Synthesis and characterization of cellulose/CaCO3 nanocomposites

Abstract

Nanocompósitos de celulose/CaCO3 foram preparados através da reacção controlada em meio alcalino entre cloreto de cálcio e carbonato de dimetilo na presença de fibras de celulose. O efeito de vários parâmetros reaccionais (tempo e temperatura de reacção, quantidade de fibra, e conteúdo de grupos carboxilo na celulose) nas características dos nanocompósitos foi avaliado por ICP-AES, IR, XRD, SEM, TGA, ToF-SIMS e XPS. Os resultados indicam que as condições de hidrólise influenciam a quantidade e morfologia das partículas de CaCO3 depositadas na surperfície das fibras de celulose: (i) a quantidade e o tamanho das partículas de CaCO3 depositadas nas fibras de celulose aumentam com o tempo de reacção; (ii) reacções realizadas a 25ºC originam nanopartículas esféricas de CaCO3, enquanto que a 70ºC originam microagregados de Ca(OH)2; (iii) suspensões de fibra de baixa consistência favorecem a formação de partículas esféricas; (iv) a presença de grupos carboxilo na celulose promove o crescimento controlado do CaCO3 à superfície das fibras. Compósitos de matriz polimérica de polietileno são uma possível aplicação para os nanocompósitos de celulose/CaCO3. O uso dos nanocompósitos como fase de reforço originou materiais compósitos com maior módulo de armazenamento do que o polietileno. Para além disto, o valor do módulo de armazenamento dos compósitos de PE reforçados com celulose/CaCO3 é superior ao módulo dos compósitos de PE reforçados só com fibras de celulose.

ABSTRACT: Nanocomposite materials of cellulose/CaCO3 were prepared by the controlled reaction between calcium chloride and dimethylcarbonate in alkaline medium in the presence of cellulosic fibres. The effect of several reaction parameters (reaction time, temperature, fibre quantity and extent of cellulose modification) on the final characteristics of the nanocomposite materials was investigated by ICP-AES, IR, XRD, SEM, TGA, ToF-SIMS and XPS. The results showed that the hydrolysis conditions strongly influenced the quantity and morphology of CaCO3 particles deposited on the surface of cellulosic fibres: (i) the amount and size of CaCO3 deposited on the cellulose fibres increased with increasing reaction time; (ii) the reactions performed at 25ºC originated nanosized CaCO3 particles with spheroid morphology, while at 70ºC micrometric aggregates of Ca(OH)2 were obtained; (iii) lower consistencies of the reacting suspensions favoured the formation of spheroidal particles; (iv) the presence of carboxyl groups at the cellulose surface promoted the selective control growth of CaCO3 on the surface of the fibres. Polymer matrix composites of polyethylene were a potential application for the nanocomposites of cellulose/CaCO3. The use of the nanocomposites as reinforcing phase originated composite materials with higher storage modulus than neat PE. Besides, the modulus of PE composites reinforced with cellulose/CaCO3 materials was even higher than the corresponding modulus of PE composites reinforced with only cellulose fibres.