Development of bacterial cellulose composites as an alternative to leather

Abstract

O couro é um material natural amplamente usado nas indústrias do têxtil e do calçado. No entanto, o seu processo produtivo juntamente com o processo de crescimento dos animais apresenta um elevado impacto ambiental e humano. Com os consumidores cada vez mais atentos às questões ambientais e de bem-estar animal, existe uma procura crescente por alternativas sustentáveis e sem crueldade animal. Este trabalho visou o desenvolvimento de compósitos de celulose bacteriana (CB), como material estruturante, e óleos vegetais ativados e outros polímeros hidrofóbicos, como agentes flexibilizantes e hidrofobizantes, como um produto alternativo ao couro. Para isto, foi testada uma nova abordagem para a modificação da CB, combinando simplicidade, potencial para aplicação à grande escala e baixo custo, com base no uso de um processo simples de esgotamento para a incorporação dos polímeros na matriz da CB. Todas as combinações resultaram em compósitos hidrofóbicos (ângulo de contato máximo de 138°). Primeiramente foram usados dois polímeros comerciais hidrofóbicos da indústria têxtil, um amaciador à base de polidimetilsiloxano (PDMS) e um hidrofobizante à base de perfluorocarbono (PFC). Os compósitos obtidos eram respiráveis (permeabilidade ao vapor de água máxima de 373 g·m−2·24 h−1) e com performance satisfatória relativamente às propriedades mecânicas (força de rotura máxima de 48.4 MPa). Para aumentar o teor de base biológica no compósito, foi usado óleo de soja epoxidado acriloilado (AESO) numa mistura com um polímero à base de PDMS e polietilenoglicol (PEG) 400. Os compósitos de CB possuíam performances distintas, manipuláveis variando a percentagem de polímero. Posteriormente, foram desenvolvidos compósitos com a resina de AESO previamente emulsionada e em misturas com PDMS, PFC e PEG, resultando em compósitos termicamente estáveis (até 200 °C) e, globalmente, com propriedades mecânicas adequadas para a aplicação pretendida (força de rotura máxima de 35.9 MPa). Por fim, validou-se o desenvolvimento de compósitos usando um sistema redox ecológico para a polimerização do AESO, bem como o acabamento com um biocida e o tingimento dos compósitos. A associação de óleos vegetais ativados com membranas de CB constituiu uma abordagem inovadora e promissora para o desenvolvimento de um produto amigo do ambiente, quase exclusivamente composto de materiais biológicos e recicláveis, com potencial para aplicação nas indústrias do têxtil e do calçado, contribuindo para a redução da dependência do couro animal.

Leather is a natural material widely used in the textile and footwear industries. However, its production process together with the animal growth process has a high environmental and human impact. With consumers increasingly aware of environmental and animal welfare issues, there is a growing demand for sustainable and cruelty-free alternatives to leather. This work aimed the development of composites comprising bacterial cellulose (BC), as structural material, and activated vegetable oils and other hydrophobic polymers, as flexibilizing and hydrophobizing agents, as an alternative product to leather. For this, it was tested a novel approach for the modification of BC, combining simplicity, potential for large-scale application and low cost, based on the use of a simple process of exhaustion for the incorporation of the polymers into the BC matrix. All the combinations resulted in hydrophobic composites (maximum contact angle of 138°). Firstly, two commercial hydrophobic polymers from the textile industry were used, a softener based on polydimethylsiloxane (PDMS) and a hydrophobizer based on perfluorocarbon (PFC). The obtained composites were breathable (maximum water vapor permeability of 373 g·m−2·24 h−1) and with satisfactory performance regarding mechanical properties (maximum tensile strength of 48.4 MPa). To increase the bio-based content in the composite, the acrylated epoxidized soybean oil (AESO) was tested in a mixture with the PDMS-based polymer and polyethylene glycol (PEG) 400. The BC composites owned distinct performances, manipulated by varying the percentage of polymer. Then, composites were developed with the AESO resin previously emulsified and in mixtures with PDMS, PFC and PEG, resulting in composites thermally stable (up to 200 °C) and, overall, with suitable mechanical properties for the proposed application (maximum tensile strength of 35.9 MPa). Finally, it was validated the development of composites using an ecological redox system for the polymerization of AESO, as well as the finishing with a biocide and the dyeing of the composites. The association of activated vegetable oils with BC membranes constituted an innovative and promising approach for the development of an environmentally friendly product, almost exclusively composed of biological and recyclable materials, with potential for application in the textile and footwear industries, contributing to the reduction of the animal hide dependency.