Alcides Lopes Leão Sivoney F. Souza Bibin M. Cherian Márcia R. M. Chaves Mariana S. Caldeira Mariselma Ferreira Daniele F. C. Gonçalves
Introdução
Um dos polímeros mais abundantes no planeta é a celulose. De am- pla e antiga utilização industrial, era utilizado em áreas como habitação, cordas, velas, madeira, celulose e papel, entre outras. Recentemente, as nanofibras de celulose cristalina estão atraindo interesse significativo, principalmente em razão das suas propriedades mecânicas. A celulose ge- rou um grande interesse como fonte de cargas nanométricas por causa de sua sustentabilidade, fácil acesso e também devido às suas interessantes propriedades ao atingir a nanoescala, como: grande área superficial, alta cristalinidade, muitas vezes livres de defeitos, transparência óptica quan- do dispersas em matrizes poliméricas, e outras, o que tem concedido a esses compósitos excelentes propriedades mecânicas, elétricas, térmicas, ópticas e de barreira. Logo, as nanoceluloses e seus compósitos fornecem propriedades inovadoras com aplicações de alta tecnologia, o que tem le- vado a novas linhas de pesquisa nos últimos anos. Desde 1995 tem-se re- latado o uso de nanofibras de celulose como reforço em nanocompósitos (Favier et al., 1995a). A incorporação de pequenas quantidades de cargas nanométricas de alta rigidez e alta razão de aspecto (relação comprimen- to/diâmetro) em polímeros é uma abordagem que emergiu rapidamente como um quadro amplamente explorado para a criação de novos materiais
com propriedades mecânicas modificadas (Whitesides, 2005; Hussain et al., 2006).
As nanoceluloses são facilmente obtidas a partir de fontes renováveis, tais como bactérias, madeira, plantas fibrosas e animais marinhos sésseis, chamados tunicados (Dufresne, 2006). São também relatadas na literatura como whiskers, nanocristais, cristalitos ou cristais de celulose, nomes refe-
rentes ao mesmo material, por causa dos domínios cristalinos de fibras ce- lulósicas isolados por meio de hidrólise ácida forte da celulose, removendo as regiões amorfas. São chamados dessa forma em razão das suas caracte- rísticas físicas de rigidez, espessura e comprimento (Souza e Borsali, 2004). Foi relatado que whiskers de celulose são regiões isoladas sob condições con-
troladas, o que permite a formação de cristais individuais de alta pureza (Samir et al., 2005). Sua estrutura altamente ordenada pode conferir não somente alta resistência, mas também contribuir com mudanças significa- tivas em algumas propriedades importantes dos materiais, tais como elétri- ca, ótica, magnética, ferromagnética e dielétrica.
A celulose é classificada como um carboidrato (substância contendo carbono, hidrogênio e oxigênio). No entanto, a celulose é um carboidrato que pode ser sintetizado a partir de monossacarídeos ou ser hidrolisado em monossacarídeos (Khadem, 1988). A unidade de repetição do polímero de celulose é conhecida por compreender dois anéis de anidroglucose, ligados por meio de uma ligação glicosídica b-1,4 (Klemm et al., 1998) chamada de
celobiose (Figura 1).
Na indústria de papel, a celulose é usada de forma convencional, como matéria-prima de produtos de papel e papelão. No entanto, mesmo sendo esse o principal uso atual de celulose, a utilização desse versátil e adaptá-
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Figura 1. Unidade de celobiose. Múltiplas unidades de celobiose ligadas entre si por liga- ções b–1,4 formam a celulose
NANOTECNOLOGIA CIÊNCIA E ENGENHARIA 127 vel material é muito ampla. Ela pode ser quimicamente modificada para produzir derivados que são utilizados amplamente em diferentes setores industriais, além das aplicações convencionais, como exemplo, em 2003, 3,2 milhões de toneladas de celulose foram utilizadas como matéria-prima na produção de fibras regeneradas e filmes, além dos derivados de celulose, que são utilizados como revestimentos, laminações, filmes ópticos e absor- ventes (Klemm, 2005). Além dessas aplicações, os derivados de celulose podem ser encontrados como aditivos em materiais de construção e tam- bém em alimentos, produtos farmacêuticos e cosméticos.
