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Novel materials based on chitosan, its derivatives and cellulose fibres

Author(s): Fernandes, Susana Cristina de Matos cv logo 1

Date: 2010

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/3222

Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro

Subject(s): Química; Quitosano; Fibras de celulose; Papel; Nanocompósitos


Description
O presente trabalho tem como principal objectivo o desenvolvimento de novos materiais baseados em quitosano, seus derivados e celulose, na forma de nanofibras ou de papel. Em primeiro lugar procedeu-se à purificação das amostras comerciais de quitosano e à sua caracterização exaustiva em termos morfológicos e físicoquímicos. Devido a valores contraditórios encontrados na literatura relativamente à energia de superfície do quitosano, e tendo em conta a sua utilização como precursor de modificações químicas e a sua aplicação em misturas com outros materiais, realizou-se também um estudo sistemático da determinação da energia de superfície do quitosano, da quitina e seus respectivos homólogos monoméricos, por medição de ângulos de contacto Em todas as amostras comerciais destes polímeros identificaram-se impurezas não polares que estão associadas a erros na determinação da componente polar da energia de superfície. Após a remoção destas impurezas, o valor da energia total de superfície (gs), e em particular da sua componente polar, aumentou consideravelmente. Depois de purificadas e caracterizadas, algumas das amostras de quitosano foram então usadas na preparação de filmes nanocompósitos, nomeadamente dois quitosanos com diferentes graus de polimerização, correspondentes derivados solúveis em água (cloreto de N-(3-(N,N,N-trimetilamónio)-2- hidroxipropilo) de quitosano) e nanofibras de celulose como reforço (celulose nanofibrilada (NFC) e celulose bacteriana (BC). Estes filmes transparentes foram preparados através de um processo simples e com conotação ‘verde’ pela dispersão homogénea de diferentes teores de NFC (até 60%) e BC (até 40%) nas soluções de quitosano (1.5% w/v) seguida da evaporação do solvente. Os filmes obtidos foram depois caracterizados por diversas técnicas, tais como SEM, AFM, difracção de raio-X, TGA, DMA, ensaios de tracção e espectroscopia no visível. Estes filmes são altamente transparentes e apresentam melhores propriedades mecânicas e maior estabilidade térmica do que os correspondentes filmes sem reforço. Outra abordagem deste trabalho envolveu o revestimento de folhas de papel de E. globulus com quitosano e dois derivados, um derivado fluorescente e um derivado solúvel em água, numa máquina de revestimentos (‘máquina de colagem’) à escala piloto. Este estudo envolveu inicialmente a deposição de 1 a 5 camadas do derivado de quitosano fluorescente sobre as folhas de papel de forma a estudar a sua distribuição nas folhas em termos de espalhamento e penetração, através de medições de reflectância e luminescência. Os resultados mostraram que, por um lado, a distribuição do quitosano na superfície era homogénea e que, por outro lado, a sua penetração através dos poros do papel cessou após três deposições. Depois da terceira camada verificou-se a formação de um filme contínuo de quitosano sobre a superfície do papel. Estes resultados mostram que este derivado de quitosano fluorescente pode ser utilizado como marcador na optimização e compreensão de mecanismos de deposição de quitosano em papel e outros substratos. Depois de conhecida a distribuição do quitosano nas folhas de papel, estudou-se o efeito do revestimento de quitosano e do seu derivado solúvel em água nas propriedades finais do papel. As propriedades morfológicas, mecânicas, superficiais, ópticas, assim como a permeabilidade ao ar e ao vapor de água, a aptidão à impressão e o envelhecimento do papel, foram exaustivamente avaliadas. De uma forma geral, os revestimentos com quitosano e com o seu derivado solúvel em água tiveram um impacto positivo nas propriedades finais do papel, que se mostrou ser dependente do número de camadas depositadas. Os resultados também mostraram que os papéis revestidos com o derivado solúvel em água apresentaram melhores propriedades ópticas, aptidão à impressão e melhores resultados em relação ao envelhecimento do que os papéis revestidos com quitosano. Assim, o uso de derivados de quitosano solúveis em água em processos de revestimento de papel representa uma estratégia bastante interessante e sustentável para o desenvolvimento de novos materiais funcionais ou na melhoria das propriedades finais dos papéis. Por fim, tendo como objectivo valorizar os resíduos e fracções menos nobres da quitina e do quitosano provenientes da indústria transformadora, estes polímeros foram convertidos em polióis viscosos através de uma reacção simples de oxipropilação. Este processo tem também conotação "verde" uma vez que não requer solvente, não origina subprodutos e não exige nenhuma operação específica (separação, purificação, etc) para isolar o produto