Efeitos observados por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier

Os produtos com os quais foi obtido um IC maior foram usados para caracterizar o material por FTIR. A Figura 2.15 mostra os espectros e apresenta o perfil correspondente da celulose, que é caracterizado, principalmene, pelas bandas de vibração da ligação intramolecular do OH (3388 cm−1), da ligação β-glicosídica C-O (1018 cm−1), de flexão simétrica da ligação CH2 (1426 cm

−1

), de alongamento do CH (2894 cm-1) e da flexão no plano de COH (1200 cm−1) (Nelson et al., 1964).

Finalmente, a través destes espectros foi possível elucidar a presença de lignina ou hemicelulose residual. A remoção de pectina foi considerada completa pela ausência da vibração de estiramento da ligação C=O para ésteres a 1730 cm-1, demostrando que o tratamento foi eficiente. Uma característica mais específica da lignina é a vibração de estiramento de anéis aromáticos (1440-1600 cm-1), sinal que implica uma fração de lignina insolúvel nos produtos de BI e BN. No entanto, essas bandas estão presentes em baixa intensidade, o que suporta a idéia de terem sido isolados principalmente produtos celulósicos de ambas as amostras (Alemdar et al., 2008; Cherian et al., 2008).

Figura 2.15. Espectros de FTIR da nanocelulose obtida do BN (em vermelho) e do BI (em

verde).

2.4.3.2. Efeito do tratamento físico-químico sobre a cristalinidade da celulose do bagaço in natura:

A análise comparativa da cristalinidade dos produtos obtidos após hidrólise com diferentes concentrações de NaOH foi investigada pelas análises dos espectros DRX (Figuras 2894

1638 1426

2.16), seguindo o método de altura do pico de Segal (1962). Os resultados dos resíduos que foram submetidos a um passo de hidrólise adicional, aplicado separadamente como hidrólise ácida (H2SO4 5% v v-1) ou como hidrólise alcalina em duas etapas, também são mostrados.

Figura 2.16. Difratogramas dos sólidos resultantes da hidrólise química do bagaço in natura.

Complementarmente, os espectros de RMN por CP/MAS de 13C (Figura 2.17), revelaram os picos característicos de material celulósico com variações marcadas nas áreas dos carbonos C4 e C6 apresentados na Figura 2.17. As variações nos picos C4 são especificamente empregadas para avaliar a IC de celulose I como já foi mencionado.

A proporção das áreas na região cristalina C4 (87-93 ppm) e a área total de ajuste de linha para cada espectro levaram aos seguintes valores de CI: 0,58 para BI tratado com solução de NaOH 2,0% (duas vezes) e 0,52 para BN tratado com solução de NaOH 1,6% (duas vezes), juntamente com o processo de branqueamento, específico para cada amostra (Tabela 2.5 e 2.6).

Todas as amostras de nanocelulose obtidas por hidrólise alcalina a partir de BN mostraram valores de IC superiores a 70% segundo análises de DRX. Isto correspondeu a valores de cristalinidade ao redor de 60% segundo RMN de 13C (Tabela 2.5). Especificamente para o BN não foi observado um aumento da cristalinidade após hidrólises em concentrações de NaOH maiores a 1,6%. No entanto, uma hidrólise em dois passos com H2SO4 a 5% permitiu uma maior solubilidade da celulose amorfa.

Figura 2.17. Espectros CP/MAS RMN de 13C da nanocelulose obtida a partir de hidrólise alcalina e ácida do bagaço da indústria (linha preta) e do bagaço in natura (linha vermelha).

O BN destaca-se com um IC máximo de 58% obtido por RMN, correspondente à hidrólise alcalina seguida de hidrólise ácida. Constatamos também que, mediante comparação da hidrólise enzimática e a hidrólise ácida como etapa final do processamento de BN, houve um aumento do IC de 22% utilizando o tratamento de hidrólise enzimática e um aumento de 8% usando hidrólise ácida com H2SO4 5%. Mesmo assim, o IC final foi em torno de 58% para ambos os processos, uma vez o bagaço usado para hidrólise ácida foi previamente tratado para remoção de pectina, deste modo seu IC inicial era maior devido à remoção da pectina.

