1 NANOFIBRAS DE CELULOSA Obtención y aplicacionesMaría Evangelina Vallejos Dra., MSc, Ing. Qca. – Investigadora Adjunta Programa de Celulosa y Papel (PROCYP) Instituto de Materiales de Misiones (IMAM) CONICET-UNaM
2 Nanotecnología y los productos forestalesNanotecnología. Área emergente de la ciencia y la tecnología que está generando una revolución en el área de los materiales. Productos forestales. La nanotecnología permitirá aprovechar el gran potencial que poseen los árboles como una plataforma de bio-materiales. El potencial de los materiales lignocelulósicos a escala manométrica está prácticamente sin explotar. Fortalezas de la industria celulósico/papelera: Maneja una materia prima abundante, renovable y sostenible. Posee una infraestructura que puede procesar estos recursos para producir en una amplia variedad de productos de consumo. Está en una posición privilegiada para entrar en nuevos mercados de crecimiento centradas en bio-productos.
3 Materia prima renovable Interés industrial y científicomateriales celulósicos – Aplicación convencional Demanda Necesidad biomateriales que igualen o superan los materiales a base de petróleo Nuevos materiales Productos nanométricos hechos de material celulósico: nanofibras, microcristales, filamentos, nanofibras y nanocristales Materia prima renovable Se extraen de distintas fuentes de celulosa de origen natural tales como pulpa de madera, algodón, algas y bacterias. Interés industrial y científico Crecimiento exponencial de la literatura científica y patentes Convencional Macro y micro-estructura Pulpa celulósica Papeles y cartones Pulpa de disolución Derivados de celulosa Tecnología establecida Escala industrial
4 materiales celulósicos – Aplicación emergentes
5 Obtención de nano-partículas de celulosaNano cristales de celulosa (CNC) MOLIENDA TRAMIENTO QUIMICO LAVADO H2SO4: % Rendimiento: % D: 5 – 70 nm L: 100 – 250 nm Fibras celulósica L: 1 – 4 mm D: 3 – 100 mm Celulosa nano o miro-fibrilada (NFC o MFC) TRATAMIENTO MECÁNICO Rendimiento: > 90% L > 10 mm D 2 – 50 nm TRAMIENTO ENZIMÁTICO TRATAMIENTO MECÁNICO Rendimiento: > 90% L > 2 mm D 17 – 30 nm TRAMIENTO QUÍMICO TRATAMIENTO MECÁNICO Rendimiento: % L > 2.2 mm D 2 – 5 nm
6 Estructura de la celulosa Celulosa nanofibrilada (CNF)Características Estructura de la celulosa Diámetro (d, nm) Longitud (L, nm) Celulosa nanofibrilada (CNF) 10-40 > 1000 Nanocristales (CNC) 2-20 Area, M.C., Vallejos, M.E. Biorrefinería a partir de residuos. Editorial Académica Española, 1 edition pp. 200 (2012). ISBN-13: Aspler et al. (2013), Biopolymer Nanocomposites Processing, Properties, and Applications. John Wiley & Sons, Inc.
7 Tratamiento mecánico Equipos: Refinador de disco, Refinador PFIMolino coloidal (Masuko Supermasscolloider series ) Equipos: Refinador de disco, Refinador PFI Pila holandesa Valley Crio-trituración Molino coloidal Microfluidizador Homogeneizador 1 – 2% de consistencia Demanda energética: > kWh/tn Suspensión fibrosa Cabezal de rotación 1500 rpm Refinado (1 paso) Capacidad: 35 – 6000 kg/h Diámetro del disco: 150 – 500 mm Nanofibrilación por fuerza de corte elevada . Hietala, M. and Oksman, K. (2014). Handbook Of Green Materials. Processing Technologies, Properties and Applications. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
8 Demanda energética: 12000-70000 kWh/tnMicrofluidizador (Microfluidics) Capacidad: L/min Presión: hasta 40,000 psi (2755 bar) Nanofibrilación por cambios bruscos en la presión y elevadas fuerzas de corte. Demanda energética: kWh/tn Homogenizador (Gaulin - GEA Niro Soavi) Capacidad: hasta L/h Presión: hasta psi (1500 bar) Hietala, M. and Oksman, K. (2014). Handbook Of Green Materials. Processing Technologies, Properties and Applications. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
9 Pretratamiento químico - Oxidación TEMPOPretratamiento enzimático Uso de enzimas endoglucanasa, ya que no ataca celulosa cristalina tan fácilmente como los otros tipos de enzimas. Suele combinarse con un pretratamiento suave de refino para favorecer la accesibilidad de las enzimas. Dosis: hasta 3% (2,2,6,6 tetrametil piperidina-1-il) oxil (TEMPO) El precio y el proceso de recuperación del TEMPO elevan los costos de producción
10 Secado Procesos de secado: Aun en desarrollo Escala piloto Procesos:Liofilización Intercambio de solventes y evaporación Sales (NaCl) Spray Peresin, M.S. (2014). Emerging technologies: Nanofibrillated cellulose, its production, properties and potential applications, VTT (FI).