da reacção. As amostras de quitina e quitosano foram pré-activadas com KOH e depois modificadas com um excesso de óxido de propileno (PO) num reactor apropriado. Em todos os casos, o produto da reacção foi um líquido viscoso composto por quitina ou quitosano oxipropilados e homopolímero de PO. Estas duas fracções foram separadas e caracterizadas. ABSTRACT: The purpose of this study was to develop new materials based on chitosan and its derivatives and cellulose, in the form of nanofibres or paper sheet. Firstly, the commercial chitosan samples were thoroughly characterized in terms of morphology and physicochemical aspects. Because of conflicting reports and unrealistic literature values, and because of the use of chitosan as mixtures component, or as precursor for chemical modifications, a systematic study of the surface energy of chitin, chitosan and their respective monomeric counterparts was carried out using contact angle measurements. All the commercial samples of these polymers were shown to contain non-polar impurities that gave rise to enormous errors in the determination of the polar component of their surface energy. After their thorough removal, the value of the total surface energy (gs), and particularly of its polar component, increased considerably. Well characterized chitosan samples were then used to prepare transparent nanocomposite films based on different chitosan (CH) matrices (two chitosans with different DPs and corresponding water-soluble derivatives (N-(3-(N,N,Ntrimethylamonium)- 2-hydroxypropyl) chloride chitosan), nanofibrillated cellulose (NFC) and bacterial cellulose (BC) were prepared by a fully green procedure by casting a water based suspension of CH, NFC and BC. Different contents of NFC (up to 60%) and BC (up to 40%) were dispersed in 1.5% (w/v) CH solutions. The films were characterized by several techniques, namely SEM, AFM, X-ray diffraction, TGA, tensile assays, dynamic mechanical analysis and visible spectroscopy. The films obtained were shown to be highly transparent, displayed better mechanical properties than the corresponding unfilled chitosan films and showed increased thermal stability. Another approach involved the coating of E. globulus based paper sheets with chitosan and two different chitosan derivatives, a fluorescent and a watersoluble derivative, on a pilot-size press machine. First, a fluorescent chitosan derivative was deposited layer-by-layer onto conventional paper sheets and its distribution, in terms of both spreading and penetration, was assessed by emission measurements. The results showed that, on the one hand the surface distribution was highly homogeneous and, on the other hand, the penetration of chitosan within the paper pores ceased after a three-layer deposit, beyond which any additional coating only produced an increase in its overall thickness and film-forming aptitude. These results show that this modified chitosan can be used as probe to optimize and understand the mechanism of the deposition of chitosan onto paper and other substrates. Then, the effect of chitosan and chitosan quaternization on the final properties of chitosan-coated papers was investigated. Different coating weights were attained by the deposition of 1-5 coating layers. The morphological, mechanical, surface, barrier and optical properties as well as the paper ageing and printability of the ensuing coated papers were investigated and assessed. In general, both chitosan and water-soluble chitosan coatings had a positive impact on the final properties of the coated papers, which was quite dependent on the number of deposited chitosan layers. The results obtained also showed that the water-soluble chitosan coated papers presented superior optical properties, inkjet print quality and better results on ageing measurements than chitosan coated papers. Therefore, the use of water-soluble chitosan derivatives on paper coating processes represents an interesting and sustainable strategy for the development of new functional paper materials or for the improvement of the end-user properties of paper products. Finally, chitin and chitosan were converted into viscous polyols through a simple oxypropylation reaction, with the aim of valorising the less noble fractions or by-products of these valuable renewable resources. This process bears “green” connotations, given that it requires no solvent, leaves no byproducts and no specific operations (separation, purification, etc.) are needed to isolate the entire reaction product. Chitin or chitosan samples were preactivated with KOH and then reacted with an excess of propylene oxide (PO) in an autoclave. In all instances, the reaction product was a viscous liquid made up of oxypropylated chitin or chitosan and PO homopolymer. The two fractions were separated and thoroughly characterized. Doutoramento em Química
Document Type Doctoral Thesis
Language English
Advisor(s) Gandini, Alessandro; Neto, Carlos de Pascoal
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