Produção de fibras de base renovável pela técnica de electrospinning

Abstract

Atualmente, a produção de nanofibras compósitas à base de matérias-primas renováveis tem atraído um forte interesse nas áreas de investigação devido à crescente preocupação com o meio ambiente. A técnica de electrospinning permite a produção de nanofibras a partir de diferentes soluções poliméricas. As nanofibras possuem uma elevada área superficial, tornandoas atrativas, por exemplo, para o desenvolvimento de suportes para Engenharia de Tecidos. O presente projeto teve como finalidade a incorporação de polímeros de base renovável, nomeadamente a celulose, na produção de nanofibras por electrospinning. Além do objetivo global identificado, este projeto visou o estudo e a comparação entre os efeitos de aditivação da matriz com um agente de reforço natural e/ou com um agente de reticulação químico nas propriedades das nanofibras. A partir das melhores formulações desenvolvidas, foram estudados os parâmetros de equipamento: caudal de alimentação, tensão elétrica aplicada, distância entre a agulha e o coletor e tipo de coletor. Os ensaios de caracterização das membranas obtidas contemplaram uma análise da morfologia das nanofibras por Microscopia Eletrónica de Varrimento, análises de comportamento térmico por Análise Termogravimétrica e Calorimetria Diferencial de Varrimento, e uma análise química por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier. Os resultados do estudo das soluções para a produção de fibras por electrospinning demonstraram que a melhor fração mássica de álcool polivinílico testada foi a de 14 % e que a melhor fração volumétrica de nanofibrilas de celulose foi a de 3 %. A partir desta formulação, a melhor produção de fibras ocorreu nas seguintes condições: tensão aplicada igual a 24 kV; caudal de alimentação igual a 0,2 mL h–1; distância entre a agulha e o coletor igual a 14,5 cm; com o coletor cilindro rotativo. Nestas condições, as fibras apresentaram diâmetros entre 80 nm e 95 nm. De modo geral, verificou-se que a morfologia e o diâmetro das nanofibras foram fortemente afetados pelos parâmetros de solução e pelos parâmetros de equipamento. Em particular, os resultados da Análise Termogravimétrica demonstraram que a utilização do agente de reforço, até aproximadamente 320 °C, permite uma melhoria na estabilidade térmica das membranas superior ao efeito provocado pelo agente reticulante. Assim, em certas condições e aplicações, é possível, e mais vantajoso, a utilização de uma matéria-prima renovável e de baixo custo.

Currently, the production of nanofibers composites based on renewable raw materials has highlighted a strong interest in the research field due to the growing concern for the environment. The electrospinning technique allows the production of nanofibers from different polymeric solutions. The nanofibers present a very high surface area, making them very useful/versatile for different areas, such as the development of scaffolds for Tissue Engineering. The objective of this project was to incorporate renewable based polymers, namely cellulose, for the production of nanofibers by electrospinning. In addition, it was also objective to study and compare the effects of additive polymeric matrix when using a natural filler and/or a chemical crosslinking agent in the properties of nanofibers. For the best obtained formulations, equipment parameters were studied, such as: feed rate, applied voltage, distance between the needle and the collector and collector type. Ultimately, tests were performed in order to characterize the resultant membranes which contemplated an analysis of the morphology of the nanofibers by Scanning Electron Microscopy, thermal behavior analysis by Thermogravimetric Analysis and Differential Scanning Calorimetry, and a chemical analysis by Fourier Transform Infrared Spectroscopy. The results from the study on solutions for the production of fibers by electrospinning showed that the best mass fraction of polyvinyl alcohol tested was with 14 % and the best volumetric fraction of cellulose nanofibrils was with 3 %. From this formulation, the best production of fibers occurred under the following conditions: applied voltage equal to 24 kV; feed rate equal to 0,2 mL h–1; distance between the needle and the collector equal to 14,5 cm; with the rotating cylinder collector. At these conditions, the fibers showed diameters between 80 nm and 95 nm. In general, it was found that the morphology and the diameter of the nanofibers were strongly affected by the solution parameters and equipment parameters. In particular, the results of Thermogravimetric Analysis showed that the use of a natural reinforcing agent, to about 320 °C, enhanced the thermal properties of nanofibers when compared to the chemical crosslinking agent. So, in certain conditions and applications, it is possible, and more advantageous, to use a renewable raw material at a lower cost.