{"id":2666,"date":"2024-09-11T12:04:36","date_gmt":"2024-09-11T15:04:36","guid":{"rendered":"https:\/\/afcparg.online\/afcp\/?p=2666"},"modified":"2024-09-11T12:04:36","modified_gmt":"2024-09-11T15:04:36","slug":"sobre-nanocelulosa-fibras-recicladas-y-refino","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/afcparg.org.ar\/afcp\/sobre-nanocelulosa-fibras-recicladas-y-refino\/","title":{"rendered":"Sobre nanocelulosa, fibras recicladas y refino"},"content":{"rendered":"\n

Por Dra. Mar\u00eda Cristina Area.<\/strong>
Directora del Programa de Celulosa y Papel (PROCYP); Directora del Instituto de Materiales de Misiones (IMAM) UNaM-CONICET; Profesora Facultad de Ciencias Exactas, Qu\u00edmicas y Naturales de la UNaM . Contacto: cristinaarea@gmail.com<\/p>\n\n\n\n

La nanocelulosa<\/strong>
La base del papel, tal como lo conocemos hasta el momento, son las fibras. Largas, cortas, r\u00edgidas, fuertes o d\u00e9biles, todas se caracterizan por tener forma de huso y estar constituidas por una pared fibrosa que rodea a un hueco denominado l\u00famen.<\/p>\n\n\n\n

En las paredes de las fibras existe un arreglo conc\u00e9ntrico, producido por la diferente orientaci\u00f3n de los elementos estructurales, con diferencias en su composici\u00f3n qu\u00edmica. Los componentes qu\u00edmicos de las paredes son la celulosa (estructural) y la lignina y poliosas (subestructurales). Cuando estas \u00faltimas se extraen, se hace visible la estructura de los elementos celul\u00f3sicos. Las mol\u00e9culas de celulosa se componen de largas cadenas de unidades de glucosa (500 a 10000). Las fibrilas elementales (o protofibrilas) son arreglos cristalinos por asociaci\u00f3n de las mol\u00e9culas de celulosa, formadas por aproximadamente 40 mol\u00e9culas de celulosa cada una. Las cadenas se unen entre s\u00ed lateralmente, formando regiones muy ordenadas interrumpidas por algunas regiones amorfas, con di\u00e1metros de 2 a 4 nm. Las fibrilas elementales se reagrupan en sistemas mayores, con di\u00e1metros de 10 a 30 nm, formando las microfibrilas. Estas a su vez se unen formando las macrofibrilas que finalmente forman la red tridimensional que conforma las paredes de las fibras, y podemos ver con el microscopio \u00f3ptico.<\/p>\n\n\n\n

La estructura descripta hace posible la obtenci\u00f3n de los diferentes tipos de materiales que se denominan vulgarmente \u201cnanocelulosa\u201d. Dentro de esta gran categor\u00eda se pueden distinguir diferentes tipos, entre ellos:<\/p>\n\n\n\n

a. Part\u00edculas de celulosa altamente cristalina, con diferentes denominaciones, como celulosa nanocristalina (NCC); nanocristales de celulosa (CNC o NC); whiskers de celulosa y celulosa bacteriana (BC).<\/p>\n\n\n\n

b. Part\u00edculas de celulosa con diferentes relaciones de aspecto (longitud\/di\u00e1metro), como la celulosa microfibrilada (MFC), nanofibras de celulosa (NFC).
Los m\u00e9todos de obtenci\u00f3n definen las caracter\u00edsticas de las part\u00edculas. La celulosa nanocristalina (NCC), altamente cristalina, requiere un tratamiento qu\u00edmico agresivo llegando a separar las fibrilas elementales, mientras que celulosa bacteriana (BC) se forma mediante la polimerizaci\u00f3n biol\u00f3gica de glucosa.<\/p>\n\n\n\n

Por otra parte, el tratamiento mec\u00e1nico genera celulosa microfibrilada (MFC) con part\u00edculas de tama\u00f1o irregular, por separaci\u00f3n de las microfibrilas de la pared fibrosa. Si se somete a las fibras a un tratamiento enzim\u00e1tico o qu\u00edmico previo al tratamiento mec\u00e1nico, se producir\u00e1 nanocelulosa (NFC). Si bien estas dos \u00faltimas categor\u00edas no presentan un tama\u00f1o uniforme, las part\u00edculas de NFC son mucho m\u00e1s peque\u00f1as y la distribuci\u00f3n de tama\u00f1o es menos dispersa.<\/p>\n\n\n\n

