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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This dissertation focuses on the production of biocomposites using non-commercial chestnut
waste, a byproduct of the chestnut industry in Portugal from Sortegel, with the specific aim of
creating a functional, sustainable, and biodegradable alternative to conventional plastic
products. Chestnut with shell, rich in lignin, cellulose, and starch, was used as both matrix and
reinforcement. After optimizing the composition of chestnut-based materials to enhance their
mechanical properties, water resistance, thermal behavior, and degradability, the next goal was
to apply these findings by developing a practical product—a candle holder—using a customdesigned
press created for this purpose.
Using a Box-Behnken Design (BBD) model, the optimal mechanical composition for the
biocomposite was identified as 70% chestnut, 0% glycerol, and 120 °C. Water interaction tests
demonstrated that shellac-treated composites exhibited superior water resistance, absorbing
significantly less water compared to the glycerol-containing and chestnut-only composites.
Regarding thermal conductivity tests, it was confirmed that the chestnut-based composite acts
as a thermal insulator. Thermal analysis revealed that the addition of glycerol improved
flexibility by reducing the glass transition temperature. Both chestnut-based composites, with
and without shellac, fully degraded within 120 days, confirming their degradability. Finally, a
Life Cycle Assessment (LCA) was conducted to evaluate and ensure that the most functional
composition is also the most sustainable.
The LCA compared chestnut-based candle holders to both traditional polyethylene (PE)
products and the current practice of burning non-commercial chestnut waste for energy
generation. The results demonstrated that the process of producing candle holders from
chestnut waste offers a viable alternative with significant environmental benefits, particularly
in certain categories when compared to PE, with the scenario—73% chestnut without glycerol
or shellac at 120°C—emerging as the most environmentally favorable. This dissertation
highlights the potential of chestnut waste for eco-friendly biocomposites, with the candle
holder offering a sustainable, functional, and degradable alternative. Further optimization and
broader applications are crucial to maximizing environmental and economic benefits.
A indústria da castanha, nomeadamente em Portugal, gera resíduos significativos incluindo castanhas não comerciáveis. A castanha com casca que é rica em compostos como lenhina, celulose e amido, pode ser utilizada como matriz e reforço para desenvolver um material com propriedades mecânicas, físicas e ambientais adequadas. Esta dissertação centra-se na produção de biocompósitos utilizando resíduos de castanha sem valor comercial, um subproduto da indústria de castanhas em Portugal, com o objetivo de criar uma alternativa sustentável e biodegradável aos produtos plásticos convencionais. O estudo focou-se na criação de um produto prático, nomeadamente um castiçal, recorrendo a uma prensa customizada especificamente desenvolvida para este fim. Inicialmente otimizouse a composição do compósito à base de castanha (65% a 85%) e glicerol (0% a 30%) e a temperatura (80 oC a 120 oC) de produção do mesmo, recorrendo a um método de superfície de resposta, avaliando a elasticidade e a resistência à flexão. Os compósitos produzidos, com e sem a adição de um impermeabilizante biológico (goma laca) foram caracterizados relativamente a: elasticidade, resistência à flexão, molhabilidade, absorção de água, condutividade térmica, transição vítrea, capacidade calorifica e degradabilidade. O trabalho finalizou-se com uma Avaliação do Ciclo de Vida (AVC) para avaliar a sustentabilidade do processo de produção e o impacto ambiental associado. A composição mecânica ideal dos biocompósitos, foi determinada utilizando um modelo Box- Behnken Design (BBD). Os resultados indicaram que a composição otimizada para ambas as respostas em simultâneo, consistia em 70% de castanha, 0% de glicerol e uma temperatura de processamento de 120 °C. Nos ensaios de interação com a água, verificou-se que os compósitos com goma-laca apresentaram uma maior resistência à água, absorvendo aproximadamente metade da água em comparação com os compósitos contendo glicerol e com os compósitos produzidos apenas por castanha. A análise térmica, utilizando calorimetria diferencial de varrimento (DSC), revelou que a adição de glicerol atuou como plastificante, reduzindo a temperatura de transição vítrea (Tg) e aumentando a flexibilidade do material. Além disso, os testes de condutividade térmica demonstraram que o biocompósito à base de castanha tem um comportamento de isolante térmico, adequado para aplicações que exigem isolamento. Quanto à degradabilidade dos biocompósitos contendo ou não goma-laca degradaram-se completamente ao longo de 120 dias. A goma-laca teve pouco impacto na capacidade geral de degradação, confirmando que estes materiais são altamente degradáveis e adequados para aplicações ecológicas. No entanto, para garantir que a composição mais funcional também seja a mais sustentável, foi realizada uma ACV, pois a composição otimizada em termos de desempenho pode não ser necessariamente a mais sustentável do ponto de vista ambiental. Na ACV foram comparados os castiçais produzidos a partir de resíduos de castanha com os produzidos a partir de polietileno (PE) e com o uso atual de castanha não comercializadas para geração de energia. Os resultados demonstraram que, embora a utilização de castanhas para produção de energia tenha o menor impacto ambiental em várias categorias devido à simplicidade do processo, a produção de castiçais a partir de resíduos de castanha oferecem uma alternativa viável com benefícios ambientais significativos em várias categorias, quando comparado com a produção de castiçais à base de PE. O cenário que envolve a produção de castiçais com 73% de castanha, sem glicerol e sem goma-laca, a 120 oC e com um processo de reciclagem, destacou-se como a opção mais sustentável. Este estudo demonstra o elevado potencial dos resíduos de castanha na produção de biocompósitos funcionais, sustentáveis e biodegradáveis. A criação do castiçal, utilizando uma prensa especificamente projetada para este propósito, ilustra como os resíduos podem ser valorizados, transformando-se num produto funcional e ecológico. Embora os resultados sejam promissores, o estudo também destaca áreas de possível melhoria, nomeadamente na otimização das propriedades mecânicas e na eficiência da produção em larga escala. Adicionalmente, é sugerida a exploração de outras aplicações para estes materiais biocompósitos, o que poderá aumentar o impacto económico e ambiental da valorização dos resíduos de castanha. Por fim, com estas otimizações adicionais, os biocompósitos à base de castanha podem representar uma solução viável para mitigar o problema da poluição por plásticos e promover uma economia circular mais sustentável.
