5 Resultados e Discussão
5.2 Hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo e pré-tratado
5.2.1 Caracterização dos nanocristais
5.2.1.1 Morfologia, dimensão e fator de forma dos nanoscristais de celulose
As Tabelas 4 e 5 apresentam os resultados medidos a partir da análise morfológica (MFA) e dispersão por análise de potencial zeta dos nanocristais de celulose obtidos a partir do tecido tingido com corante e do tecido pré-tratado, respectivamente.
Tabela 4: Resultados de comprimento, diâmetro, fator de forma e potencial zeta de nano- cristais de celulose obtidos a partir do tecido com corante.
Temp (◦C) Conc do Ácido (%) Tempo (min) Comprimento (L - nm) Diâmetro (D - nm) Fator de Forma (L/D) Teste Tukey (L/D) PZ(Mv) 30 437 +− 37 60+− 1,5 7,2 +− 0,9 ab 60 55 60 303 +− 24 42+− 5,0 7,5 +− 1,9 a ND 30 228 +− 27 28+− 2,0 8,0 +− 0,5 b 45 65 60 188 +− 20 22+− 2,2 8,2 +− 2,0 ab ND
Tabela 5: Resultados de comprimento, diâmetro, fator de forma e potencial zeta de na- nocristais de celulose obtidos a partir do tecido pré-tratado.
Temp (◦C) Conc do Ácido (%) Tempo (min) Comprimento (L - nm) Diâmetro (D - nm) Fator de Forma (L/D) Teste Tukey (L/D) PZ(Mv) 30 270 +− 15 32+− 5 8,0 +− 1,1 ab -24,42 60 55 60 249 +− 1,1 23+− 7 12+− 4,0 a -26,65 30 132 +− 23 28+− 3 4,7 +− 1,3 b -28,03 45 65 60 150 +− 20 27+− 3 5,5 +− 1,1 ab -29,40
De acordo com a Tabela 4, observa-se que não foi possível mensurar o potencial zeta para o tecido tingido. Isto pode ter ocorrido devido à baixa energia do equipamento. Os nanocristais de celulose obtidos após processo de hidrólise e separação com tecido tingido são soluções escuras e opacas, o que pode ter contribuído para que a luz polarizada seja adsorvida nas moléculas dos corantes. As suspensões obtidas após processo de hidrólise e separação com tecido pré-tratado (Tabela 5) mostraram potencial zeta negativo para todas as condições reacionais e com valores próximos ou maiores que 25mV em módulo, garantindo uma boa estabilidade das suspensões.
Os grupos sulfatos incorporados durante a hidrólise deixam a superfície das nanopar- tícula carregadas negativamente, resultando em suspensões aquosas estáveis (LIMAA et al., 2015).
O efeito das condições de hidrólise na estrutura dos nanocristais de celulose de algo- dão obtidas a partir de hidrólise ácida foi também objeto de outro estudo (DONG; REVOL; GRAY, 1998). Estes autores reportaram que o comprimento dos nanocristais isolados foi menor e a carga superficial foi aumentada com a elevação do tempo de extração. Suspen- sões com potencial zeta próximos de 25mV em módulo são estáveis para aplicação como material de reforço em bionanocompósito (MIRI et al., 2015; MORAIS et al., 2013).
letra, quer dizer que ele é igual estatisticamente a mais de um resultado do mesmo bloco. Os resultados seguem a ordem crescente a>b>c>, ou seja, os resultados que receberam a letra "a"são os mais altos estatisticamente, em seguida, o b e, por fim, o c. Em relação aos valores médios de fator de forma observados na Tabela 4 e 5, percebe-se que não apresentou aumento significativo com o aumento do tempo de hidrólise nas condições de ácido estudadas.
Os valores obtidos de fator de forma foram menores aos reportados em outros estudos (TEIXEIRA et al., 2010b; MORAIS et al., 2013).
Um estudo anterior demonstrou que propriedades mecânicas e de barreira ao vapor de água de filmes de quitosana foram melhoradas pela adição de nanofibras de celulose com fator de forma igual a 12 (AZEREDO et al., 2010).
