Extração de nanocelulose a partir de resíduos têxteis industriais: exploração do seu uso em nanocompósitos avançados

Abstract

Atualmente, a indústria têxtil é um dos setores económicos mais rentáveis, mas também um dos responsáveis pela maior geração de resíduos, sendo que parte significativa destes acaba por ser incinerado ou depositado em aterros. Assim, devido à sua considerável contribuição para a intensificação da poluição ambiental, juntamente com a já reconhecida escassez de recursos petrolíferos, torna-se essencial encontrar novas formas de reutilização destes resíduos têxteis. Uma metodologia recente para o seu reaproveitamento é a extração de materiais celulósicos, nomeadamente celulose nanocristalina (CNC) e nanofibrilada (CNF). A CNC e a CNF, devido às suas propriedades excecionais de capacidade de retenção de água, biocompatibilidade, biodegradabilidade, excelentes propriedades mecânicas e grande área de superfície têm demonstrado grande aplicabilidade, nomeadamente na área biomédica. Desta forma, o presente projeto de dissertação visa desenvolver e otimizar diferentes métodos de extração de nanocelulose (NC) a partir de resíduos fornecidos por uma indústria têxtil, utilizando as metodologias já existentes e também processos alternativos com menor impacto ambiental. Com o conceito de economia circular em mente e com a necessidade crescente de novos produtos têxteis de alto valor acrescentado, pretende-se não só extrair NC, mas utilizá-la em nanocompósitos poliméricos com propriedades benéficas para a utilização na prevenção e tratamento de diversas patologias da pele. Assim, diferentes estratégias de extração foram utilizadas incluindo extração mecânica e hidrólise ácida (utilizando ácido sulfúrico, maleico e cítrico). Um processo de hidrólise otimizado foi alcançado com a redução da concentração de ácido sulfúrico de 64 %(m/m) para 55 %(m/m). A NC extraída foi devidamente caracterizada por microscopia ótica, STEM, ATR-FTIR, XRD e TGA. Posteriormente, tendo em vista a aplicação da NC extraída, várias percentagens foram incorporadas em filmes de quitosano e estes caracterizados por ATR-FTIR, TGA e ensaios de tração uniaxial. A adição de NC nos filmes de quitosano permitiu uma ligeira melhoria das suas propriedades térmicas e mecânicas. Por último, realizou-se a incorporação do extrato natural de folhas de Ziziphus, conhecido pelas suas propriedades antimicrobianas. O seu perfil de libertação foi traçado através de espectroscopia UV-vis e a sua atividade antibacteriana analisada. Uma libertação contínua do extrato foi verificada pelo menos por 5 h e a sua capacidade bactericida comprovada. Desta forma, o desenvolvimento deste trabalho demonstrou que é possível extrair NC a partir de resíduos têxteis, utilizando processos um pouco mais sustentáveis, e que poderá ser possível a sua aplicação como reforço em nanocompósitos facilmente funcionalizáveis.

Nowadays, the textile industry is one of the most important economic sectors, but also one of those responsible for the largest generation of waste, being that a significant part ends up being incinerated or landfilled. Therefore, due to its significant contribution to the intensification of environmental problems, along with the already recognized scarcity of petroleum resources, the use of this type of waste has been appointed as an urgent need. A recent methodology for their reutilization is the extraction of nanocellulosic materials, such as nanocrystalline cellulose (NCC) and nanofibrillated cellulose (NFC). NCC and NFC, due to their exceptional properties of water retention capacity, biocompatibility, biodegradability, excellent mechanical properties, and large surface area, have shown great applicability in different areas, including in the biomedical field. Therefore, the present dissertation project aims to develop and optimize different methods for extracting nanocellulose (NC) from waste provided by the textile industry, using existing methodologies, but also alternative processes with less environmental impact. With the concept of circular economy in mind and with the growing need for new textile products with high value-added, it is intended not only to extract NC but to apply it in polymeric nanocomposite films with beneficial properties to be used in the prevention and treatment of several skin pathologies. Therefore, different extraction strategies were used, including mechanical extraction and acid hydrolysis (using sulfuric acid, maleic acid, and citric acid). An optimized hydrolysis process was achieved by reducing sulfuric acid concentration from 64 wv% to 55 wv%. The extracted NC was properly characterized by optical microscopy, STEM, ATR-FTIR, XRD, and TGA. Subsequently, various percentages of the extracted NC were incorporated into chitosan-based films and these films were characterized by ATR-FTIR, TGA, and uniaxial tensile tests. The incorporation of NC in chitosan films allowed a slight improvement in their thermal and mechanical properties. Finally, the incorporation of the natural extract of Ziziphus leaves, known for its antimicrobial properties, was performed. Its release profile was traced by UV-vis spectroscopy and its antibacterial activity was analysed. A continuous release of the natural extract was verified for at least 5 h and its bactericidal capacity was proved. In this way, the development of this work demonstrated that it is possible to extract NC from textile waste, using slightly more sustainable processes and that it may be possible to apply it as reinforcement in nanocomposites.