Desenvolvimento de biocompósitos de celulose sustentáveis para aplicação têxtil

Abstract

A celulose é um polímero de origem natural biodegradável, renovável, com excelentes propriedades mecânicas e que apresenta um baixo custo de obtenção. Como tal, a presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de biocompósitos com celulose misturada com biopolímeros e de compósitos constituídos unicamente por celulose, com potencial de aplicação na indústria têxtil. A produção de compósitos a partir de resíduos têxteis contribui para o desenvolvimento de processos sustentáveis, uma vez que reduz o consumo de matérias-primas e permite dar uma nova função a resíduos que à partida seriam descartados. Nesse sentido, foram utilizados resíduos da indústria têxtil para obter algodão 100% reciclado para, posteriormente, ser utilizado como material de reforço nos diferentes compósitos sintetizados. Os biocompósitos com fibra de celulose misturada com biopolímeros seguiram procedimentos que promoviam a variação da quantidade dos biopolímeros (quitosano e colagénio) e do agente de reticulação (genipina). As propriedades físicas e mecânicas dos biocompósitos foram analisadas, incluindo a densidade, a capacidade de isolamento térmico e a resistência das amostras. Assim, foi possível obter um biocompósito de celulose/quitosano reticulado com genipina com baixa densidade (0,0789 g/cm3) e excelente capacidade de isolamento térmico (k= 0,0100 W/m °C). Na produção dos aerogéis, investigou-se a influência de diferentes precursores de sílica, como o tetraetilortosilicato (TEOS), metiltrimetoxisilano (MTMS) e o silicato de sódio, a temperatura de secagem, uma etapa de troca de solvente, a percentagem mássica de algodão e a introdução de um agente expansor. Realizaram-se diferentes testes para averiguar as propriedades mecânicas e físico-químicas dos aerogéis, para definir as condições ótimas de processamento. Assim, a utilização do precursor silicato de sódio e do bicarbonato de sódio como agente de expansão, permitiu obter estruturas com valores de densidade que variaram de 0,0549 a 0,161 g/cm3, porosidades entre 83,8 e 94,2% e valores de condutividade térmica na gama de 0,0224-0,0491 W/m °C. Por fim, fez-se um aumento da escala do processo de síntese dos aerogéis, para que estes fossem incorporados num substrato têxtil, através da técnica de laminação. Em suma, foi possível obter compósitos de celulose através de processos biotecnológicos e técnicas de síntese mais sustentáveis, com caraterísticas interessantes para aplicação têxtil, tais como, isolamento térmico e acústico.

Cellulose is a biodegradable and renewable polymer of natural origin with excellent mechanical properties and low obtention costs. As such, the aim of this dissertation was to develop biocomposites with cellulose mixed with biopolymers and composites consisting solely of cellulose, with potential application in the textile industry. The production of composites from textile waste contributes to the development of sustainable processes since it reduces the consumption of raw materials and allows waste that would otherwise be discarded to have a new function. To this end, waste from the textile industry was used to obtain 100% recycled cotton, which was later served as a reinforcing material in the different composites synthesised. The biocomposites with cellulose fibre mixed with biopolymers followed procedures that varied the amount used of biopolymers (chitosan and collagen) and of the cross-linking agent (genipin). The physical and mechanical properties of the biocomposites were analysed, including the density, the thermal insulation and the strength of the samples. Thus, it was possible to obtain a cellulose/chitosan biocomposite crosslinked with genipina with low density (0,0789 g/cm3) and excellent thermal insulation capacity (k= 0,0100 W/m °C). For the production of aerogels, the influence of different silica precursors, such as tetraethylorthosilicate (TEOS), methyltrimethoxysilane (MTMS) and sodium silicate, the drying temperature, a solvent exchange step, the percentage of cotton and the introduction of a blowing agent were investigated. Different tests were conducted to ascertain the mechanical and physical-chemical properties of the aerogels in order to define the optimum processing conditions. Thus, the use of sodium silicate precursor and sodium bicarbonate as a blowing agent made it possible to obtain structures with density values ranging from 0,0549 to 0,161 g/cm3, porosities between 83,8 and 94,2% and thermal conductivity values in the range of 0,0224-0,0491 W/m °C. Finally, the aerogels synthesis process was scaled up so that it could be incorporated into a textile substrate using the lamination technique. In short, it was possible to obtain cellulose composites through biotechnological processes and more sustainable synthesis techniques, with interesting characteristics for textile applications, such as thermal and acoustic insulation.