Tabela 2.5. Índices de cristalinidade (IC) calculados para cada produto obtido após hidrólise

do bagaço in natura envolvendo hidrólise alcalina e ácida

Material IC por XRD IC por RMN

Bagaço in natura sem pectina (BN) 0,38 -

Produto da hidrólise com NaOH 1,6% 0,70 -

Produto da hidrólise com NaOH 2,0% 0,71 -

Produto da hidrólise com NaOH 3,0% 0,71 -

Produto da hidrólise com NaOH 2,0% e H2SO4 5% 0,79 0,58 Produto da hidrólise com NaOH 1,6% (duas vezes) 0,73 0,52

A hidrólise enzimática com enzimas de baixo custo apresenta a vantagem de ser um processo que pode aumentar a cristalinidade da biomassa em condições brandas, no entanto, a fim de obter valores de cristalinidade maiores, é sugerida a etapa inicial de remoção

da pectina que pouparia o uso de pectinases, enquanto, a etapa da hidrólise enzimática teria melhores resultados usando um cocktail com alta concentração de celulases, e.g. enzimas de A. niger ou Humicola insolens.

2.4.3.3. Análises morfológicas das fibras de nanocelulose obtidas a partir de bagaço in natura

As micrografias eletrônicas mostraram que após as etapas de hidrólise das fibras do bagaço de laranja o material mantém uma estrutura relativamente compacta, enquanto a superfície parece coberta ainda por material residual, predominantemente pectina (Figura 2.18-a). O efeito da digestão enzimática foi evidenciado pela degradação completa do material celulósico caracterizado por possuir aparência mais fina e vulnerável à fibrilação (áreas dentro dos retângulos na Figura 2.18-a) e pelo aparecimento de vários defeitos (buracos) na superfície das fibras mais robustas (Figura 2.18-b e áreas pontilhadas na Figura 2.18-a). De acordo com estudos anteriores realizados em nosso grupo de pesquisa, as enzimas da Xac (306) são muito ativas na superfície do BL (Awan et al., 2013). Essas bactérias, que causam a doença do cancro cítrico, produzem um coquetel de enzimas que contribuem para a degradação das fibras devido às diferentes atividades hidrolíticas de pectinases e celulases.

Figura 2.18. Micrografias eletrônicas da biomassa do bagaço de laranja (BL) antes e depois

do tratamento enzimático: (a) amostra de BL pré-tratado com NaOH (4% w v-1) a 120 °C durante 20 min e NaClO2 (1,7% w v-1) por 20 min a 120°C em pH 4,5; (b) superfície da fibra de BL após ação das enzimas de Xanthomonas axonopodis pv. citri durante 48 h em 45 °C.

Outro efeito do tratamento enzimático foi observado sobre os empacotamentos das fibras, chamadas microfibrilas, que se desprendem umas das outras (Figura 2.19-a) resultando em fibrilas independentes. Estas microfibrilas com diâmetros em torno de 600 nm estavam presentes em algumas áreas do porta-amostra. No entanto, após a fibrilação por

sonicação, as análises das imagens de FESEM e SPM permitiram observar as nanofibras de celulose em toda a superfície do porta-amostra (Figura 2.19-b e Figura 2.20), sendo estas bastante reprodutíveis após hidrólise enzimática e sonicação.

Figura 2.19. Micrografias eletrônicas de varredura mostrando (a) fibras e feixes de fibras

antes da fibrilação resultantes da hidrólise enzimática do bagaço de laranja pré-tratado; e (b) o efeito da fibrilação por sonicação apresentando a nanocelulose em detalhe.

As nanofibras de celulose obtidas possuem uma estrutura de haste com um diâmetro médio de 10 ± 3 nm (Figura 2.22). Consequentemente elas possuem uma área superficial considerada elevada uma vez que apresenta comprimentos na ordem de micras.

135805 Trace

2.5 x 2.5m - 0,6 Hz - IG 1400 – PG 0,01

Trace (muito parecidas) Fase -70 deg – Sens x 4

Deflexão 69.30 [nm] 0.00 500.00 nm 1.00 x 1.00 um Mayra 1 11.23 [deg] -5.87 500.00 nm 1.00 x 1.00 um Mayra 1 0.00 [V] -0.00 500.00 nm 1.00 x 1.00 um Mayra 1

Figura 2.20. Topografia e morfologia das nanofibras de celulose obtidas por hidrólise

enzimática após hidrólise alcalina e sonicação a partir do bagaço de laranja. Da esquerda à direita: Topografia de imagem de fase e deflexão (escala 2,5 µm).