La celulosa microfibrilada (MFC) consiste en hilos largos con regiones cristalinas y amorfas, con muchas de sus part\u00edculas constituyentes visibles al microscopio \u00f3ptico.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1: a. Fibras de eucaliptus (foto PROCYP).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1: b. MFC de eucaliptus (foto PROCYP).<\/p>\n\n\n\n

Las fibras recicladas<\/strong>
El requisito m\u00ednimo para poder formar una hoja de papel es la presencia de fibras moderadamente resistentes (resistencia individual de fibras), cierto grado de entramado (longitud y flexibilidad de las fibras) y de adhesi\u00f3n entre fibras (\u00e1rea unida y resistencia de la uni\u00f3n).<\/p>\n\n\n\n

Las fibras recicladas poseen en general bajas resistencias, debido a varios factores, entre ellos, la hornificaci\u00f3n. Este efecto se produce por el cierre de los poros de la pared de la fibra durante el secado, generando p\u00e9rdida de las propiedades f\u00edsicas del papel debido a que rigidiza las fibras y provoca la inactivaci\u00f3n de su superficie externa para lograr que se produzcan las uniones. Otros efectos del reciclado son la acumulaci\u00f3n de fibras cortadas y finos producidos por los sucesivos repulpes, la acumulaci\u00f3n de substancias que recubren a las fibras, como el almid\u00f3n seco, entre otros.<\/p>\n\n\n\n

La consecuencia de todos estos factores es la p\u00e9rdida de resistencia producida fundamentalmente por la reducci\u00f3n de la capacidad de uni\u00f3n interfibras, debida a la disminuci\u00f3n del \u00e1rea enlazada y de la resistencia de las uniones. Para superar esta p\u00e9rdida se recurre a la adici\u00f3n de fibras v\u00edrgenes y la aplicaci\u00f3n de una acci\u00f3n mec\u00e1nica de compresi\u00f3n y cizallamiento de las fibras conocido como refino.<\/p>\n\n\n\n

El refino<\/strong>
En las fibras de pulpa virgen, la refinaci\u00f3n provoca varios efectos estructurales positivos, entre ellos, la fibrilaci\u00f3n interna con delaminaci\u00f3n de la pared (aumento de macro y microporos produciendo el hinchamiento) y la fibrilaci\u00f3n externa, con aumento en la flexibilidad de las fibras. Dependiendo de la consistencia, el rizado (Curling, a alta consistencia) o el enderezamiento de fibra (straightening, a baja consistencia), pliegues, planos de deslizamiento, torceduras y microcompresiones en la pared celular. Qu\u00edmicamente, genera disoluci\u00f3n de material coloidal y redistribuci\u00f3n de las hemicelulosas del interior al exterior de la fibra.<\/p>\n\n\n\n

Cuando las fibras se vuelven m\u00e1s flexibles, las paredes fibrosas tienden a colapsar, perdiendo su forma cil\u00edndrica r\u00edgida, lo que da como resultado una mayor \u00e1rea de superficie de uni\u00f3n. La producci\u00f3n de fibrilas parcialmente despegadas de la superficie de la fibra por fibrilaci\u00f3n externa tambi\u00e9n juega un rol importante en el desarrollo de la resistencia en el papel. La influencia de la fibrilaci\u00f3n externa en el desarrollo de la resistencia es m\u00e1s significativa cuando las fibras son r\u00edgidas, como en las pulpas mec\u00e1nicas o recicladas.<\/p>\n\n\n\n

Las consecuencias menos deseadas del refino, notablemente agravadas en las fibras recicladas, son el cambio de longitud promedio debido al corte de fibras, el debilitamiento de las fibras producido por los esfuerzos a que son sometidas y la excesiva producci\u00f3n de finos. A diferencia de los finos fibrilares producidos por fibrilaci\u00f3n externa, los finos producidos por corte solo tienen consecuencias negativas en la fabricaci\u00f3n de papel, b\u00e1sicamente en la disminuci\u00f3n de la drenabilidad de la hoja.<\/p>\n\n\n\n