O efeito da interação interfacial entre nanocristais de celulose e o polímero compa- tível, através de ligação de hidrogênio será melhor quanto maior à área de superfície especifica dos nanocristais de celulose. O aumento da fator de forma ou diminuição de diâmetro implica numa maior área de superfície, significando uma interação mais elevada dos nanocristais com a matiz polimérica (NG et al., 2015).
Comparando as condições estudadas, percebe-se uma diminuição no comprimento e diâmetro de nanocristais de celulose obtidos na condição 2, após hidrólise utilizando tecido tingido e pré-tratado.
No trabalho realizado por (FAN; LI, 2012), os nanocristais de celulose foram preparados a partir de fibra de celulose de algodão utilizando o método de hidrólise utilizando ácido sulfúrico. Estes autores verificaram que o tamanho dos nanocristais tornam-se mais curtos com o aumento da concentração de ácido sulfúrico 50 para 68%, sendo o tamanho dos nanocristais 550 e 173nm, respectivamente.
As micrografias dos nanocristais de celulose obtidas por MFA resultantes de hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão tingida com corante índigo e pré-tratado para diferentes condições reacionais são apresentados na Figura 27 e 28, respectivamente.
Figura 27: Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos à 60◦C; B – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos à 60◦C; C – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦C; D – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45◦C.
Figura 28: Imagens de Microscopia de Força Atômica (MFA) obtidos após hidrolise ácida do tecido pré-tratado em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos à 60◦C; B – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos à 60◦C; C – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦C; D – Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45◦C
As estruturas observadas apresentam o formato alongado (agulhas) típico de nano- cristais de celulose (STEPHANIE; MAREN; DEREK, 2005;TAN et al., 2015;MIRI et al., 2015) para todas as amostras, indicando que todas as condições reacionais empregadas foram capazes de extrair (individualizar) os nanocristais de celulose tanto para o tecido com corante como também para o tecido pré-tratado. As micrografias sugerem que ocorreu a concentração (aglomeração) dos nanocristais principalmente para os materiais obtidos na condição 1 (55% 60◦C). Isto pode ser devido a elevada área superficial e também em razão da existência de fortes interações de hidrogênio o que pode influenciar na mensuração das dimensões dos nanocristais individualizados (NG et al., 2015).
A forma cilíndrica alongada dos nanocristais de celulose é preparada principalmente pela hidrólise ácida controlada de fontes de celulose nativa (por exemplo, madeira, linho, sisal, algodão, rami e bactérias) (QIAO et al., 2016).
Nanocristais de celulose obtidos do linter de algodão foram extraídos por (OUN; RHIM, 2015a) via hidrólise ácida com ácido sulfúrico na concentração de 60%, 45◦C por 90 minu- tos. Os resultados mostraram uma morfologia alongada (agulha) para todas as condições com comprimento em torno de 210-480 nm e diâmetro 15-50 nm.
A determinação das dimensões exatas dos nanocristais é difícil devido as limitações dos métodos analíticos utilizados (STEPHANIE; MAREN; DEREK, 2005; INGVILD; BJRN; KRISTIINA, 2005; MARTINS et al., 2015). A microscopia de força atômica, a geometria e o tamanho da ponteira representam as principais limitações, resultando em uma supe- restimativa das dimensões dos nanocristais e sua fator de forma. Estes autores afirmam também que como os nanocristais têm formato cilíndrico, a altura dos nanocristais é to- mada como diâmetro equivalente, para compensar o alargamento da imagem devido a convolução da ponta da sonda e nanopartícula.
(MIRI et al., 2015) afirmam que a MFA é um método adequado para caracterizar na- nocristais. Esta técnica fornece informações precisas de forma. Em geral, as dimensões exatas dos nanocristais dependem da natureza do material original e das condições de hidrólise ou pré-tratamentos.