11 Aplicaciones en la industria papeleraFamilias principales de partículas celulósicas de tamaño nanométrico: Nanocrital de celulosa (CNC) Nanofibrilas de celulosa (CNF) Diferencias: estructura, dimensiones, morfología y consecuentemente en las propiedades. CNC difícil aplicación en la fabricación de papel (solo aplicación superficial). CNF pueden formar un entramado de nano-fibrilas debido a la flexibilidad de las nanofibrilas (apto en aplicaciones papeleras en masa o superficial).
12 Propiedades y potenciales aplicacionesResistencia y rigidez elevadas Material liviano Transparencia Capacidad para almacenar agua Área superficial y relación de aspecto (L/d) elevados Reactividad Propiedades de barrera Fukuzumi et al. (2011). Biomacromolecules 2011, 12, 4057−4062
13 Propiedades y potenciales aplicacionesPapeles y cartones Materiales nano-compuestos Geles - aerogeles Recubrimiento superficial Aplicación en masa Refuerzo mecánico Compatibilidad con matrices hidrofílicas Propiedad de barrera Desafíos tecnológicos para la industria: Adaptación a procesos secos Rango de temperatura de procesamiento Compatibilidad con matrices hidrofóbicas Transparencia/barrera Baja densidad y elevada porosidad Nuevas funcionalidades Desafíos tecnológicos para la industria: Falta de procesos industriales Regulaciones sobre toxicidad Propiedades mecánicas y de barrera Agente de resistencia en seco y de retención Nuevas funcionalidades Desafíos tecnológicos para la industria: Viscosidad elevada Requerimientos energéticos elevados para el secado Chauve, G. and Bras, J. (2014). Handbook Of Green Materials. Processing Technologies, Properties and Applications. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
14 Adición a papeles y cartonesCNF Polielectrolito Aditivo Agentes de retención y de resistencia: Almidón catiónico (CS) Poliacrilamida catiónica (C-PAM) Agentes encolantes: PAE AKD Cargas: Caolín Carbonato de calcio Chauve, G. and Bras, J. (2014). Handbook Of Green Materials. Processing Technologies, Properties and Applications. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
15 Antecedentes recientesObjetivos: demostrar que es posible fabricar productos de papel y envases de alta calidad a escala piloto utilizando procesos flexibles, eficientes energética y ambientalmente. Producción de NFC I+D Escala piloto Comercial Países europeos (Finlandia y Noruega) son pioneros y mantienen el liderazgo LGP2 (FR) – 5 kg/d EMPA (CH) – 15 kg/d VTT (FI) – 15 kg/d CTP-FCBA (FR) – 50 kg/d Innventia (SWE) – 100 kg/d Daicel (JP) UMP (FI) Borregaard (NO) Stora (SE) Nippon Paper (JP) Se prevé que la evolución de la capacidad de producción mundial de NFC alcance 800 toneladas en 2017.
16 Toxicidad y riesgos para la saludLa seguridad de los nanomateriales debe evaluarse caso por caso. Las regulaciones relacionadas con los nanomateriales están todavía en desarrollo. La seguridad de los productos debe ser garantizada a través de su ciclo de vida Se requiere de mayor investigación para la comprensión de los fenómenos relacionados a los nanomateriales, la seguridad del producto y el desarrollo de métodos adecuados una evaluación segura.
17 Servicios para análisis y caracterizaciónArgentina Herramienta de I+D Servicios para análisis y caracterización Financiamiento
18 Lecturas recomendadasFischer, M., Romero, E., Zamit, A.L., Varela, F., Polino, C., Alberti, J.P (2013). “Estado del Arte y Perspectivas de las Micro y Nano Tecnologías en Argentina”. ACE International Consultants. Vila Seoane, M., Rodríguez, S. (2012). Empresas y Grupos de I+D de Nanotecnología en Argentina. Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva. Secretaría de Planeamiento y Políticas. Isaak, P., Pena, J. (2013). Casos de Asociatividad e Innovación. Nanotecnología. Secretaría de Planeamiento y Políticas en Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva.
19 Gracias por la atención…Preguntas?