Aplicações da Nanotecnologia na Indústria de Produtos à Base de Madeira: Revisão Abrangente

Resumo

A indústria de produtos à base de madeira é um dos principais motores do crescimento económico na Malásia. As florestas, como fonte de diversos materiais lignocelulósicos, possuem muitos potenciais inexplorados que podem ser aproveitados para produzir materiais nanoestruturados sustentáveis e biodegradáveis com características muito interessantes para uso na própria indústria da madeira ou em diversos outros campos de aplicação. O setor de produtos à base de madeira também pode utilizar vários nanomateriais prontamente disponíveis para melhorar o desempenho dos produtos existentes ou criar novos produtos de valor acrescentado a partir da floresta. Esta revisão destaca os desenvolvimentos recentes na aplicação da nanotecnologia na indústria de produtos à base de madeira.

Introdução

A nanotecnologia é definida como a manipulação de matéria entre 1 e 100 nm. É um campo multidisciplinar que combina ciência e tecnologia com o objetivo de desenvolver novos materiais melhorados com funções, propriedades físicas e químicas significativas [1, 2]. Materiais nesta escala possuem propriedades únicas em comparação com os mesmos materiais em dimensões superiores [3]. Por esta razão, várias aplicações inovadoras através da nanotecnologia podem ser exploradas em muitas disciplinas.

Não apenas como uma tecnologia habilitadora, a nanotecnologia também pode ser um motor para alcançar o crescimento económico nacional. A indústria de produtos florestais na Malásia contribuiu com cerca de 22,5 mil milhões de RM em valor de exportação em 2019 [4]. Os produtos de madeira exportados da Malásia incluem madeira serrada, folheados, contraplacados e molduras. A indústria de base madeira na Malásia tem a oportunidade de explorar plenamente a nanotecnologia em seu próprio benefício. É imperativo que o esforço para aplicar a nanotecnologia na indústria de base madeira, particularmente na Malásia, seja apoiado e receba atenção, a fim de diversificar e agregar valor aos produtos de madeira existentes, o que acabará por impulsionar o crescimento económico neste setor.

O facto de a floresta desempenhar um papel essencial para a civilização há tantos anos não pode ser descartado, pois tornou-se a fonte de materiais lignocelulósicos para várias explorações e desenvolvimentos de produtos. De facto, os produtos de madeira há muito estão disponíveis na sociedade na forma de madeira, mobiliário, papel e muitos outros materiais funcionais [5, 6]. A aplicação da nanotecnologia no setor florestal, particularmente em produtos florestais ou produtos à base de madeira, merece a atenção de todos os intervenientes e partes interessadas relacionadas. A utilização da nanotecnologia pode resultar em produtos à base de madeira mais fortes, multifuncionais e mais leves [3]. Produtos florestais tradicionais como celulose e papel, compósitos de madeira, revestimentos de madeira e conservantes de madeira podem ser expandidos ou transformados em novos produtos de valor acrescentado para encontrar aplicações mais amplas e/ou mais avançadas [5].

Neste artigo de revisão, a aplicação da nanotecnologia na indústria de produtos à base de madeira pode ser dividida em duas [2] vias:

1. Derivação de nanomaterial(is) a partir da floresta

   As crescentes preocupações ambientais desencadearam uma enorme necessidade de introduzir materiais nanoestruturados sustentáveis e biodegradáveis. Este novo material, chamado nanocelulose, pode ser produzido a partir de recursos florestais de forma segura e sustentável. A abundância de material lignocelulósico da floresta criou um aumento de interesse em converter celulose em nanocelulose. A nanocelulose é essencialmente celulose a nível molecular que possui várias características-chave, como alta resistência e rigidez, alta relação resistência-peso, resposta eletromagnética e grande área de superfície [5, 7, 8, 9]. As características excecionais deste material oferecem enorme potencial de aplicação além da própria indústria de produtos florestais. Na área de produtos à base de madeira, pode ser aplicada como agente de reforço em celulose e papel e compósitos de madeira ou como material de revestimento em revestimentos de madeira [10, 11, 12]. Devido à sua versatilidade, a nanocelulose pode ser usada como um dos componentes (como substrato, estabilizador, elétrodo) para setores não florestais, como eletrónica, sensores, baterias, alimentação, farmacêutica e cosméticos [5, 13].

2. Uso de nanomaterial(is) para produtos à base de madeira

   Nanomateriais podem ser usados para melhorar produtos de madeira existentes em termos de funcionalidade. Por exemplo, o uso de nanomateriais em revestimentos de madeira, como óxido de zinco nano ou óxido de titânio nano, pode melhorar a funcionalidade da madeira em termos de durabilidade, resistência ao fogo e absorção UV, bem como diminuição da absorção de água [14, 15, 16]. Por outro lado, a aplicação de nanoencapsulação em conservantes de madeira [17, 18] pode melhorar a impregnação da madeira com pesticidas, garantindo que os químicos penetrem mais profundamente na madeira, reduzindo assim o problema de lixiviação excessiva [19]. Isto melhora a durabilidade das madeiras tratadas contra agentes de biodeterioração.

Vários artigos de revisão sobre a aplicação da nanotecnologia na silvicultura e produtos florestais foram publicados [20, 21]. Um artigo de McCrank [21] dá uma visão geral da aplicação da nanotecnologia no setor florestal, enquanto Moon et al. [20] discutem mais sobre nanoindentação. Segundo o conhecimento dos autores, existem publicações limitadas sobre este tema, particularmente cobrindo setores selecionados da indústria de base madeira. Este artigo de revisão fornecerá um destaque sobre o progresso recente das aplicações da nanotecnologia nos setores selecionados de base madeira, nomeadamente celulose e papel, compósitos de madeira, revestimento de madeira e durabilidade da madeira. Além disso, algumas aplicações potenciais da nanocelulose, sendo uma nova geração de celulose na indústria de produtos à base de madeira, também são destacadas em áreas como energia e sensores.

Aplicações

Celulose e Papel

A produção anual de papel e cartão em todo o mundo é superior a 400 milhões de toneladas [22]. Isso mostra que a era digital atual não parou o uso contínuo de produtos de papel na comunidade. No entanto, a crescente procura é principalmente para vários produtos de embalagem [23]. Este aumento pode ser impulsionado pela mudança de preferência do consumidor para compras online e o impulso do comércio eletrónico que oferece a conveniência de comprar no conforto de casa e ter o produto entregue com segurança aos destinatários pretendidos.

O papel é feito de materiais lignocelulósicos que passaram por uma série de processamento primário, tratamento, fabrico de papel, secagem e revestimento. A etapa de fabrico de papel é onde toda a mistura de pasta e aditivos é adicionada e ajustada para atender a diferentes produtos finais. A nanotecnologia é aplicada na celulose e papel na forma de nanomateriais ou nanoaditivos. Por exemplo, recursos florestais ou materiais lignocelulósicos podem ser explorados para extrair o bloco de construção nanoestruturado ou conhecido como nanocelulose, que serve como unidade de reforço para fornecer resistência mecânica única, funcionalidade e flexibilidade [5]. Esta nova geração de celulose é produzida através de deslaminação da parede celular para obter nanofibrilas ou por extração de celulose cristalina à nanoescala. A nanocelulose é adicionada ao fabrico de papel principalmente para aumentar a resistência do papel. Outros nanomateriais usados durante o processo de produção de papel incluem nanosílica, nanozeólito, etc. [22]. A incorporação de nanomateriais ou nanoaditivos na indústria do papel pode ajudar a melhorar o desempenho dos produtos de papel.

Os principais aditivos usados ou que podem potencialmente ser usados na indústria de celulose e papel são discutidos nas secções seguintes.

Nanocelulose como Agente de Resistência Húmida ou Seca

A nanocelulose tem sido extensivamente estudada como aditivo de resistência no campo da celulose e papel [24, 25]. A nanocelulose está a receber enorme interesse devido à sua abundância, disponibilidade e também devido às suas características interessantes, como biodegradável, baixa toxicidade, excelentes propriedades mecânicas e ópticas, alta área de superfície e renovável [5, 7]. A nanocelulose é, na verdade, celulose a uma dimensão nanoescala que pode ser isolada e preparada a partir de quaisquer materiais lignocelulósicos, incluindo pasta de madeira, plantas não lenhosas, madeira e resíduos agrícolas, celulose bacteriana e tunicados. A celulose é um composto linear com unidades de glicose ligadas β-1,4 que compreende regiões cristalinas e amorfas. A remoção de domínios amorfos da cadeia de celulose usando ácido mineral leva ao isolamento de celulose nanocristalina, enquanto a deslaminação da parede celular via ação mecânica de alto cisalhamento resulta na redução da largura da celulose, formando assim celulose nanofibrilar. Estas duas categorias de nanocelulose são os nanomateriais mais estudados no campo da celulose e papel para melhoria de produtos. Na última década, numerosos trabalhos focaram-se na preparação de celulose nanofibrilar (CNF) e celulose nanocristalina (CNC) a partir de vários recursos vegetais. A Figura 1 mostra imagens de celulose nanocristalina e celulose nanofibrilar usando microscopia eletrónica de transmissão (MET).

Imagem MET de CNC de Acacia mangium (a) Fonte: Jasmani e Adnan [26]. Reproduzido com permissão da Elsevier e CNF de pasta de conífera, (b) Fonte: Zhao et al. [27]. Reproduzido com permissão da Elsevier

As propriedades da nanocelulose variam de acordo com os métodos de preparação e a fonte de celulose. A Tabela 1 mostra a morfologia e cristalinidade da celulose nanofibrilar e celulose nanocristalina.

Da Celulose à Nanocelulose

A celulose nanofibrilar é o nanoaditivo mais estudado no fabrico de papel, pois muitos trabalhos foram relatados [3, 25]. A celulose nanofibrilar é preparada submetendo fibras a tratamentos mecânicos seletivos de alto cisalhamento. Existem muitos métodos e combinações de métodos para produzir celulose nanofibrilar. Homogeneização e microfluidização são as técnicas comuns usadas para preparação de celulose nanofibrilar, que envolvem submeter as fibras a um bico pequeno sob alta pressão para passagens repetidas, geralmente entre 10 e 15 passagens [32, 33]. Este tipo de tratamento, se usado sozinho, requer alto consumo de energia, portanto, pré-tratamento com químicos como oxidação mediada por TEMPO (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxil) [34], carboximetilação ou enzima [35, 36] é geralmente necessário para poupar energia. Usando este método, a celulose nanofibrilar é produzida como resultado de altas taxas de cisalhamento induzidas por alta velocidade e força do fluxo de fluido. Outro método popular para produzir celulose nanofibrilar é via método de moagem. A máquina de moagem consiste em discos de pedra estáticos e rotativos. A força de cisalhamento gerada pelas pedras quebra as fibras da parede celular em nanofibrilas individualizadas. Para evitar uma ampla distribuição na largura usando este método devido à agregação [37], os autores recomendaram que as matérias-primas precisam ser mantidas em água após os processos de cozimento e branqueamento. Isso é para impedir a formação de rede de ligações de hidrogénio quando em estado seco [37, 38]. O método de ultrassonicação também foi estudado para preparar nanofibras. A sonicação envolve a geração de força de cisalhamento cavitacional de alta intensidade a partir de ondas ultrassónicas que podem quebrar a estrutura celular da fibra [39]. A técnica de sonicação diz-se que produz nanofibras bem dispersas e estáveis [3]. Além disso, a criotrituração também pode ser aplicada para converter fibras nativas em nanofibras. As fibras precisam ser congeladas usando azoto líquido seguido por forças de alto cisalhamento. A força de cisalhamento induzida pela pressão nos cristais de gelo força as paredes celulares a romper e libertar as microfibrilas [40, 41, 42, 43].

A celulose nanocristalina extraída da celulose nativa é comumente preparada usando hidrólise ácida. Outros métodos envolvendo o uso de químicos específicos, como oxidação mediada por TEMPO [44] e líquidos iónicos [45], também foram estudados para preparação de nanocelulose. Uma aplicação de enzima celulase também foi relatada [46, 47].

Durante a hidrólise ácida, o grau de polimerização da celulose diminui rapidamente, mas estabiliza em algum ponto conhecido como nível de grau de polimerização [48]. A razão para este comportamento pode ser devido às regiões amorfas serem rapidamente hidrolisadas pelo ácido. À medida que a hidrólise começa, o ácido ataca preferencialmente a região amorfa devido ao seu alto volume e hidrolisa a ligação glicosídica facilmente acessível [49]. Uma vez que hidrolisa a ligação facilmente acessível, a hidrólise adicional ocorre a uma taxa muito mais lenta na extremidade redutora da cadeia de glicose e na superfície da região cristalina [50]. A hidrólise ácida é influenciada por fatores como tipo de ácido, concentração de ácido, temperatura e tempo [49, 51, 52]. Qualquer mudança na concentração de ácido, tempo de hidrólise e condição de temperatura tem efeito na morfologia da celulose nanocristalina. Por exemplo, aumentar tanto o tempo de hidrólise [53] quanto a concentração de ácido [29] leva a celulose nanocristalina mais curta, enquanto alta temperatura resulta na conversão completa de celulose em glicose [50, 54, 55].

