalline structures I and II in treatments with temperature of 35 ºC, independently of the time of reaction and the concentration of acid used. For the samples prepared at 45 ºC were obtained pulp CNCs I. The best conditions for obtaining CNCs Pinus taeda were observed with 30 min of reaction both to the conditions of 66% H2SO4 and temperature of 45 ºC, as well as of 71% H2SO4 and temperature of 35 ºC. Under these conditions, the CNCs presented crystallinity and yield of 20-25% and 80%, respectively. Thermal stability analyzes demonstrated that the CNCs compounds of lifes architecture of cellulose crystalline I present greater thermal stability.