Desaguamento acelerado de nanofibras de celulose para a produção de papel

A sonicação em combinação com a modificação com ácido láctico (LA) é uma abordagem ecológica para acelerar o processo de desaguamento de nanofibras de celulose (CNFs) para a produção de papel. As nanofibras de celulose são conhecidas pela sua elevada retenção de água, que causa atrasos significativos no processo de drenagem, uma etapa fundamental na preparação de nanopapel e noutras aplicações da nanocelulose. O método reduz o tempo de drenagem em 75%, de 45 minutos para 10 minutos, através da esterificação dos grupos hidroxilo da celulose pelo ácido láctico sob sonicação. Esta modificação também reduz a viscosidade da suspensão e demonstra ser escalável a nível industrial, oferecendo uma solução prática para melhorar a eficiência e a taxa de produção de produtos à base de nanofibras de celulose.

Desaguamento rápido de nanofibras de celulose modificadas com ácido láctico sob sonicação
(Estudo e imagem: ©Sethi et al., 2018)

Maior eficiência de desaguamento de nanofibras de celulose através da modificação com ácido láctico assistida por ultrassons

As nanofibras de celulose (CNFs) são reconhecidas pelos seus numerosos benefícios na produção de papel, como o aumento da resistência e a modificação da reologia. No entanto, uma desvantagem significativa é o tempo excessivo necessário para drenar a água das suspensões de nanofibras de celulose, uma etapa fundamental na preparação de nanopapéis. Este desafio não só afeta a produção de nanopapel, como também dificulta o processamento industrial da nanocelulose para obter outros produtos acabados. O tempo de drenagem prolongado deve-se principalmente à elevada retenção de água pelas nanofibras de celulose, que constitui um estrangulamento na comercialização de produtos derivados destas nanofibras.
A seguir, apresentamos os resultados de um estudo científico de Sethi e colaboradores (2018), que desenvolveram uma modificação de nanofibras de celulose com ácido láctico assistida por ultrassons, que permite um desaguamento das CNFs 75% mais rápido e melhora as funcionalidades do material.

Modificação ultrassónica de nanofibras de celulose com ácido láctico

Para resolver este problema, foi desenvolvida uma abordagem ecológica, à base de água, que utiliza energia de sonicação e ácido láctico (LA) para modificar a superfície das nanofibras de celulose. Este método acelera significativamente o processo de desaguamento, reduzindo o tempo de drenagem em até 75%.
O processo de modificação envolve a diluição das suspensões de nanofibras de celulose até uma concentração de 0,35 wt.% e a adição de ácido láctico em várias quantidades relativamente ao teor de nanofibras de celulose em matéria seca (0,5 vezes, 1 vez, 5 vezes e 10 vezes o teor de nanofibras de celulose em matéria seca na suspensão). As nanofibras, a água e o ácido láctico são misturados com um agitador de alta velocidade a 1500 rpm durante 5 minutos e, em seguida, submetidos a sonicação com um sonicador Hielscher UP400S equipado com uma ponta de titânio (22 mm de diâmetro). A sonicação é realizada a vários níveis de energia, com uma energia máxima transmitida de 600 J/ml, correspondente a 10 minutos de sonicação.

Impacto no tempo de drenagem

A modificação com ácido láctico assistida por ultrassons tem um impacto profundo no tempo de drenagem das suspensões de nanofibras de celulose. A suspensão de referência demora aproximadamente 45 minutos a desaguar. Após a modificação com ácido láctico assistida por sonicação, este tempo é reduzido para 10 minutos, o que representa uma melhoria de 75%. Mesmo com sonicação suave (5 J/ml), o tempo de drenagem é reduzido para metade, para 23 minutos. O tempo de drenagem diminui à medida que a energia de sonicação aumenta, acabando por atingir um patamar de cerca de 10 minutos.
Esta melhoria é atribuída à substituição dos grupos hidroxilo hidrofílicos da celulose por porções hidrofóbicas do ácido láctico. Os grupos hidroxilo são os principais responsáveis pela elevada retenção de água. O ácido láctico, com o seu grupo carboxilo, pode participar numa reação de esterificação com os grupos hidroxilo da celulose sob sonicação. A sonicação cria minúsculas cavidades de vácuo no meio líquido, que colapsam e produzem condições extremas (temperatura de 5000 K e pressão de 1000 atm), suficientes para induzir reações químicas, incluindo a esterificação.

Energia de sonicação em função do tempo de drenagem (em minutos) para a preparação de nanopapel (correspondente à amostra CNF(1)LA).
100 J/ml de energia de sonicação correspondem a 100 segundos de sonicação, etc.
(Estudo e imagem: ©Sethi et al., 2018)

Redução da viscosidade das suspensões de nanofibras de celulose

A energia de sonicação também contribui para uma diminuição da viscosidade das suspensões de nanofibras de celulose. A viscosidade é inversamente proporcional à energia de sonicação, sendo a viscosidade mais baixa observada a 600 J/ml, seguida das observadas a 300 J/ml e 60 J/ml. Esta redução da viscosidade contribui ainda mais para melhorar a eficiência do desaguamento.

Relevância industrial da modificação ultrassónica de nanofibras de celulose

O método de modificação com ácido láctico assistida por ultrassons é não só eficaz, mas também compatível com aplicações industriais. Os sonicadores Hielscher de última geração, capazes de processar grandes volumes, podem realizar esta tarefa de forma eficiente, tornando este método adequado para operações em grande escala.
Além disso, esta abordagem permite a incorporação de até 10 wt.% de nanofibras de celulose em folhas de papel, com o desaguamento concluído em apenas 2 minutos, em comparação com 23 minutos para nanofibras de celulose não modificadas. Esta melhoria significativa pode revolucionar a utilização de nanofibras de celulose no fabrico de papel, ultrapassando um dos principais obstáculos à sua comercialização.

Sonicadores para nanofibras de celulose e produção de papel

A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores de sonda:

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são reconhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho que incorporam tecnologia de última geração e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com a marcação CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.