A adição de nanocelulose no fabrico de papel leva a um papel de melhor desempenho, pois aumenta a resistência do papel [56, 57] e densidade [58, 59, 60] e também reduz a porosidade [61]. A adição de celulose nanoestruturada resulta em propriedades de papel semelhantes às fibras batidas [3, 25]. Em teoria, a resistência do papel pode ser aumentada pela inclusão de agentes de resistência húmida e seca [24, 62], adição de fibras funcionalizadas [63] e batimento [64]. A melhoria resulta na capacidade de ligação das fibras [25]. Boufi et al. [25] propuseram que o mecanismo pode ser devido ao aumento da área ligada como resultado da nanocelulose atuando como conetor entre fibras que leva à ligação fibra-a-fibra. Além disso, também pode ser devido a diferentes redes criadas na fibra que resultam no aumento da capacidade de ligação. Dado o comprimento micrométrico da nanocelulose, elas podem atuar como uma ponte para conectar as fibras vizinhas, levando a uma rede mais forte [25]. A rede de ligação mútua atribuída pela fibra e nanocelulose aumenta a resistência do papel.

A nanocelulose como nanoaditivo melhora a ligação interna que resulta em aumento da resistência à tração seca, redução da permeabilidade ao ar e opacidade, e maior densidade [3]. Sendo um material nanoescala, a nanocelulose tem uma alta área de superfície, e assim as ligações de hidrogénio podem ser formadas mais eficazmente. É adicionada como aditivo de extremidade húmida para melhoria da resistência seca e melhoria da retenção. A nanocelulose comumente usada para aditivo de resistência seca está na forma de celulose nanofibrilar.

Existem diferentes estratégias para adicionar CNF na massa de pasta, pois pode ser adicionada diretamente com [24, 62, 65] ou sem auxílio de retenção [58] ou misturada com outros enchimentos ou fibras longas [66, 67] seguido com auxílio de retenção. Um aumento na resistência à tração após adição de CNF relaciona-se com a quantidade adicionada. Verificou-se que um aumento de 5% na resistência à tração foi observado quando 3% de CNF foi adicionado à massa de pasta composta por pasta batida junto com amido catiónico [24]. É interessante notar que o efeito foi mais notável se a pasta for menos batida. Por exemplo, mais de 100% de aumento na resistência à tração quando 6% de CNF foi adicionado a pasta termomecânica. Por outro lado, a CNF teve menor impacto quando adicionada a pasta química bem batida [65]. Assim, a melhoria na tração é esperada quando CNF é adicionada a papel enchido, pasta mecânica e pasta reciclada. Hii et al. [65] relataram tal observação de que a CNF é adsorvida no enchimento e fibras e faz a ponte do enchimento com a rede de fibras. A única grande deficiência do uso de CNF no fabrico de papel é que torna a drenagem mais lenta. A drenagem desempenha um papel muito importante no fabrico de papel, pois relaciona-se diretamente com a eficiência da produção de papel. Quanto mais lento o tempo de drenagem, mais lento o papel será produzido. É, portanto, muito importante usar agente de retenção em dosagem específica para melhorar a adsorção das nanofibras na superfície da fibra, levando assim a uma desidratação melhorada [24, 68].

A CNF tem propriedades intermediárias entre aditivo de resistência seca, como amido, e finos criados da ação de batimento, pois ambos levam ao aumento da área ligada [3]. Isto é conseguido criando uma camada suave e fina na superfície da fibra que ajuda a aumentar a ligação das fibras durante a secagem e também preenchendo vazios e poros entre fibras que também aumentam a área ligada [3].

Nanocelulose como Material de Revestimento para Propriedade de Barreira

A nanocelulose também pode ser usada como material de revestimento em papel de embalagem, pois tem boas propriedades de barreira. O benefício de usar nanocelulose como elemento de revestimento é que o problema de desidratação não é mais uma questão, pois é adicionada após o papel ter sido feito. Existem diferentes abordagens que podem ser empregadas para aplicar nanocelulose, que incluem pulverização, revestimento por barra, prensagem de tamanho e revestimento por rolo. A aplicação de nanocelulose, particularmente celulose nanofibrilar, foi relatada para aumentar a barreira ao oxigénio e resistência ao óleo [69]. Num exemplo, redução na permeabilidade ao ar foi observada de 69.000 para 4,8 e 660 para 0,2 nm Pa⁻¹ para papel não branqueado e papel anti-gordura, respectivamente [70], usando o revestidor de barra. Syverud e Stenius [71] aplicaram quantidades variáveis de CNF de 0 a 8% em pasta de conífera e descobriram que as propriedades de barreira aumentaram notavelmente de 6,5 a 360 nm Pa⁻¹ s⁻¹. Isto é devido à porosidade reduzida causada pelo aumento de nanofibrilas. A aplicação de CNF e goma-laca também foi tentada por Hult et al. [72] em papel e cartão, resultando na redução da permeabilidade ao ar, taxa de transmissão de oxigénio e taxa de transmissão de vapor de água, tornando-o potencial para embalagem de barreira.

Não só isso, a nanocelulose, particularmente a celulose nanofibrilar, pode ser convertida em filmes finos autossustentáveis ou nanopapéis. Este nanopapel pode ser usado como substrato para aplicação eletrónica, pois é transparente e flexível [73].

Nanomaterial como Agente de Retenção para Melhoria de Propriedades

Agentes de retenção são adicionados ao fabrico de papel para melhorar a retenção de químicos funcionais no papel. Alguns nanomateriais foram testados em produtos de papel, como o uso de nanozeólito [74] e dióxido de titânio nano. O nanozeólito é usado como dessecante na indústria do papel para absorver humidade e também funciona para remover emissão de gás se usado para papel especial. A alta área de superfície do nanozeólito, consistindo de vazios e poros, ajuda durante este processo. O óxido de titânio nano adicionado ao papel pode formar um papel com melhor módulo elástico dinâmico em comparação com a amostra de controlo [75].

Efeito Nanoenchimento para Melhoria de Propriedades

O uso de enchimento na indústria do papel deve-se principalmente à redução de custos, pois o enchimento é geralmente mais barato que a própria pasta. Além de ser estudado como aditivo de resistência, a nanocelulose também pode ser usada como enchimento. A adição de celulose nanofibrilar pode reduzir a quantidade de pasta de madeira e aumentar a quantidade de enchimento, reduzindo assim os custos de produção [76]. Além disso, o papel produzido tem propriedades melhoradas, como baixa porosidade e alta opacidade. Também foi relatado que adicionar 2-10% de celulose nanofibrilar como enchimento resulta em incremento de 50-90% na resistência (Future Markets Inc. 2012). A nanoclay pode ser usada como aditivo no fabrico de papel para reduzir a permeabilidade ao gás, o que pode levar a maior vida útil do papel. Isto é essencial na indústria de embalagem, na qual barreiras a gás e água desempenham um papel importante na prevenção de deterioração de alimentos e bebidas.

O carbonato de cálcio nano é usado como enchimento para melhorar a dispersão de luz. Carbonato de cálcio precipitado modificado usando partículas nanoestruturadas teve impacto positivo na dispersão de luz [77]. Carbonato de cálcio precipitado foi revestido com nanopartículas de silicato e sulfeto de zinco. Wild et al. [78] relataram estudo semelhante no qual revestimento de nanopartículas foi usado em laboratório, piloto e ensaios de fábrica. O estudo descobriu que o revestimento de nanopartículas dá boa qualidade de impressão, permanência à água e estabilidade dimensional. O óxido de zinco nano adicionado à massa de papel confere propriedade antibacteriana ao papel. Ao mesmo tempo, propriedades ópticas como brilho e brancura, bem como a imprimibilidade do papel, também melhoraram com a adição de óxido de zinco nano. O óxido de titânio nano também foi estudado em combinação com beta-ciclodextrina em papel revestido [79]. Verificou-se que a mistura de nanomateriais teve melhor efeito de degradação no xileno em comparação com papel revestido apenas com óxido de titânio nano.

Nanomaterial como Agente de Colagem para Melhoria de Propriedades

Um agente de colagem é adicionado ao fabrico de papel para melhorar a resistência à penetração de água/líquido, de modo que o papel seja adequado para fins de impressão e escrita. O uso de nanosílica pode melhorar as propriedades ópticas e redução no show-through até 30%. Papel revestido com nanosílica foi encontrado para produzir melhor densidade óptica, estabilidade dimensional, qualidade de impressão sobre papel não revestido [80, 81, 82].

Compósitos de Madeira

A madeira é um presente da natureza para a humanidade, pois é um material biodegradável e renovável que pode ser usado em muitas aplicações. No entanto, a própria madeira possui várias fraquezas, como delicadeza, não flexível e não durável devido a ataques de térmitas e outros. A utilização de fibras de madeira na produção de compósitos de madeira tem as suas próprias desvantagens, pois têm baixa densidade aparente, baixa estabilidade térmica, alta tendência a absorver humidade e suscetibilidade à degradação biológica. A nanotecnologia tem sido utilizada em muitas ciências e pode ser usada para melhorar a qualidade de muitos materiais, incluindo madeira e compósitos de madeira.

Nanocelulose como Material de Reforço

O princípio de usar nanocelulose como material de reforço no material matriz levou a muitos trabalhos de investigação sendo conduzidos. Ao adicionar celulose nanoescala, os nancompósitos possuem propriedades excecionais de várias maneiras, que não poderiam ser alcançadas por microcompósitos [83]. Estes nancompósitos reforçados com nanocelulose são capazes de substituir os compósitos convencionais. Através de modificação apropriada de CNC, vários nanomateriais funcionais com propriedades excecionais ou propriedades físicas, químicas, biológicas, bem como eletrónicas significativamente melhoradas podem ser desenvolvidos. As propriedades dos nancompósitos dependem de alguns fatores, como as propriedades do material matriz, características da nanocelulose, dispersão da nanocelulose no material matriz, e interações interfaciais entre enchimento e material matriz [84].

A nanocelulose como reforço em vários tipos de materiais matriz tem sido amplamente estudada. Nancompósitos poliméricos consistindo de polímeros naturais ou sintéticos reforçados com nanocelulose estabeleceram-se como uma classe promissora de materiais. A melhoria das propriedades mecânicas é o objetivo mais comum visado ao preparar estes nancompósitos reforçados com nanocelulose [85, 86, 87]. Polímeros à base de petróleo são geralmente divididos em tipos termoplásticos e termofixos. A diferença entre polímero termoplástico e termofixo é a ligação que mantém as suas moléculas de cadeia longa, a primeira é mantida por fracas ligações de van der Waals, enquanto a segunda é por fortes ligações covalentes [88]. Uma variedade de termofixos foi estudada para uso em nancompósitos de nanocelulose. Resina epóxi, por exemplo, tem sido utilizada para produtos de materiais avançados devido às suas excelentes propriedades de ligação e boas propriedades mecânicas após cura (alto módulo, baixo creep e desempenho razoável a temperatura elevada). No entanto, pode falhar facilmente sob impacto devido à estrutura altamente reticulada [89]. Com a adição de nanocelulose funcionalizada como material de reforço, as propriedades mecânicas dos nancompósitos de celulose à base de epóxi foram melhoradas significativamente [90, 91]. Uma abordagem foi conduzida para preparar compósitos de epóxi-nanofibras de celulose com estrutura orientada [92]. O processo combinou o método de templating de gelo (ou fundição por congelação) para preparar redes de nanocelulose altamente porosas antes de serem usadas como pré-formas para impregnação com resina bioepóxi. Os resultados mostraram que os módulos elástico e de armazenamento dos nancompósitos foram melhores que os de epóxi puro em ambas as direções de teste, e a resistência foi melhorada na direção longitudinal. Outra resina termofixa mais comumente usada é poliéster insaturado (UP). Nancompósitos biológicos de UP nanoestruturados com teor de nanocelulose tão alto quanto 45% em volume, muito mais alto do que em quaisquer estudos anteriores, foram processados e caracterizados com sucesso [93]. O reforço de rede de nanocelulose nanoestruturada melhora fortemente não apenas o módulo e a resistência do UP, mas também a ductilidade e tenacidade. A Figura 2 mostra as morfologias de fratura do poliéster hidrofóbico, poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato) (PHB) reforçado com 15% em peso de CNC ou 15% em peso de CNC acetilado, usando microscopia eletrónica de varrimento de emissão de campo (MEV-CE). As imagens de MEV-CE indicaram claramente que o CNC acetilado foi homogeneamente disperso no PHB em comparação com CNC. A homogeneidade contribuiu para a forte interação interfacial entre o material de reforço e a matriz polimérica [94].

Imagens de MEV-CE para as morfologias de fratura de a PHB/CNC-15, b PHB/CNC acetilado(II)-15, c PHB/CNC acetilado(IV)-15 nancompósitos. Fonte: Gan et al. [94]. Reproduzido com permissão da ACS

A Tabela 2 ilustra a incorporação de nanocelulose em polímeros termoplásticos como PLA, PVA, amido, PU, PP, etc. Os processos utilizados para desenvolver estes nancompósitos incluem troca de solvente, dispersão aquosa, fundição em solução, enxertia, moldagem por injeção de espuma core-back, eletrofiação, coagulação e termocompressão, e reação de polimerização aniónica de abertura de anel in situ, entre outros. A maioria dos estudos relatou que a adição de nanocelulose em nancompósitos resultou em melhoria das propriedades mecânicas (resistência, rigidez, resistência ao creep, elasticidade), estabilidade térmica, propriedades de barreira e até alguns indicaram funções antibacterianas e antioxidantes dos nancompósitos, dependendo dos componentes dos nancompósitos usados. Em geral, os resultados relataram resultados positivos no reforço de nanocelulose em matriz termoplástica, o que incentiva e encoraja mais estudos na produção de materiais compósitos mais verdes e sustentáveis.

