Deshidratación acelerada de nanofibras de celulosa para la fabricación de papel

La sonicación en combinación con la modificación del ácido láctico (LA) es un enfoque ecológico para acelerar el proceso de deshidratación de las nanofibras de celulosa (CNF) para la producción de papel. Las nanofibras de celulosa son conocidas por su alta retención de agua, lo que provoca retrasos significativos en el proceso de drenaje, un paso crítico en la preparación de nanopapeles y otras aplicaciones de la nanocelulosa. El método reduce el tiempo de drenaje en un 75%, de 45 a 10 minutos, mediante la esterificación de los grupos hidroxilo de la celulosa por ácido láctico bajo sonicación. Esta modificación también reduce la viscosidad de la suspensión y demuestra ser industrialmente escalable, ofreciendo una solución práctica para mejorar la eficiencia y la tasa de producción de productos basados en nanofibras de celulosa.

Deshidratación rápida de nanofibras de celulosa modificadas con ácido láctico mediante sonicación
(Estudio e imagen: ©Sethi et al., 2018)

Mejora de la eficacia de deshidratación de las nanofibras de celulosa mediante la modificación ultrasónica del ácido láctico

Las nanofibras de celulosa (CNF) son famosas por sus numerosas ventajas en la producción de papel, como la mejora de la resistencia y la modificación de la reología. Sin embargo, un inconveniente importante es el excesivo tiempo necesario para drenar el agua de las suspensiones de nanofibras de celulosa, un paso fundamental en la preparación de nanopapeles. Este problema no sólo afecta a la producción de nanopapeles, sino que también dificulta la transformación industrial de la nanocelulosa en otros productos acabados. El prolongado tiempo de drenaje se debe principalmente a la elevada retención de agua por parte de las nanofibras de celulosa, lo que supone un cuello de botella en la comercialización de productos derivados de nanofibras de celulosa.
A continuación, le presentamos los resultados de un estudio científico de Sethi y sus colegas (2018), que desarrollaron una modificación de ácido láctico de nanofibras de celulosa asistida por ultrasonidos, lo que conduce a una deshidratación un 75 % más rápida de los CNF y a una mejora de las funcionalidades del material.

Modificación ultrasónica de nanofibras de celulosa con ácido láctico

Para resolver este problema, se ha desarrollado un método ecológico basado en el agua que utiliza energía de sonicación y ácido láctico (LA) para modificar la superficie de las nanofibras de celulosa. Este método acelera significativamente el proceso de deshidratación, reduciendo el tiempo de drenaje hasta en un 75%.
El proceso de modificación consiste en diluir suspensiones de nanofibras de celulosa hasta una concentración del 0,35 % en peso y añadir ácido láctico en distintas cantidades en relación con el contenido seco de nanofibras de celulosa (0,5 veces, 1 vez, 5 veces y 10 veces del contenido seco de nanofibras de celulosa en suspensión). Las nanofibras, el agua y el ácido láctico se mezclan utilizando un agitador de alta velocidad a 1.500 rpm durante 5 minutos y, a continuación, se someten a sonicación con un sonicador Hielscher UP400S equipado con una punta de titanio (22 mm de diámetro). La sonicación se realiza a distintos niveles de energía, con una energía máxima impartida de 600 J/ml, correspondiente a 10 minutos de sonicación.

Impacto en el tiempo de drenaje

La modificación ultrasónica-ácido láctico tiene un profundo impacto en el tiempo de desecación de las suspensiones de nanofibras de celulosa. La suspensión de referencia tarda aproximadamente 45 minutos en deshidratarse. Tras la modificación con ácido láctico asistida por sonicación, este tiempo se reduce a 10 minutos, lo que representa una mejora del 75%. Incluso con una sonicación suave (5 J/ml), el tiempo de escurrido se reduce a la mitad, a 23 minutos. El tiempo de escurrido disminuye con el aumento de la energía de sonicación, alcanzando finalmente una meseta en torno a los 10 minutos.
Esta mejora se atribuye a la sustitución de los grupos hidroxilo hidrófilos de la celulosa por las moléculas hidrófobas del ácido láctico. Los grupos hidroxilo son los principales responsables de la elevada retención de agua. El ácido láctico, con su grupo carboxílico, puede participar en una reacción de esterificación con los grupos hidroxilo de la celulosa bajo sonicación. La sonicación crea minúsculas cavidades de vacío en el medio líquido, que se colapsan para producir condiciones extremas (5000 K de temperatura y 1000 atm de presión), suficientes para inducir reacciones químicas, incluida la esterificación.

Energía de sonicación frente a tiempo de drenaje (en minutos) para la preparación de nanopapeles (correspondiente a la muestra CNF(1)LA).
100 J/ml de energía de sonicación corresponden a 100 segundos de sonicación, etc.
(Estudio e imagen: ©Sethi et al., 2018)

Reducción de la viscosidad de las suspensiones de nanofibras de celulosa

La energía de sonicación también contribuye a disminuir la viscosidad de las suspensiones de nanofibras de celulosa. La viscosidad es inversamente proporcional a la energía de sonicación, observándose la viscosidad más baja a 600 J/ml, seguida de 300 J/ml y 60 J/ml. Esta reducción de la viscosidad contribuye a mejorar la eficacia de la deshidratación.

Importancia industrial de la modificación ultrasónica de nanofibras de celulosa

El método de modificación del ácido láctico por ultrasonidos no sólo es eficaz, sino también compatible con las aplicaciones industriales. Los sonicadores de última generación de Hielscher, capaces de procesar grandes volúmenes, pueden llevar a cabo la tarea con eficacia, lo que hace que este método sea adecuado para operaciones a gran escala.
Además, este planteamiento permite incorporar hasta un 10 % en peso de nanofibras de celulosa en las hojas de papel, con una deshidratación completada en sólo 2 minutos, frente a los 23 minutos de las nanofibras de celulosa no modificadas. Esta importante mejora puede revolucionar el uso de nanofibras de celulosa en la fabricación de papel, superando uno de los principales obstáculos para su comercialización.

Sonicadores para nanofibras de celulosa y producción de papel

La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores tipo sonda:

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.