Um novo compósito estruturado em sanduíche foi desenvolvido a partir das camadas superficiais de polihidroxialcanoato (PHA) e da camada intermediária de ácido polilático e microfibras de celulose. As microfibras de celulose biodegradáveis ​​podem ser modificadas quimicamente com um processo sol-gel para melhorar a compatibilidade entre o reforço natural e a matriz polimérica.

Enquanto as microfibras de celulose modificadas foram desenvolvidas quimicamente através de diferentes processos para melhorar a compatibilidade do reforço natural na matriz polimérica, as microfibras de celulose modificada apresentaram características altamente hidrofóbicas com dispersão homogênea na matriz de ácido polilático.

Masoud Dadras Chomachayi e uma equipe de pesquisa da Universidade Laval, no Canadá, observaram análises termogravimétricas das construções para mostrar melhor estabilidade térmica. Eles melhoraram as propriedades mecânicas das construções para aumentar seu módulo de tração e resistência. Quando os cientistas adicionaram fibras não tratadas às construções, a permeabilidade ao vapor de água do compósito sanduíche aumentou para mostrar a superioridade das microfibras de celulose modificadas quando comparadas às microfibras de celulose não tratadas para desenvolver envelopes de construção.

A pesquisa é publicada na revista Scientific Reports .

A arte de construir uma envolvente de edifício

A envolvente do edifício é uma parte essencial da estrutura do edifício que protege os ocupantes dos impactos ambientais exteriores, incluindo sol, chuva, neve, vento e poluição. Este elemento passivo multicamadas é significativo para a eficiência energética e para manter a saúde e o conforto dos residentes do edifício. O processo de vazamento de ar, transferência de calor e difusão de umidade pode ter um efeito significativo na envolvente do edifício. Por exemplo, em climas frios, a concentração de massa de vapor de água no interior do edifício é maior do que no exterior, causando a migração de humidade através das paredes do edifício.

Como resultado, a humidade difusa pode estimular o crescimento de bolores, reduzindo a eficácia do isolamento e a deterioração dos materiais da envolvente do edifício. Atualmente, há uma variedade de membranas de barreira em uso na indústria da construção, que incluem coberturas plásticas e isolamento de espuma rígida. Dentre esses materiais, os polímeros são cada vez mais utilizados na construção de envelopes. Os cientistas de materiais usam folhas extrudadas de polietileno como uma membrana proeminente de barreira de vapor; entretanto, seu uso excessivo é prejudicial ao meio ambiente.

A composição dos materiais

Como o polihidroxialcanoato e o ácido polilático são biopolímeros importantes na indústria de plásticos, trabalhos recentes têm visto o uso de cargas renováveis ​​à base de celulose como compósitos poliméricos. Neste trabalho, portanto, Chomachayi e colegas desenvolveram uma nova membrana de barreira estruturada em sanduíche a partir de materiais de base biológica, onde adicionaram polihidroxialcanoato às camadas superficiais das membranas devido às suas excelentes propriedades de barreira ao vapor e depois adicionaram ácido polilático como camada intermediária, juntamente com microfibras de celulose. para benefícios ambientais e econômicos.

Os cientistas caracterizaram os compósitos sanduíche preparados em relação à sua morfologia, estabilidade térmica, propriedades mecânicas e desempenho de barreira de vapor. Eles então conduziram um teste de durabilidade para investigar o efeito do envelhecimento acelerado nas propriedades mecânicas e de barreira dos materiais.

Os pesquisadores examinaram a morfologia da superfície das microfibras de celulose antes e depois da modificação e examinaram os resultados com microscopia eletrônica de varredura. Para conferir rugosidade às fibras de celulose, a equipe incorporou nanopartículas esféricas de sílica com diâmetro em nanoescala, de onde derivaram as nanopartículas da hidrólise e nucleação do precursor tetraetilortossilicato nas fibras de celulose.

Usando a análise infravermelha por transformada de Fourier, Chomachayi e colegas determinaram a estrutura química das microfibras de celulose antes e depois da modificação sol-gel. Os cientistas caracterizaram os compósitos sanduíche preparados em relação à sua morfologia, estabilidade térmica e propriedades mecânicas.

Mecanismo de ação

Em seu mecanismo de ação, durante a modificação sol-gel de microfibras de celulose com tetraetilortossilicato e hexadeciltrimetoxissilano, a equipe misturou os materiais combinados em um dispensador e incluiu nanopartículas de dióxido de silício na superfície do material. Após a reação, centrifugaram a mistura e obtiveram microfibras de celulose hidrofílicas, que liofilizaram por dois dias e moeram para obter um pó de celulose. Para preparar as membranas estruturadas em sanduíche, eles criaram compósitos intercamadas de microfibra de ácido polilático/celulose por meio de fundição com solvente e secaram a vácuo os pellets de PHA durante a noite para remover a umidade.

Os cientistas então desenvolveram os compósitos estruturados em sanduíche por meio de moldagem por compressão e os caracterizaram por meio de uma variedade de métodos, incluindo microscopia eletrônica de varredura, medições de ângulo de contato, análises termogravimétricas e calorimetria diferencial de varredura.

Para avaliar o impacto da modificação sol-gel na hidrofobicidade das microfibras de celulose, eles estudaram os resultados usando medições de ângulo de contato. Por exemplo, os valores do ângulo de contacto das microfibras de celulose combinadas e do hexadeciltrimetoxissilano foram superiores aos das superfícies não tratadas. A equipe conduziu uma série de experimentos para caracterizar a composição da superfície do material, a química das construções e suas propriedades mecânicas.

Como o conceito de durabilidade do material ganhou atenção significativa no Canadá, por exemplo, a equipe procurou avaliar a vida útil das folhas de polietileno para uso a longo prazo durante aplicações de membranas de barreira de vapor.

Perspectiva

Desta forma, Masoud Dadras Chomachayi e sua equipe desenvolveram uma membrana estruturada em sanduíche usando materiais de base biológica, que incluíam polihidroxialcanoato, ácido polilático e microfibras de celulose. As membranas de barreira regulavam a migração do vapor de água através das paredes para evitar o acúmulo de umidade e a estabilidade a longo prazo dos materiais de construção. A equipe de pesquisa desenvolveu compósitos multicamadas usando folhas de polihidroxialcanoato e fibras reforçadas com compósitos de ácido polilático para criar microfibras de celulose modificadas incrustadas com nanopartículas esféricas de sílica nas superfícies.

A hidrofilicidade e a estabilidade térmica das microfibras de celulose também foram melhoradas após o processo de modificação sol-gel. Os resultados mostraram como o módulo de Young dos materiais aumentou com a incorporação de dois materiais principais nos compósitos. Os resultados bem-sucedidos simbolizam o potencial dos biopolímeros como alternativas úteis aos materiais convencionais à base de petróleo durante aplicações de construção. Novos estudos visam aumentar a flexibilidade dos compósitos para aplicações mais amplas.

Mais informações: Dadras Chomachayi et al, Desenvolvimento de um novo compósito estruturado em sanduíche a partir de biopolímeros e microfibras de celulose para aplicações em envelopes de construção, Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0
Informações do diário: Relatórios Científicos

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