BR112012028844B1 - Processo para produção de uma composição compreendendo celulose fibrilada e referida composição - Google Patents

Processo para produção de uma composição compreendendo celulose fibrilada e referida composição Download PDF

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Abstract

processo para produção de uma composição compreendendo celulose fibrilada e referida composição. a presente invenção está correlacionada a um processo para produção de uma composição, cujo processo compreende o pretratamento de fibras celulósicas através de tratamento mecânico, químico e/ou enzimático, misturando as fibras celulósicas previamente tratadas com pigmentos, formando assim uma dispersão, e dispersandno a dita dispersão de fibras celulósicas previamente tratadas e pigmento, pelo que é então formada uma composição compreendendo celulose microfibrilada. a invenção se refere ainda a uma composição produzida de acordo com o presente processo.

Description

“PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UMA COMPOSIÇÃO COMPREENDENDO
CELULOSE FIBRILADA E REFERIDA COMPOSIÇÃO
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um processo para produção de uma composição, a qual compreende celulose fibrilada e pigmentos. A invenção também se refere à dita composição.
Antecedentes da Invenção
Fibras celulósicas fibriladas são materiais feitos de fibras celulósicas, em que as microfibrilas individuais de uma fibra foram parcial ou totalmente destacadas entre si. A celulose microfibrilada (MFC) (também conhecida como nanocelulose) é um tipo de celulose fibrilada. A MFC, normalmente, é bastante fina (~20 nm) e o comprimento, normalmente, se dispõe ente 100 nm e 10 pm. No entanto, as microfibrilas podem ser também maiores, por exemplo, entre 10-100 pm.
A celulose fibrilada pode ser produzida de diversas e diferentes maneiras. Assim, é possível tratar mecanicamente as fibras celulósicas, de modo que as microfibrilas sejam formadas. É também possível produzir fibrilas a partir de celulose, com a ajuda de diferentes agentes químicos e/ou enzimas, que irão romper as ligações interfibrilares ou dissolver as fibras. Um exemplo de produção de MFC é mostrado no documento de patente WO 2007/091942, o qual descreve a produção de MFC com a ajuda de um estágio de refino, em combinação com a adição de uma enzima.
A celulose fibrilada pode ser usada em diversos e diferentes campos do segmento da técnica. Na indústria de fabricação de papel, ela pode ser adicionada à superfície
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2/14 de um papel ou papelão, ou no estágio de suprimento. Foi demonstrado que a adição de celulose fibrilada pode aumentar a resistência de um papel ou papelão. Quando usada em aplicações de revestimento de papel, a celulose fibrilada substitui os aglutinantes sintéticos ou naturais, como, por exemplo, o amido. Uma vez que a celulose fibrilada apresenta um efeito característico de alto cisalhamento, em baixo teor de sólidos, a mesma pode ser usada como um agente de espessamento, agente de imobilização, auxiliar de retenção de água, agente de lubrificação, agente de dispersão e/ou agente de estabilização. Entretanto, a celulose fibrilada pode ser também usada em diversos outros campos técnicos, como, por exemplo, indústria alimentícia, indústria de polímeros ou de plásticos, tintas, cerâmica, tinta de escrever, indústria compósita (por exemplo, cimento), indústria da borracha e indústria cosmética e farmacêutica.
Uma dispersão compreendendo celulose fibrilada, tal como, MFC, apresenta o aspecto de um gel transparente, altamente viscoso e de fino cisalhamento, em baixos teores de secura. Normalmente, uma composição compreendendo celulose fibrilada com uma consistência de cerca de 4% ou valor maior, se apresenta na forma de um gel bastante espesso. Um material bastante fibrilado e fino com alto grau de polimerização deve exibir uma característica tipo gel, com teor de sólido de cerca de, ou inferior a 1% em peso. O gel apresenta alta viscosidade, o que torna difícil fazer o mesmo circular em baixas velocidades de cisalhamento. Isso torna seu processamento através de tubos e bombas bastante difícil e, desse modo, também a sua distribuição para diferentes usos finais, por exemplo, para uma superfície de papel ou um substrato de papelão.