MFC reemplazando al refino<\/strong>
Una de las \u00faltimas estrategias desarrollada para disminuir o reemplazar al refino mec\u00e1nico es la adici\u00f3n al empaste de NFC o MFC. Esto genera un efecto similar a la presencia de fibrilas generadas por fibrilaci\u00f3n externa, pero sin los efectos perjudiciales del debilitamiento y corte de las fibras. Se agregan como un aditivo m\u00e1s, en concentraciones de alrededor del 3% en masa. Esto compone un costo adicional, pero se evita o disminuye el costo energ\u00e9tico y de equipamiento generado por el refino. La mejora de las propiedades es m\u00e1s marcada cuando los papeles o cartones se elaboran con pulpas de fibras cortas o recicladas, pudiendo llegar a un 40% de incremento en algunas propiedades de resistencia.<\/p>\n\n\n\n

Otra ventaja importante es la posibilidad de fabricar estas nanopart\u00edculas con cualquier pulpa y materia prima fibrosa, incluso con pulpa reciclada. El producto tendr\u00e1 diferentes consumos energ\u00e9ticos y caracter\u00edsticas, que pueden ser sobre todo importantes para usos no papeleros, como su viscosidad o distribuci\u00f3n de tama\u00f1o.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2. a. Nanocelulosa de pulpa blanqueada (foto PROCYP).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2. b. Nanocelulosa de pulpa marr\u00f3n (foto PROCYP).<\/p>\n\n\n\n

La aplicaci\u00f3n de NFC o MFC en papeles es un \u00e1rea de aplicaci\u00f3n promisoria debido a que estas modificaciones en las propiedades f\u00edsicas y mec\u00e1nicas podr\u00edan beneficiar a los fabricantes de papel, que podr\u00edan obtener papeles m\u00e1s livianos e igualmente resistentes. Esto redundar\u00e1 en beneficios econ\u00f3micos para este sector industrial, pero tambi\u00e9n ecol\u00f3gicos, debido a la reducci\u00f3n de consumo de fibra virgen, aumento de ciclos de reciclado y disminuci\u00f3n del consumo de energ\u00eda de refino.<\/p>\n\n\n\n

Sin embargo, existen algunas limitaciones a la incorporaci\u00f3n de NFC o MFC a los empastes que los investigadores en el mundo est\u00e1n abocados a solucionar. Las m\u00e1s f\u00e1cilmente solucionables son la retenci\u00f3n de las Nanopart\u00edculas y la disminuci\u00f3n del drenado, que puede resolverse ajustando el sistema de retenci\u00f3n. Esto tambi\u00e9n puede ayudar a recomponer la permeabilidad de la hoja.<\/p>\n\n\n\n

Uno de los desaf\u00edos m\u00e1s grandes que enfrenta la aplicaci\u00f3n industrial de NFC o MFC es el transporte. Por su naturaleza, estas part\u00edculas son altamente hidrof\u00edlicas y su principio de funcionamiento se basa en la cantidad de uniones H que pueden generar, que se pierden con el secado (por el ya mencionado efecto de hornificaci\u00f3n). Por lo tanto, se producen como hidrogeles de concentraciones muy bajas, de alrededor del 1%. Algunos desarrollos recientes han logrado producir, mediante enzimas y tratamientos mec\u00e1nicos especiales, consistencias de hasta el 10%, lo cual es un gran logro pero casi no afecta la realidad de estar transportando b\u00e1sicamente agua. Es por este motivo que producir las nanopart\u00edculas cerca de los centros de uso es la mejor forma de contrarrestar este costo.<\/p>\n\n\n\n

Si vale una reflexi\u00f3n final, el nuevo mundo que ha generado la nanotecnolog\u00eda en cuanto a nuevos productos y aplicaciones de la nanocelulosa es fascinante y apenas desconocido. Quienes decidan ahondar en esta nueva tendencia innovadora tendr\u00e1n oportunidad de ser los primeros en sacar ventajas de sus beneficios.<\/p>\n\n\n\n

El PROCYP<\/strong>
El Programa de Celulosa y Papel (PROCYP) del Instituto de Materiales de Misiones (IMAM, CONICET \u2013 UNaM) es l\u00edder a nivel nacional en la obtenci\u00f3n y aplicaci\u00f3n de nanocelulosa en productos papeleros.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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