Nanocompósitos de nanocelulose e nanolignina aplicados como revestimento protetivo em substratos celulósicos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Camargos, Camilla Henriques Maia de, 1992-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1320
Resumo: Orientador: Camila Alves de Rezende
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Uma estratégia para mitigar danos nesses materiais consiste em aplicar revestimentos protetivos, os quais são geralmente baseados em polímeros sintéticos cuja aplicação pode demandar o uso de solventes orgânicos de elevada toxicidade. Neste trabalho, propôs-se o desenvolvimento de revestimentos sustentáveis à base de água e constituídos por nanoceluloses e nanolignina como uma alternativa promissora para a proteção de bens culturais móveis. Estudou-se sistematicamente a obtenção e aplicação de nanofibrilas de celulose (CNFs), nanocristais de celulose (CNCs) e nanopartículas de lignina (LNPs) em filmes nanocompósitos ternários. Devido à sua capacidade antioxidante, a incorporação de LNPs incrementou a estabilidade físico-química, térmica e colorimétrica das instáveis CNFs oxidadas por TEMPO. Paralelamente, constatou-se que, durante o envelhecimento, a baixa estabilidade colorimétrica e térmica dessa nanocelulose se relaciona à presença de unidades anidroglucuronato de sódio e grupos carboxilato de sódio, os quais foram eficientemente removidos com um pós-tratamento alcalino-ácido. Ao serem aplicados como revestimentos em substratos de madeira, papel e tecido, os nanocompósitos transparentes constituíram eficientes barreiras protetivas frente ao envelhecimento hidrotérmico e à foto-oxidação. Não acarretaram mudanças visuais significativas, preservaram a textura micrométrica e a morfologia superficial, além de atenuarem as mudanças colorimétricas que advêm do envelhecimento artificial severo de suportes celulósicos. A molhabilidade dos revestimentos hidrofílicos foi modulada e minimizada com a aplicação de camadas adicionais de partículas de cera de carnaúba. Ademais, atestou-se que, apesar de compatíveis, os tratamentos são reversíveis, isto é, podem ser removidos com água se necessário. Portanto, os revestimentos protetivos desenvolvidos são adequados a aplicações diversas, incluindo a conservação de obras de arte, artefatos arqueológicos e documentos. Finalmente, investigou-se também o impacto concomitante de distintos métodos de preparo e origens anatômicas sobre as propriedades de CNFs, CNCs e LNPs. Celulose e lignina foram isoladas de folhas e colmos de capim elefante (Pennisetum purpureum). A seguir, nanoceluloses foram preparadas por hidrólise com ácido sulfúrico ou por oxidação mediada por TEMPO. Simultaneamente, a origem da celulose (folhas ou colmos) e o método de produção influenciaram os rendimentos, comprimentos médios e grau de polimerização de CNFs e CNCs. Em particular, os métodos de obtenção determinaram a concentração de lignina residual e grupos ionizáveis, além da cor e estabilidade de dispersões de nanocelulose. Por sua vez, a origem anatômica influenciou a massa molar e a cor da lignina extraída. LNPs obtidas pela adição de água como anti-solvente ou por ultrassonicação apresentaram diferentes morfologias e dimensões, além de diferentes estabilidades coloidais, capacidades antioxidantes e de proteção UV, a depender do grau de oxidação da lignina de partida. Em conclusão, o trabalho desenvolvido evidenciou que a elaboração de revestimentos nanocompósitos baseados unicamente em nanoestruturas de origem renovável é uma estratégia vantajosa para a utilização de nanoceluloses e nanoligninas. Adicionalmente, o estudo sistemático das relações propriedade-estrutura nessas nanopartículas descortinou oportunidades para uma miríade de aplicações estratégicas em materiais e nanocompósitos diversos, incluindo os produzidos aquiAbstract: Cellulosic substrates, such as wood, paper, and fabric, are important supports of tangible cultural heritage, for instance, works of art, archaeological artifacts, and documents, which are susceptible to deterioration processes by physical, chemical, and mechanical agents. A strategy to mitigate the damaging of these materials is to apply protective coatings, which are commonly based on synthetic polymers whose application may require the use of toxic organic solvents. In this study, we proposed the development of sustainable water-based coatings composed of nanocellulose and nanolignin as a promising alternative for the protection of cultural heritage objects. We systematically investigated the production and application of cellulose nanofibrils (CNFs), cellulose nanocrystals (CNCs) and lignin nanoparticles (LNPs) in ternary nanocomposite films. Due to their antioxidant capacity, the incorporation of LNPs increased the physicochemical, thermal, and colorimetric stability of the unstable TEMPO-oxidized CNFs. In parallel, we found that the low colorimetric and thermal stability of this nanocellulose upon aging is related to the presence of sodium anhydroglucuronate units and sodium carboxylate groups, which were efficiently removed with an alkali-acid post-treatment. When applied as coatings on wood, paper, and fabric substrates, the transparent nanocomposites constituted efficient protective barriers against hydrothermal aging and photo-oxidation. They did not cause significant visual changes, preserved the micrometric texture and the surface morphology, besides attenuating the colorimetric changes that come from the severe artificial aging of cellulosic materials. The wettability of these hydrophilic coatings was modulated and minimized by the application of additional layers of carnauba wax particles. Furthermore, we showed that, although compatible, such treatments are reversible, i.e., they can be removed using water if necessary. Therefore, the developed protective coatings are suitable for several applications, including the conservation of works of art, archaeological artifacts, and documents. Finally, we also investigated the simultaneous impact of different preparation methods and anatomical origins on the properties of CNFs, CNCs, and LNPs. Cellulose and lignin were isolated from leaves and stems of elephant grass (Pennisetum purpureum), then nanocelluloses were prepared by sulfuric acid hydrolysis or by TEMPO-mediated oxidation. Concurrently, cellulose origins and production methods influenced the yields, average lengths, and degree of polymerization of CNFs and CNCs. In particular, production methods defined the content of residual lignin and ionizable groups, in addition to the color and stability of nanocellulose dispersions. On the other hand, the anatomical origin affected the molar mass and color of extracted lignins. LNPs obtained by the addition of water as antisolvent or by ultrasonication showed different morphologies and dimensions, besides different colloidal stabilities and antioxidant and UV-shielding capacities, depending on the degree of oxidation of the starting lignin. In conclusion, this study evidenced that the manufacture of nanocomposite coatings 100% based on nanostructures from renewable origin is an advantageous strategy for the use of nanocelluloses and nanolignins. Additionally, the systematic study of property-structure relationships in these nanoparticles opens opportunities for a myriad of strategic applications in various materials and nanocomposites, including those produced hereDoutoradoFísico-QuímicaDoutor em CiênciasCNPQ140558/2017-9; 420031/2018-9CAPES001FAPESP2018/23769-1[s.n.]Rezende, Camila Alves de, 1980-Otoni, Caio GomideSabadini, EdvaldoPetri, Denise Freitas SiqueiraAzeredo, Henriette Monteiro Cordeiro deUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de QuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCamargos, Camilla Henriques Maia de, 1992-20212021-09-21T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (237 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1320CAMARGOS, Camilla Henriques Maia de. Nanocompósitos de nanocelulose e nanolignina aplicados como revestimento protetivo em substratos celulósicos. 2021. 1 recurso online (237 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1320. 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