Synthesis and characterization of TiO2/cellulose nanocomposites

Abstract

O objectivo principal desta tese foi a preparação, caracterização e estudo de possíveis aplicações de novos nanocompósitos de TiO2/celulose. Numa primeira fase, os nanocompósitos de TiO2/celulose foram preparados a partir da síntese in situ do TiO2 na presença de fibras celulósicas. Para esta síntese estudaram-se os parâmetros experimentais que permitem controlar a hidrólise do tetracloreto de titânio (TiCl4) e ureia, na presença de fibras celulósicas. Através desta abordagem in situ verificou-se que a concentração de ureia permite controlar a quantidade de TiO2 e a fase cristalina nos nanocompósitos. Existem evidências que as fibras celulósicas promovem a nucleação e o crescimento das partículas de TiO2 na sua superfície, conferindo um perfeito revestimento das fibras com nanopartículas de TiO2, com percentagem de TiO2 entre 5,6 e 23% (m/m) dependendo das condições de síntese. Contudo uma contrariedade foi identificada após esta síntese, verificou-se que após exposição solar os nanocompósitos preparados adquiriram uma cor amarelada, o que pode ser indicativo da destruição das fibras da celulose devido às propriedades semicondutoras do TiO2. Para proteger o substrato da fotodegradação promovida pelo TiO2, estudaramse novas abordagens para a preparação deste tipo de materiais, nomeadamente ligação de nanopartículas de TiO2 (previamente sintetizadas) à fibra por método de deposição por camadas de polielectrólitos (em inglês Layer-by-Layer (LbL)). Esta abordagem foi aplicada não só a fibras não revestidas mas também a fibras previamente protegidas com diferentes silanos. Dependendo do tipo de silanos usados para proteger a fibra, novas propriedades dos nanocompósitos finais foram obtidas, em particular hidrofobicidade e estabilidade térmica. Os nanocompósitos e nanoparticulas foram caracterizados por, TEM, SEM, FTIR, TGA e DRX. Devido às propriedades intrínsecas do dióxido de titânio, estudou-se a possível aplicação destes materiais em fotocatálise e como agentes antibacterianos. Ambos os estudos revelaram que estes novos nanocompósitos possuem propriedades fotocatílticas e antibacterianas interessantes. Os nanocompositos de TiO2/celulose podem resultar em interessantes aplicações, como materiais de embalagem ou materiais funcionais, explorando assim as propriedades específicas do TiO2 tais como o elevado índice de refracção e as características semicondutoras.

ABSTRACT: The aim of the present thesis was the preparation and characterization of TiO2/cellulose nanocomposites. TiO2/cellulose nanocomposites were first prepared using an in situ methodology based on the controlled hydrolysis of titanium tetrachloride (TiCl4) and urea, in the presence of wood cellulosic fibres. There is evidence from this study that the urea concentration allows to control both the content of TiO2 and the crystalline phase in nanocomposites. Depending on the experimental conditions used, the cellulose fibres promoted the nucleation and growth of TiO2 particles on their surfaces, yielding homogeneously coated fibres with TiO2 content between 5.6 and 23.0% (w/w). However, one drawback was identified in these new nanocomposites, after light exposure the nanocomposites turned yellowish possibly due to degradation of cellulose fibres due to the photoactivity of TiO2 nanoparticles. To protect the substrate from the TiO2 photodegradation, two different chemical modifications of cellulose surface were performed: Layer-by-Layer (LbL) assembly with polyelectrolyte agents and silanization with functional silane agents. Depending on the type of silane used, new properties of nanocomposite materials were achieved like hydrophobicity and fire retardance. After this cellulose surface treatment, TiO2 nanoparticles were deposited on top of the protective layer. All the materials were characterized by TEM, SEM, FTIR, TGA and DRX. Due to the semiconductor properties of titanium dioxide, these new nanocomposites may find interesting applications namely in photocatalysis and antibacterial applications. Both applications were studied and showed that TiO2/cellulose nanocomposites may have good performances in those fields. TiO2/cellulose nanocomposites materials may have interesting applications, namely as fibres in composites for packing applications or as functional materials, exploring specific properties of TiO2 such as its high refraction index or its semiconductor nature.