Síntese e caracterização de híbridos celulósicos modificados com óxidos metálicos hidratados para aplicação como aditivos em espumas rígidas de poliuretano

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Ester Pinheiro dos Santos
• Orientador(a): Maria do Carmo de Andrade Nono, Maria Lúcia Caetano Pinto da Silva
• Banca de defesa: João Paulo Barros Machado, Turibio Gomes Soares Neto, Luiz Claudio Pardini, Antonio Carlos Ancelotti Junior
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: The synergism properties between different components in an unique material become increasingly attractive, as regards the variety of applications like the use of agro industrial by-products. Furthermore, the search for renewable sources combined with high availability evidence the lignocellulosic fibers as precursor in the development of new materials. Organic-inorganic hybrids have to be promising and can be applied in several sectors, such as catalysis, adsorption and as additives in polymer matrices in the production of membranes and composites. The purpose of this work is to develop and characterize hybrids derived from the combination between the cellulose of leaf bananas plant and hydrous metallic oxides of niobium (Nb2O5.nH2O), aluminum (Al2O3.nH2O) and zinc (ZnO.nH2O), aiming at the production of rigid polyurethane foams and to verify the effect of these additives hybrid and their precursors on the thermal and mechanical properties of the composites. Initially, the banana leaves were submitted to different chemical treatments, in order to evaluate the most efficient modification for isolation of cellulose. After, the hybrids were synthesized through conventional precipitation and a proportion study was performed, with different mass relations between the cellulose and the hydrous metallic oxides. The establishment of the best proportion of each additive hybrid was determined by thermogravimetric analysis. The selected hybrids were characterized by water absorption tests, DSC, FTIR, DRX, MEV/EDX and then incorporated into the polyurethane matrix for the synthesis of rigid foams. The composites were obtained by adding 1 to 5 % m/m of the chosen hybrids, beyond to the respective precursors (cellulose and hydrous metallic oxides) and characterized by TGA, DSC and compression test. The results of thermogravimetric analysis indicated the proportions 97Celfb/3Nb2O5.nH2O, 94Celfb/6Al2O3.nH2O and 97Celfb/3ZnO.nH2O as the best cellulose/oxide ratios (hybrids). DSC curves exhibited the effect of oxides on heat suppression, evidencing the hybrids 97Celfb/3Nb2O5.nH2O and 94Celfb/6Al2O3.nH2O with potential properties to act as flame retardants. EDX analyzes confirmed the incorporation of the metals in the cellulosic matrix, corroborating with the results of XRD and FTIR. In the tests of water absorption, the hybrid 94Celfb/6Al2O3.nH2O presented the greatest reduction in hydrophilic character, compared to the isolated cellulose and the other hybrids, which induces us to wait for an additive that provides increased adhesion at the fiber/polymeric matrix interface, resulting in better thermal and mechanical properties. The thermal and mechanical results show the hybrid 94Celfb/6Al2O3.nH2O as the best additive in the formulation for the composite PU + 1% m/m 94Celfb/6Al2O3.nH2O.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/07.20.20.04

O sinergismo de propriedades entre diferentes componentes em um único material torna-se cada vez mais atrativo, no que se refere à diversidade de aplicações assim como na utilização de subprodutos agroindustriais. Além disso, a busca por fontes renováveis aliada à elevada disponibilidade evidenciam as fibras lignocelulósicas como precursoras no desenvolvimento de novos materiais. Os híbridos orgânico-inorgânicos apresentamse promissores, podendo ser aplicados em vários setores, tais como catálise, adsorção e como aditivos em matrizes poliméricas para a produção de membranas e compósitos. A proposta deste trabalho é desenvolver e caracterizar híbridos, provenientes da combinação entre a celulose da folha de bananeira e os óxidos metálicos hidratados de nióbio (Nb$_{2}$O$_{5}$.nH$_{2}$O), de alumínio (Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O) e de zinco (ZnO.nH$_{2}$O), visando a produção de espumas rígidas de poliuretano e verificar o efeito destes aditivos híbridos e seus precursores nas propriedades térmicas e mecânicas dos compósitos. Inicialmente, as folhas de bananeira foram submetidas a diferentes tratamentos químicos, a fim de avaliar a modificação mais eficiente para o isolamento da celulose. Posteriormente, os híbridos foram sintetizados via precipitação convencional e um estudo de proporção foi realizado, com diferentes relações mássicas entre a celulose e os óxidos metálicos hidratados. O estabelecimento da melhor proporção de cada aditivo híbrido foi determinado por termogravimetria. Os híbridos escolhidos foram caracterizados por testes de absorção de água, DSC, FTIR, DRX, MEV/EDX e, em seguida, incorporados à matriz de poliuretano para a síntese das espumas rígidas. Os compósitos foram obtidos mediante a adição de 1 a 5 \% m/m dos híbridos escolhidos, além dos respectivos precursores (celulose e óxidos metálicos hidratados), e caracterizados por TGA, DSC e ensaio de compressão. Os resultados de termogravimetria indicaram as proporções 97Celfb/3Nb$_{2}$O$_{5}$.nH$_{2}$O, 94Celfb/6Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O e 97Celfb/3ZnO.nH2O como as melhores relações celulose/óxido (híbridos). As curvas DSC exibiram o efeito da fração inorgânica na supressão de calor, evidenciando os híbridos 97Celfb/3Nb$_{2}$O$_{5}$.nH$_{2}$O e 94Celfb/6Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O com propriedades em potencial para atuarem como retardantes de chamas. As análises de EDX confirmaram a incorporação dos metais na matriz celulósica, corroborando com os resultados de DRX e FTIR. Nos testes de absorção de água o híbrido 94Celfb/6Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O apresentou a maior redução no caráter hidrofílico, comparado à celulose isolada e aos demais híbridos, o que nos induz a esperar por um aditivo que proporcione aumento de adesão na interface fibra/matriz polimérica, resultando em melhores propriedades térmicas e mecânicas. Os resultados térmicos e mecânicos evidenciaram o híbrido 94Celfb/6Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O como o melhor aditivo na formulação para o compósito PU + 1\% m/m 94Celfb/6Al$_{2}$O$_{3}$.nH$_{2}$O.