Método para proporcionar una nanocelulosa que implica modificar fibras de celulosa.

Metodo para proporcionar una nanocelulosa que implica modificar fibras de celulosa,

en el que el metodo comprende las siguientes etapas:

i) tratar fibras de celulosa durante al menos 5 minutos con una disolucion acuosa que contiene electrolito de una carboximetilcelulosa anfotera o un derivado de la misma, preferiblemente una CMC anfotera de bajo peso molecular o un derivado de CMC de la misma, mediante lo cual la temperatura durante el tratamiento es de al menos 50°C, y se aplica al menos una de las siguientes condiciones:

A) el pH de la disolucion acuosa durante el tratamiento se encuentra en el intervalo de aproximadamente 1,5 - 4,5, preferiblemente en la region de 2 - 4; o

B) el pH de la disolucion acuosa durante el tratamiento es mayor de aproximadamente 11; o

C) la concentracion del electrolito en la disolucion acuosa se encuentra en el intervalo de aproximadamente 0,0001-0,5 M, preferiblemente de aproximadamente 0,001-0,4 M, Si el electrolito tiene cationes monovalentes, o en el intervalo de aproximadamente 0,0001-0,1 M, preferiblemente de aproximadamente 0,0005-0,05 M, si el electrolito tiene cationes divalentes,

ii) ajustar el pH usando un liquido basic() y/o uno acid° en un intervalo de pH de desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 13, preferiblemente se ajusta el pH a un pH de desde aproximadamente 6 hasta aproximadamente 12, y iii) tratar dicho material en un dispositivo de trituraci6n mecanica, proporcionando asi dicha nanocelulosa.

Campo de invención

Esta invención se refiere al campo técnico de tratamiento de material que contiene celulosa para la fabricación de nanocelulosa (celulosa microfibrilada). También se da a conocer nanocelulosa fabricada según dicho método y usos de dicha celulosa.

Antecedentes

En el documento W258678 se da a conocer un método para la modificación de materiales lignocelulósicos. Se tratan fibras de celulosa con una disolución acuosa que contiene electrolito de ion derivado de celulosa anfótero durante al menos 5 minutos a una temperatura de al menos 52C. El pH durante el tratamiento es de aproximadamente 1,5-4,5 o mayor de 11; o la concentración del electrolito es de

aproximadamente ,1-,5 M si el electrolito tiene cationes monovalentes, o de aproximadamente ,2-,1 M si el electrolito tiene cationes divalentes. Además dicho documento se refiere a productos obtenidos mediante el método mencionado anteriormente y a usos de dicho productos para fabricar papel con una alta resistencia en húmedo.

Sin embargo no se menciona nada en el documento anterior sobre la fabricación de nanocelulosa o similar.

En Wágberg et al (2 8) se describe la reacción entre ácido cloroacético y fibras de lignocelulosa como pretratamiento para facilitar la deslaminación en un

homogeneizador con el fin de crear nanocelulosa o celulosa microfibrilar. Sin embargo, no se describe la unión de polímeros de carboximetilcelulosa a las fibras lignocelulósicas.

A lo largo del documento US 4.341.87 se da a conocer además un método para fabricar una celulosa microfibrilada o nanocelulosa usando homogeneización. Sin embargo, un problema cuando se fabrica nanocelulosa a partir de pasta es la obstrucción del homogeneizador, cuando se bombea la pasta a través de fluidizadores/homogeneizadores de alta presión. Otro problema es el excesivo consumo de energía durante la homogeneización, a menos que se someta la pasta antes del refinado a algún tipo de pretratamiento fisicoquímico. Por tanto existe la necesidad de un procedimiento en el que puedan paliarse y/o evitarse el problema de obstrucción y el excesivo consumo de energía.

Sumario de la invención

La presente invención resuelve el problema anterior proporcionando, según un primer aspecto, un método para proporcionar una nanocelulosa que implica modificar fibras de celulosa en el que el método comprende las siguientes etapas:

i) tratar fibras de celulosa durante al menos 5 minutos con una disolución acuosa que contiene electrolito de una carboximetilcelulosa anfótera (CMC anfótera) o un derivado de la misma, preferiblemente una CMC anfótera de bajo peso molecular o un derivado de CMC de la misma, mediante lo cual la temperatura durante el tratamiento es de al menos 5°C, y se aplica al menos una de las siguientes condiciones:

