Proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar.

Un proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar,

caracterizado por las etapas de:

(a) la provisión de fibras de celulosa;

(b) la provisión de por lo menos un relleno y/o pigmento;

(c) la combinación de las fibras de celulosa y uno o más rellenos y/o pigmentos;

(d) la fibrilación de las fibras de celulosa en presencia de por lo menos un relleno y/o pigmento, hasta que no queden fibras, y se forme un gel solo de fibrillas primarias en un entorno acuoso, donde la formación del gel se verifica mediante el control de la viscosidad de la mezcla dependiente del índice de corte, donde la disminución de la viscosidad de la mezcla tras un aumento en etapas del índice de corte es más pronunciado que el aumento de viscosidad correspondiente tras una reducción en etapas posterior del índice corte sobre por lo menos parte del rango del índice de corte a medida que el corte se aproxima a cero.

Proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar

La presente invención se refiere a un proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar, y a los geles de celulosa nanofibrilar obtenidos por este proceso.

La celulosa es el componente estructural de la pared celular primaria de plantas verdes, y es el compuesto orgánico más común en el planeta Tierra. Es de gran interés en muchas aplicaciones e industrias.

La celulosa es el principal constituyente del papel y el cartón, y de productos textiles elaborados a partir de algodón, lino, y otras fibras de plantas. La celulosa puede convertirse en celofán, una película delgada transparente, y en rayón, una importante fibra que se ha utilizado para productos textiles desde comienzos del siglo XX. Tanto el celofán como el rayón se conocen como "fibras de celulosa regeneradas".

Las fibras de celulosa también se usan en la filtración de líquidos, a fin de crear un lecho de filtro de material inerte. La celulosa se usa, asimismo, en la elaboración de esponjas hidrofílicas y altamente absorbentes.

Para uso industrial, la celulosa se obtiene, principalmente, a partir de pulpa de madera y de algodón. Se usa principalmente en la producción de cartón y papel; y en menor extensión, se convierte en una amplia variedad de productos derivados.

La pulpa de celulosa como materia prima se procesa a partir de madera o de los tallos de plantas tales como cáñamo, lino y abacá. Las fibras de la pulpa están formadas principalmente por celulosa y otros componentes orgánicos (hemlcelulosa y lignina). Las macromoléculas de celulosa (compuestas por 1-4 moléculas de p-D-glucosa ligadas gllcosídlcas) están ligadas por enlaces de hidrógeno de manera que forman lo que se denomina fibrilla primarla (mlcela), que tiene dominios cristalinos y amorfos. Varias fibrillas primarias (alrededor de 55) forman lo que se denominada mlcrofibrilla. Alrededor de 250 de estas microfibrillas forman una fibrilla.

Las fibrillas se disponen en diferentes capas (que pueden contener lignina y/o hemicelulosa), de modo que forman una fibra. Las fibras Individuales están ligadas también por lignina.

Las pulpas utilizadas en la fabricación de papel a menudo se obtienen mediante la molienda de la madera y un procesamiento opcional de calor y química, a fin de eliminar los compuestos indeseados de las fibras celulósicas.

Las fibras se muelen y se cortan hasta una cierta finura (de acuerdo con las propiedades deseadas). La molienda de las fibras se logra con un refinador (tal como un molino de rotor-estátor cónico o refinadores de disco o de doble disco). El refinador además fibrila las fibras sobre la superficie, lo que significa que algunas fibrillas son parcialmente arrancadas desde la superficie de la fibra. Esto conduce a una mejor retención de pigmentos, y con frecuencia, una mejor adhesión a pigmentos, que pueden agregarse en la producción de papel, y además, a un mejor potencial de enlace de hidrógeno entre las fibras del papel. Esto logra mejores propiedades mecánicas. Un efecto secundario, además, es que el papel se torna más denso y más transparente, debido a una pérdida de dispersión de luz a medida que el tamaño de los centros de dispersión se aleja del óptimo aceptado de la mitad de longitud de onda de luz (papel cristal y papel impermeable a la grasa).

Cuando las fibras son refinadas bajo energía aplicada, son fibriladas a medida que las paredes celulares se rompen y se desgarran en tiras adheridas, es decir, en fibrillas. Si esta rotura se continúa para separar las fibrillas del cuerpo de la fibra, libera las fibrillas. La rotura de las fibras en microfibrillas se denomina "microfibrilación". Este proceso puede continuarse hasta que ya no quedan fibras, y solo quedan fibrillas de tamaño (espesor) nanométrico.