Polímeros naturais ocorrem normalmente na natureza e podem ser extraídos. Polímeros naturais não são termoplásticos, com apenas algumas exceções. No entanto, técnicas de modificação química e física são capazes de desencadear termoplasticidade em polímeros naturais de recursos de biomassa, como celulose, lignina e quitina. Devido à crescente consciência ambiental e procura por produtos verdes, vários polímeros naturais reforçados com nanocelulose têm sido usados para produzir bio-nancompósitos. Existe um número muito limitado de estudos a relatar o uso de nanocelulose derivada de plantas na regeneração de tecido ósseo. Um dos estudos [113] relatou a preparação de um nancompósito pela síntese de celulose nanofibrilar oxidada por TEMPO (CNFO) ou celulose nanocristalina (CNC) com hidroxiapatita (HA). Os compósitos demonstraram melhores resistências à compressão, módulos elásticos e tenacidade à fratura, na gama de osso cortical externo e denso, do que os baseados em CNC. Além disso, os compósitos não induziram citotoxicidade em células osteoblastas derivadas de osso humano, mas sim melhoraram a sua viabilidade, tornando-os promissores para regeneração de tecido ósseo em aplicações de suporte de carga.

Entre outros biopolímeros naturais usados estão alginato de sódio, celulose e proteínas, que têm propriedades características como biodegradável, biocompatível e baixa toxicidade. Alginato de sódio, por exemplo, tem sido amplamente usado como um excelente biomaterial em muitos campos, como engenharia de tecidos, libertação de fármacos, embalagem alimentar e aplicações biomédicas. No entanto, a fraca resistência mecânica e propriedades de degradação não controladas limitam a sua aplicação. Várias tentativas foram conduzidas para superar estes problemas desenvolvendo filmes de nancompósito com a incorporação de nanocelulose na matriz de alginato. Verificou-se que a incorporação de CNF na matriz de alginato melhorou a sua resistência à água e propriedades mecânicas. Investigação adicional mostrou que com tratamento de ultrassonicação para facilitar a dispersão, CNC oxidado mediado por TEMPO tem melhor eficiência no reforço de biopolímero de alginato em comparação com CNF. Conceito semelhante de estratégia de reforço sinérgico bioinspirado na integração de nanocelulose em matriz de quitina, quitosano, isolado de proteína de soja (SPI) e goma de linhaça abre um novo caminho para construir nancompósitos de alto desempenho.

Nanopartículas para Melhoria de Propriedades de Painéis à Base de Madeira

Compósitos de madeira são geralmente descritos como uma ampla gama de produtos com combinação de elementos de madeira unidos por um aglutinante. Entre as vantagens dos compósitos de madeira estão que podem ser projetados para qualidades específicas ou requisitos de desempenho em diferentes espessuras, classes e tamanhos. Compósitos de madeira são fabricados para aproveitar as características de resistência natural da madeira (e às vezes resultam em maior resistência estrutural e estabilidade do que madeira normal). Por outro lado, compósitos de madeira também têm desvantagens, pois requerem mais energia primária para fabricar quando comparados a madeira maciça. Portanto, compósitos de madeira não são adequados para uso exterior, pois podem absorver água e são mais propensos a empenamento induzido por humidade do que madeiras maciças. Os adesivos usados libertam formaldeído tóxico no produto final. A nanotecnologia pode ser utilizada para melhorar a qualidade de compósitos à base de madeira para satisfazer a crescente procura por produtos existentes e para novos produtos a serem usados em novas aplicações.

As principais desvantagens da madeira são a sua suscetibilidade e biodegradabilidade por microrganismos e também instabilidade dimensional quando submetida a teor de humidade variado. Estes são principalmente devidos aos principais polímeros da parede celular e à sua alta abundância de grupos hidroxilo (OH) [114]. A madeira é naturalmente higroscópica, e a absorção de humidade por materiais de madeira está diretamente relacionada com a área de superfície exposta. A adição de nanopartículas inorgânicas a compósitos de madeira foi relatada para melhorar as propriedades antimicrobianas dos compósitos. Nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) exibem boa atividade antimicrobiana. Estas nanopartículas são adicionadas à cola melamina-ureia formaldeído (MUF) antes de ser usada para produção de aglomerado [115]. Os resultados mostram que houve incrementos na biorresistência dos aglomerados contra a bactéria Gram-positiva Staphylococcus aureus, a bactéria Gram-negativa Escherichia coli, os bolores Aspergillus niger e Penicillium brevicompactum, bem como o fungo de podridão castanha Coniophora puteana. Nanopartículas de prata, que são aditivos biocidas bem conhecidos, também exibiram efeitos semelhantes de eficiência antibacteriana e anti-bolor quando aplicadas nas superfícies laminadas de melamina de aglomerados [116]. A combinação de óxido de cobre nano e surfactante alcano também foi confirmada para melhorar resistências à água e térmitas de amostras de contraplacado tratadas [117]. Adesivo à base de amido modificado foi explorado como outra opção para aumentar a resistência à decomposição de aglomerado. Aglomerado colado com PVA/amido de palma de óleo modificado adicionado de nanosilicão (SiO₂) e ácido bórico foi encontrado mais resistente à decomposição do que aglomerado colado com o seu amido nativo [118]. A adição de nano-SiO₂ e ácido bórico como agentes repelentes de água e antifúngicos, respectivamente, impediram a atividade de microrganismos no aglomerado final.

A fabricação de painéis de compósitos de madeira pode ser melhorada desenvolvendo métodos para encurtar o tempo de cura da resina durante prensagem a quente, o que poderia acelerar a produção ou melhorar a qualidade geral do painel. A transferência de calor que afeta o tempo de prensagem de um painel de compósito de madeira varia com espessura, temperatura de prensagem, taxa de fecho e distribuição de humidade do tapete. A adição de nanopartículas de ZnO aumentou a transferência de calor no centro do aglomerado durante a prensagem a quente, causando um maior grau de cura da resina e melhorou as propriedades físico-mecânicas [119]. Nanopartículas de alta condutividade, como nanotubos de carbono de parede múltipla (CNTs) e óxido de alumínio (Al₂O₃), também foram comprovadas para melhorar propriedades térmicas e mecânicas de painel de fibras de média densidade [120]. O estudo também relatou que, embora nanopartículas de carbono ativado não dessem qualquer efeito significativo às propriedades físicas e mecânicas do painel, elas têm efeito mais acelerado na cura de formaldeído de ureia (UF) e redução na emissão de formaldeído em comparação com os outros dois nanoenchimentos.

Na fabricação de compósitos de madeira, os adesivos desempenham papel excecionalmente significativo que afeta as propriedades dos compósitos, incluindo propriedades mecânicas, a sua capacidade de funcionar em condições húmidas e os seus efeitos no ambiente. Formaldeído de ureia, formaldeído de melamina-ureia e formaldeído de fenol são comumente usados na indústria de compósitos de madeira. A utilização de nanopartículas levou a melhorias das propriedades dos adesivos. Muitos estudos foram conduzidos para produzir compósitos de madeira reforçados com nanomateriais com desempenho físico e mecânico melhorado e emissão de formaldeído reduzida. Nanoclays demonstraram ser excelentes enchimentos e reforço para a matriz de resina, e melhorando significativamente resistência, tenacidade e outras propriedades. A modificação de adesivo UF usando partículas de nanoclay para contraplacado fabricado com três espécies florestais de plantações de crescimento rápido: Cordia alliodora, Gmelina arborea e Vochysia ferruginea foram relatados por Muñoz e Moya [121]. Determinou-se que a nanomodificação da resina com nanoclay a 0,75% melhorou os módulos de ruptura e elasticidade do painel. O efeito do uso de partículas de nanoclay em adesivos PF elevou significativamente as propriedades mecânicas do adesivo na linha de cola e contribuiu para um aumento na resistência macro-ligação do contraplacado [122]. Curiosamente, bentonita modificada com ião de metal de transição (TMI-BNT) nanoclay foi usada para converter resinas UF cristalinas em polímeros amorfos bloqueando as ligações de hidrogénio via método de intercalação in situ [123]. Isto resultou em aumento de 56,4% na resistência de adesão e redução de 48,3% na emissão de formaldeído.

Outras nanopartículas usadas para melhorar as propriedades físicas e mecânicas de compósitos de madeira incluem nanowollastonita (NW) [124, 125], nano-ZnO [126], nano-SiO₂, nano-Al₂O₃ [127], nanoprata [128] e nanocelulose (CNC e CNF). A CNC foi utilizada como enchimento para o adesivo, enquanto a CNF foi aplicada como aglutinante na formulação dos painéis compósitos. Recentemente, revelou-se que a adição de micro e nanofibras de celulose têm efeitos vantajosos nas propriedades da resina. Baseado nas investigações, verificou-se que a adição de CNC melhorou significativamente as propriedades mecânicas do contraplacado na quantidade de 10%/100 g de resina sólida [129]. Por outro lado, as propriedades físicas do aglomerado após adição de CNC a adesivos UF mostraram superfície lisa, diferença insignificante na densidade e teor de humidade dos painéis e apenas alto valor de teor de nanocelulose exibiu significativamente maior inchamento em espessura [130]. Entretanto, painéis de aglomerado fabricados usando CNF como materiais de ligação mostraram atender aos requisitos da indústria em termos de propriedades mecânicas para classes de baixa densidade [131]. Para aglomerado de alta densidade, estimou-se que o aumento da razão de CNF e maior pressão poderiam melhorar propriedades de ligação interna. Mesmo a resistência à retirada de prego e parafuso de face foi encontrada aumentada com o aumento da razão de adição de CNF e densidade do painel [132, 133].

Revestimento de Madeira

As florestas são principalmente ou parcialmente usadas para a produção de produtos florestais lenhosos e não lenhosos. Produtos florestais não lenhosos incluem bambu, rattan, lenha, carvão, damar, palma, etc. Existe uma enorme procura por madeira de alta qualidade, mas a disponibilidade de madeira de floresta natural tem vindo a diminuir. Consequentemente, a busca por recursos não lenhosos como alternativa à madeira tem sido acelerada. Devido à sua propriedade de crescimento rápido, o bambu foi desenvolvido num dos mais importantes produtos florestais não lenhosos. A madeira é uma estrutura polimérica biologicamente auto-montada natural (celulose, lignina, hemicelulose). É um dos materiais mais versáteis e tem sido usado há séculos na forma de edifícios e estruturas. No entanto, a madeira está sujeita a intensos processos de degradação oxidativa, como foto-oxidação, oxidação química, decomposição térmica e reações de fotólise do ambiente, incluindo luz ultravioleta (UV), humidade, poluente químico e variações de calor/frio [134]. Mesmo materiais não lenhosos como o próprio bambu é um material orgânico natural rico em proteína, carboidrato e outros nutrientes e propenso a bolor, ser comido por traças e apodrecimento. Portanto, os produtos finais de madeira e não madeira convencionalmente compreendem aditivos que podem ser usados como revestimentos para proteção e melhoria da aparência estética, conservantes para proteção contra fogo e fatores biológicos (fungos e insetos).

Revestimento é um processo de aplicação de uma camada na superfície do substrato. Exemplos de revestimentos comuns aplicados a superfícies de madeira são vernizes, laca e tintas, cujo propósito pode ser tanto protetor quanto decorativo. Os principais componentes dos revestimentos determinam as suas propriedades fundamentais, como aglutinantes, pigmentos, solventes, enchimentos e aditivos [135]. Cada elemento contribui com propriedades específicas para a superfície da madeira. O aglutinante contribui para a adesão do pigmento à madeira e cria uma camada protetora, enquanto o pigmento fornece cor e forma camada de superfície não translúcida. Os solventes dão viscosidade necessária para aplicação do revestimento, e a adição de enchimentos altera a força da cor e o brilho do revestimento. Quanto aos aditivos, inibem bolor e decomposição, assistem o processo de secagem, melhoram as propriedades de adesão e controlam o acabamento. No entanto, existem fraquezas dos revestimentos, como flexibilidade limitada, perda de resistência, adesão desproporcional entre camada de revestimento e substrato, resistência à abrasão inferior e menor durabilidade.

O nanorrevestimento tem a capacidade de resolver estas questões. Nanorrevestimento é um processo pelo qual uma camada fina de espessura cerca de < 100 nm é depositada no substrato para melhorar algumas propriedades ou conferir nova funcionalidade. O nanorrevestimento pode ser usado não apenas em nanomateriais, mas também em material mais volumoso com uma camada de revestimento extremamente fina sem afetar a topografia da superfície do substrato. A aplicação de nanorrevestimento em madeira e produtos de madeira é principalmente focada na melhoria de durabilidade, propriedades mecânicas, resistência ao fogo e absorção UV, bem como diminuição da absorção de água. Uma abordagem para melhorar a funcionalidade e o valor para o utilizador final do nanorrevestimento é a adição de nanopartículas [136]. Estas nanopartículas têm razões superfície-volume muito grandes devido à sua morfologia, o que lhes permite interagir intensivamente com o seu entorno, e o seu tamanho nano garante que a transparência ainda é sustentada.

