Producción, caracterización y aplicación de nanofibras procedentes de pulpas de alto rendimiento con elevado contenido en lignina
- Autores: Ferran Serra i Parareda
- Directores de la Tesis: Marc Delgado Aguilar (dir. tes.), Pere Mutjé Pujol (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Girona ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Ángeles Blanco Suárez (presid.), Núria Fiol Santaló (secret.), Justin Zoppe (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnología por la Universidad de Girona
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
La nanocelulosa es un nanomaterial sostenible con excelentes prestaciones físico-mecánicas, lo cual le otorga un alto potencial en sectores como el papelero, nanocompuestos, aerogeles selectivos de disolventes, hidrogeles de liberación controlada de sustancias, sustratos para impresión de dispositivos electrónicos y modificadores reológicos, entre otros. La producción de nanocelulosa se ha basado tradicionalmente en el uso de fibras celulósicas deslignificadas mediante procesos de pulpeado químico. Estos tratamientos eliminan la mayor parte de la lignina y reducen también el contenido de hemicelulosa, logrando rendimientos másicos cercanos al 50%. Por lo contrario, los procesos de pulpeado termomecánicos, en los cuales se evita el uso de agentes químicos, permiten preservar la composición química de la materia prima, alcanzando así rendimientos superiores al 95%. En este contexto, y con el objetivo de mantener el sector de la nanocelulosa lo más sostenible posible, las pulpas termomecánicas son consideradas una opción económica y medioambientalmente más atractiva que aquellas fibras altamente deslignificadas. Además, la elevada presencia de lignina podría favorecer la desestructuración mecánica de las fibras, confiriendo propiedades adicionales al nanomaterial resultante debido el carácter parcialmente hidrofóbico de la lignina.
La producción de nanocelulosa a partir de fibras termomecánicas con alto contenido de lignina vislumbra la posibilidad de una cadena de producción enteramente mecánica, libre de agentes químicos u otros aditivos como enzimas, la aplicación de los cuales se adecúa más a fibras deslignificadas. En este contexto, uno de los objetivos de la presente tesis es evaluar la viabilidad de una línea de producción mecánica low-cost y respetuosa con el medio ambiente, a partir de una pulpa de alto rendimiento de abeto, para la obtención de micro/nanofibras lignocelulósicas. Adicionalmente, se realiza un estudio energético para optimizar las condiciones del pretratamiento y tratamiento.
Si bien la nanocelulosa dispone de una carta de presentación convincente, su plena explotación industrial y comercialización está limitada por varios factores. La transición industrial requiere de un sistema de monitorización efectivo, rápido y económico, que permita mantener un seguimiento sobre el proceso de producción. En la presente tesis se propone el parámetro de caracterización de demanda catiónica, y el comportamiento reológico de las suspensiones, como herramientas para monitorizar el proceso productivo. En líneas generales, se demuestra que la demanda catiónica puede representar adecuadamente el grado de fibrilación del nanomaterial tanto en la etapa de pretratamiento como tratamiento. Adicionalmente, la demanda catiónica puede emplearse para estimar, numéricamente, la superficie específica de las fibras a través de la cantidad de polielectrolito catiónico consumido durante el análisis. Por otro lado, el comportamiento reológico evaluado mediante la relación Ostwald-de Waele proporciona información útil sobre el estado morfológico y de fibrilación de las micro/nanofibras. Además, la determinación del comportamiento reológico presenta la ventaja de ser una herramienta de caracterización fácilmente implementada en línea con el proceso de producción (in-line monitoring).
La industria papelera es la mayor consumidora de materiales nanocelulósicos en la actualidad, un sector en el cual la demanda de fibras recicladas va en aumento para paliar el consumo de recursos naturales. Dichas fibras recicladas, muchas de las cuales aplicadas en productos de packaging como el cartón corrugado, pierden gradualmente sus propiedades debido las sucesivas etapas de reciclado, haciendo necesario reforzarlas para mantener, o mejorar, sus prestaciones. En este contexto, se evalúa el potencial de las micro/nanofibras lignocelulósicas como agente de refuerzo para productos reciclados de packaging de papel. En paralelo, se propone una metodología de comercialización de las micro/nanofibras integradas en la misma pulpa de alto rendimiento. Esta metodología se basa en el concepto de masterbatch y establece que al combinar estas pulpas con elevados contenidos de micro/nanofibras (10 – 50%) con una pulpa reciclada, en las proporciones adecuadas, estas actuaran como un efectivo agente de refuerzo. La propuesta planteada, además de ser técnicamente viable, consigue reducir los costes de transporte y emisiones de dióxido de carbono.
La presente tesis doctoral se plantea como un compendio de 5 artículos con el objetivo de explorar nuevas materias primas para la producción de nanocelulosa, así como impulsar el desarrollo industrial del nanomaterial. Más concretamente, los artículos publicados intentan afrontar algunos de los desafíos que actualmente obstaculizan el escalado industrial de la nanocelulosa, proponiendo métodos de producción más sostenibles y económicos, evaluando sistemas de parametrización y monitorización más efectivos, optimizando los procesos productivos en base parámetros energéticos y técnicos, y proponiendo vías de comercialización económica y medioambientalmente más atractivas.