Si el proceso avanza y descompone estas fibrillas hasta fibrillas cada vez más pequeñas, finalmente, estas se tornan fragmentos de celulosa o nanogel. De acuerdo con la duración de esta última etapa, algunas nanofibrillas pueden permanecer entre el gel de nanofibrillas. La descomposición hasta fibrillas primarias puede denominarse "nanofibrilación", donde puede haber una transición suave entre los dos regímenes. Las fibrillas primarias forman, en un entorno acuoso, un gel (una red metaestable de fibrillas primarias) que puede denominarse "gel nanofibrilar". Puede considerarse que el gel formado a partir de las nanofibrillas contiene nanocelulosa.

Los geles nanofibrilares son convenientes, ya que, habitual mente, contienen fibrillas muy finas, que se considera están constituidas, en parte, por nanocelulosa, y muestran un potencial de unión más fuerte a sí mismas, o a cualquier otro material presente, que las fibrillas que no son tan finas o que no exhiben estructura nanocelulósica.

Sin embargo, la finura que puede lograrse con refinadores convencionales es limitada. Además, una cantidad de otros aparatos para la descomposición de partículas no son capaces de descomponer las fibras de celulosa en nanofibrillas, tales como los mullidores mencionados en el documento US 2001/0045264, que solo pueden separar

entre sí fracciones de fibras de tamaño determinado.

Asimismo, en el documento WO 02/090651, se describe un método para el reciclado de desechos de pulpa generados durante la fabricación de papel, cartulina o cartón, donde los desechos más limpios que contienen, entre otras cosas, fibras, pigmentos y/o fibras, se muelen hasta un cierto tamaño de grano por molinos de bolas. Sin 5 embargo, no se hace mención de la fibrilación de las fibras presentes, menos aún, de la fibrilación hasta nanofibrillas, o de un gel de celulosa nanofibrilar.

SI se desea la descomposición adicional de las fibras en fibrillas, o aun en moléculas de celulosa, se necesitan otros métodos.

Por ejemplo, en el documento US 4.374.702, se describe un proceso para la preparación de celulosa mlcroflbrllada, 10 que comprende el pase de una suspensión líquida de celulosa fibrosa, a través de un homogeneizador de alta presión que tiene un orificio de diámetro pequeño en el cual la suspensión se somete a una caída de presión de por lo menos 21 MPa (3000 psi), y una acción de corte de alta velocidad seguida de un Impacto desacelerador de alta velocidad contra una superficie sólida; la repetición del pase de dicha suspensión a través del orificio hasta que dicha suspensión de celulosa se torna una suspensión sustancialmente estable; donde dicho proceso convierte 15 dicha celulosa en celulosa microfibrilada sin cambio químico sustancial del material inicial de celulosa. No se menciona un gel de celulosa nanofibrilar.

El documento US 6.183.596 B1 revela un proceso para la producción de celulosa supermicrofibrilada, mediante el pase de una suspensión de una pulpa previamente batida, a través de un aparato de fricción que tiene dos o más trituradores dispuestos de manera que pueden frotarse juntos a fin de microfibrilar la pulpa para obtener celulosa 20 microfibrilada, y adicionalmente supermicrofibrilar la celulosa microfibrilada obtenida con un homogeneizador de alta presión a fin de lograr la celulosa supermicrofibrilada. Sin embargo, no hay mención de un gel de celulosa nanofibrilar.

Asimismo, pueden usarse trituradores de fricción ultrafinos, donde el triturador reduce las fibras hasta finos por medio del corte mecánico (por ejemplo, el documento US 6.214.163 B1), lo que, sin embargo, no conduce 25 automáticamente a un gel de celulosa nonoflbrilar.

La producción mecánica de celulosa nanofibrilar no es trivial. Por ejemplo, se presenta el problema de una creciente viscosidad durante el proceso de fibrilación, lo que puede detener el proceso por completo o aumentar la energía específica necesaria.

Por lo tanto, existe aún la necesidad de un proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar, que no solo 30 sea llevado a cabo con facilidad, sino que, además, sea eficiente desde el punto de vista energético.

Un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar dicho proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar.

Ahora se ha hallado que puede obtenerse una disminución de la viscosidad y, por tanto, un gel de celulosa nanofibrilar estable, mediante la adición y el procesamiento conjunto de ciertos rellenos y/o pigmentos a la pulpa que 35 contiene fibra de celulosa.

Por lo tanto, el problema anterior se resuelve por el proceso para la producción de geles de celulosa nanofibrilar de la presente invención.

