Sustainable Production of Cellulose Nanofibrils in Paper Industry

Resumen

Las celulosas nanofibriladas (CNFs) se obtienen principalmente por la desfibrilación de las fibras de celulosa que previamente han sido pretratadas química, mecánica o biológicamente, para facilitar la separación de las fibras y reducir la energía necesaria para la fibrilación. En los últimos años, el número de investigaciones relacionadas con CNFs ha aumentado exponencialmente debido a las aplicaciones en las que pueden utilizarse, como por ejemplo, el refuerzo mecánico de papel o cemento, como estabilizador de emulsiones o para tratamientos de remediación ambiental. A pesar de los prometedores resultados de las CNFs a escala de laboratorio, su implantación en la industria está siendo más lenta de lo esperado debido a los retos encontrados en los ensayos a escala industrial. A escala laboratorio, las propiedades mecánicas de papel y cartón mejoran claramente. Sin embargo, ensayos industriales han mostrado un bajo efecto de las CNFs en la calidad del papel final, por lo que probablemente algún factor crítico no ha sido considerado o no es relevante a escala de laboratorio. Otra limitación que impide la aplicación de las CNFs a escala industrial es que la calidad de las CNFs no es proporcional a la mejora de las propiedades finales, requiriendo el desarrollo de CNFs adecuadas para cada aplicación. Actualmente, el pretratamiento más común para obtener CNFs altamente fibriladas es la oxidación de la celulosa usando TEMPO como catalizador (TMO). Sin embargo, estas CNFs presentan mayores costes de producción y no siempre producen los mejores efectos, en función de los productos finales. Además, es necesario mejorar los métodos de obtención y caracterización de CNFs mediante procesos más sostenibles y viables a escala industrial. A partir de los principales problemas identificados en el estado del arte, se han definido los objetivos de esta tesis doctoral que abarcan diferentes limitaciones e hipótesis. En el campo de la producción de CNFs, el objetivo es reducir el coste y el impacto ambiental del proceso para favorecer su uso industrial. Para ello se han identificado procesos alternativos como es la utilización del refino de baja consistencia. Las propiedades de estas CNFs a pesar de presentar haces de microfibrillas de un tamaño mayor que las CNFs oxidadas, presentaban mejoras en varias propiedades del cartón en mayor medida que las TMO-CNFs, reduciendo los costes de producción. Por otro lado se mejoró el pretratamiento TMO, para hacer un uso más sostenible de este proceso, reduciendo el tiempo de reacción entre un 60-85%, las pérdidas de celulosa y la cantidad de catalizadores en un 67% con la reutilización del medio de reacción. En el ámbito de la caracterización, el objetivo es identificar parámetros clave en la aplicación industrial de las CNFs y el desarrollo de nuevas técnicas de caracterización para entender mejor su comportamiento y controlar su calidad. En esta tesis doctoral se han abordado tres retos: (i) la adaptación y simplificación para CNFs de la metodología del punto de gel utilizada para estimar la relación de aspecto; (ii) la identificación de un parámetro clave no considerado hasta ahora como es el grado de dispersión de las CNFs.