Produção de monofilamentos a base de alginato e nanocristais de celulose obtidos de resíduos de algodão

Abstract

A celulose é o polímero renovável mais abundante na natureza, sendo um dos principais constituintes das paredes celulares das plantas. Recentemente, o isolamento da nanocelulose, na forma de fribrilas ou bastonetes, tem despertado crescente atenção para diversas aplicações pelas propriedades de elevada área superficial, elevada rigidez e cristalinidade, baixa densidade e biodegradabilidade. Dentre as fontes de celulose que podem ser utilizadas para a obtenção da nanocelulose, destaca-se as fibras de algodão, que apresentam em sua composição entre 88 e 96% de celulose. Associado a isso, o algodão é uma das principais matérias-primas da indústria têxtil, gerando massivas quantidades de resíduos em diversas etapas do processamento, constituindo um problema ambiental. Portanto, os resíduos industriais de algodão são uma fonte promissora e sustentável para a obtenção de nanocelulose, os quais podem ser utilizados para a produção de filamentos como agentes de reforço com outros polímeros. Neste estudo, resíduos de algodão alvejado e tingido foram utilizados como matéria-prima para a obtenção de nanocristais de celulose (NCCs), os quais foram utilizados como agentes de reforço em filamentos de alginato produzidos pela técnica de fiação a úmido. Os NCCs foram obtidos por meio da hidrólise com solução aquosa de ácido sulfúrico a 60 % (m/m) em reação a 45 °C e 45 minutos. Os materiais resultantes da hidrólise apresentaram a cor do algodão original, formato de bastonetes e dimensões típicas de NCCs, com boa estabilidade de suspensão, rendimentos de reação superiores a 80 % e índices de cristalinidade de 87 %. Os filamentos nanocompósitos foram obtidos utilizando solução de alginato de sódio 2 % (m/v) contendo diferentes proporções mássicas de NCC (1, 3, 5, 10 e 20 %). Após a extrusão, a solidificação ocorreu em um banho aquoso de CaCl2 a 10 % (m/v). Foi verificado que a coloração dos filamentos foi alterada de forma gradativa com maiores concentrações de NCC. Os ensaios de resistência mecânica indicaram que a tensão de ruptura dos filamentos aumentou com a incorporação dos NCCs até a concentração de 5 %, com aumento de 400 %, sendo reduzida nas concentrações superiores. Os filamentos com NCC tingido apresentaram maiores resistências, o que pode ser atribuído à melhor dispersão destes devido ao menor tamanho. O grau de intumescimento em água dos filamentos em períodos de até 14 dias foi baixo (máximo de 42 %) e similar entre as diferentes amostras. A perda de massa máxima foi de 45 % em 14 dias e os filamentos permaneceram fisicamente estáveis. Em geral, o estudo permitiu concluir que é possível obter filamentos de alginato intrinsecamente coloridos e que a adição de NCC obtido de resíduo de algodão em até 5 % é capaz de formar estruturas com resistência mecânica muito superior à do filamento de alginato puro.

Abstract: Cellulose is the most abundant renewable polymer in nature, being one of the main constituents of plant cell walls. Recently, the isolation of nanocellulose, in the form of fibrils or rods, has attracted increasing attention for several applications due to the properties of high surface area, high rigidity and crystallinity, low density, and biodegradability. Among the sources of cellulose that can be used to obtain nanocellulose, cotton fibers stand out, which present in their composition between 88 and 96% of cellulose. In addition, cotton is one of the main raw materials of the textile industry, generating massive amounts of waste in different processing stages, constituting an environmental problem. Therefore, industrial cotton waste is a promising and sustainable source for obtaining nanocellulose, which can be used to produce filaments as reinforcing agents with other polymers. In this study, bleached and dyed cotton residues were used as raw material to obtain cellulose nanocrystals (NCCs), which were used as reinforcing agents in alginate filaments produced by the wet spinning technique. The NCCs were obtained by hydrolysis with an aqueous sulfuric acid solution at 60% (w/w) in reaction at 45 °C and 45 minutes. The materials resulting from hydrolysis showed the color of the original cotton, rod shape and dimensions typical of NCCs, with good suspension stability, reaction yields greater than 80%, and crystallinity indexes of 87%. The nanocomposite filaments were obtained using a 2% (w/v) sodium alginate solution containing different mass proportions of NCC (1, 3, 5, 10, and 20 %). After extrusion, solidification took place in a 10% (w/v) CaCl2 aqueous bath. It was verified that the coloration of the filaments was gradually altered with higher concentrations of NCC. The results of mechanical properties indicated that the tensile strength of the filaments increased with the incorporation of NCCs up to a concentration of 5%, with an increase of 400%, being reduced in higher concentrations. Filaments with colored NCC showed greater resistance, which can be attributed to their better dispersion in the alginate matrix due to their smaller size. The degree of swelling in water of the filaments in periods of 14 days was low (maximum 42%) and similar between the different samples. The maximum mass loss was 45% at 14 days and the filaments remained physically stable. In general, it was concluded that it is possible to obtain intrinsically colored alginate filaments and that the addition of NCC obtained from cotton waste in up to 5% is capable of forming structures with mechanical strength much higher than that of the pure alginate filament.