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  • 8/10/2019 Paper Wiskers

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    OPAPEL-Julho2009

    34

    OPA

    PELvol.70,num.0

    7,pp.3

    4-

    52JUL2009

    Artigo Tcnico

    Nanocristais de celulose

    Cellulose whiskers

    Palavras-chave: Condies de hidrlise, material de reforo,matriz polimrica, nanocompsitos, nanocristais de celulose,whiskersde celulose

    RESUMONanocristais de celulose, tambm conhecidos como

    whiskers, so os domnios cristalinos de fontes celulsicas.Essas nanopartculas, quando isoladas, tm sido avaliadascomo material de reforo em matrizes polimricas pelo seu

    potencial em melhorar as propriedades mecnicas, pticas,

    dieltricas, dentre outras, dessas matrizes.Recentes trabalhos de literatura, envolvendo matria

    prima, processo de isolamento, caracterizao e desempenhode nanocristais de celulose isolados, foram considerados naelaborao deste trabalho.

    Tabelas sumarizando as caractersticas dimensionaiscom suas respectivas fontes, descrio de processos de iso-lamento, condies de hidrlise, tcnicas de determinaoe desempenho desse material em suspenso e em matrizes

    polimricas so apresentadas.No trabalho constam, tambm, desaos a serem ultrapas-

    sados nessa promissora rea de pesquisa, especialmente noque diz respeito dispersividade dos nanocristais relacionadaa sua tendncia aglomerao e a sua compatibilidade com

    polmeros hidrofbicos comerciais.

    INTRODUOAs pesquisas para o desenvolvimento de materiais bio-

    degradveis de fontes renovveis so crescentes. A disponi-bilidade de biopolmeros, relativamente mais baratos, quese apresentam em abundncia na natureza, pode ser citadacomo uma razo importante. Um exemplo de biopolmeros

    com estas vantagens a celulose.O recente interesse na utilizao de partculas nanom-

    tricas rgidas como materiais de reforo em matrizes polim-ricas, compsitos ou nanocompsitos, tem aumentado. Dois

    bons exemplos desses t ipos de partculas so os nanotubosde carbono e os nanocristais de celulose.

    Keywords:Cellulose nanocrystals, cellulose

    whiskers, hydrolysis conditions, nanocomposites,

    polymeric matrix, reinforcement material

    ABSTRACT

    Cellulose nanocrystals, also known as cellulose whis-

    kers, are the crystalline domains of cellulosic sources.

    These nanoparticles, when isolated, have been evaluated

    as reinforcement material in polymeric matrixes due to

    their potential to improve, among others, the mechanical,

    optical, and dielectric properties of these matrixes.

    Recent literature works, involving raw material,

    isolation process, characterization, and perfor-

    mance of isolated cellulose whiskers, were consid-

    ered when working out this paper.

    Tables summarizing the dimensional characteris-

    tics with their respective sources, description of iso-

    lation processes, hydrolysis conditions, techniques of

    determination and performance of this material in sus-

    pension and in polymeric matrixes are presented.

    Also contained in this work are challenges to be

    met in this promising research area, especially withregard to whisker dispersibility, connected with their

    tendency towards agglomeration, and their compat-

    ibility with commercial hydrophobic polymers.

    INTRODUCTION

    Research for development of biodegradable

    materials from renewable sources is increasing.

    The availability of biopolymers, relatively cheaper,

    which occur in abundance in nature, can be cited

    as an important reason. An example of biopolymers

    presenting these advantages is cellulose.The recent interest in using stiff nanometric parti-

    cles as reinforcement materials in polymeric matrixes,

    composites or nanocomposites, has been increasing.

    Two good examples of these types of particles are

    carbon nanotubes and cellulose nanocrystals.

    Autores/Authors*: Deusanilde de Jesus SilvaMaria Luiza Otero DAlmeida

    *Referncias dos Autores / Authors references:

    Instituto de Pesquisa Tecnolgicas do Estado de So Paulo IPT/Laboratrio de Papel e Celulose

    Av. Prof. Almeida Prado, 532, Cidade Universitri a 05508-901 So Paulo SP - Fone: 11 3767 4446, Fax: 11 3767 4098

    Institute for Technological Research of the State of So Paulo - IPT/ Pulp and Paper Laboratory

    Av. Prof. Almeida Prado, 532, Cidade Universitri a 05508-901 So Paulo SP, Brazil - Phone: +55 11 3767-4446, Fax: +55 11 3767 4098

    E-mails: deusa@ipt.br e/andmalu@ipt.br

    PEER-REVIEWED ARTICLE

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    Nanocristais de celulose, tambm reportados na literaturacomo whiskers, nanobras, cristalitos ou cristais de celulose,so os domnios cristalinos de bras celulsicas isolados

    por meio de hidrlise cida, e so assim chamados devidoa suas caractersticas fsicas de rigidez, de espessura e decomprimento.[1]

    Milewski (1994), citado por Samir et al.(2005),[2]reporta

    que os whiskers de celulose so regies que crescem sobcondies controladas, o que permite a formao de cristaisindividuais de alta pureza. Sua estrutura altamente ordenada

    pode conferir no somente alta resistncia, mas tambmmudanas signicativas em algumas propriedades impor-tantes de materiais, tais como eltrica, ptica, magntica,ferromagntica, dieltrica e de condutividade.