Nanoaditivo para Melhoria de Durabilidade

Nanorrevestimentos são capazes de melhorar a durabilidade de produtos de madeira e não madeira utilizando nanopartículas e sistemas de nanodistribuição que fazem alterações a nível molecular dos produtos. Um dos objetivos dos revestimentos é prevenir o crescimento de vários microrganismos como fungos e bactérias. Partículas nanométricas de óxidos metálicos, como óxido de zinco (ZnO) [137, 138], óxido de titânio [138, 139] e óxido de cério (CeO₂) [140] foram relatadas para demonstrar fortes propriedades antimicrobianas. Estudos foram conduzidos na deposição direta de nanopartículas em superfícies de madeira ou funcionalização direta de superfícies de madeira com nanopartículas. Nanopartículas de ZnO foram fabricadas com sucesso na superfície de madeira de bambu por um método químico húmido simples de baixa temperatura baseado em camadas de semente de ZnO preparadas por sol-gel. Os resultados indicaram que a madeira de bambu tratada tinha melhor resistência contra Aspergillus niger V. Tiegh (A. niger) e Penicillium citrinum Thom (P. citrinum), mas fraca resistência contra Trichoderma viride Pers. ex Fr (T. viride) [141]. O grafeno também demonstra capacidade superior de inibir crescimento bacteriano. Portanto, a combinação de utilização de óxido de grafeno reduzido e nano-ZnO para revestir materiais à base de bambu para exterior via processo de dois passos mergulhar-secar e hidrotérmico, resultando na melhoria das propriedades de resistência a bolor e atividade antibacteriana [142]. Similarmente, o ZnO nanoestruturado usando processo hidrotérmico também forneceu proteção eficaz de superfícies de madeira contra biodeterioração [143].

Revestimentos de poliuretano à base de água [144] incorporados com celulose nanocristalina (CNC) e nanopartículas de prata (AgNPs) foram usados para melhorar a propriedade antibacteriana de painel de madeira [145]. As AgNPs eram conhecidas pelo seu material antimicrobiano mas agregavam facilmente durante o processo de preparação. Portanto, a CNC foi introduzida para assistir na mistura e dispersibilidade das AgNPs com WPU ou outros revestimentos. Além disso, a CNC também era um bom agente de reforço para melhorar as propriedades mecânicas dos nancompósitos. Polimerização em mini-emulsão também foi usada para sintetizar revestimento de látex acrílico contendo AgNPs, que limitará o crescimento de fungos de mancha preta nas superfícies de madeira [146]. O estudo do efeito antibacteriano de nanopartículas de prata e óxido de zinco em revestimentos acrílicos aplicados durante o tratamento de compósitos de madeira comerciais, como aglomerado e painel de fibras de média densidade, foi conduzido [147]. Nanopartículas de Ag e ZnO foram parcialmente mais eficazes contra a bactéria Gram-negativa Escherichia coli em comparação com a bactéria Gram-positiva Staphylococcus aureus.

Nanoaditivo para Melhoria da Absorção de Água

É bem conhecido que a madeira é suscetível à água ou humidade. Isto é devido à natureza hidrofílica do polímero constituinte da parede celular e à sua estrutura capilar-porosa. A interação entre madeira e água leva à biodeterioração da madeira, instabilidade dimensional e intemperismo acelerado. Embora existam modificações químicas convencionais usadas para melhorar a hidrofobicidade da madeira, a acessibilidade da água na madeira ainda não é completamente retardada [148]. Além disso, os químicos usados no processo de tratamento são possivelmente perigosos. Portanto, a nanotecnologia é usada como abordagem alternativa para modificação e funcionalização da madeira. A incorporação de nanopartículas em revestimentos poliméricos é usada para melhorar a absorção de água de superfícies de madeira. Duas abordagens são utilizadas para integrar as nanopartículas nos revestimentos, nomeadamente mistura em solução e adição in situ [149]. A primeira abordagem (mistura em solução) é quando um solvente combina com o polímero antes de ser disperso nas superfícies de madeira. Este método físico pode ser aplicado através de imersão, pincelamento e pulverização [150]. Wu et al. [151] relataram que um revestimento superhidrofóbico foi construído na superfície de madeira de choupo com ângulo de contacto até 158,4° através do produto de laca UV à base de água (WUV) modificado por nanopartículas de ZnO e ácido esteárico. Comparado com WUV, a resistência à água do revestimento super-hidrofóbico de estearato de zinco/laca UV à base de água (ZnSt₂/WUV) era mais forte, o que era propício para preparar revestimentos superhidrofóbicos de forma fácil e ambientalmente amigável. Curiosamente, um verniz à base de água adicionado com nanopartículas de TiO₂ foi usado para avaliar o acabamento de nove espécies de madeira tropicais [152]. Verificou-se que a incorporação de nanopartículas de TiO₂ diminuiu os valores de absorção de água e após um ano de exposição a intemperismo, o verniz sem nanopartículas de TiO₂ adicionadas degradou completamente, enquanto o filme de verniz modificado resistiu. Outros exemplos de revestimentos superhidrofóbicos de madeira preparados com sucesso são sistema de tinta compósito de partículas de celulose nanocristalina revestida de lignina (L-CNC)/álcool polivinílico (PVA) [153], revestimentos compósitos de metacrílico-siloxano-celulose curáveis por luz UV [154], filme compósito de SiO₂/TiO₂ dopado com Fe³⁺ [155] e sistema de revestimento híbrido de polidimetilsiloxano (PDMS)/sílica [156].

A segunda abordagem é a adição in situ ou um processo químico que envolve adição de composto diretamente aos monómeros e subsequente polimerização. As nanopartículas são sintetizadas in situ por reações químicas na superfície da madeira, como métodos hidrotérmicos ou deposição sol-gel. Gao et al. [157] aplicaram um método simples e eficaz na preparação de superfície de madeira superhidrofóbica condutiva com super repelência a óleo usando AgNPs modificados por fluoroalquil silano. O revestimento multifuncional poderia ser comercializado para várias aplicações, especialmente para autolimpeza e dispositivos biomédicos eletrónicos. Noutro estudo, bambu foi tratado usando sol de ZnO, e as redes de nanofolhas de ZnO foram crescidas hidrotérmicamente na superfície do bambu e subsequentemente modificadas com fluoroalquil silano [158]. O bambu tratado com sucesso exibiu propriedades superiores como superhidrofobicidade robusta, repelência estável a chuva ácida simulada, resistente a UV e resistente a fogo. Propriedades superiores semelhantes foram obtidas quando madeira de bambu preparada pela deposição hidrotérmica de nanopartículas de TiO₂ anatase e posteriormente modificada com octadeciltriclorosilano [159]. Superfícies de madeira superhidrofóbicas também podem ser preparadas usando abordagens como montagem camada-por-camada [160] de policatião/nanopartículas de TiO₂ multi-camadas e modificação hidrofóbica com perfluoroalquiltrietoxisilano (POTS) [161], revestimento por pulverização de nanocompósitos de copolímero metacrílico perfluoroalquil (PMC)/TiO2 à base de água sobre substrato pré-revestido com PDMS [162] e processo hidrotérmico de um passo usando tetrabutiltitanato (Ti(OC₄H₉)₄, TBOT) e viniltrietoxisilano (CH₂CHSi(OC₂H₅)₃, VTES) como co-precursor [163]. Mesmo uma abordagem biomimética para produzir superfície de bambu superhidrofóbica de SiO₂ tipo folha de lótus baseada em litografia suave foi realizada com sucesso [122].

Nanoaditivo para Melhoria de Propriedades Mecânicas

Partículas inorgânicas integradas em polímeros orgânicos são comumente usadas em revestimentos de madeira para aumentar as propriedades mecânicas. Como enchimentos, a rigidez e dureza dos materiais inorgânicos são combinadas eficazmente com a processabilidade do polímero. As partículas inorgânicas quando aplicadas em tamanho micron têm desvantagens, como reduzem a flexibilidade do material e diminuem a transparência do sistema de revestimento [164]. A utilização de partículas inorgânicas em tamanho nano aumenta a área de superfície e a razão da área interfacial, o que subsequentemente influencia as propriedades da matéria-prima [165]. Estudos recentes investigaram o uso de nanocelulose como reforço renovável para desenvolver um sistema de nancompósito de revestimento à base biológica com desempenho melhorado. A nanocelulose foi modificada na superfície devido à questão de incompatibilidade com a matriz polimérica. A adição de nanofibras de celulose oxidadas por TEMPO melhorou as propriedades mecânicas do revestimento WPU [144, 166]. No caso de matriz polimérica não polar [167], a celulose nanocristalina foi modificada por dois métodos, com cloreto de acroilo ou surfactante catiónico [167]. Um aumento no nível de carga de CNC até 2% aumentou dureza, módulo elástico e resistência à tração.

A nanosílica é outra nanopartícula comum aplicada para melhoria de propriedades mecânicas. Entre as vantagens de usar nanosílica estão a sua alta dureza e pode ser facilmente modificada quimicamente para melhorar a sua compatibilidade com a matriz polimérica. Um estudo recente de Meng et al. [168] relatou revestimentos híbridos de acrilato à base de água de óleo de rícino (CWA)/SiO₂ com estruturas de rede covalente orgânico-inorgânico reticuladas foram preparados via sol-gel e reações tiol-eno. O resultado mostrou que, além das emulsões terem boa estabilidade, as propriedades térmicas e mecânicas do revestimento melhoraram significativamente a 10% em peso de SiO₂. A melhoria das propriedades mecânicas com adição de nanosílica também foi descrita noutros sistemas de revestimento, como nitrocelulose à base de água [169] e acrilato [170].

Nanoaditivo para Melhoria da Absorção UV

O processo de fotodegradação da madeira começa diretamente após ser exposta à luz solar, e então ocorrem mudanças de cor e erosão progressiva da superfície da madeira. A radiação UV é capaz de degradar fotoquimicamente os componentes da estrutura polimérica da madeira (lignina, celulose e hemicelulose) [171]. O processo de fotodegradação geralmente resulta em resistência à água reduzida da madeira e materiais à base de madeira, o que leva a maior biodeterioração sob condições de exposição exterior. O dano intenso aos materiais devido ao componente UV na radiação solar pode ser prevenido usando tecnologias de estabilização à luz, revestimentos de superfície ou substituindo estes materiais por materiais mais resistentes à radiação UV [172]. Nanopartículas podem ser utilizadas para melhorar a resistência UV para revestimentos solvente, à base de água e UV, a fim de proteger superfícies de madeira. Nanopartículas que contêm revestimentos funcionais para alcançar propriedades de bloqueio UV oferecem alto nível de proteção contra UV sem afetar a transparência da superfície. O pequeno tamanho das nanopartículas dá um aumento significativo na eficácia de bloqueio de luz UV em comparação com material natural devido à sua grande razão área de superfície-volume.

O uso de revestimentos absorventes de radiação UV serve para prevenir a degradação da lignina pela luz UV. Entre as nanopartículas usadas como absorvedores UV estão principalmente TiO₂ e ZnO. Wallenhorst et al. [173] relataram um sistema composto por revestimento Zn/ZnO e selagem de poliuretano adicional reduziu fortemente a fotodescoloração da superfície da madeira e provou ser quimicamente estável. A combinação de benzotriazol (BTZ) e nanopartículas de ZnO foi aplicada como absorvedores UV em revestimentos acrílicos de bambu para exterior [174]. Fortes efeitos sinérgicos foram detetados nos revestimentos BTZ-ZnO, especialmente para formulação de razão 2:1. O sistema de revestimento forneceu alta resistência à fotodegradação e inibiu eficazmente a fotodescoloração dos substratos de bambu. Outra mistura de benzotriazóis, estabilizadores de luz de amina impedida (HALS), e nanopartículas de ZnO em revestimento acrílico à base de água de filme espesso também deu o efeito mais positivo na modificação de superfície protetora UV quando aplicado a madeira de carvalho [175]. A mistura de benzotriazóis, HALS e ambas as nanopartículas de TiO₂ e ZnO foi confirmada como um dos tratamentos mais eficazes para estabilização de cor da madeira devido aos espetros UV e VIS. Foi relatado que amostras de madeira revestidas com TiO₂ rutilo e mistura de metiltrimetoxisilano e hexadeciltrimetoxisilano mostraram desempenho superior de intemperismo e resistência melhorada a mudança de cor de superfície e perda de peso [176]. O revestimento de TiO₂ também foi encontrado para aparentemente melhorar a estabilidade de cor da madeira durante irradiação de luz UV sem pulverização de água. No entanto, a superfície de madeira adjacente degradou devido à atividade fotocatalítica do TiO₂ [177].

