Celulosa nanofibrilada y su aplicación en la industria papelera para la mejora de productos reciclados

Resumen

La fabricación de papel es un sector industrial sostenible donde el reciclaje constituye uno de los pilares fundamentales. Sin embargo, uno de los principales problemas de las fibras recuperadas es mantener el nivel de calidad de los productos papeleros. Aunque la industria papelera trata de compensar esta pérdida de calidad es necesario la búsqueda de nuevas estrategias como es el uso de celulosa nanofibrilada, CNF. Durante la última década, la CNF ha surgido como una nueva familia de nanomateriales de gran interés debido a sus ventajas medioambientales, elevada resistencia mecánica, módulo elástico y estabilidad térmica; alta superficie; baja densidad y permeabilidad al oxígeno. Estudios previos han demostrado su aplicación en la industria del papel, como agente de refuerzo, aditivo en formulaciones de estucado o agente barrera en papeles especiales. En la mayoría de los estudios, tanto la producción de CNF como su aplicación se han realizado con pastas de fibra virgen. Además, no existen estudios sobre el efecto de la CNF en los procesos de floculación, retención y drenaje, así como la interacción entre la CNF y distintos sistemas de retención. Asimismo, la mayoría de los estudios utilizan almidón para su retención, aun no siendo este el sistema de retención habitual en la producción de papel. El objetivo general de esta Tesis es aportar nuevos conocimientos sobre la producción de CNF obtenida a partir de diferentes fuentes de celulosa y sobre los efectos de su aplicación en masa en suspensiones de pasta recicladas. La Tesis se centra en los procesos de floculación, retención y drenaje y en determinar la interacción de la CNF con los agentes de retención cuando se utiliza para mejorar las propiedades del papel. Primeramente, se evaluó el beneficio de la CNF obtenida a partir de pasta de tallos de maíz sobre papel y cartón reciclados utilizando CNF obtenida a partir de pasta de eucalipto como referencia. Posteriormente, se estudió el efecto de la CNF sobre el proceso de floculación, la eficiencia del floculante y las propiedades de los flóculos. Los resultados mostraron que la CNF interacciona con los floculantes de diferentes maneras aumentando la estabilidad de la floculación. Además, la mejora en las propiedades mecánicas no se debe a la disminución del tamaño de los flóculos sino al aumento del número de interacciones entre la CNF y los diferentes componentes de la pasta, ya que la CNF sólo disminuyó la longitud media de cuerda máxima de las partículas al utilizar almidón en pasta de cartón reciclado pero no en presencia de otros floculantes. El siguiente objetivo fue estudiar los procesos de retención, drenaje y calidad del producto. La mayoría de los autores coinciden que la CNF dificulta el proceso de drenaje durante la fabricación de papel siendo uno de los principales inconvenientes para la implementación de la CNF a escala industrial, además de su elevado coste. Tradicionalmente se busca un equilibrio entre retención, drenaje y una buena formación de la hoja que asegure unas altas propiedades mecánicas. El uso de la CNF puede ayudar a alcanzar este equilibrio utilizando el sistema de retención adecuado y la dosis óptima. También se han estudiado nuevas estrategias para reducir el coste de la CNF basadas en el conocimiento de los requerimientos mínimos de calidad de la CNF para poder ser utilizada como agente de refuerzo y la producción in situ de la CNF. Los resultados mostraron la dificultad de predecir el efecto de la CNF en función de sus propiedades demostrando que es necesario la selección óptima de las materias primas y las condiciones de producción de la CNF para mejorar la resistencia del papel sin deteriorar el drenaje. Finalmente, se han desarrollado dos nuevas aplicaciones de la CNF en la industria del papel: como agente de control del linting y en la decoloración de aguas de proceso que contienen tintas en base acuosa.