A) el pH de la disolución acuosa durante el tratamiento

se encuentra en el intervalo de aproximadamente 1,5 -

4,5, preferiblemente en la región de 2 - 4; o

B) el pH de la disolución acuosa durante el tratamiento es mayor de aproximadamente 11; o

C) la concentración del electrolito en la disolución acuosa se encuentra en el intervalo de aproximadamente ,1-,5 M, preferiblemente de aproximadamente ,1- ,4 M, si el electrolito tiene cationes monovalentes (tales como Na2S4) , o en el intervalo de aproximadamente

,1-,1 M, preferiblemente de aproximadamente ,5- ,5 M, si el electrolito tiene cationes divalentes (tales como CaCl2) ,

ii) ajustar el pH usando un liquido básico y/o uno ácido en un intervalo de pH de desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 13, preferiblemente se ajusta el pH a un pH de desde aproximadamente 6 hasta aproximadamente 12, y

iii) tratar dicho material en un dispositivo de trituración mecánica, proporcionando asi dicha nanocelulosa.

Esta invención implica de ese modo la unión de polímeros de CMC anfótera a fibras lignocelulósicas como pretratamiento antes de la homogeneización con el fin de fabricar nanocelulosa. La unión de polímeros de CMC anfótera ha demostrado tener varios beneficios, tal como se expone a continuación.

La unión de polímeros de CMC anfótera disminuye el consumo de energía considerablemente y hace posible evitar problemas de obstrucción. Además, aumenta la densidad de carga aniónica de las fibras, lo que facilita la deslaminación y, además, permite la deslaminación a densidades de carga mucho menores que si las cargas se hubiesen introducido, por ejemplo, mediante cualquier reacción de carboximetilación. Además, el procedimiento de unión de CMC es de base acuosa, lo que es beneficioso puesto que no es necesario ningún otro disolvente distinto del agua.

Usando polímeros de CMC anfótera, la unión es más fácil y el grado de unión aumenta en comparación con CMC aniónica.

La condición C se combina preferiblemente con cualquiera de las condiciones A o B en la etapa i), cuando sea aplicable. Las fibras de celulosa tratadas también pueden lavarse después de la etapa i) en primer lugar con un líquido ácido y a continuación un líquido esencialmente neutro, preferiblemente agua.

La presente invención también proporciona, según un segundo aspecto, un material lignocelulósico modificado

(nanocelulosa) obtenido mediante el método según el primer aspecto. La cantidad unida de CMC anfótera a fibras lignocelulósicas está en el intervalo de desde 5 hasta 25 miligramos de CMC anfótera/gramo de fibra seca, preferiblemente desde 7 hasta 2 miligramos de CMC anfótera/gramo de fibra seca y más preferiblemente desde 1 hasta 15 miligramos de CMC anfótera/gramo de fibra seca. La unión de CMC anfótera tal como se describe en el presente documento permite ventajosamente un procedimiento de pretratamiento acuoso para la fabricación de nanocelulosa con menos consumo de energía y sin el riesgo de obstrucción. Este efecto se logra mediante la unión de cantidades relativamente pequeñas de CMC anfótera que da como resultado menores densidades de carga que si se hubiera usado una reacción de carboximetilación. Naturalmente, la densidad de carga aniónica de la CMC anfótera usada en el método influye en la cantidad de CMC necesaria. CMC de alta densidad de carga aniónica disminuye la cantidad de CMC necesaria.

La presente invención también proporciona, según un tercer aspecto, el uso del material lignocelulósico (nanocelulosa) del segundo aspecto en productos cosméticos, productos farmacéuticos, productos alimenticios, productos de papel, materiales compuestos, recubrimientos, productos higiénicos/absorbentes, películas, agentes de emulsión/dispersantes, lodos de perforación y para potenciar la reactividad de celulosa en la fabricación de celulosa regenerada o derivados de celulosa o en modificadores de la reología.

Descripción detallada de la invención

En la totalidad de la presente descripción se pretende que la expresión "derivado de celulosa anfótero" abarque cualquier derivado de celulosa que comprende simultáneamente restos tanto catiónicos como aniónicos. Además dicho derivado de celulosa anfótero es preferiblemente un derivado de

celulosa anfótero que todavía está cargado negativamente, de forma neta, pero que comprende una menor cantidad de grupos activos catiónicamente. De manera todavía más preferida, dicho derivado de celulosa es un derivado de CMC anfótero (CMC = carboximetilcelulosa), de manera especialmente preferida es un derivado de CMC anfótero con un grado de sustitución molar aniónico preferido de entre ,3 y 1,2, es decir G.S. = ,3 - 1,2 y la viscosidad puede ser de aproximadamente 25-8. mPa a una concentración del 4%.

