Produção, caracterização e aplicação de nanofibras de celulose

Palavras-chave: Produção de papel,Nanocelulose,Celulose nanofibrilar

A procura pela excelência na indústria da pasta e do papel é cada vez maior, visto que o mercado internacional se tem tornado cada vez mais competitivo. Este facto requer uma atenção minuciosa às melhores técnicas disponíveis bem como à investigação de novos materiais e processos capazes de proporcionar vantagem sobre a concorrência. Sabendo que o PCC é um aditivo importante na estrutura do papel, uma vez que é substancialmente mais económico que as fibras, seria importante conseguir aumentar a percentagem deste material na folha sem com isso perder propriedades mecânicas. Neste sentido, viu-se na nanotecnologia uma possibilidade de obter vantagem económica quanto à produção de papel através da incorporação de um novo material, as nanofibras de celulose (NFC) ou celulose nanofibrilar. A celulose nanofibrilar é um material que tem vindo a despertar muito interesse ao longo da última década devido às suas propriedades únicas, associadas à dimensão nanométrica. Tais propriedades, como elevadas cristalinidade, rigidez (módulo de Young), resistência à tração, superfície específica e transparência, bem como a sua abundância e o facto de ser um material biodegradável e renovável têm conduzido a imensos estudos de aplicação como material de reforço nas mais diversas áreas, como por exemplo eletrónica, alimentar, têxtil, medicina e espacial. Todavia, a aplicação deste novo material na indústria do papel é ainda muito reduzida, quando comparada com as restantes áreas mencionadas. O presente trabalho consistiu na produção e caraterização de NFC produzidas a partir de pastas kraft de Eucalyptus globulus branqueado para posterior aplicação em folhas de papel produzidas em laboratório com o objetivo de avaliar a influência das NFC na drenabilidade, na retenção de cargas minerais e na resistência à tração das folhas. As NFC foram produzidas por oxidação prévia das fibras, seguida de homogeneização mecânica a alta pressão. Diferentes condições de operação deram origem a diferentes amostras de NFC e, por isso, foi feita a sua caracterização para selecionar a mais promissora para aplicar na produção de papel. A NFC selecionada foi obtida por oxidação com 6 mmol de hipoclorito de sódio (NaClO) e homogeneizada com 10 passagens no homogeneizador por ser a que correspondeu a um elevado rendimento de produção (80%), elevada concentração de grupos carboxílicos (1,109 mmol/g de celulose), baixo grau de polimerização (158) e reduzido tamanho (obtido PCS - Photon Correlation Spectroscopy) com uma moda de distribuição de 51,8 nm. As folhas foram produzidas com uma pasta kraft de eucalipto branqueada, carbonato de cálcio precipitado (PCC), NFC e amido e poliacrilamida catiónicos. Através de testes de resistência à tração, de drenabilidade e de retenção de cargas minerais foram avaliadas as influências do grau de refinação da fibra, do teor de PCC e do teor de NFC. Concluiu-se, confirmando outros estudos já publicados, que a presença das NFC faz diminuir a drenabilidade e aumentar a resistência mecânica dos papéis produzidos. Constatou-se ainda que com as fibras, as NFC e os aditivos usados, se consegue na presença de cargas reduzir o grau de refinação necessário para atingir um determinado valor de drenabilidade (ºSR) aumentando sensivelmente na mesma proporção o teor de NFC. O mesmo não acontece com o índice de tração e o comprimento de rutura, tendo-se concluído que é sempre necessário refinar as fibras, embora com a incorporação de NFC a energia de refinação necessária seja menor para atingir um determinado nível de resistência. Para graus de refinação de fibras mais baixos, as NFC assumem uma maior influência nas propriedades de resistência mecânica. Por outro lado, para o mesmo grau de refinação, o índice de tração é maior para percentagens de NFC mais elevadas na gama de incorporação estudada. O aumento do índice de tração com o aumento do grau de refinação é mais acentuado para percentagens de NFC maiores. A adição de NFC ajuda na retenção de PCC e permite obter retenções deste componente muito elevadas, algumas perto dos 100%. Porém, mesmo na presença de NFC, o aumento do teor de PCC faz diminuir as propriedades mecânicas das folhas. A realização da maioria dos ensaios decorreu na Universidade de Girona, no LEPAMAP (Laboratori d’Enginyeria Paperera i Materials Polímers), ao abrigo do programa Estágio ERASMUS, e a parte de caracterização biométrica das NFC decorreu na Universidade de Coimbra.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias