Preparation of NFC-based films with incorporated minerals for packaging and printed electronics uses

Abstract

Ao longo dos anos, alternativas mais ecológicas e sustentáveis têm vindo a ser procuradas com o objetivo de substituir plásticos e outros materiais que poderão ser fonte de poluição. Sendo a celulose um recurso renovável, esta apresenta-se como uma boa opção, especialmente quando exploradas as nanoceluloses, dadas as suas excelentes propriedades. O objetivo da presente dissertação é a identificação de alternativas adequadas ao uso dos plásticos, recorrendo a celuloses nanofibriladas (NFC), obtidas por diferentes tratamentos de pasta branqueada de eucalipto, e minerais (paligorsquite e sepiolite), para produzir filmes com melhores propriedades mecânicas e de barreira à passagem de gases, mantendo, ao mesmo atempo, a elevada transparência à luz associada às NFCs.Este trabalho foi dividido em duas etapas principais: i) estudos por cromatografia gasosa inversa (IGC) para avaliar as propriedades físico-químicas da superfície dos materiais (NFC e minerais), e ii) preparação de filmes à base de NFCs. Usaram-se NFCs obtidas por três tipos distintos de pré-tratamento (mecânico, enzimático ou químico (oxidação mediada pelo radical TEMPO)), e diferentes quantidades de minerais foram incorporadas nos filmes (0%, 10% e 50%). Para preparar os filmes, utilizaram-se técnicas de evaporação de solvente e de filtração a vácuo e, para a última, dois métodos de secagem. Realizaram-se também ensaios de tração, tendo-se ainda medido a espessura e a transmitância à luz dos filmes.A componente dispersiva da energia de superfície (γsd) seguiu uma tendência decrescente, com o aumento da temperatura, na gama de 35-50ºC, tendo-se obtido valores desde 32 a 49 mJ.m-2, sendo a NFC mecânica a que exibiu o maior valor de γsd (48.9 mJ.m-2, a 35ºC). Ao injetar provas polares, verificou-se a prevalência do carácter ácido de Lewis de todas as NFCs. As componentes específicas da entalpia e entropia de adsorção das provas polares não foram consideradas devido aos baixos coeficientes de correlação. A superfície dos minerais foi também avaliada, obtendo-se valores para γsd, a 240ºC, de 115.9 e 83.4 mJ.m-2 para a sepiolite e paligorsquite, respetivamente.Os filmes sem minerais incorporados evidenciaram-se transparentes, sendo possível ver através dos mesmos. Mesmo quando utilizado 10% de mineral, alguns filmes mantiveram-se bastante transparentes, especialmente aqueles obtidos a partir de NFC quimicamente pré tratada (NFCs oxidadas com TEMPO). Efetivamente, foram obtidos resultados promissores para a transmitância no visível (LT) com 10% de mineral para NFCs oxidadas com TEMPO: valores de LT de 19.6 e 30.2% para NFCs TEMPO 110 e 165. Filmes com 50% de mineral resultaram num aumento significativo da opacidade. A filtração a vácuo levou a filmes com maior espessura, o que se traduziu numa menor transparência observada nestes filmes. Relativamente às propriedades mecânicas, os filmes preparados através da filtração originaram os melhores resultados, resistindo a tensões até 83.9 MPa para filmes apenas com NFC, e até 77.4 MPa para a NFC enzimática com 10% de mineral. O presente trabalho proporcionou resultados promissores relativamente à preparação de filmes compósitos híbridos orgânico-inorgânico, podendo os mesmos ser melhorados através de técnicas como a filtração por membranas, ou alterando as condições de pH, para procurar obter filmes com melhores propriedades.

Over the years, more ecological and sustainable alternatives are being pursued to replace plastics and other pollutant sources. Cellulose, being a renewable resource, becomes a good replacement option, especially when further exploited into nanocellulose since it attains excellent properties. The purpose of this dissertation is finding suitable alternatives for the use of plastics, using nanofibrillar celluloses (NFC), obtained from different pre-treatments of bleached eucalyptus pulp, and fibrous clays (sepiolite and palygorskite), to produce films with improved mechanical and gas barrier properties, while maintaining the high transparency to light associated with NFCs.This work was divided in two main stages: i) inverse gas chromatography (IGC) studies, to assess the physicochemical properties of the materials’ surfaces (NFC and minerals) and ii) preparation of NFC-based films. Three different NFCs obtained from different pre-treatments were used (mechanical, enzymatic or chemical (TEMPO-mediated oxidation)), and different quantities of minerals were incorporated in the films (0%, 10% and 50%). To prepare these films, solvent casting and vacuum filtration were the used techniques, and for the latter, two drying methods. Elongation at break tests were also performed, as well as the measurement of their thickness and light transmittance. The dispersive component of the surface energy (γsd) followed a decreasing tendency when increasing the temperature, in the range of 35 to 50ºC, obtaining γsd values from 32 to 49 mJ.m-2, with the mechanical pre-treated NFC exhibiting the highest value for γsd (48.9 mJ.m-2 at 35ºC). By injecting polar probes, the prevalent Lewis acidic character of the NFC samples was determined. The specific components of the enthalpy and entropy of adsorption of polar probes were not considered due to a poor correlation coefficient. Minerals’ surfaces were also evaluated, with γsd values of 115.9 and 83.4 mJ.m2, at 240ºC, for sepiolite and palygorskite, respectively.Films without incorporated minerals were transparent and could be see-through. Even with 10% mineral, some films were still very transparent, especially those from chemically pre-treated NFCs (TEMPO-oxidized NFCs). Promising results for light transmittance (LT) were attained with 10% mineral in TEMPO-oxidized NFCs, that achieved a value of 19.6 and 30.2% for NFC TEMPO 110 and 165. Increasing the mineral content to 50% lead to a massive increase in opacity. Filtrated films exhibited higher thicknesses, which led to a lower transparency observed in these films. Regarding mechanical properties, filtrated films yielded the best results, by resisting to a tensile strength up to 83.9 MPa for a pure NFC film, and up to 77.4 MPa was achieved for the enzymatic NFC with 10% mineral.This work produced promising results regarding the preparation of hybrid organic-inorganic composite films. The results of this dissertation could be further improved by using new approaches, such as membrane filtration or altering the pH conditions, to obtain films with better properties.