Okuma Motivasyonu Ölçeği

O efeito da quantidade de NCC presente nos bionanocompósitos QT-NCC nas curvas de tensão-deformação são mostrados na Figura 5.8. Pode-se observar que a presença dos NCCs modifica profundamente as propriedades mecânicas dos compósitos. De um modo geral, uma diminuição da capacidade de deformação das matrizes poliméricas é esperado, uma vez que os NCCs normalmente aumentam a sua rigidez [95]. A partir da 14,3% de NCCs observa-se uma tendência de diminuição da deformação dos filmes (Figura 5.S1 – Anexo 1). No entanto, o efeito da presença dos NCCs nesta propriedade mecânica tem variado de polímero para polímero. Li et al.[92] verificaram um decréscimo bastante significativo na deformação de compósitos de quitosana preparados com NCC de algodão. De Menezes et al. [57] verificaram um aumento da capacidade de deformação de polietileno reforçado com NCC funcionalizado com cloretos de acila, proporcionalmente à concentração de NCCs nos compósitos. Por outro lado, pode ser verificado na Figura 5.8, um aumento significativo na resistência a tração (tensão máxima suportada pelo material) e no módulo elástico (inclinação das curvas, mostrado em detalhes na Figura 5.9) dos bionanocompósitos, proporcional a concentração de NCCs. Os resultados de módulo e tensão máxima e m função da concentração de NCCs são apresentados na Figura 5.10.

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Figura 5.8. Efeito da concentração de NCCs nas curvas de tensão-deformação obtidas para os bionanocompósitos QT-NCC.

Figura 5.9. Ampliação da região de baixa tensão-deformação da Figura 5.8 mostrando a variação do módulo elástico com a concentração de NCCs. O valor do módulo elástico é obtido através do coeficiente angular da curva nesta região. A seta indica o aumento do coeficiente angular proporcional à concentração de NCCs.

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Figura 5.10. Efeito da concentração de NCCs nas propriedades mecânicas, módulo de Young (E) e resistência a tração (σT), dos bionanocompósitos QT-NCC.

O módulo elástico ou módulo de Young é definido de acordo com a Equação 5.4. Nesta equação, σT é a tensão aplicada no material (força por unidade de área) e D é a deformação longitudinal (deformação relativa ao comprimento inicial, sofrida pelo material sob a ação da força). O módulo de Young é uma medida da rigidez do material, ou melhor, à resistência do material em se deformar sob a ação de uma força.

5.4

De acordo com a Figura 5.10, na janela de concentrações de NCCs estudada (0-44% em massa), um aumento aproximadamente linear tanto do módulo de elasticidade quanto da resistência à tração foi verificado. Através da regressão linear é possível estimar um aumento de ~1MPa na resistência a tração e de ~40MPa no módulo de Young para cada incremento de 1% de NCCs na composição do bionanocompósito. Melhorias de até ~115% para a resistência à tração e de ~160% para o módulo foram obtidas com o bionanocompósito QT-NCC preparado com 44% de NCC. Isto indica que a incorporação dos NCC na matriz de quitosana resulta em fortes interações entre as nanocargas e a matriz, como indicado pelos espectros FT-IR obtidos para as amostras. Essa interação restringe o movimento das cadeias da matriz torna ndo o material mais rígido e resistente. Melhorias semelhantes foram observadas por Li et al. [92]. Todavia

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neste trabalho estes resultados foram obtidos com 5 e 10 % de NCCs preparados com algodão. A partir de 20% os autores verificaram um decréscimo na melhora das propriedades, provavelmente devido à formação de agregados que geram pontos frágeis no filme.

Na Tabela 5.2 as propriedades mecânicas de nanocompósitos de quitosana preparados com outros reforços são apresentadas. De acordo com esta Tabela, os resultados obtidos nesta tese são semelhantes, com relação a resistência a tração, aos observados com nanofibrilas de celulose e grafeno. Com relação ao módulo de Young as melhorias obtidas são semelhantes às observadas em nanocompósitos preparados com nanofibrilas de celulose e melhor que os resultados obtidos com nanotubos de carbono com concentração de 0,8%(m/m).

Tabela 5.2. Melhorias observadas por outros autores nas propriedades mecânicas de quitosana com diferentes nanocargas.

Nanocarga Concentração da nanocarga / % (m/m) Melhora do módulo de Young / % Melhora na resistência a tensão / % Referência NCCs 44 160 115 Esta tese NCCs de algodão 20 *** 42 [92] Nanotubos de carbono 0,8 93 99 [144] Grafeno 1 64, 230 122 [145, 261] Montmorilonita 3 *** 61 [152] Nanocristais de quitina 2,96 *** 31 [143] Nanofibrilas de celulosea 20 75 65 [159] Nanofibrilas de celuloseb 60 211 117 [159] a

quitosana de alto massa molecular, b quitosana de baixa massa molecular.

5.2.2 Capacidade de absorção de água

A afinidade por água é um parâmetro de extrema importância para desenvolvimento de bionanocompósitos, uma vez que a maioria dos biopolímeros têm suas propriedades mecânicas comprometidas em ambientes úmidos [5]. Na Figura 5.11 é mostrado o efeito dos NCCs na capacidade de absorção de água obtidas para as amostras QT-NCC com diferentes concentrações de NCC. Como pode ser verificado, tem-se um decréscimo de até ~85% na capacidade de absorção de água na amostra com

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44% de NCCs. Outros autores tem também observado que os NCCs diminuem de forma significativa a afinidade de polímeros hidrofílicos por água [104, 133, 262]. Uma provável explicação é que a alta cristalinidade dos NCCs que dificulta o acesso da água à sua estrutura interna, que encontra-se altamente empacotada devido as intensas ligação de hidrogênio. Além disso, suas semelhanças estruturais com a quitosana, que possui grandes quantidades de grupos capazes de realizar ligações de hidrogênio, facilita a interação entre os materiais e assim os NCCs impede m que moléculas de água se liguem a estrutura do biopolímero. Este resultado é bastante interessante uma vez que a degradação de quitosana está diretamente relacionada à capacidade de absorção de água. Essa maior absorção de água possibilita uma maior acessibilidade às cadeias moleculares mais internas acelerando o processo de degradação [263, 264]. Dessa forma, a diminuição na capacidade de absorção de água pode desacelerar a degradação do biopolímero [263] e, consequentemente diminuir o efeito negativo nas propriedades mecânicas [92], pois tanto a degradação polimérica quanto a água adsorvida afetam negativamente estas propriedades.

Figura 5.11. Efeito da concentração de NCCs na capacidade de absorção de água relativa dos bionanocompósitos QT-NCC.