5.2.1.2 Microscopia Eletrônica de Transmissão
Para reforçar os resultados de morfologia obtida por imagens de MFA, também foi realizada a caracterização das dimensões dos nanocristais por MET. Esta técnica é muito utilizada e é bastante significativa para avaliar a morfologia e tamanho devido sua capa- cidade de permitir a observação de amostras ultrafinas com grande poder de resolução se comparada a microscópios ópticos. Na Figura 29 e 30 são mostradas imagens obtidas com MET para os nanocristais de celulose extraídos a partir de tecido de fibra de algodão com corante índigo e do tecido pré-tratado, respectivamente.
Figura 29: Micrografias de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão com corante índigo em diferentes condições A – Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 30 minutos a 60◦C; B - Hidrólise ácido sulfúrico (55%) 60 minutos a 60 C; C - Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 30 minutos 45◦C; D - Hidrólise ácido sulfúrico (65%) 60 minutos 45 C
Figura 30: Micrografias de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) obtidos após hidrólise ácida do tecido de fibra de algodão pré-tratado em diferentes condições a e b – Hidrólise ácido sufúrico (55%) 60 minutos à 60◦C; c e d - Hidrólise ácido sufúrico (65%) 60 minutos 45◦C
Os resultados mostram imagens de nanocristais de celulose com formato alongado (agulha), confirmando que a hidrólise utilizando tecido com corante índigo e tecido pré- tratado foi bem sucedida em todas as condições de hidrólise. As imagens de nanocristais obtidas de suspensões diluídas mostram a presença de nanocristais individuais e agregados. Esses agregados mostram uma aparência ordenada dispostos de forma paralela.
A utilização de ultrassom de ponteira tem papel importante na diminuição dos agre- gados das nanopartículas de celulose cristalinas isoladas (HABIBI; LUCIA; ROJAS, 2010). Estes autores afirmam também que o uso do ultrassom de ponteira após a obtenção dos nanocristais de celulose por hidrólise ácida diminuem um pouco o tamanho das nanopar- tícula. Após tratamento de ultrassom por mais tempo foram obtidos nanocristais mais
preparados por hidrólise ácida com ou sem tratamento por ultrassom apresentaram mor- fologia com formato alongado (agulha), indicando que a presença do tratamento durante a hidrólise ácida não causou alterações na morfologia. Os autores confirmaram também que o tratamento resultou em nanocristais com comprimentos mais curtos e distribuições de dimensão mais estreita.
As Tabelas 6 e 7 apresentam os resultados medidos a partir da análise morfológica (MET) dos nanocristais de celulose obtidos tanto para o tecido tingido com corante e pré-tratado, respectivamente.
Tabela 6: Resultados de comprimento, diâmetro e fator de forma dos nanocristais de celulose obtidos a partir do tecido com corante.
Temp (◦C) Conc do Ácido (%) Tempo (min) Comprimento (L - nm) Diâmetro (D - nm) Fator de Forma (L/D) Teste Tukey (L/D) 30 171 +− 2,8 12+− 1,9 14+− 2,4 a 60 55 60 174 +− 2,6 14+− 1,8 13+− 1,4 a 30 104 +− 3,2 14+− 2,5 8+− 2,1 b 45 65 60 132 +− 12 12+− 1,7 10+− 1,3 b
Tabela 7: ResultadosResultados de comprimento, diâmetro e fator de forma dos nanocris- tais de celulose obtidos a partir do tecido pré-tratado.
Temp (◦C) Conc do Ácido (%) Tempo (min) Comprimento (L - nm) Diâmetro (D - nm) Fator de Forma (L/D) Teste Tukey (L/D) 60 55 60 243 +− 2,3 11+− 2,7 22+− 6,4 a 45 65 60 161 +− 2,9 9+− 1,6 19+− 4,5 a
Na hidrólise ácida do tecido com corante, os tamanhos médios de comprimento e diâ- metro para a condição 1 foram 172 e 13 nm, respectivamente. Na condição 2 os valores de comprimento e diâmetro foram 118 e 13 nm, respectivamente. Na hidrólise ácida do tecido pré-tratado com tempo de 60 minutos, os tamanhos médios aproximados dos nanocristais foram 243 e 161nm e diâmetros 11 e 9 nm, para a condição 1 e 2, respectivamente.