Assim, é normalmente indesejável se adicionar uma composição com baixo teor de secura durante a produção de
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3/14 papel ou papelão à superfície de um substrato, uma vez que isso demanda uma quantidade de energia para remoção da água adicionada, por exemplo, durante a secagem do substrato. A adição de uma dispersão com baixo teor de sólidos e características acentuadas de fino cisalhamento pode também exigir uma unidade de revestimento especial, a fim de impedir uma acentuada penetração e irregularidades durante o revestimento. Outra razão para se evitar uma desnecessária adição de água é a economia de custos de transporte, de água e o impacto ambiental causado (emissão de carbono).
Uma maneira de solucionar esses problemas é secar a celulose microfibrilada (MFC) produzida antes da adição de uma composição, tal como, por exemplo, uma dispersão de pigmento, ou adicionar essa dispersão ao terminal úmido da máquina de papel, mas, esse é um processo de alto consumo de energia, e pode apresentar significativas mudanças estruturais irreversíveis químicas e físicas na celulose microfibrilada. Outro problema é que um agente de umedecimento deve ser exigido para facilitar uma nova dispersão da MFC seca.
Portanto, existe uma necessidade para um processo de produção de uma composição compreendendo celulose fibrilada com alto teor de secura, de uma maneira aperfeiçoada.
Resumo da Invenção
Constitui um objetivo da presente invenção, produzir uma composição compreendendo celulose fibrilada e um pigmento, de uma maneira aperfeiçoada.
Constitui outro objetivo da presente invenção proporcionar uma composição compreendendo celulose fibrilada e um pigmento, com aperfeiçoadas propriedades de reologia em altas consistências.
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Esses objetivos e outras vantagens são alcançadas mediante o processo de acordo com a reivindicação 1. A invenção se refere a um processo para produção de uma composição, cujo processo compreende o pretratamento de fibras celulósicas através de tratamento mecânico, químico e/ou enzimático, misturando as fibras celulósicas prétratadas com um pigmento, formando assim uma dispersão, e dispersando a dita dispersão de fibras celulósicas prétratadas e pigmentos, pelo que é então formada uma composição compreendendo fibras celulósicas fibriladas.
A consistência das fibras pré-tratadas misturadas com os pigmentos pode ser alta, preferivelmente, entre 150% em peso. O aumento da consistência das fibras prétratadas melhora a possibilidade de produzir uma composição final com alta consistência.
A consistência da composição pode ser alta, preferivelmente, entre 10-70% em peso. Através do processo da invenção, é possível se produzir uma composição compreendendo celulose fibrilada e pigmentos, de alta consistência, ao mesmo tempo em que as propriedades de reologia da composição são satisfatórias.
A temperatura durante a dispersão, preferivelmente, é aumentada. Foi demonstrado que mediante aumento da temperatura, através de aquecimento ou devido ao aumento de temperatura durante a dispersão, é possível produzir celulose fibrilada enxertada, de uma maneira controlada.
A dispersão é preferivelmente feita em um equipamento convencional de dispersão ou mistura. Assim, não existe necessidade de investimentos em equipamentos adicionais.
A celulose fibrilada formada, preferivelmente, é celulose microfibrilada. Quando as fibras celulósicas prétratadas são dispersas junto com o pigmento, as fibras
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5/14 serão ainda fibriladas, formando um material celulósico mais fino. Isso se deve ao atito entre as fibras e os pigmentos, que ocorre durante a dispersão. Assim, é possível produzir uma composição compreendendo celulose microfibrilada de uma aperfeiçoada maneira.