Este proceso se caracteriza por las siguientes etapas:

(a) la provisión de fibras de celulosa;

(b) la provisión de por lo menos un relleno y/o pigmento;

(c) la... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para la producción de geles de celulosa nanoflbrllar, caracterizado por las etapas de:

(a) la provisión de fibras de celulosa;

(b) la provisión de por lo menos un relleno y/o pigmento;

(c) la combinación de las fibras de celulosa y uno o más rellenos y/o pigmentos;

(d) la fibrilaclón de las fibras de celulosa en presencia de por lo menos un relleno y/o pigmento, hasta que no queden fibras, y se forme un gel solo de fibrillas primarlas en un entorno acuoso, donde la formación del gel se verifica mediante el control de la viscosidad de la mezcla dependiente del índice de corte, donde la disminución de la viscosidad de la mezcla tras un aumento en etapas del índice de corte es más pronunciado que el aumento de viscosidad correspondiente tras una reducción en etapas posterior del índice corte sobre por lo menos parte del rango del índice de corte a medida que el corte se aproxima a cero.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la viscosidad Brookfield del gel de celulosa nanofibrilar resultante es inferior a la viscosidad Brookfield de una suspensión de celulosa nanofibrilar correspondiente que ha sido fibrilada en ausencia de rellenos y/o pigmentos.

3. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las fibras de celulosa están contenidas en pulpas seleccionadas del grupo que comprende pulpa de eucalipto, pulpa de abeto, pulpa de pino, pulpa de haya, pulpa de cáñamo, pulpa de algodón y sus mezclas.

4. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las fibras de celulosa se proporcionan en forma de una suspensión, preferentemente, con un contenido de sólidos de 0,2 a 35 % en peso, más preferentemente de 0,25 a 10 % en peso, aún más preferentemente de 0,5 a 5 % en peso, en especial de 1 a 4 % en peso, con mayor preferencia de 1,3 a 3 % en peso, por ejemplo, 1,5 % en peso.

5. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el relleno y/o pigmento se selecciona del grupo que comprende carbonato de calcio precipitado; carbonato de calcio molido natural; dolomita; talco; bentonlta; arcilla; magnesita; blanco satinado; sepiolita, huntita, diatomita; silicatos; y sus mezclas.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el relleno y/o pigmento se selecciona del grupo de carbonato de calcio precipitado, preferentemente, que tiene una estructura vaterítica, calcítica o aragonítica cristalina; carbonato de calcio molido natural, preferentemente, seleccionado de mármol, caliza o creta; o sus mezclas.

7. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque el carbonato de calcio precipitado es carbonato de calcio precipitado ultraflno separado prismático, escalenoédrlco o romboédrico.

8. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partículas de relleno o pigmento tienen un tamaño de partícula promedio de 0,5 a 15 pm, preferentemente de 0,7 a 10 pm, más preferentemente de 1 a 5 pm, y con mayor preferencia, de 1,1 a 2 pm, por ejemplo 1,5 pm o 3,2 pm.

9. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el relleno y/o pigmento se asocia con agentes de dispersión seleccionados del grupo que comprende homopolímeros o copolímeros de sales de ácidos pollcarboxílicos, sobre la base de, por ejemplo, ácido acríllco, ácido metacríllco, ácido malelco, ácido fumárico, ácido ¡tacónlco, acril amida o sus mezclas; polifosfatos alcalinos, ácidos fosfónlcos, cítricos y tartáricos y sus sales solubles; o sus mezclas.

10. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la combinación de fibras y por lo menos un relleno y/o pigmento se lleva a cabo mediante la adición del relleno y/o pigmento a las fibras en una o varias etapas.

11. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el relleno y/o pigmento se agregan en su totalidad o en porciones antes o durante la etapa de fibrilaclón (d), preferentemente antes de la etapa de fibrilaclón (d).

12. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la relación en peso de fibras a relleno y/o pigmento, sobre la base del peso seco, es de 1:10 a 10:1, preferentemente de 1:5 a 5:1, más preferentemente de 1:3 a 3:1, aún más preferentemente, 1:2 a 2:1, y con mayor preferencia, 1:1,5 a 1,5:1, por ejemplo, 1:1.

13. El proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la fibrilación se lleva a cabo por medio de un homogeneizador o un triturador de fricción ultrafino.

14. Un proceso para la reducción de la viscosidad de los geles nanofibrilares, caracterizado porque los geles nanofibrilares se preparan por un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Un gel de celulosa nanofibrilar obtenido por el proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13

o 14.

16. El gel de celulosa nanofibrilar de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque la viscosidad Brookfield del gel de celulosa nanofibrilar es inferior a la viscosidad Brookfield de una suspensión de celulosa nanofibrilar correspondiente que se ha fibrilado en ausencia de rellenos y/o pigmentos.

17. El uso del gel de celulosa nanofibrilar de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 o 16, en aplicaciones

tales como compuestos de materiales, plásticos, pinturas, caucho, hormigón, cerámica, adhesivos, alimentos o en aplicaciones de curación de heridas.