Impactos ambientais e propriedades de nanocompósitos de celulose de juta e de nanopartículas de prata aditivados com sorbitol, glicerol e carboximetilcelulose

Abstract

A demanda por polímeros sintéticos tem contribuído para um impacto ambiental crescente. Nesse contexto, filmes condutores de celulose regenerada são uma alternativa promissora para aplicações em dispositivos eletrônicos. No entanto, a aplicação desses filmes enfrenta desafios físicos que podem comprometer seu desempenho, e a adição de plastificantes mostra-se como uma possível solução para melhorar as propriedades desses materiais. Além disso, apesar de a celulose ser de origem renovável, é importante ressaltar a necessidade de avaliar os impactos ambientais relacionados à sua obtenção e à produção de materiais derivados, que envolvem o uso intenso de diversos reagentes químicos e de energia. Diante disso, o objetivo desse trabalho é desenvolver filmes condutores de celulose regenerada, com a adição de nanopartículas de prata (AgNP) e de plastificantes, e estudar suas propriedades técnicas e ambientais, visando à sua aplicação em dispositivos eletrônicos sustentáveis. A celulose utilizada nesse trabalho foi extraída da fibra de juta. As nanopartículas de prata foram sintetizadas com borohidreto de sódio e nitrato de prata. Os filmes nanocompósitos de celulose regenerada foram produzidos por meio da dissolução em NaOH e da incorporação de AgNPs no sistema. A incorporação de carboximetilcelulose (CMC), sorbitol e glicerol em filmes contendo 0,5% (m/m) de AgNPs foi avaliada. Os nanocompósitos com essa constituição foram caracterizados por espectroscopia Ultravioleta-Visível (UV-Vis), análise termogravimétrica, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise elétrica pelo método de Vander Pauw. Foi demonstrado que a incorporação desses componentes reduz a estabilidade térmica dos filmes, altera a morfologia superficial e promove aumento significativo da condutividade elétrica, com incrementos superiores a 290% para CMC, 230% para glicerol e 159% para sorbitol em relação ao filme não plastificado, destacando-se o sistema com CMC como mais promissor em desempenho elétrico, enquanto o glicerol foi descartado devido à fragilidade mecânica. Então, foi estudada a influência da variação das concentrações de CMC e de sorbitol em filmes contendo 1,8% de AgNPs, por meio de um planejamento fatorial 2². Também foram produzidas amostras com aumento de AgNP para 2,8% com a melhor concentração de plastificante observada no planejamento fatorial. Essas amostras de nanocompósito também foram avaliadas quanto às propriedades elétricas, ópticas, morfológicas, químicas e térmicas já citadas, além de espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e de análise dinâmico-mecânica (DMA). Foi comprovado estatisticamente que tanto o teor de nanopartículas quanto o tipo e a concentração do plastificante exercem influência significativa sobre a condutividade elétrica, que atingiu valores na ordem de 10¹-10² S/cm, posicionando os filmes como compósitos condutores funcionais. As análises de DMA demonstraram comportamento mecânico compatível com polímeros rígidos a moderadamente flexíveis, com estabilidade funcional entre 100 a 150 °C, enquanto a caracterização eletromagnética confirmou a ausência de blindagem EMI significativa, atributo favorável para aplicações em sensores, eletrônica flexível, interconexões biodegradáveis e dispositivos de baixa potência. Foi realizada a ACV do berço ao portão para a produção de 1 kg de filme nanocompósito RCF-AgNP, considerando dois cenários de extração de celulose. O melhor cenário mostrou redução do impacto ambiental em todas as categorias avaliadas, com aproximadamente potencial de aquecimento global de 196,7 kg CO₂ eq. A inserção de plastificante pode diminuir ainda esse impacto em aproximadamente 15%. Os filmes nanocompósitos apresentaram menor impacto ambiental do que os filmes de nanocelulose. A eletricidade foi o principal fator de impacto ambiental. De forma integrada, os resultados demonstram que é possível obter filmes nanocompósitos condutores e