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A celulose é um composto natural existente nos vegetais, de onde é extraída, podendo ser encontrada nos troncos, folhas, raízes ou sementes. Devido à sua abundância, dureza e carácter ambientalista, inúmeros estudos em diversas áreas científicas veem cada vez mais na celulose um material com potencialidades em desenvolver-se como num dos principais polímeros com funcionalidades estruturais [23].

É um polímero de cadeia longa composto unicamente pelo monómero Glicose classificando-se assim como um polissacarídeo ou carboidrato, formando fibras alongadas que compõem as paredes das células vegetais, dando-lhes a resistência e a rigidez características. Formada pela união de moléculas de β-glicose (hexosana), traduzida pela fórmula empírica (C6H10O5)n, com valor mínimo n=200 mas tipicamente

encontra-se entre os 300 e 700 podendo passar os 7000, tem uma estrutura linear, fibrosa e húmida onde as ligações de hidrogénio entre os grupos de hidroxilas das várias cadeias de glicose fazem com que seja impenetrável à água sendo assim um material insolúvel [19].

Figura 9- Estrutura química da celulose [19]

As plantas são consideradas compósitos naturais e os seus principais constituintes são a celulose, a lignina e a hemicelulose. A celulose, o constituinte mais abundante, é responsável pela estrutura, a lignina é considerada a responsável pela solidificação da parede celular, enquanto a hemicelulose funciona como matriz onde a celulose se organiza. Estes três componentes químicos desempenham as propriedades estruturais do

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tecido vegetal, que comparativamente ao betão armado, celulose, lignina e hemicelulose corresponderiam, respetivamente, ao aço, ao cimento e à areia [21].

A quantidade destes componentes não só varia entre si mas como também varia de espécie para espécie, dependendo da fibra vegetal em questão.

Fibra Celulose (%) Hemicelulose (%) Lignina (%)

Algodão 90 3-6 - Juta 45-63 12-15 12-25 Rami 69 13 0,7 Sisal 50-64 10-14 10-12 Bambu 30-45 15-25 20-30 Cânhamo 60-77 10-17 3-10

Quadro 8- Quantidades de celulose, hemicelulose e lignina de algumas plantas [21]

Devido às diferentes propriedades químicas e físicas destes componentes de uma fibra natural pode-se extrair separadamente de modo isolar e poder usar noutro tipo de aplicações. Existem alguns materiais celulósicos que sodem ser isolados, como a celulose microcristalina, a celulose nanofibrilada e nanocristais de celulose, sendo este último de maior relevo.

A extração de material celulósico consiste em duas etapas, a primeira envolvendo pré- tratamentos, como processos de extração de ceras, branqueamentos e tratamento alcalino, obtendo assim uma fibra purificada através da remoção dos componentes não celulósicos. Esta remoção tem o propósito de isolar o material que apresenta maior resistência à tração estando associado à cristalinidade apresentada pelo componente celulósico. Já a segunda etapa está relacionada com o isolamento do material celulósico na sua forma microfibrilada ou cristalina, onde o tratamento mecânico, hidrólise ácida e hidrólise enzimática são os métodos de isolamento mais aplicados.

O uso de métodos mecânicos como o corte e a pressão são comuns para a obtenção da nanofibra de celulose ou microfibrilada pois o consumo de energia envolvido na sua obtenção é um grande obstáculo, e assim, tratamentos mecânicos prévios, são aplicados

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com intuito de reduzir esses gastos. Estes métodos mecânicos, usando moedores, refinadores e homogeneizadores à alta pressão, e posteriormente hidrólise-ácida

resultam na obtenção de fibras longas e finas de celulose, cujas dimensões variam entre 20 e 40nm de diâmetro e vários micrómetros de comprimento.

Para o isolamento dos cristais de celulose recorre-se exclusivamente à hidrólise ácida. Esta hidrólise desempenha uma ação de clivagem hidrolítica de ligações glicosídicas por parte dos iões de hidrónio penetrando assim nas regiões amorfas entre as cadeias de celulose e assim isolar as estruturas cristalinas no formato de agulhas, denominadas nanocristais de celulose ou whiskers.

Estes dois tipos de material celulósico diferem assim na estrutura, visto que os nanocristais são pequenos elementos das nanofibras de celulose quando isolados quimicamente como demonstra na Figura 10 que se segue.

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Foi em 1951 que surgiu pela primeira vez o isolamento de cristais de celulose com ácido sulfúrico e posteriormente com ácido clorídrico combinado com desintegração mecânica, permitindo o desenvolvimento e comercialização da celulose hidrolisada microcristalina utilizada hoje nas indústrias alimentícia e farmacêutica. Já em meados da década de 90, ressurgiu uma nova vaga de investigações sobre este material com vista à sua utilização como matriz polimérica, apresentando-se assim como um

potencial compósito mais sustentável devido às suas boas propriedades mecânicas bem como baixa agressividade ecológica.

Os nanocristais de celulose apresentam alta rigidez, boa resistência mecânica e baixa densidade como principais atributos, comparativamente a outras matrizes poliméricas usadas mais frequentemente. Morfologicamente, os nanocristais não estão apenas dependentes das condições de obtenção como espécie do ácido, concentração, tempo de reação, temperatura mas também da fonte da celulose. Nas condições normais, são obtidos nanocristais cujas dimensões estão entre 100 e 400 nm de comprimento e diâmetros inferiores a 10 nm.

O principal método de obtenção dos nanocristais é a hidrólise química, aplicando ácidos extremamente fortes, geralmente o ácido sulfúrico, e as suas principais variáveis são a concentração do ácido, a temperatura, o tempo e a relação ácido/matéria-prima. A concentração do ácido sulfúrico em reações de hidrólise ronda os 65% em massa. A temperatura empregada pode variar entre a temperatura ambiente até 70ºC e o tempo de reação está normalmente compreendido entre 30 a 12h, sendo o espaço entre 30 e 60 minutos o mais frequente. Quanto à relação ácido/matéria-prima, variações entre 10 a 20 mL/g são os mais usuais.