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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-08102021-095559
Document
Auteur
Nom complet
Gustavo de Souza
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2021
Directeur
Jury
Carvalho, Antonio José Felix de (Président)
Belgacem, Mohamed Naceur
Bettini, Sílvia Helena Prado
Grande, Rafael
Petri, Denise Freitas Siqueira
Titre en anglais
Modified nanofibrillated cellulose (NFC) films: different strategies to enhance hydrophobicity and barrier to water vapor and oxygen
Mots-clés en anglais
Barrier to water vapor and oxygen
Beeswax
Blocked isocyanates
Films
Hydrophobization
Nanofibrilated cellulose
Packaging
Resumé en anglais
Unmodified or modified nanofibrilated cellulose (NFC) can be employed to produce films by means of controlled drying processes to form compact three-dimensional networks, giving rise to low permeable and high strength films, with the potential to compete with synthetic polymers in packaging applications. However, due to the high hydrophilicity these films have applications limited to conditions of relative humidity below 60%. Above this value, water acts as a plasticizer, drastically reducing mechanical and barrier properties. The present work describes four strategies for obtaining hydrophobic and low permeable films to water vapor and oxygen. Three strategies involve chemical modification through the use of blocked isocyanates, being 1) superficial modification of the NFC film by dipping in solution; 2) obtaining films from a composition containing an aqueous suspension of NFC and an aqueous emulsion of a blocked (poly) isocyanate; 3) synthesis of a blocked polyethylene glycol diisocyanate and its use for the production of a composite where the matrix is formed by the PEG chains covalently bonded to the NFC reinforcement. For the three chemical modification strategies, the films were produced by casting and subjected to a thermal treatment to de-block the isocyanate. In strategy 4) a physical modification was proposed in which the films were formed by casting of a mixture containing an emulsion of beeswax and a suspension of NFC. Each strategy gave rise to a scientific paper that is presented individually. The set of published and not yet published papers makes up the present thesis. The physical properties (density and porosity), mechanical, morphological, thermal, water absorption, contact angle with water and water vapor and oxygen permeation were evaluated. In addition to the papers, a comparative discussion between the strategies is presented. In general, the proposed chemical and physical modifications were responsible for hydrophobization, increased water resistance and gas barrier properties, demonstrating the potential of the proposed strategies for the manufacture of high performance films in packaging whose raw material is from renewable source.
Titre en portugais
Filmes de celulose nanofibrilada (NFC) modificadas: diferentes estratégias para aumentar a hidrofobicidade e a barreira a vapor de água e oxigênio
Mots-clés en portugais
Barreira à vapor de água e oxigênio
Celulose nanofibrilada
Cera de abelha
Embalagens
Filmes
Hidrofobização
Isocianatos bloqueados
Resumé en portugais
A celulose nanofibrilada (NFC) não modificada ou modificada pode ser empregada para a fabricação de filmes por meio de processos de secagem controlados para formar redes tridimensionais compactas, dando origem a filmes de elevada resistência mecânica e pouco permeáveis, com potencial para a substituição de polímeros sintéticos em aplicações em embalagens. Contudo, devido a elevada hidrofilicidade esses filmes têm aplicações limitadas à condições de umidade relativa abaixo de 60%. Acima desse valor a água atua como plastificante, reduzindo drasticamente as propriedades mecânicas e de barreira. O presente trabalho descreve quatro estratégias para obtenção de filmes de NFC hidrofóbicos e de baixa permeação a vapor de água e oxigênio. Três estratégias envolvem a modificação química por meio do uso de isocianatos bloqueados sendo 1) modificação superficial do filme de NFC por mergulho em solução; 2) obtenção de filmes a partir de uma composição contendo uma suspensão aquosa de NFC e uma emulsão aquosa de um (poli)isocianato bloqueado; 3) síntese de um di-isocianato bloqueado de polietileno glicol e sua utilização para a produção um compósitos onde a matriz é formada pelas cadeias de PEG ligadas covalentemente ao reforço de NFC. Para as três estratégias de modificação química os filmes foram produzidos por secagem (casting) e submetidos a um tratamento térmico de desbloqueio do isocianato. Na estratégia 4) foi proposta uma modificação física na qual os filmes foram formados a partir da secagem de uma mistura contendo uma emulsão de cera de abelha e uma suspensão de NFC. Cada estratégia deu origem a um artigo científico que é apresentado individualmente. O conjunto dos artigos publicados compõe a presente tese. Foram avaliadas as propriedades físicas (densidade e porosidade), mecânicas, morfológicas, térmicas, de absorção de água, de ângulo de contato e de permeação a vapor de água e ao oxigênio. Além dos artigos, uma discussão comparativa entre as estratégias é apresentada. De modo geral, as modificações químicas e física propostas foram responsáveis pela hidrofobização, aumento da resistência à agua e das propriedades de barreira a gases, demonstrando o potencial das estratégias propostas para a fabricação de filmes de alto desempenho em embalagens cuja matéria prima seja de fonte renovável.
 
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Date de Publication
2021-10-15
 
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