Influence of chemical surface modification of cellulose nanowhiskers on thermal, mechanical, and barrier properties of poly(lactide) based bionanocomposites

Abstract

In the aim of producing fully organic bionanocomposite based on poly(lactide) (PLA), cellulose nanowhiskers (CNW) were grafted by n-octadecyl-isocyanate (CNW-ICN) applying an in situ surface grafting method. The compatibilizing effect of the long aliphatic grafted chain was investigated by thermal, mechanical and permeability analysis of solvent cast nanocomposite films. The grafted CNW-ICN could be successfully dispersed in the polymer matrix. The gained compatibility brought about a nucleating effect, decreasing the half time of isothermal crystallization from 25 min for the neat PLA to 8.4 min for the nanocomposite including 2.5 wt% CNW-ICN, e.g., tensile strength was improved by 10 MPa for the same 2.5 wt% CNW-ICN/PLA composite. Mechanical reinforcement was also effective in the rubbery state of PLA and increased the tensile modulus of the rubbery plateau providing thereby thermal resistance to the polymer. Oxygen barrier properties did not change significantly upon the inclusion of CNW-ICN, even when the quantity of CNW-ICN was increased to 15 wt%. More interestingly, the water vapour permeability of the CNW-ICN nanocomposite was always lower than the one of ungrafted CNW composites, which led to the conclusion that the hydrophobic surface graft and improved compatibility could counteract the effect of inclusion of hydrophilic structures in the matrix on water vapour transport. In conclusion, the surface grafting of CNW with isocyanates might be an easy and versatile tool for designing fully organic bionanocomposites with tailored properties

Obtenção e caracterização de PLA reforçado com nanocelulose.

“…[4] As nanopartículas de celulose (NCs) podem ser empregadas como reforço para matrizes poliméricas, como o PLA. Estes reforços são extraídos por diferentes métodos, sendo o método químico (por hidrólise ácida) o mais utilizado.…”

“…[86] A literatura [4,[86][87][88][89] Figura 17-Fotografias de filmes de (a) PLA puro, e PLA reforçados com NCs b) a 2,5% (c) a 7,5% (d) a 15% (m/m); e de PLA com NCs modificadas com ICN (e) a 2,5% (f) a 7,5% (g) a 15% (m/m).…”

“…Fonte: [4] As imagens da Figura 17 apresentam uma ótima dispersão para ambas as amostras com a menor fração de NCs (2,5% [4,89] , diversos organosilanos [87,88] e anidrido acético (acetilação) [94] , sendo os dois primeiros os mais representativos. A Figura 18 apresenta a microestrutura da superfície de fratura das amostras apresentadas na Figura 17, ou seja, de PLA com NCs não modificados e modificados com isocianato (ICN).…”

“…A Figura 18 apresenta a microestrutura da superfície de fratura das amostras apresentadas na Figura 17, ou seja, de PLA com NCs não modificados e modificados com isocianato (ICN). [4] Figura 18-Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de (a) PLA puro, e PLA reforçado com NCs b) a 2,5% (c) a 7,5% (d) a 15% (m/m); e com NCs-ICN (e) a 2,5% (f) a 7,5% (g) a 15% (m/m).…”

“…Os Métodos I e II empregam extração das NCs por meio do H 2 SO 4 , diferenciando-se apenas pela neutralização, a qual envolve diálise ou neutralização com NaHCO 3 , respectivamente. No Método III a extração das NCs foi realizada com H 3 PO 4 . As NCs foram caracterizadas por diferentes técnicas, como difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TG), espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia de força atômica (MFA).…”