As fibras celulósicas pré-tratadas podem se derivados de celulose, tais como, carboximetilcelulose (CMC), hidroxipropilcelulose (HPC), hidroxietilcelulose (HEC) ou etil-hidroxietilcelulose (EHEC). Os derivados de celulose, preferivelmente, apresentam um baixo grau de valor de substituição (DS), e caso a CMC seja usada, o valor (DS), preferivelmente, é abaixo de 0,4. Valores de DS mais altos podem dissolver os derivados de celulose, quando os mesmos são misturados com água ou outros líquidos.
A invenção se refere ainda a uma composição compreendendo celulose fibrilada, produzida de acordo com o processo acima mencionado, em que a composição compreende ainda a presença de pigmentos.
A celulose fibrilada formada da composição pode ser enxertada. Mediante enxerto das fibras é possível alterar as suas propriedades, tais como, carga e viscosidade, propriedades estimuladoras, solubilidade e capacidade de formação de filme, desse modo, proporcionando à composição diferentes propriedades.
A composição pode compreender de 0,1-95% em peso, com relação à quantidade de pigmento, de celulose fibrilada. A quantidade de celulose fibrilada da composição depende do uso final da mesma.
A composição pode também compreender mono-, diou oligossacarídeos. Foi demonstrado que os sacarídeos de cadeia curta podem funcionar como um agente dispersante, possibilitando aumentar mais ainda a consistência da composição sem provocar problemas reológicos.
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A quantidade de pigmentos presentes na composição depende do uso final da mesma. Os pigmentos podem aumentar as propriedades de impressão de um papel ou papelão, caso a composição seja usada como uma cor de revestimento. Se a composição for usada como uma barreira, o pigmento pode melhorar as taxas de transmissão de oxigênio, taxas de transmissão de vapor d'água, propriedade de barreira contra luz, barreira contra odor, processabilidade e/ou custos.
A composição, preferivelmente, apresenta um teor de secura de 10-70% em peso. É possível proporcionar a composição de alta consistência, muito embora compreenda celulose fibrilada, que, normalmente, contribui para problemas com reologia da composição, tornando difícil a sua manipulação.
A celulose fibrilada pode ser celulose microfibrilada ou derivados de celulose, tais como, CMC, HEC ou EHEC. Dependendo do uso final da composição, é possível que as fibras fibriladas da composição compreendam celulose microfibrilada ou derivados de celulose. A celulose fibrilada pode ser usada para aumento da resistência de, por exemplo, papel ou papelão.
O derivado de celulose, preferivelmente, apresenta um baixo grau de substituição, por exemplo, se a CMC for usada, o valor de DS é, preferivelmente, abaixo de 0,4. Isso se deve ao fato de que o derivado de celulose pode se dissolver em valores de DS mais altos, desse modo, tornando difícil a formação de derivados de celulose fibrilada. Normalmente, os derivados de celulose com baixos valores de DS não são usados. A presente invenção possibilita prover uma composição com derivados de celulose fibrilada e, assim, utilizar esses derivados como agentes reforçadores de resistência.
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Descrição Detalhada da Invenção
Ao se produzir uma composição de acordo com a invenção, é possível se aumentar a consistência da composição, sem prejudicar as propriedades reológicas.
O processo também possibilita produzir uma composição compreendendo celulose fibrilada, tal como, celulose microfibrilada, de uma maneira bastante rentável.
A composição compreende fibras celulósicas fibriladas. As fibras celulósicas são pré-tratadas e o pretratamento pode ser feito mecanicamente, quimicamente e/ou enzimaticamente. A finalidade do pretratamento é préativar ou pré-fibrilar as fibras, tornando as mesmas mais ativas e reativas para os tratamentos seguintes.
É preferido que o pretratamento seja feito através de um tratamento pelo menos parcialmente enzimático, preferivelmente, em combinação com tratamentos mecânicos e/ou químicos. Durante o tratamento enzimático, as fibras celulósicas serão decompostas, liberadas ou modificadas, formando fibras pré-tratadas e, ao mesmo tempo, mono-, di- ou oligossacarídeos. Foi demonstrado que os mono-, di- ou oligossacarídeos podem funcionar como agentes dispersantes na composição, possibilitando aumentar a consistência da dita composição.