Os resultados da Figura 2.20 mostram as micrografias SFM de uma película de nanocelulose em uma escala que varia de 2,5 μm a 1,0 μm após um procedimento de achatamento para imagens de altura. A través destas imagens observamos homogeneidade das nanofibras, sendo estes dados obtidos consistentes com dados literatura sobre nanocelulose a partir de matérias-primas renováveis (Oksman et al., 2006; Elazzouzi-Hafraoui et al., 2008) e, indicam que as nanofibras podem ser utilizadas eficientemente como agentes de reforço em materiais compósitos, uma vez que fibras longas possibilitam obter nanocompósitos com melhores propriedades mecânicas em relação à fibras mais curtas ou nanocristais (Xu et al., 2013).

A caracterização dos produtos celulósicos obtidos por exclusivamente hidrólise química foi continuada com a análise morfológica. A microestrutura e o tamanho dos sólidos de uma suspensão homogeneizada por tratamento de ultrassom foram investigados também por FESEM e SPM após sonicação e secagem ao ar.

Através das micrografias eletrônicas de varredura mostradas nas Figuras 2.2Q e 2.22, foi calculado o diâmetro médio da nanocelulose do BN após processamento químico e mecânico usando o software de processamento de imagem ImageJ 1,49. O produto sólido apresenta diâmetro estreito e comprimento na escala micrométrica. O diâmetro obtido para as fibras preparadas a partir do BN foi 18,4 nm ± 6.

Figura 2.21. Micrografia eletrônica das nanofibras de celulose preparadas por hidrólise

alcalina e ácida e o histograma do comprimento.

Para confirmar a morfologia e homogeneidade das nanofibras em estado sólido, as amostras foram analisadas por SPM após secagem ao ar, gerando assim um filme de 1018

nanofibras compridas de celulose apresentada na Figura 2.22 (à direita). A altura e as imagens de fase foram tomadas em uma escala de área entre 1,0-2,5 µm2.

Após um procedimento das imagens de SPM por achatamento da altura são apresentadas as características das fibras, sendo uma rede compacta de nanofibras observadas nas imagens de fase, o que mostra que as fibras estavam cobrindo totalmente a superfície deste filme sem qualquer espaço intermediário vazio. Em geral, vemos uma densidade de nanofibras alta e uniforme para as amostras tanto em suspensão como em estado sólido após secagem ao ar.

Figura 2.22. a) Fotografia do bagaço in natura do início ao fim de sua transformação em

fibras de nanocelulose. Da esquerda à direita são mostrados: matéria-prima, matéria-prima após moagem e secagem em estufa; resíduo de fibra após remoção de pectina, fibras tratadas com NaOH; e produto final após o processo de branqueamento. b) Micrografia eletrônica de varredura por emissão de campo mostrando as nanofibras de celulose em suspensão como produto final. c) Micrografia de sonda de varredura de nanofibras em um filme preparado para a secagem ao ar do material celulósico (topografia) e d) micrografia de sonda mostrando a imagem de fase.

A relação de aspecto da fibra (razão comprimento/diâmetro) foi difícil de ser calculada, devido à distribuição tipo rede da microestrutura, onde existe uma porção não visível do comprimento total da fibra devido ao entrecruzamento, de modo que geralmente uma região da fibra é coberta por outras fibras.

Uma grande relação de aspecto está relacionada com uma melhor capacidade de reforço em comparação com nanocristais de celulose. No entanto, uma nanofibrila de grande comprimento obtida por hidrólise leve ou moderada envolve uma cristalinidade reduzida. Mesmo assim, tanto as nanofibras de celulose como os nanocristais atuam como agentes de reforço melhorando as propriedades mecânicas das matrizes poliméricas (Xu et al., 2013).

2.4.3.3. Efeito do tratamento físico-químico sobre a cristalinidade da celulose do