Nanoaditivo para Melhoria de Retardância ao Fogo

A inflamabilidade de produtos de madeira e não madeira restringiu a utilização, sendo a segurança contra incêndio uma grande preocupação para várias aplicações. Para superar as deficiências inerentes e uso de madeira e não madeira de forma segura, as propriedades retardantes de chama precisam de séria consideração. Nanopartículas têm sido recentemente usadas para produzir nancompósitos para melhoria nas propriedades retardantes de fogo. A utilização de nanopartículas, sozinhas ou em combinação com retardantes de fogo convencionais, serve para reduzir a inflamabilidade da madeira. O tamanho nano e alta área de superfície dos nanomateriais tornam-nos mais eficazes a baixas concentrações do que outros compostos convencionais, o que é uma enorme vantagem industrial e económica. A modificação de superfície é necessária para nanopartículas alcançarem melhor dispersão compatível e homogénea. A madeira revestida com TiO₂ foi encontrada capaz de reduzir a inflamabilidade da madeira e a propagação da chama, em comparação com a amostra não revestida [178]. As nanoestruturas duplas em camadas de ZnO-TiO₂ foram sintetizadas num substrato de bambu [179]. Os resultados mostraram que o índice de oxigénio aumentou de 25,6 para 30,2% após ser coberto com revestimento ZnO-TiO₂, o que revelou uma melhoria significativa da sua propriedade retardante de chama. Hidróxidos duplos em camadas [180] podem absorver grande quantidade de calor, diluir a concentração de gás inflamável e absorver gases ácidos nocivos durante o processo de decomposição; portanto, é um excelente retardante de chama. Yao et al. [180] aplicaram hidróxido duplo em camadas de magnésio-alumínio nano (Mg-Al LDH) a bambu num processo in situ de um passo e descobriram que a libertação total de calor e produção total de fumo foram reduzidas em 33,3% e 88,9%, respectivamente, em comparação com as das amostras sem Mg-Al LDH. Wang et al. [181] introduziram nanoestruturas de hidróxido duplo em camadas de zinco-alumínio (Zn-Al LDH) na madeira e descobriram que a taxa de libertação de calor de pico (PHRR) e produção total de fumo foram reduzidas em 55% e 47%, respectivamente, em comparação com as da madeira virgem [181]. Materiais de carbono nanoestruturados como grafeno também foram comprovados ter grande potencial para serem usados como retardante de fogo eficaz em materiais de madeira e compósitos de madeira para proteção de superfície contra fogo [182].

Durabilidade da Madeira

A madeira é um material tão versátil que encontra uso em vários campos como construção, mobiliário e arte [183, 184, 185]. A madeira é aplicada como material de construção devido à sua alta relação resistência-peso, característica ecológica, aparência estética e característica de biodegradabilidade. Infelizmente, a madeira é muito sensível a ataques biológicos, especialmente por fungos de decomposição e insetos [186, 187]. A madeira também é afetada por exposição a radiação UV, fogo e humidade [188]. A humidade pode causar empenamento, rachaduras e instabilidade dimensional na madeira. A degradação da madeira pode causar danos estéticos e estruturais internos. A degradação da madeira leva a perdas incalculáveis a cada ano. Além disso, o crescimento de fungos de decomposição em estruturas de madeira desencadeará problemas de saúde em humanos, incluindo alergias, sintomas respiratórios e asma, especialmente após exposições prolongadas em interiores [189]. Portanto, as questões associadas relacionadas à madeira não podem ser simplesmente ignoradas. A preservação da madeira usando químicos é a forma eficaz de proteger e prolongar a vida útil da madeira.

Nas últimas décadas, muitos conservantes químicos foram desenvolvidos e usados para proteger a madeira contra agentes de biodeterioração [188, 190]. Infelizmente, a maioria destes conservantes químicos pode representar efeitos sérios para humanos, organismos vivos e ambiente devido à sua acumulação no solo e ecossistemas [191]. Arseniato de cobre cromatado (CCA) é um dos conservantes químicos amplamente usados desde meados de 1930 e protege eficazmente a madeira contra fungos de decomposição, térmitas e brocas de insetos. No entanto, o CCA mostrou ser tóxico para humanos e ambiente [192, 193, 194]. Uma questão semelhante é enfrentada por outro químico, ou seja, pentaclorofenol (PCP). Foi considerado perigoso para a saúde humana; assim, a sua produção e usos foram proibidos em muitos países [195].

Em resposta a estas questões, uma nova série de conservantes químicos alegados como seguros e menos poluentes estão a ser introduzidos. Estes conservantes químicos podem ser obtidos de extrato de planta ou produzidos sinteticamente e têm propriedades de composto bioativo de planta. Por exemplo, piretroides, derivados de flor de piretro (Chrysanthemum cinerariifolium), têm atividade inseticida potente e agora podem ser produzidos sinteticamente. Infelizmente, estes químicos foram encontrados facilmente degradáveis por luz e temperatura, e têm espetro de eficiência estreito [196]. Outra limitação de pesticidas orgânicos é que a maioria dissolve em solventes orgânicos e não pode ser formulada como conservantes de madeira à base de água. Portanto, sistema de distribuição inteligente e inteligente de pesticidas orgânicos é crucial. Através de um sistema de distribuição inteligente, biocidas podem ser entregues de forma controlada e direcionada. Isto reduzirá perigos para humanos e ambiente [17].

Tratamento de madeira via método de nanotecnologia pode melhorar a durabilidade da madeira contra agentes de biodeterioração e intemperismo [14, 197, 198]. A principal vantagem de aplicar nanprodutos à madeira é a sua capacidade única de penetrar profundamente na estrutura da madeira [14, 199], melhorando assim propriedades de durabilidade que resultam em longa vida útil. Por outro lado, penetração completa com distribuição uniforme de nanprodutos também pode ser alcançada [200]. Até à data, muitos nanprodutos prontos a usar (nanoconservantes) para proteção de madeira estão disponíveis no mercado, enquanto alguns ainda estão na fase de investigação e desenvolvimento. Geralmente, nanprodutos usados para proteger madeira podem ser classificados em dois tipos, nomeadamente nanocápsulas e nanomateriais. Nanocápsula refere-se a pesticidas incorporados num nanotransportador polimérico, enquanto nanomaterial é metais nanoescala que podem ser diretamente impregnados na madeira [201].

Propriedade de Melhoria de Biocida via Nanoencapsulação

Encapsulação de pesticidas em nanotransportadores poliméricos é uma das técnicas promissoras de nanotecnologia na melhoria da impregnação de madeira com pesticidas. Esta técnica é desenhada para aumentar a solubilidade de pesticidas pouco solúveis em água e libertar pesticidas de forma lenta [202]. A encapsulação permite que esses pesticidas de baixa solubilidade se dispersem facilmente em nanopartículas poliméricas sólidas. O polímero pode então ser suspenso em água e aplicado à madeira via tratamentos convencionais à base de água [149]. A encapsulação também é capaz de proteger o ingrediente ativo hidrofílico de lixiviação excessiva [19]. Devido ao pequeno diâmetro da cápsula, pode ser facilmente incorporada e penetrada na parede celular da madeira. Isto melhora accordingly a durabilidade da madeira tratada contra agentes de biodeterioração. Não só esta tecnologia pode entregar pesticidas de forma segura, também pode prolongar a vida útil do pesticida, resultando em proteção prolongada para a madeira [203].

A encapsulação de pesticidas é uma abordagem bottom-up. Pode ser realizada através de várias técnicas, como nanoprecipitação [17, 204, 205, 206], difusão-emulsão [207] e dupla emulsificação [208] (Tabela 3). Os materiais usados como nanotransportadores poliméricos podem ser derivados de polímero natural, polímero sintético ou combinação de ambos [209]. Por exemplo, polímero natural inclui celulose, amido, alginatos, sílica e halloysita. O polímero sintético geralmente usado como nanotransportadores poliméricos inclui poli(acetato de vinilo), poli(metacrilato de metilo), poli(ácido láctico), etc. (Tabela 3).

Um estudo anterior de Liu et al. [18, 216] encapsulou com sucesso tebuconazol e clorotalonil em polivinilpiridina e copolímero de polivinilpiridina-estireno usando o método de impregnação. O tamanho de partícula das cápsulas obtidas estava entre 100 e 250 nm. Impregnaram uma suspensão das cápsulas em alburno de pinho amarelo do sul e bétula usando tratamentos de pressão convencionais. A madeira tratada foi então exposta a podridão castanha (Gloeophyllum trabeum) e podridão branca (Trametes versicolor) por 55 dias. Os resultados mostraram grande resistência contra ambos os fungos de decomposição.

Salma et al. [17] usaram a técnica de nanoprecipitação para encapsular tebuconazol. As cápsulas poliméricas contendo tebuconazol foram preparadas a partir de copolímeros anfifílicos de gelatina enxertada com metacrilato de metilo com diâmetros de tamanho variando de 200 a 400 nm ou 10 a 100 nm dependendo da razão de massa núcleo/casca polimérica. O tebuconazol encapsulado foi relatado como capaz de preservar madeira contra fungo de podridão castanha. Por outro lado, o sistema de formulação desenvolvido por Salma et al. [17] é flexível e pode ser facilmente modificado usando copolimerização de outros monómeros acrílicos como metacrilato de hidroxietila. Isto indica que a taxa de libertação de tebuconazol pode ser feita à medida. No entanto, a desvantagem destas nanocápsulas é que são propensas a agregação, o que reduz a eficiência de entrega das nanocápsulas na madeira.

Can et al. [217] encapsularam com sucesso nano prata em copolímero de poliestireno-soja. No seu estudo, o pinheiro silvestre foi impregnado com as cápsulas e testado contra fungos de podridão branca (Trametes versicolor). O resultado obtido do estudo indica que o óleo de soja, poliestireno e nanoprata desempenharam papéis importantes no efeito sinérgico de aumento da resistência à decomposição do pinheiro silvestre.

Impregnação de Nanopartículas Metálicas para Melhoria de Durabilidade

Nanopartículas metálicas têm sido usadas para proteger madeira contra agentes de biodeterioração e intemperismo desde décadas atrás [197, 218, 219]. Nanopartículas oferecem melhores características que a sua forma a granel, principalmente devido ao seu tamanho reduzido que leva a alta razão área de superfície-volume específica, distribuição de tamanho uniforme e boa estabilidade. Devido ao seu tamanho muito pequeno, nanopartículas podem penetrar profunda e uniformemente nos poros da madeira, levando a uma proteção da madeira [197, 220]. Além disso, a estabilidade de dispersão é melhorada devido ao tamanho e também pela adição de surfactante [221]. Estabilidade de dispersão acoplada com tamanho de partícula pequeno pode melhorar grandemente os seguintes aspetos: (1) penetração de conservante, (2) tratabilidade da madeira, (3) estabilidade de acabamentos e produtos de revestimento, (4) baixa viscosidade, e (5) não-lixiviação [222, 223]. Além disso, pode melhorar a compatibilidade com aglutinantes, sendo assim capaz de aumentar a afinidade com polímeros de madeira [197, 224].

Nanopartícula metálica pode ser preparada alterando o tamanho de partícula do metal via reações químicas, tratamento mecânico, aquecimento ou refluxo. Até à data, muitas nanopartículas têm sido usadas para proteção de madeira. Nanopartículas metálicas principalmente cobre, prata, boro e zinco exibiram bom desempenho contra podridão branca e castanha mas menos eficientes contra bolor [219]. Dióxido de titânio (TiO₂) é outra nanopartícula que tem bom potencial para ser usada como conservante de madeira. O potencial do TiO₂ relaciona-se com as suas propriedades antibacterianas e antifúngicas [14, 225] e resistentes a UV [225, 226]. No entanto, o estudo sobre madeira tratada com TiO₂ ainda está em investigação preliminar [14, 225]. A Tabela 4 lista os trabalhos sobre a utilização de TiO₂ para preservação de madeira. A distribuição de TiO₂ na madeira foi estudada por Mohammadnia-Afrouzi et al. (Fig. 3).

Imagens de MEV tiradas da secção tangencial de amostras de madeira tratadas com nano-TiO₂: teor de humidade (CH) 0%/concentração 0,5% (a1), 25% CH/0,5% concentração (A2), 0% CH/1% concentração (A3), 25% CH/1% concentração (A4), 0% CH/1,5% concentração (A5) e 25% CH/1,5% concentração. Fonte: Afrouzi et al. [227]

O cobre é um biocida essencial para proteção de madeira. No entanto, o cobre sozinho falha em proteger madeira contra fungos destruidores de madeira tolerantes a cobre. Nanopartículas de cobre são uma nova geração de conservante de madeira à base de cobre. O uso de nanopartículas de cobre em vez de cobre convencional mostra durabilidade melhorada da madeira contra fungos de decomposição [230]. Isto mostra que nanopartículas de cobre podem ser usadas para proteger madeira sem a presença de crómio e arsénio [230].

Cristea et al. [15] estudaram os efeitos da adição de nanopartículas de ZnO e nanopartículas de prata em revestimentos de madeira para exterior. O objetivo do estudo é melhorar a durabilidade e proteção da madeira através de proteção UV. Além de fornecer proteção eficiente contra UV, as propriedades mecânicas da madeira, como dureza, resistência de adesão, resistência à abrasão e efeito de barreira para difusão de vapor de água foram ligeiramente melhoradas.

