Produção e caracterização de filmes nanoestruturados baseados em polietileno e nanopartículas de lignina para a formação de embalagens com barreira anti-UV

Este trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar filmes baseados na incorporação de nanopartículas de lignina kraft (NPLk) em uma matriz de polietileno de baixa densidade (PEBD), visando a obtenção de materiais com propriedades de barreira à radiação ultravioleta e potencial aplicação em embalagens para alimentos suscetíveis à oxidação lipídica. As NPLk foram sintetizadas por meio do método de precipitação por antissolvente (gotejamento controlado), utilizando solução de acetona e água deionizada, seguido de ajuste de pH, ultrassonicação e etapas de purificação. A caracterização das nanopartículas foi realizada por espalhamento dinâmico de luz (DLS), potencial zeta, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia UV-VIS, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análises termogravimétricas (TG/DTG). Os resultados indicaram a formação de nanopartículas com morfologia predominantemente esférica, ampla distribuição de tamanhos (216,06 ± 107,06 nm) e presença de aglomerados. Apesar do alto índice de polidispersidade (0,334 ± 0,040), as NPLk apresentaram elevada estabilidade eletrostática em água (-41,03 ± 0,89 mV), atribuída à desprotonação de grupos fenólicos em meio alcalino. As análises de FTIR e UV-VIS confirmaram a preservação da estrutura química da lignina após o processo de nanoestruturação, enquanto os ensaios térmicos evidenciaram estabilidade térmica adequada para o processamento dos filmes. As análises de termogravimetria (TG) da lignina kraft e NPLk indicaram, baseadas na temperatura de decomposição integral procedimental (IPDT), que a lignina em sua forma nanoestruturada (IPDT = 1480,92 ºC) apresenta maior estabilidade térmica em relação a sua forma comercial (IPDT = 1215,82 ºC). Os filmes PEBD-NPLk foram produzidos pelo método de casting, utilizando uma solução ternária composta por xileno, acetona e água, com diferentes concentrações de nanopartículas (0,25%, 0,50% e 1% m/m). A caracterização dos filmes incluiu análises de FTIR, UV-VIS, MEV, propriedades mecânicas (tração e perfuração), molhabilidade (ângulo de contato) e permeabilidade ao vapor d’água. As análises de FTIR indicaram a incorporação das NPLk na matriz polimérica, evidenciada principalmente pela intensificação de bandas associadas a grupos alifáticos (719, 1377 e 1464 cm-1). Os espectros de UV-VIS demonstraram aumento significativo da absorção de radiação ultravioleta com o incremento da concentração de nanopartículas, incluindo as faixas de UV-C (até 95,86%), UV-B (até 342,73%) e UV-A (até 596,73%), mantendo transparência parcial na região visível (índice de transparência de 0,11 mm-1). As micrografias de MEV revelaram a presença de nanopartículas dispersas na matriz, com distribuição heterogênea e formação de regiões com maior irregularidade, atribuídas a efeitos de Marangoni e formação de pele durante o processo de secagem. As propriedades mecânicas indicaram que a incorporação de NPLk não comprometeu significativamente a resistência à tração (7,6-9,8 MPa), o alongamento na ruptura (5,6%-7,0%), a tenacidade (1,6-1,7 MJ/m3) e nem o módulo de Young (232,3-306,4 MPa) dos filmes, ao mesmo tempo em que promoveu aumento da resistência à perfuração em maiores teores de nanopartícula (com força de ruptura de 15,9-22,5 N). Os ensaios de ângulo de contato mostraram que os filmes com NPLk mantiveram caráter predominantemente hidrofóbico (entre 80º e 100º), sem alterações significativas na molhabilidade com o filme controle e o filme comercial de polietileno de baixa densidade, enquanto os resultados de permeabilidade ao vapor d’água indicaram que a adição de NPLk não afetou de forma relevante as propriedades de barreira à umidade do PEBD (0,0193-0,0537 g.mm/kPa.h.m2). De modo geral, os resultados demonstram que a incorporação de nanopartículas de lignina kraft em matrizes de PEBD constitui uma estratégia promissora para o desenvolvimento de filmes com capacidade aprimorada de absorção de radiação ultravioleta, sem prejuízo significativo das propriedades mecânicas e de barreira do material, indicando potencial aplicação em sistemas de embalagem para proteção de alimentos sensíveis à oxidação lipídica catalisado por radiação ultravioleta.