    O polmero de celulose que constitui os whiskers forma-do por unidades de glicose que contm trs grupos hidroxilaslivres ligados aos carbonos 2, 3 e 6, os quais so responsveis

    pelas interaes intermoleculares. A partir dessas interaes,

    sucessivas estruturas so formadas, dando origem paredecelular da bra: micelas, agrupamento das cadeias em feixes;

    microbrilas, agregados de micelas; e brilas, agregados

    de microbrilas que tambm podem ser denominados de

    macrobrilas. Portanto, as microbrilas que compem as

    bras, resultantes do arranjo das molculas de celulose, so

    constitudas de regies cristalinas, altamente ordenadas, eamorfas, desordenadas (Figura 1). As regies cristalinasso resultados da ao combinada da biopolimerizao ecristalizao da celulose comandada por processos enzim-ticos. As regies amorfas so resultados da m formao da

    estrutura devido alterao no processo de cristalizao.Essas so denominadas, por alguns autores, de regies emque a cristalizao ocorreu com defeito.[2-4]

    A proporo entre as regies cristalina e amorfa,que determina o grau de cristalinidade e as caracters-ticas dimensionais dos domnios cristalinos, varivel.Alm disso, os processos de isolamento podem originarwhiskerscom caractersticas di ferentes que inuenciaro

    Cellulose nanocrystals, also reported in the lit-

    erature as whiskers, nanofibers, cellulose crystallites

    or crystals, are the crystalline domains of cellulosic

    fibers, isolated by means of acid hydrolysis, and are

    called in this way due to their physical characteristics

    of stiffness, thickness, and length.[1]

    Milewski (1994), cited by Samir et al. (2005),[2]reports

    that cellulose whiskers are regions growing under con-

    trolled conditions, which allows individual high-purity

    crystals to form. Their highly ordered structure may not

    only impart high resistance, but also make signicant

    changes to some important properties of materials, such as

    electrical, optical, magnetic, ferromagnetic, and dielectric

    nature, as well as concerning conductivity.

    The cellulose polymer constituting the whiskers is

    formed by units of glucose containing three free hydroxyl

    groups bonded with carbons 2, 3, and 6, which are re-

    sponsible for the intermolecular interactions, which suc-

    cessive structures are formed from, giving rise to the cell

    wall of the ber: micelles, chain grouping into bundles;

    microbrils, micelle aggregates; and brils, microbril

    aggregates that can be also called macrobrils. There-

    fore, the microbrils composing the bers, resulting from

    the cellulose molecule arrangement, are constituted by

    crystalline, highly ordered; and amorphous, disordered

    regions (Figure 1). Crystalline regions are the result of

    the combined action of cellulose biopolymerization and

    crystallization, commanded by enzymatic processes. The

    amorphous regions are the result of bad structure forma-

    tion, due to an alteration in the crystallization process.They are called by some authors regions in which a

    defective crystallization occurred. [2-4]

    The proportion of crystalline to amorphous regions,

    determining the degree of crystallinity and the dimen-

    sional characteristics of crystalline domains, is variable.

    Furthermore, the isolation processes may give rise to

    whiskers with different characteristics, which will dif-

    Figura 1.Ilustrao das regies cristalinas e amorfas que compem a estrutura das microfibrilas. Detalhe: cristal de celulose.Extrado e adaptado de Tamen et al.(2005)[5]/ Figure 1.Illustration of crystalline and amorphous regions composing the microfibril structure.

    Detail: cellulose crystal. Extracted and adapted from Tamen et al.(2005)[5]

    Regio amorfa

    Amorphous region

    Regio cristalina (Cristal de celulose)Crystalline region (Cellulose crystal)

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    de maneira distinta os compsitos com eles formados. Nasregies cristalinas existe um arranjo geomtrico que se

    repete nos eixos principais da estrutura cr istalina - eixoscristalogrcos - para formar o volume total do cristal. Em

    cristalograa, a esse a rranjo geomtrico d-se o nome