Comparando a condição 1 com a condição 2, pode-se observar que o comprimento dos nanocristais obtidos do tecido com corante e pré-tratado diminuem na condição 2, onde foi utilizada uma concentração de ácido maior. Esses resultados reforçam os obtidos por imagens de MFA.
Com relação ao fator de forma para os nanocristais obtidos a partir do tecido com corante, percebe-se que seus valores não apresentaram um aumento significativo estatis- ticamente em um nível de confiança de 95% com aumento do tempo de hidrólise nas condições de ácido estudadas.
A seguir são apresentados alguns estudos que mostram que as dimensões dos nano- cristais de celulose obtidos nessa pesquisa estão de acordo com os obtidos na literatura:
(QIAO et al., 2016) constataram que, a hidrólise do algodão utilizando ácido com con- centração de 50%, 50◦C por 60 minutos, resultou em nanocristais com comprimento médio de 325 nm. O tamanho da maioria exibe um comprimento uniforme entre 200-400 nm.
(BELTRAMINO et al., 2016) realizaram ensaios para preparação de celulose nanocris- talina a partir do linter de algodão. O substrato foi pré-tratado com enzima celulase, e em seguida, foi realizada a hidrólise com ácido sulfúrico. Segundo estes autores, o pré- tratamento com celulase aumentou a cristalinidade dos nanocristais, bem como a acessi- bilidade da fibra facilitando a hidrólise. Em condições ideais de hidrólise foram obtidas partículas nanométricas de cerca de 200 nm. Estes resultados indicaram o potencial do tratamento combinado enzima-ácido para isolar nanocristais de celulose com qualidade.
Nanocristais de celulose a partir do linter de algodão foram extraídos por outros autores via hidrólise ácida com ácido sulfúrico na concentração de 60%, 45◦C por 90 minutos (OUN; RHIM, 2015a). Os resultados mostraram uma morfologia alongada para todas as condições com comprimento em torno de 210-480 nm e diâmetro 15-50 nm.
5.2.1.3 Espectroscopia na Região do Infravermelho
As análises por transmissão na região do infravermelho foram realizadas com o objetivo de detectar a presença dos principais grupos químicos orgânicos contidos na estrutura dos materiais. As Figuras 31 e 32 apresentam os resultados do FTIR para tecido de fibra de algodão com corante índigo e pré-tratado, respectivamente.
Figura 31: Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão com corante e após hidrólise ácida em diferentes condições: A – tecido com corante, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos, D hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos
Figura 32: Resultados de FTIR em transmitância (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) para o tecido de fibra de algodão pré- tratado e após hidrólise ácida em diferentes condições: A – tecido pré-tratado, B – hidrólise ácido sulfúrico 55% 30 minutos, C – hidrólise ácido sulfúrico 55% 60 minutos, D – hidrólise ácido sulfúrico 65% 30 minutos, E – hidrólise ácido sulfúrico 65% 60 minutos
Pode-se observar com base nas Figuras 31 e 32 que os espectros do tecido com corante e pré-tratado foram semelhantes entre si e apresentam sobreposições de bandas espectrais características das ligações químicas constituintes da molécula de celulose. Os espectros após a hidrólise ácida (nanocristais de celulose) apresentaram uma maior intensidade do pico de absorção quando comparado com a amostra de tecido antes da hidrólise. De acordo com os espectros, pode-se concluir que os espectros são característicos de celulose I, já que
a vO-H, vC-H e deformação de grupos vCH2 estão respectivamente centrados em torno
de 3340, 2899 e 1430 cm-1. Estas principais bandas de absorção estão muito próximas dos
valores característicos da celulose I demonstrados por (LU; HSIEH, 2010; SONAKSHI et al., 2013).