O pretratamento é, preferivelmente, feito com uma alta consistência. Assim, é possível pré-tratar as fibras celulósicas com uma alta consistência e, ainda, fibrilar as mesmas em um determinado grau. É preferido que a consistência das fibras pré-tratadas, isto é, a lama compreendendo as fibras pré-tratadas, se disponha entre 1 50% em peso, mais preferivelmente, entre 15-50% em peso. Ao aumentar a consistência das fibras pré-tratadas, torna-se mais fácil produzir uma composição de alta consistência, uma vez que uma menor quantidade de água é adicionada. Uma grande vantagem da presente invenção é que a mesma
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8/14 possibilita a produção de uma composição no local, por exemplo, numa fábrica ou instalação de produção. Assim, é possível pré-tratar as fibras celulósicas, a fim de fibrilar as mesmas e, depois, transportar as fibras prétratadas para a fábrica ou instalação de produção. Portanto, é vantajoso ser possível aumentar a consistência das fibras pré-tratadas, uma vez que a quantidade de água transportada é reduzida. A intensidade do pretratamento depende do uso final e de quanto tempo a dispersão subseqüente irá demorar. Algumas fábricas ou instalações de produção apresentam processos que permitem a mistura ou dispersão dos pigmentos por um longo período de tempo, e o estágio de pretratamento pode ser então bastante rápido. Entretanto, outros tipos de pretratamento não tem tempo suficiente para dispersão durante longos períodos, pelo que o pretratamento deverá ser mais intenso.
As fibras pré-tratadas, após isso, são misturadas com um pigmento formando uma dispersão. O pigmento pode se apresentar na forma seca ou na forma de uma lama. As fibras pré-tratadas e o pigmento são dispersos ou misturados, o que resulta na formação de fibras celulósicas fibriladas. Os pigmentos irão colidir com as fibras durante a dispersão e, assim, irão fibrilar ainda mais as fibras. Esse efeito pode ser observado como uma mudança na viscosidade da dispersão, a qual compreende fibras pré-tratadas e pigmentos, durante a dita etapa de dispersão. A celulose fibrilada formada é normalmente usada a fim de aumentar a resistência do produto final, no qual a composição é usada. Entretanto, a composição pode também ser usada para proporcionar outras propriedades físicas e químicas ao produto final, tal como, aumentar a capacidade de retenção de água, propriedades de secagem, processabilidade, propriedades de barreira ou propriedades térmicas. Em tijolos e material de cerâmica, a presença de fibras é
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9/14 queimada durante o processo, fazendo com que o produto final contenha ar e, assim, diminuindo o peso do produto. Desse modo, é possível proporcionar o produto com excelentes propriedades de barreira contra o som, além de propriedades de barreira contra temperatura.
A dispersão, desse modo, tem como resultado a formação de uma composição compreendendo celulose fibrilada e pigmentos. A composição pode ser produzida com uma alta consistência, sem os problemas de reologia normalmente observados em composições compreendendo celulose fibrilada. Normalmente, a celulose microfibrilada (MFC) de baixa consistência e alta viscosidade pode ser adicionada a uma dispersão de pigmento, mas, o teor sólido final dessa dispersão é relativamente baixo. Entretanto, ao misturar as fibras pré-tratadas com um pigmento, é possível se obter uma composição de alta consistência, preferivelmente, com uma consistência entre 10-70% em peso. No processo de acordo com a invenção, é possível completar a fibrilação das fibras pré-tratadas e, ao mesmo tempo, produzir uma dispersão compreendendo celulose fibrilada e pigmentos, de uma maneira favorável e bastante econômica. Ao proporcionar a celulose fibrilada na presença de pigmentos, se evita a possibilidade das fibras de se tornarem agrupadas e, assim, se aumenta a viscosidade da composição. Portanto, é então possível aumentar a consistência da composição de acordo com a invenção.
