Síntesis y modificación de nanocristales de celulosa (Ncc) para el desarrollo de bioadhesivos

Abstract

Los productos de ingeniería en madera (EWP) son innovadores y sostenibles, ya que un aprovechamiento de la materia prima renovable y de sus residuos contribuye al cuidado de los ecosistemas, de las personas y el desarrollo de una economía circular. La dependencia a los hidrocarburos y materiales sintéticos no contribuye a una reducción en las tasas de emisión de GEI y COV. La utilización de APTES para un recubrimiento de materiales celulósicos se considera una alternativa ecológica y socialmente aceptable, más aún si este se ve potenciado con el desarrollo de nuevas nanotecnologías que permitan satisfacer demandas para un adhesivo maderero, que no sea dañino o que reduzca la dependencia a los combustibles fósiles. En este proyecto se estudió la síntesis y modificación superficial de los nanocristales de celulosa (NCC) obtenidos a partir de pulpa blanqueada de Eucalyptus sp. Para esto se utilizaron dos fuentes de celulosa, una pulpa kraft blanqueada y otra pulpa no blanqueada, que fue sometida a un proceso doble de blanqueo utilizando clorito de sodio, removiendo la lignina y aumentando la presencia de grupos hidroxilos de la muestra para ser funcionalizados. Los NCC se sintetizaron usando un proceso ácido mediante el uso de ácido sulfúrico con concentraciones (peso/volumen) de 55% y 60%; durante períodos de tiempo de 20 a 30 minutos y temperaturas de 40°C a 45°C. Las suspensiones de NCC presentaron transmitancias alrededor de 97% indicando la presencia de nanomateriales, además de la utilización de la técnica DLS y AFM para determinar diámetros medios cercanos a los 100 nanómetros, por lo tanto, los nanocristales sintetizados exhibieron características para ser considerados como material nanómétrico. Asimismo, estos NCC mostraron ser coloidalmente estables dado que el potencial Z arrojó valores de −25 mV. Para mejorar las propiedades y compatibilidad de los NCC, se funcionalizaron los grupos hidroxilos presentes utilizando (3-aminopropil)trietoxisilano (APTES) como agente modificador el cual recibió pre-tratamientos para ser reaccionados con los NCC en condiciones de 80°C durante períodos de tres y 24 horas. La funcionalización de los NCC se determinó mediante técnicas como espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), ángulo de contacto y TGA. Los resultados demostraron la funcionalización de los nanocristales de celulosa, mejorando sus propiedades de compatibilidad para que estos puedan ser polimerizados y ser utilizados para el desarrollo de adhesivos madereros.

Engineered wood products (EWP) are innovative and sustainable due to the utilization of renewable raw materials including wastes. Their use contributes to the care of ecosystems, people, and the development of a circular economy. Dependence on hydrocarbons and synthetic materials does not aid in a reduction in GHG and VOC emission rates. The use of (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) for a coating of cellulosic materials is considered an ecologically and socially acceptable alternative, even more so if it is enhanced with the development of new nanotechnologies that allow the demands for a bio-based wood adhesive that reduces the dependence on fossil fuels to be satisfied. This project studied the synthesis and surface modification of cellulose nanocrystals (NCC) obtained from bleached pulp of Eucalyptus sp. Two cellulose sources were used, a bleached kraft pulp and an unbleached pulp, which was subjected to a double bleaching process using sodium chlorite, removing lignin and increasing the presence of hydroxyl groups of the sample to be functionalized. The NCCs were synthesized using an acidic process by using sulfuric acid with concentrations (wt/vol) of 55% and 60%; for time periods of 20 to 30 minutes and temperatures of 40°C to 45°C. The NCCs obtained around 97% transmittance indicating the presence of nanocrystals, in addition DLS technique determined an average diameter close to 100 nanometers so as to be considered as a nanomaterial and to be colloidally stable since they possess Zeta potential values around 25 mV. To improve the properties and compatibility of the NCCs, the hydroxyl groups present were functionalized using APTES as a modifying agent which received pre-treatments to be reacted with the NCCs at 80°C conditions for periods of between three and 24 hours. The functionalization of the NCCs was determined by techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), contact angle and Thermogravimetric Analysis (TGA). The results demonstrated the functionalization of the cellulose nanocrystals, improving their properties and compatibility so that they can be polymerized and used for the development of wood adhesives.