Preparação e avaliação da permeabilidade de substratos de celulose modificados

Abstract

O presente trabalho tem como principal objectivo a modificação química heterogénea controlada de dois substratos celulósicos, celofane e celulose bacteriana, com derivados de ácidos gordos (cloretos de hexanoílo e dodecanoílo) de modo a aumentar o carácter hidrofóbico destes substratos e consequentemente o seu leque de aplicações. Para esterificar os substratos celulósicos sem que ocorra degradação dos mesmos foi necessário optimizar as condições de tempo e temperatura de reacção, verificando-se que as condições mais adequadas são: 30 min a 80ºC para os filmes de celofane com cloreto de hexanoílo, 50 min a 80ºC para os filmes de celofane com cloreto de dodecanoílo, e 50 min a 115ºC para a celulose bacteriana com cloreto de hexanoílo. A ocorrência da modificação química foi confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier com Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. A Análise Termogravimétrica (TGA) indicou que os substratos celulósicos esterificados são menos estáveis que os não esterificados, apesar da modificação ter ocorrido essencialmente à superfície, como comprovado pelos baixos graus de substituição e pela preservação do padrão de difracção de Raio-X típico dos substratos não modificados. A permeabilidade ao vapor de água (WVP) dos substratos celulósicos modificados com os derivados de ácidos gordos diminui consideravelmente em relação aos não modificados, o que também comprova o aumento da hidrofobicidade após a modificação. A WVP do celofane não modificado e do celofane modificado com cloreto de hexanoílo aumenta com o aumento da humidade relativa, não existindo no entanto uma relação monótona. A avaliação da permeabilidade aos gases, medida através do método de “timelag”, demonstrou que a modificação química superficial do celofane com cloreto de hexanoílo não influencia a permeabilidade ao dióxido de carbono, em condições de 0% de humidade relativa, sendo o seu valor muito reduzido. Não se observou diferença entre permeabilidade ao oxigénio relativamente à permeabilidade ao dióxido de carbono para celofane esterificado com cloretos de hexanoílo. Este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada do celofane e da celulose bacteriana com derivados de ácidos gordos, representa um exemplo interessante de preparação de novos materiais poliméricos biodegradáveis, obtidos a partir de fontes renováveis, para possíveis aplicações na indústria de embalagem alimentar.

ABSTRACT: The main objective of the present work is to study the controlled heterogeneous chemical modification of two cellulose substrates, cellophane and bacterial cellulose, with fatty acid derivatives (hexanoyl chlorides and dodecanoyl), in order to increase their hydrophobic character and consequently their range of applications. To esterify the cellulose substrates without degradation it was necessary to optimize the time and temperature reaction conditions. The most adequate conditions found are 30 mins at 80ºC for celophane film with hexanoyl chloride: 50 mins at 80ºC for celophane film with dodecanoyl chloride and 50 mins at 115ºC for bacterial cellulose with hexanoyl chloride. The chemical modification was followed by FTIR-ATR spectroscopy, elemental analyses (EA) and contact angles measurements. The Thermogravimetric Analysis (TGA) showed that the esterified cellulose substrates are less stable than the non-esterified ones, even though the modification occurred only at surface, fact that has been proved by the low substitution degree and by the unchanged pattern of x-ray diffraction of the non-modified substrates. As expected, the permeability to water vapour (WVP) of the modified cellulose substrates with fatty acids derivatives decreases considerably in relation to the non-modified, confirming the increase of the hydrophobocity after the modification. The WVP of non-modified cellophane and modified with hexanoyl chloride increases with the relative humidity (RH) content, in a non-continuous manner. The permeability of gases measured with the time-lag method indicated that the superficial chemical modification of the cellophane with hexanoyl chloride does not influence its permeability to carbon dioxide at 0% of RH and its value is very low. Furthermore, no difference was found between the permeability to oxygen and carbon dioxide for esterified cellophane with hexanoyl chlorides. In conclusion, this research shows that the controlled heterogeneous chemical modification of the cellophane and bacterial cellulose with fatty acid derivatives is an interesting example of preparation of new biodegradable polymeric materials obtained from renewable resources, for possible application in the food packaging industry.