O aumento da absorção na banda O-H (3600-3000cm-1) indica a presença de íons
hidro-xilas livres característicos da formação de nanocristais de celulose (SONAKSHI et al., 2013; YONG et al., 2007; KARGARZADEH et al., 2012; LU; HSIEH, 2010). A presença de grupos hidroxilas nos nanocristais de celulose são essenciais para interação com matriz polimérica, visando sua utilização como agente de reforço (TAN et al., 2015;NG et al., 2015). Têm-se uma menor intensidade de absorção nesta banda O-H (3600-3000cm-1) como
mos- trado na Figura 31 após hidrólise ácida do tecido com corante em relação ao tecido pré- tratado. Essa diminuição pode ser devido aos possíveis grupos hidroxilas gerados, que podem estar aderidos a outros materiais e não terem sido detectados por FTIR. Outra hipótese é que durante a hidrólise ácida com tecido tingido com corante índigo pode ter ocorrido a reação de sulfonação (corante índigo + ácido sulfúrico concentrado) resultando em ácido di e tetra sulfônico (STEINGRUBER, 2004). Dessa forma, o consumo de ácido sulfúrico na reação com o corante pode ter afetado a eficácia da reação de hidrólise ácida com a celulose.
A banda CH2(1430 cm-1) monstra a influência das ligações de hidrogênio em celulose
(YONG et al., 2007;LU; HSIEH, 2010;KARGARZADEH et al., 2012), sendo essa banda também relacionada a banda de absorção cristalina (MEYABADI et al., 2014).
A banda 1635 cm-1está associado à vibração de alongamento H-O-H da água absorvida
(H2O).
As absorções localizadas em 1107, 1150 e 1160 cm-1 são atribuídas à estrutura glicosí- dica (SONAKSHI et al., 2013; KARGARZADEH et al., 2012;YONG et al., 2007), indicando que a molécula do polissacarídeo foi quebrada devido a hidrólise ácida, onde os íons hidrônio penetram entre as cadeias de celulose nas regiões amorfas promovendo a clivagem hidro- lítica de ligações glicosídicas isolando as estruturas cristalinas. A banda em 1205 cm-1nos nanocristais de celulose representa vibração SO4 (sulfato) atribuída a funcionalidade do
fibra de algodão tingidas com corante índigo e pré-tratado, respectivamente, obtidos a partir da Equação 4.2. Todas as amostras apresentaram a mesma difração padrão, com o pico mais alto no plano cristalográfico 002 que representa a região cristalina da celulose (LU; HSIEH, 2010).
Tabela 8: Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido com corante índigo e os nanocristais de celulose
Amostra Tempo (min) IC (%)
Índigo - 77,56 30 79,04 Índigo (H2SO4 55%) 60 80,54 30 80,76 Índigo (H2SO4 65%) 60 80,39
Tabela 9: Valores de índice de cristalinidade calculados para o tecido pré-tratado e os nanocristais de celulose
Amostra Tempo (min) IC (%)
Pré-Tratada - 80,91 30 88,52 Pré Tratada (H2 SO4 55%) 60 89,07 30 83,44 Pré Tratada (H2 SO4 65%) 60 83,03
Os dados das Tabelas 8 e 9 mostram que o processo de hidrólise ácida aumentou o índice de cristalinidade em relação ao obtido no tecido com corante e pré-tratado antes da hidrólise para todos os ensaios realizados em diferentes condições de tratamento. Isto indica que a hidrólise foi eficaz para aumentar a cristalinidade dos nanocristais de celulose. Em outro trabalho, os autores confirmaram que a cristalinidade de nanocristais au- mentou devido aos diferentes arranjos das cadeias de glicose nas moléculas de celulose após remoção da região amorfa nas fibras de línter de algodão após hidrólise ácida (LIN; HUANG; DUFRESNE, 2012; TEIXEIRA et al., 2010b)
Outros autores afirmaram que com a redução dos domínios menos ordenados, ocorre o incremento do teor de celulose e da cristalinidade, já que esta é proporcional a diminuição das regiões amorfas (LI et al., 2009).
