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

Abstract

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.