A mistura de nanopartículas de ZnO com nanopartículas de prata foi capaz de proteger madeira de problemas de intemperismo como raios UV [231]. Impregnaram alburno de álamo usando três concentrações diferentes de mistura por processo de célula cheia. As amostras foram então expostas a intemperismo natural. As mudanças de cor das amostras de madeira tratadas foram medidas usando espectrofotómetro. A madeira tratada apenas com nanopartículas de ZnO foi usada como controlo. O resultado indica que madeira tratada com mistura de nanopartículas de ZnO e nanopartículas de prata tem as menores mudanças de cor em comparação com amostras tratadas com cada nanopartícula metálica.

Noutro estudo, Mantanis et al. [197] trataram madeira de pinheiro preto com nanopartículas de ZnO, borato de zinco e óxido de cobre sob vácuo. Usaram emulsão acrílica para forçar as nanopartículas metálicas na estrutura da madeira para evitar lixiviação. A durabilidade da madeira tratada contra bolor, fungos de decomposição e térmitas subterrâneas foi avaliada. Os resultados mostraram que madeira tratada com borato de zinco inibiu ligeiramente o bolor, enquanto as outras nanopartículas metálicas não exibiram bolor. Resultado semelhante foi relatado por Terzi et al. [232] que nanopartículas de ZnO não exibiram crescimento de bolor em amostras de madeira. No entanto, todas as nanopartículas metálicas inibiram significativamente fungos de podridão branca e térmitas.

Outro estudo mostra que nanopartículas metálicas são capazes de melhorar propriedades retardantes de fogo da madeira. Francĕs et al. [16] estudaram o efeito de SiO₂, TiO₂ e ZnO₂ infiltrados em folheados de pinheiro. Relataram que folheado tratado usando 3% em peso de SiO₂ foi mais eficaz para melhorar o comportamento retardante de fogo.

Apesar das notáveis vantagens da nanotecnologia no setor de preservação de madeira como discutido acima, a compreensão fundamental sobre síntese, processamento e caracterização de nanocápsulas e nanopartículas metálicas para proteção de madeira ainda precisa ser melhorada. As características mais interessantes precisam ser consideradas durante o design e desenvolvimento de nanocápsulas ou nanopartículas metálicas para proteção de madeira estão listadas na Tabela 5.

Potencial de Material à Base de Nanocelulose no Setor Energético

A energia é um recurso importante que tem forte correlação entre crescimento económico e desenvolvimento [233]. Hoje, as principais fontes de energia são de combustíveis fósseis e fontes hidroelétricas, que são muito prejudiciais ao ambiente porque podem causar mudança climática e aquecimento global, bem como depleção da camada de ozono, poluição, emissão de gases de efeito de estufa e destruição ecológica [234, 235, 236]. Cerca de 80% das emissões de dióxido de carbono (CO₂) no mundo são do setor energético e avanço tecnológico é necessário para desenvolver recursos de energia renovável sustentáveis para reduzir as emissões de CO₂ assim como superar o impacto do aquecimento global na vida e saúde, em linha com as necessidades de acelerar o desenvolvimento tecnológico [234, 237].

De forma a minimizar os efeitos ambientais, um material eficiente à base de carbono, sustentável e de baixo custo tem sido explorado como potencial para substituir alguns materiais convencionais na fabricação de dispositivos energéticos. Um dos materiais naturais à base de carbono é a celulose, que é o polímero natural mais promissor com muitas utilizações, incluindo energia [237].

A nanotecnologia é uma das tecnologias avançadas que tem o potencial e perspetiva para satisfazer a procura de criar energia limpa e verde. Desenvolver este novo material em nanoescala permite nova aplicação e a sua interação com a tecnologia energética atual que revolucionaria o campo energético, desde uso a fornecimento, conversão a armazenamento e transmissão a distribuição [238]. Ao adaptar esta nanotecnologia, terá alto impacto no desenvolvimento de energia limpa e verde e beneficia o ambiente e recursos naturais [239].

Segundo Serrano et al. [234] e Hut et al. [235], a aplicação mais promissora da nanotecnologia para conversão de energia é principalmente focada em energia solar, materiais condutores, hidrogénio solar, células de combustível, baterias, geração de energia e dispositivos energéticos. Compreender as propriedades estruturais e morfológicas de nanomaterial é essencial para obter proficiência e sustentabilidade para muitas aplicações. A maior aplicação da nanotecnologia em geração de energia é energia solar usando células fotovoltaicas (FV) que foca na eficiência de aproveitamento [233]. Consumo de energia gerada a partir desta célula solar usando recursos naturais reduzirá o uso de combustível fóssil e diminuirá a poluição, criando energia ambientalmente amigável e verde [239]. Além disso, o desenvolvimento de nanodispositivos usando célula solar poderia melhorar a eficiência dos materiais existentes, bem como reduzir custo de fabrico que poderia aumentar o crescimento económico [236].

A nanotecnologia tem sido usada em várias aplicações para melhorar o ambiente, resolver problemas da humanidade e produzir energia mais eficiente e custo-efetiva, como gerar menos poluição durante fabrico de produtos, produzir células solares e de combustível a custo competitivo, produção de hidrogénio, limpeza de químicos orgânicos a poluir água subterrânea e superar o problema de suficiência energética, mudança climática e doenças, bem como reduzir a dependência de fontes de energia não renováveis [233, 235, 240].

Material à Base de Nanocelulose para Energia Solar

A energia solar está disponível em várias partes do mundo e pode ser capturada do sol com 15.000 vezes mais energia anualmente. Esta fonte de energia pode ser usada de diferentes formas: tecnologia fotovoltaica (FV), sistemas solares térmicos, fotossíntese artificial, tecnologias solares passivas e tecnologia de biomassa, que são usadas para produzir eletricidade, vapor ou biocombustíveis [234, 235].

No futuro, a nanotecnologia pode contribuir para desenvolver um sistema eficaz e de baixo custo para produção, armazenamento e transporte de energia [235]. Segundo Serrano et al. [234] e Hut et al. [235], o mercado fotovoltaico (FV) atual baseia-se em células solares à base de wafer de silício (primeira geração) e camadas finas de materiais semicondutores (segunda geração). O inconveniente atual do uso de células solares é o custo de fabrico, principalmente no alto custo de células FV convencionais com fraca eficiência de absorção de energia (menos de 40%) [233].

A nanocelulose mostra bom potencial para ser usada no sistema de energia solar devido à sua renovável, biodegradabilidade, biocompatibilidade, ampla capacidade de modificação, adaptabilidade e morfologia versátil [241, 242]. Substrato de celulose de baixo custo, flexível e poroso poderia ser usado para produzir células solares. Celulose nanofibrilar (CNF) com tamanho tão baixo quanto 4 nm poderia tornar-se excelente candidato para produção de papel ultrafino para uso em componente de célula solar para armazenar energia [235]. Klochko et al. [243] usaram nanocelulose de biomassa para desenvolvimento de filme fino flexível biodegradável ecológico como material termoelétrico. O filme fino foi usado para converter calor residual de baixa qualidade da radiação solar em eletricidade a temperatura próxima à ambiente.

Materiais Condutores à Base de Nanocelulose

Materiais condutores permitem o fluxo de corrente elétrica, necessário na fabricação de dispositivos energéticos. Existem muitos tipos de materiais condutores, como polímeros condutores e materiais de carbono condutores (ex: nanotubos de carbono, grafeno, e negro de carbono) e partículas metálicas com diferentes níveis de condutividade. Estes materiais condutores podem ser combinados com nanocelulose para formar novos compósitos. O processo de produção de nanocelulose condutora é mostrado na Fig. 2. Existem duas estratégias principais envolvidas no processo de fabrico de híbridos condutores à base de nanocelulose; uma é revestimento de camada de materiais condutores na superfície de substratos de nanocelulose, e outra é misturar os materiais condutores dentro do substrato de nanocelulose para fazer compósito [237]. Polímeros condutores são alternativa a materiais metálicos devido ao seu bom desempenho eletroquímico, leve e baixo custo. Um dos polímeros condutores mais promissores é polianilina (PANI) devido à sua rota simples de síntese, condutividade controlável e alta capacitância específica [244].

Materiais condutores à base de nanocelulose são desenvolvidos para supercondensadores e aplicações de dispositivos de armazenamento de energia usando vários tipos de método, como polimerização in situ, dopagem, revestimento, impressão a jato de tinta e deposição in situ [68, 244, 245, 246]. Modificação do supercondensador existente adicionando nanocomponentes aumentou a sua capacidade de armazenar grande quantidade de energia com maior tempo de fornecimento [238].

Além disso, elétrodos de membrana compósita à base de nanocelulose podem ser desenvolvidos via polimerização in situ de nanocelulose usando componentes condutores via unidade de filtração simples (Fig. 3). Uma membrana compósita bem misturada de materiais condutores/nanocelulose é deixada no filtro após o líquido ter passado através do filtro e membrana compósita seca ao ar pode ser descascada da membrana de filtro para uso posterior como supercondensadores [244].

Nanocelulose para Armazenamento de Energia

A aplicação potencial de nanocelulose para aplicação de armazenamento de energia ganhou muita atenção recentemente. Isto é devido à sua dimensão nanoescala, alta razão área de superfície-volume, e rica em grupo hidroxilo, que tornam a sua química de superfície facilmente modificável para processamento de compósito. O aspeto mais importante no armazenamento de energia é desenvolver nanocelulose com propriedades de condutividade e flexibilidade. Pode ser alcançado adicionando polímeros condutores como polianilina e polipirrol. Por exemplo, o filme compósito de nanocelulose/polianilina é amplamente usado como sensores baseados em papel, elétrodo flexível, e adesivo condutor [68, 247, 248, 249]. Razaq et al. [250] fabricaram elétrodos a partir do compósito de nanocelulose/polipirrol e filamento de carbono para dispositivos de armazenamento de energia baseados em papel. Wang et al. [248] relataram que os seus dispositivos desenvolvidos usando compósito de nanocelulose/polipirrol fornecem alta capacidade de taxa de carga e descarga, altas capacitâncias de célula, e desempenho de ciclagem.

Materiais à Base de Nanocelulose para Baterias de Lítio e Vanádio

Alta procura em dispositivos eletrónicos portáteis flexíveis recentemente, como smartphone, veículos elétricos, portáteis, e até armazenamento de energia de rede causa aumento da procura em baterias de ião de lítio recarregáveis (LIBs) [251] e supercondensadores [252]. LIBs são um dos candidatos de armazenamento de energia mais ideais para dispositivos eletrónicos, devido à sua alta densidade de energia, densidade de potência moderada e estabilidade de ciclo. Em LIBs, o elétrolito é importante para transferência de ião de lítio (Li⁺) entre ânodo e cátodo. Elétrolito líquido orgânico é usado para sistema LIBs, mas pode representar tremenda preocupação de segurança devido à alta toxicidade e inflamabilidade. Elétrolito de estado sólido tornou-se de interesse porque demonstra vantagens óbvias de baixa inflamabilidade e baixa toxicidade [253, 254]. Segundo Janek et al. [255], elétrolito de estado sólido é classificado como elétrolito polimérico sólido (SPE) e elétrolito sólido inorgânico (ISE). No entanto, SPE oferece vantagens de processamento fácil e flexibilidade [255].

Qin et al. [256] desenvolveram SPE incorporando óxido de polietileno (PEO) com aerogel nanofibrilar e sal de lítio bis(trifluorometansulfonil)imida (LiTFSI). Os resultados mostraram que as propriedades de condutividade iónica de SPE foram significativamente melhoradas devido à celulose nanofibrilar carregada negativamente. Os resultados também provaram que o SPE fabricado é eletroquimicamente estável, mecanicamente robusto e termicamente estável, bem como flexível, esperado para uso em dispositivos eletrónicos flexíveis.

Nair et al. [257] fabricaram elétrolito polimérico compósito carregado de nanocelulose para baterias de lítio-enxofre de alto desempenho usando método de polimerização induzida termicamente. O elétrolito polimérico compósito demonstra excelente condutividade iónica, estabilidade térmica até mais de 200 °C e interface estável para lítio. O elétrolito também tem perfis de ciclagem estáveis, atribuídos à redução significativa da migração de polissulfeto para ânodo por aprisionamento de nanocelulose na matriz polimérica.

Outro estudo foi realizado por Zhang et al. [258] em membrana de troca de protões robusta desenvolvida usando poli(éter sulfona) sulfonada reforçada por nanocelulose core-shell para baterias de fluxo redox de vanádio (VRFBs). Verificou-se que com a incorporação de nanocelulose encapsulada em sílica, a membrana de troca de protões exibe resistência mecânica excecional de 54,5 MPa e alta eficiência energética acima de 82% a 100 mA cm⁻², que é estável durante 200 ciclos de carga-descarga. A membrana de troca de protões é um dos componentes-chave nas VRFBs. Funciona como separador para evitar crossover de iões de vanádio. Também atua como condutor de protões que contribui para alta eficiência de tensão nas VRFBs [259].