A estrutura fibrilar faz parte da morfologia das fibras vegetais e, ao lon- go dos últimos anos, vários pesquisadores têm investigado as fibras vege- tais ou fibras naturais, como são amplamente conhecidas, e sua utilização como reforço em materiais compósitos (Jayaraman, 2003). O uso dessas fi- bras em materiais compósitos tem aumentado em razão do seu baixo preço relativo, à sua capacidade de reciclagem e pela capacidade de reforçar os materiais ao mesmo tempo em que os tornam mais leves. As fibras vegetais podem ser consideradas como compostos naturais constituídas principal- mente de fibrilas de celulose incorporados em matriz de lignina. As fibrilas de celulose são alinhadas, o que resulta em máxima resistência à tração e à flexão, além de proporcionar rigidez.
A eficiência do reforço com fibras naturais está relacionada com a na- tureza de celulose e sua cristalinidade (Maya, 2008). A estrutura física, o ângulo microfibrilar, as dimensões de célula cristalina, o número e o tipo de defeitos e a composição química das fibras são as variáveis mais importan- tes que determinam as propriedades gerais de cada fibra (Satyanarayana, 1986). Geralmente, a resistência à tração e ao módulo de elasticidade de fibras aumenta com o aumento da quantidade de celulose presente, que por sua vez depende do vegetal do qual a fibra foi extraída. Isso implica que para cada tipo de fonte vegetal poderão ser obtidas fibras com característi- cas e aplicações diferenciadas.
Compósitos poliméricos com fibra de madeira estão sendo usados em um
grande número de aplicações em plataformas, deck de piscina, esquadrias,
rodapés e roda-tetos e componentes de painel moldado (Qingxiu, 2002). Tem sido relatado que 750 milhões de dólares de compósitos polímero/fi- bra de madeira foram produzidos em 1999. As estatísticas mostram que a produção desses compostos em 2001 aumentou para 1 bilhão de dólares.
Nas últimas três décadas, várias pesquisas têm se empenhado em en- contrar uma fibra alternativa para substituir o amianto em produtos da construção civil e em freios automotivos. O amianto produz partículas que se desprendem dos freios de veículos e são liberadas nas indústrias que o processam, levando milhares de seres humanos e de outras espécies animais ao adoecimento, além de seu resíduo ser tóxico ao meio ambiente. Pesqui- sas australianas, centradas no uso de fibras naturais, indicaram que as fi- bras da polpa da madeira foram responsáveis pela maior substituição do amianto na indústria (Coutts, 2005). Pesquisadores têm explorado o uso de outras fibras (bambu, linho, sisal, curauá, coco e outras) como substitutas do amianto (Ghavami, 2005; Agopyan, 2005). A potencialidade destas fi- bras é descrita pelas características de baixo custo, grande disponibilidade, baixo consumo de energia para o processamento, a biodegradabilidade e por não serem tóxicas.
Na indústria automotiva, fibras de algodão incorporadas em matriz de poliéster foram utilizadas na carroceria do veículo do modelo Trabant, da ex- tinta Alemanha Oriental. A empresa Daimler-Benz passou a explorar a ideia de substituir as fibras de vidro por fibras naturais nos componentes automo- tivos desde 1991, utilizando sisal, juta, coco, curauá e abacá. Uma filial da empresa Mercedes-Benz, com sede em São Paulo, foi pioneira nesse conceito com o projeto intitulado “Belem Project”. Nesse projeto, as fibras de coco fo- ram utilizadas nos veículos comerciais ao longo de um período de nove anos. A Mercedes também utilizou fibras naturais nos painéis das portas de seus veículos Classe E, em 1996. Em setembro de 2000, a Daimler Chrysler tam- bém começou a usar as fibras naturais em sua produção de veículos. Prati- camente todos os grandes fabricantes de automóveis na Alemanha (Daimler Chrysler, Mercedes, Volkswagen, Audi Group, BMW, Ford e Opel) agora usam biocompósitos em várias partes da produção de veículos (Leão, 1996).