Nota-se também na Tabela 8 que o processo de hidrólise ácida, utilizando o tecido com corante não apresentou variação significativa do índice de cristalinidade com o aumento
do tempo de tratamento. Isto indica que durante a hidrólise utilizando ácido sulfúrico concentrado pode ter ocorrido a reação de sulfonação (corante índigo + ácido sulfúrico) resultando em ácido di e tetra sulfônico (STEINGRUBER, 2004). Dessa forma, o consumo de ácido sulfúrico na reação com o corante pode ter afetado a eficácia da reação de hidrólise ácida com a celulose, ou seja, a presença de reações indesejadas que consome o promotor da reação de hidrólise e gera produtos de reação pode ter reduzido o grau de hidrólise.
A partir dos dados mostrados na Tabela 9 com o tecido pré-tratado, observa-se que com o aumento do tempo de tratamento de 30 para 60 minutos, não houve variação numé- rica significativa no índice de cristalinidade tanto para amostras tratadas na condição 1 quanto para as tratadas na condição 2. Comparando essas condições (1 e 2), com aumento da concentração de ácido, pode-se observar também que os índices de cristalinidade obti- dos na condição 2 foram menores que na condição 1. Isto pode ser explicado porque com o aumento da concentração de ácido pode ter ocorrido não só a remoção da parte amorfa, mas também afetado a parte cristalina das microfibrilas resultando em nanocristais de ce- lulose com menores índices de cristalinidade. Esse substrato foi submetido a uma etapa a mais de pré-tratamento para remoção do corante que pode ter contribuído para melhorar a eficiência da hidrólise. O uso de hidróxido de sódio no pré-tratamento pode provocar o intumescimento e facilitar a acessibilidade da cadeia polimérica. Os resultados de índice de cristalinidade obtidos nesse trabalho estão próximos a diversos trabalhos relatados na literatura (MORAIS et al., 2013; TEIXEIRA et al., 2010a; MARTINS et al., 2011; OUN; RHIM, 2015b).
(XIONG et al., 2012) isolaram celulose microcristalina (MCC) e a celulose nanocristalina esférica (SNCC) a partir de resíduos de tecidos de algodão através da combinação de pré- tratamento alcalino, branqueamento e hidrólise ácida (ácido sulfúrico 63%, 44◦C) sob agitação mecânica. O índice de cristalinidade da celulose nanocristalina foi menor que o obtido para a celulose microcristalina. Os autores explicam que durante o isolamento da celulose nanocristalina a reação de hidrólise removeu tanto a parte amorfa, como também a região cristalina foi parcialmente destruída, mostrando que a condição de hidrólise ácida utilizada foi severa. Considerando a grande quantidade de resíduos de tecidos de algodão e seu alto teor de celulose, conclui-se que o processo desenvolvido é adequado para produção em escala industrial de nanoesferas de celulose com o tamanho de partículas na faixa de 20-100 nm, podendo ser aplicado em vários materiais avançados.
A redução do índice de cristalinidade também foi observada em outro trabalho (SO- NAKSHI et al., 2013). Estes autores afirmam que esta redução foi devido a utilização de
A utilização de ácido sulfúrico na hidrólise para obter nanocristais de celulose a partir de fibras de Kenaf foi avaliada por (KARGARZADEH et al., 2012). Os efeitos da variação do tempo de tratamento na morfologia, cristalinidade e estabilidade térmica também foram explorados. Foi observado um aumento da cristalinidade até 40 minutos de hidrólise e a partir desse tempo ocorreu diminuição do índice de cristalinidade. Isto pode ser atribuído a destruição parcial da celulose das regiões cristalinas dos nanocristais. A morfologia dos nanocristais foi mantida para todas as amostras.
Os difratogramas de raios-X dos tecidos de fibra de algodão com corante índigo e pré- tratado podem ser observados na Figura 33 e 34, respectivamente.
Figura 33: Difratogramas (esquerda: gráficos sobrepostos e direita: gráficos separados) do tecido de fibra de algodão com corante índigo e nanocristais de celulose após hidrólise ácida em diferentes condições. A – tecido com corante; B – hidrólise H2SO4 55% 30 minutos