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Tipo do documento: Tese
Título: Development and characterization of XNBR compounds filled with lignin
Título(s) alternativo(s): Desenvolvimento e caracterização de compostos de XNBR carregados com lignina
Autor: Campos, Gustavo Ninho 
Primeiro orientador: Sousa, Ana Maria Furtado de
Primeiro coorientador: Figueiredo, Marco Antonio Gaya de
Segundo coorientador: Fernandes, João Paulo Cosas
Primeiro membro da banca: Senna, Lilian Ferreira de
Segundo membro da banca: Nunes, Regina Célia Reis
Terceiro membro da banca: Barbosa, Rafael
Quarto membro da banca: Gabino, Alessandra de Alencar Padua
Resumo: A lignina, um subproduto renovável e de base biológica das indústrias de celulose, papel e biocombustíveis, é uma alternativa promissora ao negro de fumo como carga de reforço em formulações de borracha. Além de ser biodegradável, possui propriedades antioxidantes e resistência aos raios UV. No entanto, sua alta polaridade dificulta a dispersão e resulta em interações fracas com borrachas não polares. A borracha nitrílica carboxilada (XNBR), uma versão modificada da borracha nitrílica amplamente utilizada na indústria, tem potencial para interagir de forma mais eficaz com a lignina devido a sua capacidade de formar ligações cruzadas tanto covalentes quanto iônicas. Este estudo investiga o uso da lignina Kraft como carga de reforço para XNBR, analisando seus efeitos na vulcanização e nas propriedades mecânicas, térmicas, morfológicas e nanomecânicas. A pesquisa foi dividida em duas partes. A Parte I determinou o teor ótimo de carboxila na XNBR (1–7% em massa) para melhorar a compatibilidade com a lignina, utilizando um planejamento experimental de misturas. Também foi avaliada a viabilidade do material como borracha de vedação. A XNBR com 7% de carboxila apresentou o melhor efeito de reforço, com a tensão a 100% de deformação aumentando de 1,7 MPa (sem lignina) para 6,3 MPa (com 40 phr de lignina). A tomografia microcomputadorizada mostrou menor aglomeração de lignina no XNBR 7%. A análise dinâmico-mecânica (DMA) e a espectroscopia de reflectância total atenuada por transformada de Fourier (ATR-FTIR) indicaram que as ligações cruzadas iônicas desempenham um papel essencial na melhoria das interações entre XNBR e lignina. No entanto, o alto valor de deformação permanente por compressão em temperaturas elevadas ainda é um desafio para aplicações de vedação. A Parte II investigou mais detalhadamente o XNBR 7% sem carga para avaliar a influência das ligações cruzadas covalentes e iônicas nas propriedades macro e nanomecânicas. O mapeamento nanomecânico por Microscopia de Força Atômica (AFM) revelou uma morfologia separada em fases na XNBR sem carga, servindo de base para a análise dos compostos com lignina. Os testes de inchamento em equilíbrio e as medições de AFM mostraram que a lignina reduziu a densidade de ligações cruzadas covalentes, provavelmente devido à sua interferência na vulcanização, resultando em maior alongamento, mas também em um aumento da deformação permanente em temperaturas elevadas. Por outro lado, análises de ATR-FTIR, AFM e inchamento confirmaram que as ligações cruzadas iônicas aumentaram em número, mas mudaram de natureza, mantendo o módulo, mas tornando o material mais mecanicamente instável em altas temperaturas. Embora garantir estabilidade mecânica em altas temperaturas ainda seja um desafio, este estudo demonstra o potencial da lignina Kraft como carga de reforço sustentável para XNBR, contribuindo para o desenvolvimento de materiais de borracha mais ecológicos.
Abstract: Lignin, a bio-based and renewable by-product of the pulp, paper, and biofuel industries, is a promising alternative to carbon black as a reinforcing agent in rubber formulations. It offers biodegradability, antioxidative properties, and UV resistance. However, its high polarity leads to poor dispersion and weak interactions with non-polar rubbers. Carboxylated nitrile rubber (XNBR), a modified version of nitrile rubber widely used in industry, has the potential to interact more effectively with lignin due to its ability to form oth covalent and ionic cross-links. This study explores the use of Kraft lignin as a reinforcing filler for XNBR, focusing on its effects on vulcanization, mechanical, thermal, morphological, and nanomechanical properties. The research was divided into two parts. Part I determined the optimal carboxyl content in XNBR (1–7% by mass) to enhance lignin compatibility, using a mixture design approach. The study also evaluated its suitability as a sealing material. XNBR with 7% carboxyl content showed the best reinforcement effect, with tensile stress at 100% strain increasing from 1.7 MPa (without lignin) to 6.3 MPa (with 40 phr lignin). Micro-computed tomography revealed lower lignin agglomeration in XNBR 7%. Dynamic mechanical analysis (DMA) and attenuated total reflectance Fourier-ransform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) indicated that ionic cross-linking plays a key role in improving XNBR-lignin interactions. However, high compression set at elevated temperatures remains a challenge for sealing applications. Part II further investigated unfilled XNBR 7% to assess the influence of covalent and ionic cross-links on macroscopic and nanomechanical properties. Atomic Force Microscopy (AFM) nanomechanical mapping revealed a phase-separated morphology in unfilled XNBR, forming the basis for further analysis of lignin-filled compounds. Equilibrium swelling and AFM measurements showed that lignin reduced covalent cross-link density, likely by interfering with vulcanization, leading to increased elongation but also higher compression set at high temperatures. Meanwhile, ATR-FTIR, AFM, and swelling tests confirmed that ionic cross-links increased in number but changed in nature, maintaining modulus while making the material more mechanically instable at high temperatures. While ensuring mechanical stability at high temperatures remains a challenge, this study demonstrates the potential of Kraft lignin as a sustainable reinforcing filler for XNBR, contributing to the development of more eco-friendly rubber materials.
Palavras-chave: Lignina
Lignina kraft
Borracha
Kraft lignin
Lignin
Rubber
XNBR
AFM
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: CAMPOS, Gustavo Ninho. Development and characterization of XNBR compounds filled with lignin. 2025. 142 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/24792
Data de defesa: 11-Abr-2025
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Química



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