Materiais à Base de Nanocelulose para Supercondensador Flexível

Supercondensador ou conhecido como condensador de dupla camada eletroquímica ou ultracapacitor é outro sistema versátil de armazenamento de energia que ganhou a atenção de investigadores em todo o mundo [260]. Com alta densidade de potência, longo ciclo de vida, princípios simples, baixa manutenção, portabilidade, desempenho estável e taxa rápida de carga/descarga, tornam os supercondensadores capazes de preencher a lacuna entre baterias e condensadores convencionais [260]. Estas propriedades oferecem abordagem promissora para satisfazer as crescentes exigências de potência.

Elétrodo é um componente muito importante no supercondensador. Requer bom desempenho eletroquímico e flexibilidade, especialmente para preparar um supercondensador flexível de alto desempenho. Him et al. [261] e Zhe et al. [262] descobriram que grafeno e nanocelulose são excelentes materiais de elétrodo flexível para supercondensadores. A nanocelulose tem sido usada como material de substrato devido à sua boa biodegradabilidade, resistência mecânica, flexibilidade e reatividade química. A estrutura porosa e hidrofilicidade da nanocelulose podem facilitar a fixação de outros materiais, por exemplo grafeno, na sua estrutura de rede fibrosa [263]. Ao mesmo tempo, a abundância de grupos hidroxilo na superfície da nanocelulose permite a interação da nanocelulose com outro polímero para formar compósitos fortes [264].

Khosrozadeh et al. [265] desenvolveram elétrodo para supercondensador usando compósito de nanocelulose-base polianilina/grafeno/nanofio de prata e após aplicá-lo por 2400 ciclos, a uma densidade de corrente de 1,6 A/g, o supercondensador mostrou densidade de potência, densidade de energia e capacitância de 108%, 98% e 84%, respectivamente. Isto mostra que o elétrodo tem excelente estabilidade cíclica e boa flexibilidade mecânica. Por outro lado, Ma et al. [266] desenvolveram elétrodo usando celulose bacteriana/polipirrol revestido com grafeno. O elétrodo preparado tem boa flexibilidade mecânica, na qual pode dobrar em qualquer ângulo. A capacitância de área e densidade de energia podem atingir 790 mF cm⁻² e 0,11 mWh cm⁻², respectivamente, quando montado em supercondensadores simétricos. O elétrodo de nanocelulose-grafeno pode ser fabricado usando método de reticulação química ou física [267, 268]. A nanocelulose como componente de elétrodo de supercondensador também desempenha o papel de reservatório interno de elétrolito. Isto é porque a nanocelulose pode fornecer forma eficaz para transporte de ião. A alta estrutura de poros e propriedades hidrofílicas da nanocelulose tornam mais fácil o transporte de ião de elétrolito [261].

Papel à Base de Nanocelulose para Dispositivos Eletrónicos

Papel à base de nanocelulose é um substrato verde que pode ser usado para dispositivos eletrónicos e optoeletrónicos. Atualmente, papel comercial tem superfície relativamente rugosa e propriedades mecânicas fracas, o que pode ser bastante problemático para fabricação de dispositivos eletrónicos [269]. A maioria da fabricação de dispositivos eletrónicos usa componentes não biodegradáveis e não recicláveis, como plásticos, vidros e silicones como substratos [270]. Formação de papel à base de nanocelulose a partir de CNF via método de filtração simples pode produzir papel mecanicamente forte e baixo coeficiente de expansão térmica como alternativa a papel comercial [6, 269]. Segundo Li e Lee [270], papel transparente à base de nanocelulose para dispositivos eletrónicos foi desenhado e aplicado para eletrocrómico, sensor tátil, células solares, transístores, diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), provador de impressão gravura e identificação por radiofrequência (RFID).

Uma das aplicações de papel transparente de nanocelulose é para produção de materiais eletrónicos flexíveis através de impressão de circuito diretamente na superfície dos substratos via revestimento ou técnicas de deposição térmica. Primeiro, a fabricação de eletrónicos flexíveis foi construída em wafer de silício especial que permite que nanomembranas de silício (Si NMs) sejam libertadas e depois transferidas para substrato CNF com camada adesiva, e o dispositivo foi completado por etapas de padrão de fotorresistente e gravação a seco como ilustrado na Fig. 4 [271].

Ilustração esquemática das rotas de fabricação generalizadas para híbrido condutor à base de nanocelulose. Fonte: Du et al. [237]. Reproduzido com permissão da Elsevier

Além disso, CNF também é o principal substrato para diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) (Fig. 5). Okahisa et al. [272] relataram que o dispositivo OLEDs foi fabricado em compósito de nanocelulose fibrilar de madeira (CNF).

Procedimento de filtração para fabricar membrana compósita à base de nanocelulose [supercondensador (SC)]. Fonte: Hsu e Zhong [244]

Potencial de Nanocompósito à Base de Nanocelulose para Desenvolvimento de Sensor

A nanocelulose tem sido amplamente usada para desenvolver sensores inovadores e melhorar a sensibilidade de sensores. Na indústria alimentar, por exemplo, sensores tornaram-se uma ferramenta importante para proteger humanos de perigos e riscos de saúde causados por contaminantes alimentares. Sensores podem ajudar a identificar rapidamente micotoxinas, patogénios, metais pesados, pesticidas, iões metálicos, e assim por diante em alimentos. Além disso, a tecnologia de sensores pode superar o processo complicado, laborioso e demorado usando instrumento caro que geralmente requer pessoal bem treinado [273, 274]. Sensor também fornece deteção rápida e sensível de segurança alimentar.

Na última década, muitos sensores (sensores eletroquímicos, biossensores e sensores químicos) foram desenvolvidos com sucesso como alternativa ou como ferramentas de deteção complementares para deteção rápida e sensível [275, 276, 277]. No entanto, sensores convencionais foram desenvolvidos usando plásticos, produtos à base de petroquímicos e material inorgânico, o que leva a problemas ambientais. Além disso, questões como emissão de gases de efeito de estufa, toxicidade e sustentabilidade dos materiais estão a tornar-se crescentes. Portanto, a procura por dispositivos de sensores sustentáveis aumentou rapidamente nos últimos anos.

Nanoceluloses de plantas e bactérias mostraram potenciais promissores devido às suas excelentes propriedades físicas, térmicas, mecânicas, ópticas e físicas, que são importantes para fabricar dispositivos de sensores de alto desempenho. Estas propriedades tornam a nanocelulose mais preferida como biomateriais, pois pode melhorar a seletividade e sensibilidade de sensores para deteção de analitos. Por outro lado, as propriedades de adesão da nanocelulose previnem problemas de lixiviação de reagentes imobilizados. Assim, uma melhoria notável pode ser obtida para a estabilidade a longo prazo do sensor. Além disso, os grupos hidroxilo -OH na nanocelulose podem ser modificados para incorporação de sítios de ligação para adsorção seletiva de diferentes espécies de analitos [278]. A combinação destas características torna as fibras de nanocelulose nanoestruturadas um bloco de construção ideal para conjugação com outros materiais funcionais [248, 279, 280] (Tabela 6).

Desenvolvimento de Biossensores

Kim et al. [286] imobilizaram enzimas candida rigosa lipase em diferentes nanocristais de celulose. Os resultados indicam candida rigosa lipase absorvida em nanocelulose foi relativamente maior comparado ao de microcelulose. Isto pode ser relacionado com a alta área de superfície na nanocelulose e assim aumentar a interação iónica entre grupo aniónico de nanocelulose e candida rigosa lipase. Neste estudo, descobriram que a meia-vida da candida rigosa lipase imobilizada em nanocelulose aumentou 27 vezes mais comparado à forma livre. Além disso, a estabilidade da enzima também aumentou (Fig. 6).

Processo de produção de eletrónicos flexíveis em substrato CNF. Fonte: Sabo et al. [271]

Outro grupo de investigadores, Edwards et al. [287] estudaram os perfis cinéticos de substrato de tri e tetrapeptídeos de elastase para fabricação de biossensor de elastase, conhecido como elastase de neutrófilo humano (HNE) e elastase pancreática de porco (PPE). Para desenvolver HNE e PPE, tri e tetrapeptídeos imobilizados foram usados em nanocristais de celulose de algodão. Descobriram que 2 mg de tripeptídeo conjugado nanocristais de celulose de algodão em 1 h foi capaz de detetar 0,03 U mL⁻¹ PPE, enquanto 0,2 mL de tetrapeptídeo conjugado nanocristais de celulose de algodão sobre 15 min poderia detetar 0,05 U mL⁻¹ atividade HNE. Incani et al. [288] fabricaram um biossensor imobilizando enzima oxidase de glicose (GOx) em nanocelulose/polietilenimina (PEI)/nanopartículas de ouro (AuNPs) nancompósitos. As AuNPs foram adsorvidas no PEI catiónico e nanocelulose. Os espectros de Transformada de Fourier Infravermelho (FTIR) confirmaram que GOx foi imobilizada com sucesso nos compósitos poliméricos (Fig. 7).

Display flexível (OLEDs) em substrato CNF, a Fonte: Okahisa et al. [272]. Reproduzido com permissão da Elsevier. Eletrónicos flexíveis em substrato CNF, b Fonte: Sabo et al. [271]

Abd Manan et al. [289] desenvolveram com sucesso biossensor baseado em nanocelulose nanocristalina (CNC)/pontos quânticos (QDs) de sulfeto de cádmio (CdS) nancompósitos para determinação de fenol. Modificaram a CNC com surfactante catiónico de brometo de cetiltrimetilamónio (CTAB) e further decoraram com QDs de CdS com tampa de ácido 3-mercaptopropiónico (MPA) como suporte para imobilização de enzima tirosinase (Tyr). As imagens de MET de CNC e CTAB-CNC (Fig. 8a, b) indicam que estrutura tipo bigode aglomerada de CNC não foi afetada pela modificação, enquanto os QDs MPA são de forma esférica (Fig. 8c). As imagens de MEV-CE de filme nanoestruturado CTAB-CNC (Fig. 8d) exibiram estruturas fibrosas agregadas homogéneas, uniformes e densas, enquanto para filme de nancompósitos CTAB-CNC/QDs (Fig. 8e), os QDs de CdS apareceram como pequenos pontos brancos. Análise EDX mostra a presença de elementos respetivos de carbono (C), oxigénio (O), enxofre (S) e cádmio (Cd), indicando que QDs de CdS foi anexado com sucesso no filme CTAB-CNC. O resultado do teste contra fenol mostra que o biossensor exibe boa linearidade para fenol na gama de concentração de 5-40 µM (R2 = 0,9904) com sensibilidade e limite de deteção de 0,078 µA/µM e 0,082 µM, respectivamente.

Imagens de MET para a CNC, b CTAB-CNC, c MPA-QDs, micrografia de MEV-CE de d filme de nanoestruturas CTAB-CNC, e filme de nancompósitos CTAB-CNC/QDs, f análise EDX de filme nanoestruturado CTAB-CNC, g filme de nancompósito CTAB-CNC/QDs (Fonte: Abd Manan et al. [289]). Reproduzido com permissão da Elsevier

Na indústria alimentar, sensores são usados para monitorizar qualidade ou frescura de alimentos. Moradi et al. [290] desenvolveram indicador de deteção de pH baseado em nanofibras de celulose bacteriana para monitorizar frescura de peixe. Usaram antocianinas de cenoura como indicador. O sensor fabricado exibiu amplas diferenças de cor de vermelho a cinzento na gama de pH 2-11. As mudanças de cor eram distinguíveis, onde cor carmim profunda indica peixe fresco, cor rosa charm indica peixe melhor para comer imediatamente, e peixe estragado é indicado por cores azul jelly bean e khaki.

Desenvolvimento de Sensores Químicos

A estrutura de hidrogel de nanocelulose foi previamente usada para imobilizar pontos quânticos de grafeno co-dopados com enxofre e azoto como sensor de baixo custo para detetar enzima laccase [291]. Laccase é a família de enzima oxidase multicobre. Está envolvida na oxidação monoeletrónica de vários compostos aromáticos e aminas alifáticas. Portanto, é geralmente usada em produtos de descoloração e coloração [292, 293]. Portanto, monitorização de atividade de laccase em produtos comerciais é de grande interesse. Neste estudo, os autores descobriram que os pontos quânticos de grafeno co-dopados com enxofre e azoto foram auto-organizados via interações eletrostáticas.

Faham et al. [294] descreveram o desenvolvimento de kit de ensaio colorimétrico à base de nanocelulose para deteção por smartphone de ferro, Fe(II) e fármaco quelante de ferro deferoxamina (DFO) em biofluidos. Incorporaram curcumina em nanopapel de celulose bacteriana transparente, como kit de ensaio colorimétrico. O kit de ensaio foi então usado para monitorização de ferro e deferoxamina como fármaco quelante de ferro em fluido biológico como urina, sangue, saliva e soro. O kit de ensaio pode ser facilmente acoplado com tecnologia de smartphone para monitorização colorimétrica de Fe(II) e DFO.

Desenvolvimento de Sensores Eletroquímicos

Burrs et al. [295] demonstraram biossensor eletroquímico baseado em glicose para deteção de bactérias patogénicas. O papel condutor usado para desenvolvimento de sensor eletroquímico foi preparado usando compósitos de grafeno-nanocelulose. Platina foi eletrodepositada em compósitos de grafeno-celulose usando sonoeletrodeposição pulsada [296]. Então o sensor foi fabricado funcionalizando nanoplatinas com oxidase de glicose (GO_x) aprisionada em hidrogel de quitosano no papel condutor. Descobriram que o sensor é extremamente eficiente para uso em biossensor eletroquímico com baixo limite de deteção para glicose ou bactérias patogénicas.

