Estudio de las propiedades térmicas y dieléctricas de nanocomposites membranas de quitosano con lignina Organosolv o Kraft al 1%

Abstract

[ES] El quitosano es uno de los biopolímeros biodegradables renovables más abundantes con buenas propiedades antimicrobianas, antioxidantes y absorbentes de disolventes, que se puede utilizar en aplicaciones tales como envasado de alimentos, membranas de pilas de combustible y dispositivos médicos. En este trabajo se ha añadido lignina Organosolv o Kraft al 1% al para preparar membranas nanocompuestas. Las cuatro membranas analizadas son: quitosano con lignina Organosolv (CS / OLEA) o lignina Kraft (CS / KLEA) extraidas ambas con acetato de etilo y quitosano con lignina Organosolv (CS / OLE) o lignina Kraft (CS / KLEA) extraidas ambas con acetato de etilo y (CS / KLEA), quitosano con lignina Organosolv (CS / KLE) extraídas con etanol). Todas las membranas son transparentes, pero las membranas de lignina con etanol tienen un brillo más oscuro. La caracterización se basa principalmente en el análisis del espectro de relajación dieléctrica y su conductividad eléctrica y protónica. También se ha analizado su estructura química, morfología microscópica, propiedades térmicas y estabilidad. La microscopía electrónica de barrido permite un estudio más detallado de la morfología de estas membranas. El espectro de infrarojos muestra que la adición de lignina no proporciona cambios en las principales bandas de transmitancia. Todos los nanocomposites tienen entalpías de evaporación y temperaturas de transición vítrea más altas que el quitosano puro. La estabilidad térmica de las membranas aumenta con la adición de lignina. CS / OLE es el más estable térmicamente. El análisis dieléctrico proporciona más información sobre las propiedades eléctricas de estos nanocompuestos. Este enfoque ofrece información sobre los movimientos moleculares y la fragilidad dinámica de las membranas. Por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg), se observan movimientos intramoleculares, no cooperativos. A temperaturas más altas, un movimiento intermolecular y cooperativo, relacionado con la transición vítrea, da lugar a la relajación α. Además, se encuentran relajaciones por encima de la Tg, las cuales están relacionadas con el desplazamiento de los dipolos. La adición de lignina afecta la dinámica de las cadenas moleculares a baja y alta temperatura. La conductividad eléctrica y protónica de los nanocomposites es menor que la del quitosano puro. Por tanto, estas membranas serían aplicables para aplicaciones médicas y de envasado de alimentos. Sin embargo, debido a los bajos niveles de conductividad eléctrica y protónica, sería necesario realizar alguna modificación química para que estas membranas sean adecuadas para aplicaciones de pilas de combustible.

[EN] Chitosan is one of the most abundant renewable biodegradable biopolymers. It also has good antimicrobial, anti-oxidising and solvent absorbing properties. The material can be used in applications such as food packaging, fuel cell membranes and medical devices. 1 % Kraft or Organosolv lignin was added to chitosan, forming four nanocomposite membranes: Chitosan with 1 % Kraft lignin from ethyl acetate extraction (CS/KLEA), Chitosan with 1 % Organosolv lignin from ethyl acetate extraction (CS/OLEA), chitosan with 1 % Kraft lignin from ethanol extraction (CS/KLE) and chitosan with 1 % Organosolv lignin from ethanol extraction (CS/OLE). All the membranes are transparent but the ethanol lignin membranes having a darker sheen. The characterisation is mainly based on the analysis of the dielectric relaxation spectrum and their electrical and proton conductivity. Their chemical structure, microscopic morphology, thermal properties, and stability have also been analysed. Scanning electron microscopy allows for closer study of the morphology of these samples. Fourier transform infrared spectroscopy spectrum shows that the lignin addition does not provide peak shifts. All nanocomposites had higher evaporation enthalpies and glass transition temperatures than pure chitosan. Thermal stability of the nanocomposite membranes increases due to the lignin addition. CS/OLE is the most thermally stable. Dielectric thermal analysis provides some more insight in the electric properties of these nanocomposites. This approach offers insights into the macromolecular segmental arrangements and dynamic fragility of the nanocomposite¿s membranes. Below the glass transition temperature (Tg), intramolecular and non-cooperative segmental movements are observed. At higher temperatures, an intermolecular and cooperative macromolecular movement, related to the glass transition, gives rise to α-relaxation. In addition, an over-Tg relaxations is found, which were related to the displacement of the dipoles. The addition of lignin affects the dynamics of the molecular chains at low and high temperature. The electric and protonic conductivity of the nanocomposites is lower than that of neat chitosan. Thus, these membranes would be applicable for medical and food packaging applications. However, due to the low levels of electric and protonic conductivity it would be necessary to fine-tune these membranes to be suitable for fuel cell applications.

[CA] El quitosan és un dels biopolímers biodegradables renovables més abundants. També té bones propietats antimicrobianes, antioxidants i absorbents de dissolvents. El material es pot utilitzar en aplicacions com ara envasat d'aliments, membranes de piles de combustible i dispositius mèdics. Es va afegir lignina Kraft o Organosolv a l'1% a l'quitosan, formant quatre membranes de nanocompostos: quitosan amb lignina Kraft a l'1% d'extracció amb acetat d'etil (CS / KLEA), quitosan amb lignina Organosolv a l'1% d'extracció amb acetat d'etil (CS / OLEA), quitosan amb lignina Kraft a l'1% d'extracció amb etanol (CS / KLE) i quitosan amb lignina Organosolv a l'1% d'extracció amb etanol (CS / OLE). Totes les membranes són transparents, però les membranes de lignina d'etanol tenen una brillantor més fosc. La caracterització es basa principalment en l'anàlisi de l'espectre de relaxació dielèctrica i la seva conductivitat elèctrica i protònica. També s'ha analitzat la seva estructura química, morfologia microscòpica, propietats tèrmiques i estabilitat. La microscòpia electrònica de rastreig permet un estudi més detallat de la morfologia d'aquestes mostres. L'espectre d'espectroscòpia infraroja per transformada de Fourier mostra que l'addició de lignina no proporciona canvis de bec. Tots els nanocomposites tenien entalpies d'evaporació i temperatures de transició vítria més altes que el quitosan pur. L'estabilitat tèrmica de les membranes de nanocompostos augmenta a causa de l'addició de lignina. CS / OLE és el més estable tèrmicament. L'anàlisi tèrmic dielèctric proporciona més informació sobre les propietats elèctriques d'aquests nanocompostos. Aquest enfocament ofereix informació sobre els arranjaments segmentaris macromoleculars i la fragilitat dinàmica de les membranes de l'nanocompost. Per sota de la temperatura de transició vítria (Tg), s'observen moviments segmentaris intramoleculars i no cooperatius. A temperatures més altes, un moviment macromolecular intermolecular i cooperatiu, relacionat amb la transició vítria, dóna lloc a la relaxació α. A més, es troben relaxacions per sobre de la Tg, les quals estaven relacionades amb el desplaçament dels dipols. L'addició de lignina afecta la dinàmica de les cadenes moleculars a baixa i alta temperatura. La conductivitat elèctrica i protònica dels nanocomposites és menor que la de l'quitosan pur. Per tant, aquestes membranes serien aplicables per a aplicacions mèdiques i d'envasat d'aliments. No obstant això, a causa dels baixos nivells de conductivitat elèctrica i protònica, caldria ajustar aquestes membranes perquè siguin adequades per a aplicacions de piles de combustible.