Este derivado de CMC puede haberse cationizado además de manera bien conocida, para el experto, hasta un grado de sustitución de entre ,1 y 1,, preferiblemente entre ,1 y ,4. La cationización se realiza preferiblemente mediante la introducción de al menos una función amonio,- lo más preferido una función amonio secundario, terciario o cuaternario (o una mezcla de las mismas) en el derivado.

En la totalidad dé la presente descripción se pretende que la expresión "dispositivo de trituración mecánica" signifique cualquier dispositivo que pueda ser adecuado para proporcionar una nanocelulosa (una celulosa microfibrilada) tal como se expuso anteriormente, y dicho dispositivo puede ser por ejemplo un refinador, un fluidizador, un homogeneizador o un microfluidizador.

Según una realización preferida del primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método en el que dichas fibras de celulosa (material de celulosa) están presentes en forma de una pasta, que puede ser pasta química, pasta mecánica, pasta termomecánica o pasta químico-(termo)mecánica... [Seguir leyendo]

1. Método para proporcionar una nanocelulosa que implica modificar fibras de celulosa, en el que el método comprende las siguientes etapas:

i) tratar fibras de celulosa durante al menos 5 minutos

con una disolución acuosa que contiene electrolito de

una carboximetilcelulosa anfótera o un derivado de la

misma, preferiblemente una CMC anfótera de bajo peso molecular o un derivado de CMC de la misma, mediante lo cual la temperatura durante el tratamiento es de al menos 5°C, y se aplica al menos una de las siguientes condiciones:

A) el pH de la disolución acuosa durante el

tratamiento se encuentra en el intervalo de aproximadamente 1,5 - 4,5, preferiblemente en la región de 2 - 4; o

B) el pH de la disolución acuosa durante el

tratamiento es mayor de aproximadamente 11; o

C) la concentración del electrolito en la

disolución acuosa se encuentra en el intervalo de aproximadamente ,1-,5 M, preferiblemente de

aproximadamente ,1-,4 M, si el electrolito

tiene cationes monovalentes, o en el intervalo de

aproximadamente ,1-,1 M, preferiblemente de

aproximadamente ,5-,5 M, si el electrolito tiene cationes divalentes,

ii) ajustar el pH usando un líquido básico y/o uno ácido en un intervalo de pH de desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 13, preferiblemente se ajusta el pH a un pH de desde aproximadamente 6 hasta aproximadamente 12, Y

iii) tratar dicho material en un dispositivo de trituración mecánica, proporcionando así dicha nanocelulosa.

2. Método según la reivindicación 1, en el que se aplica la condición C junto con o bien la condición A o bien la condición B en la etapa i).

3. Método según la reivindicación 1, en el que el derivado de CMC anfótero tiene un grado de sustitución molar aniónico de entre ,3 y 1,2.

4. Método según la reivindicación 1, en el que el derivado de CMC se ha cationizado hasta un grado de sustitución de entre ,1 y 1,, preferiblemente entre ,1 y ,4.

5. Método según la reivindicación 4, en el que la

cationización se ha realizado mediante la introducción de al menos una función amonio, preferiblemente una

función amonio secundario, terciario o cuaternario, en el derivado.

6. Método según la reivindicación 1, en el que se tratan

las fibras de celulosa durante aproximadamente 5 18 minutos.

7. Método según la reivindicación 1, en el que la

temperatura durante el tratamiento es superior a

aproximadamente 52C, preferiblemente de al menos

aproximadamente 12C, y lo más preferido de hasta aproximadamente 122C.

8. Método según la reivindicación 1, en el que dichas

fibras de celulosa están contenidas en una pasta, preferiblemente una pasta al sulfito o pasta kraft.

9. Nanocelulosa que comprende carboximetilcelulosa (CMC)

obtenida mediante un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8.

1. Uso de dicha nanocelulosa según la reivindicación 9 en productos cosméticos, productos farmacéuticos, productos alimenticios, productos de papel, materiales compuestos, recubrimientos, productos higiénicos/absorbentes, películas, agentes de emulsión/dispersantes, lodos de perforación y para potenciar la reactividad de celulosa

en la fabricación de celulosa regenerada o derivados de celulosa o en modificadores de la reología.