Ortolani et al. [297] desenvolveram dispositivo de deteção eletroquímica usando nanocelulose e nanocornos de carbono de parede única (SWCNH) para determinação de guanina e adenina. Tanto nanocelulose como SWCNH têm grande área de superfície, boa condutividade, alta porosidade e estabilidade química. O sensor preparado mostrou alta sensibilidade e alta atividade eletrocatalítica para determinação simultânea de guanina e adenina. O sensor também apresentou limite de deteção mais baixo. Outro estudo conduzido por Shalauddin et al. [298] usou nanocelulose híbrida/nanotubos de carbono de parede múltipla funcionalizados (f-MWCNTs) para desenvolvimento de deteção eletroquímica. O sensor para determinação de diclofenaco sódio em fármacos e amostras de fluidos biológicos foi usado. A presença de grupos -OH na nanocelulose foi relatada para fornecer mais sítios de ligação para diferentes analitos, o que garante rearranjo de módulo axial e incorporação de f-MWCNTs.

Toxicidade de Nanomaterial

Embora nanomaterial ofereça muitas boas potencialidades a vários setores industriais, o seu potencial perigo para humanos e ambiente não pode simplesmente ser ignorado [299]. A questão de segurança ou toxicidade precisa ser abordada conduzindo um estudo completo de vários ângulos. Nanotoxicidade ou estudo de toxicidade de nanomateriais pode ser classificada em várias áreas, nomeadamente stress oxidativo, genotoxicidade e ecotoxicidade. Em humanos, toxicidade pode ocorrer através de vias pulmonar, oral e dérmica. Nanomateriais podem afetar humanos principalmente durante extração ou produção, manuseamento, uso e eliminação. Nanopartículas inorgânicas (NPs) como ZnO e óxido de níquel (NiO) acredita-se serem mais tóxicas comparadas a nano materiais orgânicos como nanocelulose. NPs orgânicos digeridos são menos prováveis de induzir toxicidade, pois os subprodutos da digestão por ácido gástrico são açúcares simples, embora no caso de nanocelulose, a falta de enzima no intestino humano capaz de degradar celulose resulta na celulose mover-se pelo intestino bastante rapidamente. Um estudo de toxicidade subcrónica de 90 dias em ratos Sprague Dawley conduzido por Ong et al. [300] indicou que nenhuma toxicidade sistémica atribuível a consumo dietético de 4% de celulose fibrilar foi observada. No mesmo estudo, concentração mais alta de 30% de celulose nanofibrilar por 72 semanas também indicou nenhum efeito adverso. Quando presentes no ar, nanopartículas também podem ter efeitos prejudiciais à saúde humana [301]. Nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNT) são possivelmente um dos NPs mais estudados para efeitos de toxicidade. No estudo, Poulsen et al. [302] descobriram que tanto MWCNT grossos e longos como finos e curtos induziram potencial genotóxico e inflamação duradoura e podem levar a doença cardiovascular. Em contraste, um estudo sobre toxicidade de inalação de CNC em ratos albinos foi conduzido e mostrou que nenhum efeito indesejável foi observado a concentração máxima de 0,26 mg/L por período de quatro (4) horas [303]. A nível celular, citotoxicidade de CNC em diferentes tipos de células foi estudada, com a maioria dos estudos a concluir que CNC é não tóxico para uma variedade de células de mamíferos a concentrações abaixo de 0,25 mg/L, mas pode exibir efeitos citotóxicos a concentrações de 0,5 mg/L e acima [304, 305, 306, 307, 308, 309]. Nanogenotoxicidade primária refere-se à possibilidade de nanopartículas ou seus subprodutos danificarem ADN direta ou indiretamente. Genotoxicidade secundária é causada por interação do sistema imunitário a perturbações causadas por nanopartículas. Um estudo de Akerlund et al. [310] indicou que NPs inorgânicos de Ni e NiO induziram inflamações de citocinas que levaram a genotoxicidade secundária em células epiteliais de pulmão humano. No entanto, requerem investigação adicional para compreender os fatores causais desta genotoxicidade secundária e se tais resultados são causados por outras nanopartículas também.

NanoTiO₂ em revestimentos de madeira foi relatado ter baixa toxicidade para organismos terrestres, e nenhuma bioacumulação foi observada [311]. Outro estudo conduzido em nanopartícula de óxido de cério (CeO₂) ou céria mostrou que nenhuma toxicidade aguda foi observada para Daphnia magna e Thamnocephalus platyurus e embriões de D. rerio a concentrações de teste de 1000, 5000, e 200 mg/L, respectivamente. No entanto, o mesmo estudo indicou que toxicidade crónica significativa em P. subcapitata foi observada com concentrações de 10% de efeito (EC10s) entre 2,6 e 5,4 mg/L [312]. Pulido-Reyes et al. [313] explicaram que o ciclo redox entre Ce³⁺ e Ce⁴⁺ é uma química única de nanocéria que depende das condições ambientais prevalecentes. Concluíram que na maioria dos estudos de NP de óxido de cério, a quantidade de Ce³⁺ de superfície correlaciona com toxicidade e isto pode ser superado bloqueando os sítios Ce³⁺ com aniões como fosfatos (PO₄³⁻) que reduzirão níveis de espécies reativas de oxigénio e superarão stress oxidativo. Durante e após eliminação, há probabilidade de NPs interagirem com o ambiente, seja em solo ou ambiente aquático. O stress oxidativo ou toxicidade induzida por nanopartículas à base de carbono é principalmente preocupante, pois esta condição afetará o equilíbrio de oxigénio no ambiente. Wang et al. [314] mostraram que CNCs ativaram stress oxidativo em organismos aquáticos (algas Scenedesmus obliquus, crustáceo planctónico Daphnia magna e larva de peixe de água doce Danio rerio) a concentrações acima de 0,1 mg/L. A forma, morfologia e concentração de CNC são acreditadas serem fatores contribuintes, sugerindo assim avaliação de impactos ecotoxicológicos de nanocelulose quando usada em larga escala. Um método de reduzir efeito indesejado ao ambiente é fornecer mecanismo para capturar, reter ou reciclar NPs durante processamento. NPs magnéticas (ex: magnetite) [315] ou modificação de superfície podem ser usadas para este propósito. Quase todos os estudos de toxicidade em nanopartículas recomendam mais investigação a ser conduzida em encontrar técnicas analíticas e protocolos adequados na deteção de NPs orgânicos dentro de matrizes biológicas, bem como investigações mecanísticas e ambientais para compreender potenciais riscos de NPs no ecossistema [301, 302, 310, 316].

Conclusões

O potencial da nanotecnologia no setor de produtos à base de madeira é enorme. A nanotecnologia oferece a oportunidade de mudar a paisagem da indústria de produtos à base de madeira local e globalmente. A própria floresta via plantação florestal pode fornecer fontes sustentáveis para a criação de nova geração de celulose chamada nanocelulose que poderia oferecer miríades de aplicações em vários campos industriais. Além disso, a nanocelulose é menos cara que material à base de carbono (ex: nanotubo de carbono, grafeno), ambientalmente amigável e pode melhorar a reciclabilidade e desempenho de inúmeros produtos. Por exemplo, a nanocelulose pode ser usada para melhorar o desempenho do papel e reduzir o uso de pasta no fabrico de papel, resultando em poupança de custos. A nanocelulose também pode ser transformada em nanopapel ou filme fino para uso em embalagem de papel ou outro setor como eletrónica, que oferece alternativa a plástico não renovável. Nanocelulose usada em compósito de madeira pode levar ao desenvolvimento de compósitos avançados que podem ser adaptados a usos específicos. Juntamente com as suas propriedades de resistência e acessibilidade, torna-as uma solução viável para reduzir a necessidade de madeira maciça. Setores industriais além de produtos à base de madeira também poderiam beneficiar do uso de nanocelulose, como em dispositivos de energia e sensores. Vários produtos à base de nanocelulose para aplicações de armazenamento de energia e colheita de energia, bem como sensores, foram desenvolvidos à escala de laboratório. Face a este desenvolvimento interessante, a Malásia embarcou na produção de nanocelulose a partir de vários materiais lignocelulósicos tropicais. Infelizmente, a aplicação de nanocelulose à escala comercial na Malásia ainda é inexistente. Assim, requer esforços coletivos, concertados e intensivos de vários intervenientes, incluindo partes interessadas, indústria e investigadores, para promover o uso de nanocelulose e garantir que a nanocelulose possa entrar no próximo nível de aplicação e fase de comercialização. O uso de material nanoescala além de nanocelulose já beneficiou e deu vantagem à área de produtos à base de madeira, que inclui celulose e papel, compósito de madeira, revestimento de madeira e conservante de madeira.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados e materiais estão disponíveis sem restrição.

Abreviaturas

AgNPs:

Nanopartículas de prata

Al₂O₃:

Óxido de alumínio

AuNPs:

Nanopartículas de ouro

BTZ:

Benzotriazol

C:

Carbono

CCA:

Arseniato de cobre cromatado

Cd:

Cádmio

CdS:

Sulfeto de cádmio

CeO₂:

Óxido de cério

CH₂CHSi(OC₂H₅)₃:

Viniltrietoxisilano

CMC:

Carboximetilcelulose

CNT:

Nanotubos de carbono

CO₂:

Dióxido de carbono

CTAB:

Brometo de cetiltrimetilamónio

CTAB-CNC:

Brometo de cetiltrimetilamónio-nanocelulose nanocristalina

CWA:

Acrilato à base de água de óleo de rícino

DFO:

Fármaco deferoxamina

MEV-CE:

Microscopia eletrónica de varrimento de emissão de campo

f-MWCNTs:

Nanotubos de carbono de parede múltipla funcionalizados

FTIR:

Transformada de Fourier Infravermelho

GOx:

Oxidase de glicose

HALS:

Estabilizadores de luz de amina impedida

HNE:

Elastase de neutrófilo humano

ISE:

Elétrolito sólido inorgânico

LDH:

Hidróxido duplo em camadas

LIBs:

Bateria de ião de lítio

LiTFSI:

Sal de lítio bis(trifluorometansulfonil)imida

L-CNC:

Nanocelulose nanocristalina revestida de lignina

CH:

Teor de humidade

Mg-Al LDH:

Hidróxido duplo em camadas de magnésio-alumínio

MPA:

Ácido 3-mercaptopropiónico

MUF:

Formaldeído de melamina-ureia

MWCNT:

Nanotubo de carbono de parede múltipla

CNC:

Nanocelulose nanocristalina

CNF:

Celulose nanofibrilar

Ni:

Níquel

NiO:

Óxido de níquel

NPs:

Nanopartículas

NW:

Nanowollastonita

O:

Oxigénio

OH:

Hidroxilo

OLEDs:

Diodos orgânicos emissores de luz

PA:

Poliamida

PCL:

Polocaprolactona

PCP:

Pentaclorofenol

PDMS:

Polidimetilsiloxano

PE:

Polietileno

PEG:

Poli(etileno glicol)

PEO:

Óxido de polietileno

PHB:

Poli(3-hidroxibutirato-co-4-hidroxibutirato)

PHRR:

Taxa de libertação de calor de pico

PLA:

Ácido poliláctico

PMC:

Copolímero metacrílico perfluoroalquil

PMMA:

Poli(metacrilato de metilo)

PO₄³⁻:

Fosfatos

POTS:

Perfluoroalquiltrietoxisilano

PP:

Polipropileno

PPE:

Elastase pancreática de porco

PPG:

Glicol de propileno

PS:

Poliestireno

PSU:

Polissulfona

PU:

Poliuretano

FV:

Fotovoltaico

QDs:

Pontos quânticos

RFID:

Identificação por radiofrequência

S:

Enxofre

SC:

Supercondensador

Si NMs:

Nanomembranas de silício

SiO₂:

Óxido de silício

SPE:

Elétrolito polimérico sólido

SPI:

Isolado de proteína de soja

SWCNH:

Nanocornos de carbono de parede única

TBOT:

Tetrabutiltitanato

MET:

Microscopia eletrónica de transmissão

TEMPO:

2,2,6,6-Tetrametilpiperidin-1-oxil

Ti(OC4H9)4:

Tetrabutiltitanato

TiO₂:

Dióxido de titânio

TMI-BNT:

Bentonita modificada com ião de metal de transição

CNFO:

Celulose nanofibrilar oxidada por TEMPO

Tyr:

Tirosinase

UF:

Formaldeído de ureia

UP:

Poliéster insaturado

UV:

Ultravioleta

VRFBs:

Baterias de fluxo redox de vanádio

VTES:

Viniltrietoxisilano

WPU:

Revestimento de poliuretano à base de água

WUV:

À base de água

Zn-Al LDH:

Hidróxido duplo em camadas de zinco-alumínio

ZnO:

Óxido de zinco

ZnSt₂:

Estearato de zinco

ZnSt₂/WUV:

Estearato de zinco/laca UV à base de água