Resumo (inglês)

This study aimed to develop and characterize low-density polyethylene (LDPE) films containing kraft lignin nanoparticles (NPLk) to obtain materials with enhanced ultraviolet (UV) radiation barrier properties and potential application in food packaging for lipid oxidation-sensitive products. The NPLk were synthesized using the antisolvent precipitation method (controlled dropwise addition), employing an acetone/deionized water solution, followed by pH adjustment, ultrasonication, and purification steps. The nanoparticles were characterized by dynamic light scattering (DLS), zeta potential analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), UV–Vis spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analyses (TGA/DTG). The results indicated the formation of predominantly spherical nanoparticles with a broad particle size distribution (216.06 ± 107.06 nm) and the presence of agglomerates. Despite the relatively high polydispersity index (0.334 ± 0.040), the NPLk exhibited high electrostatic stability in water (−41.03 ± 0.89 mV), attributed to the deprotonation of phenolic groups under alkaline conditions. FTIR and UV–Vis analyses confirmed that the chemical structure of lignin was preserved after the nanostructuring process, while the thermal analyses demonstrated sufficient thermal stability for film processing. Thermogravimetric (TGA) analyses of kraft lignin and kraft lignin nanoparticles (NPLk) indicated, based on the Integral Procedural Decomposition Temperature (IPDT), that the nano-structured lignin (IPDT = 1480.92 °C) exhibited greater thermal stability than its commercial counterpart (IPDT = 1215.82 °C). The LDPE-NPLk films were prepared by the casting method using a ternary solvent system composed of xylene, acetone, and water, containing different nanoparticle concentrations (0.25, 0.50, and 1.00 wt%). Film characterization included FTIR, UV–Vis spectroscopy, SEM, mechanical testing (tensile and puncture), wettability (contact angle), and water vapor permeability (WVP) analyses. FTIR spectra confirmed the incorporation of NPLk into the polymer matrix, mainly evidenced by the increased intensity of bands associated with aliphatic groups (719, 1377, and 1464 cm-1). UV–Vis spectra revealed a significant increase in ultraviolet radiation absorption with increasing nanoparticle concentration, including the UV-C (up to 95.86%), UV-B (up to 342.73%), and UV-A (up to 596.73%) regions, while maintaining partial transparency in the visible range (transparency index of 0.11 mm-1). SEM micrographs revealed dispersed nanoparticles throughout the polymer matrix, exhibiting a heterogeneous distribution and localized regions of increased surface irregularity, attributed to Marangoni convection and skin formation during solvent evaporation. The mechanical properties demonstrated that the incorporation of NPLk did not significantly affect the tensile strength (7.6-9.8 MPa), elongation at break (5.6-7.0%), toughness (1.6-1.7 MJ/m-3), or Young's modulus (232.3-306.4 MPa) of the films. Conversely, higher nanoparticle loadings promoted an increase in puncture resistance, with puncture force increasing from 15.9 to 22.5 N. Contact angle measurements showed that the KLNP-containing films retained a predominantly hydrophobic character (80°-100°), with no significant differences in wettability compared with either the control film or a commercial LDPE film. Likewise, water vapor permeability results indicated that the incorporation of NPLk did not significantly alter the moisture barrier performance of LDPE (0.0193-0.0537 g.mm/kPa.h.m2). Overall, the results demonstrate that incorporating kraft lignin nanoparticles into LDPE matrices is a promising strategy for developing films with enhanced ultraviolet radiation absorption while preserving the mechanical and barrier properties of the material. These findings highlight the potential application of these films in food packaging systems designed to protect products susceptible to ultraviolet-induced lipid oxidation.

Palavras-chave

Nanocompósitos Nanopartículas de lignina PEBD Barreira à radiação UV Embalagens alimentícias

Idioma

Português

Citação

RABELO, Lacan Shimo. Produção e caracterização de filmes nanoestruturados baseados em polietileno e nanopartículas de lignina para a formação de embalagens com barreira anti-UV. 2026. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) – Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Ilha Solteira, 2026.