A indústria da castanha, nomeadamente em Portugal, gera resíduos significativos incluindo castanhas não comerciáveis. A castanha com casca que é rica em compostos como lenhina, celulose e amido, pode ser utilizada como matriz e reforço para desenvolver um material com propriedades mecânicas, físicas e ambientais adequadas. Esta dissertação centra-se na produção de biocompósitos utilizando resíduos de castanha sem valor comercial, um subproduto da indústria de castanhas em Portugal, com o objetivo de criar uma alternativa sustentável e biodegradável aos produtos plásticos convencionais. O estudo focou-se na criação de um produto prático, nomeadamente um castiçal, recorrendo a uma prensa customizada especificamente desenvolvida para este fim. Inicialmente otimizouse a composição do compósito à base de castanha (65% a 85%) e glicerol (0% a 30%) e a temperatura (80 oC a 120 oC) de produção do mesmo, recorrendo a um método de superfície de resposta, avaliando a elasticidade e a resistência à flexão. Os compósitos produzidos, com e sem a adição de um impermeabilizante biológico (goma laca) foram caracterizados relativamente a: elasticidade, resistência à flexão, molhabilidade, absorção de água, condutividade térmica, transição vítrea, capacidade calorifica e degradabilidade. O trabalho finalizou-se com uma Avaliação do Ciclo de Vida (AVC) para avaliar a sustentabilidade do processo de produção e o impacto ambiental associado. A composição mecânica ideal dos biocompósitos, foi determinada utilizando um modelo Box- Behnken Design (BBD). Os resultados indicaram que a composição otimizada para ambas as respostas em simultâneo, consistia em 70% de castanha, 0% de glicerol e uma temperatura de processamento de 120 °C. Nos ensaios de interação com a água, verificou-se que os compósitos com goma-laca apresentaram uma maior resistência à água, absorvendo aproximadamente metade da água em comparação com os compósitos contendo glicerol e com os compósitos produzidos apenas por castanha. A análise térmica, utilizando calorimetria diferencial de varrimento (DSC), revelou que a adição de glicerol atuou como plastificante, reduzindo a temperatura de transição vítrea (Tg) e aumentando a flexibilidade do material. Além disso, os testes de condutividade térmica demonstraram que o biocompósito à base de castanha tem um comportamento de isolante térmico, adequado para aplicações que exigem isolamento. Quanto à degradabilidade dos biocompósitos contendo ou não goma-laca degradaram-se completamente ao longo de 120 dias. A goma-laca teve pouco impacto na capacidade geral de degradação, confirmando que estes materiais são altamente degradáveis e adequados para aplicações ecológicas. No entanto, para garantir que a composição mais funcional também seja a mais sustentável, foi realizada uma ACV, pois a composição otimizada em termos de desempenho pode não ser necessariamente a mais sustentável do ponto de vista ambiental. Na ACV foram comparados os castiçais produzidos a partir de resíduos de castanha com os produzidos a partir de polietileno (PE) e com o uso atual de castanha não comercializadas para geração de energia. Os resultados demonstraram que, embora a utilização de castanhas para produção de energia tenha o menor impacto ambiental em várias categorias devido à simplicidade do processo, a produção de castiçais a partir de resíduos de castanha oferecem uma alternativa viável com benefícios ambientais significativos em várias categorias, quando comparado com a produção de castiçais à base de PE. O cenário que envolve a produção de castiçais com 73% de castanha, sem glicerol e sem goma-laca, a 120 oC e com um processo de reciclagem, destacou-se como a opção mais sustentável. Este estudo demonstra o elevado potencial dos resíduos de castanha na produção de biocompósitos funcionais, sustentáveis e biodegradáveis. A criação do castiçal, utilizando uma prensa especificamente projetada para este propósito, ilustra como os resíduos podem ser valorizados, transformando-se num produto funcional e ecológico. Embora os resultados sejam promissores, o estudo também destaca áreas de possível melhoria, nomeadamente na otimização das propriedades mecânicas e na eficiência da produção em larga escala. Adicionalmente, é sugerida a exploração de outras aplicações para estes materiais biocompósitos, o que poderá aumentar o impacto económico e ambiental da valorização dos resíduos de castanha. Por fim, com estas otimizações adicionais, os biocompósitos à base de castanha podem representar uma solução viável para mitigar o problema da poluição por plásticos e promover uma economia circular mais sustentável.
Description
This work received financial support from project Chestfilm - Valorização de resíduos sólidos do
processamento da castanha: extração de biopolímeros e preparação de filmes biodegradáveis
a PD21-00024, supported by national funds from Fundação “la Caixa”, em colaboração com o
BPI e em parceria com a FCT 4a Edição do Programa Promove - Concurso 2022 - o Futuro do
Interior.
Keywords
Chestnut-based biocomposites Responsive surface methodology Mechanic properties Water properties Degradability Life cycle assessment (LCA) Biocompósitos à base de castanha Avaliação do ciclo de vida Propriedades mecânicas Degradabilidade Metodologia de superfície de resposta Resistência à água