A temperatura durante a dispersão pode ser aumentada, preferivelmente, acima de 70-80°C, por meio de aquecimento ou como resultado da dispersão. Em teores mais altos de sólidos, uma maior quantidade de energia é transformada em calor e, simultaneamente, pode ser feito um enxerto na celulose fibrilada ou pigmentos, de cada dos componentes adicionados separadamente, tais como, a CMC, ou os componentes fibrilados ou removidos das fibras durante o
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10/14 processo de fibrilação descrito. Durante a dispersão, a produção de fibras fibriladas pode fazer com que a temperatura da composição aumente, o que também pode facilitar o enxerto. Normalmente, tal enxerto é feito em etapas separadas, embora seja permitido o controle de tamanho de partícula e o enxerto em uma etapa do processo.
Ainda outra grande vantagem da presente invenção é que não se faz necessário nenhum equipamento novo ou extra para o processo. A dispersão é preferivelmente feita em um equipamento de dispersão ou mistura convencional, o qual já é usado quando da produção das composições compreendendo pigmentos. Portanto, não existe necessidade de investimentos em equipamentos adicionais. Conseqüentemente, é possível se produzir uma composição compreendendo celulose fibrilada e pigmentos em equipamentos já disponíveis em uma instalação de produção.
A celulose fibrilada formada é, preferivelmente, celulose microfibrilada. Quando as fibras celulósicas prétratadas são dispersas junto com os pigmentos, as fibras serão ainda fibriladas formando um material mais fino. Isso se deve ao atrito durante a dispersão ou mistura entre as fibras e os pigmentos. Assim, é possível produzir uma composição compreendendo celulose microfibrilada. Ao modificar as condições do pretratamento e da dispersão, por exemplo, tempo, temperatura e pH, a extensão das fibras e a extensão da fibrilação das fibras podem ser controladas. Desse modo, é possível se alterar o processo, de modo que seja formada a celulose microfibrilada. Também, é possível produzir uma celulose microfibrilada bastante fina, ou nanocelulose, de acordo com o processo da invenção.
As fibras pré-tratadas podem ser também derivados de celulose, tais como, carboximetilcelulose (CMC), hidroxipropilcelulose (HPC), hidroxietilcelulose (HEC) ou etil-hidroxietilcelulose (EHEC), ou ainda produtos
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11/14 intermediários ou rejeitos de derivados de celulose. Os derivados de celulose, preferivelmente, apresentam um baixo grau de valor de substituição (DS). Se a CMC for usada, o valor de DS, preferivelmente, será abaixo de 0,4. Valores de DS mais altos irão dissolver os derivados de celulose, quando a mesma é misturada com água ou outros líquidos e, conseqüentemente, nenhuma fibrilação irá ocorrer. Normalmente, os derivados de celulose com baixos valores de DS não são usados. Conseqüentemente, a presente invenção possibilita proporcionar o uso de derivados de celulose com baixo valor de DS e o uso desses derivados, por exemplo, como agentes reforçadores de resistência.
A composição produzida de acordo com a invenção irá apresentar aperfeiçoadas propriedades de reologia, embora a consistência seja alta. Normalmente, a viscosidade de uma composição compreendendo celulose fibrilada e pigmentos irá aumentar. Isso se deve ao fato de que a presença de celulose fibrilada, conforme indicado acima, facilmente forma um gel que apresenta propriedades de afinamento bastante cisalhantes.
A composição pode compreender de 0,1-95% em peso, com relação à quantidade de pigmento e celulose fibrilada. A quantidade de celulose fibrilada da composição depende do uso final da mesma e, em algumas aplicações, pode ser muito maior, como no caso de aplicações em filmes tipo barreira ou tintas.
A composição pode compreender mono-, di- ou
oligossacarídeos. Foi demonstrado que a presença de
sacarídeos de cadeia curta funciona como um agente
dispersante, possibilitando aumentar ainda mais a
consistência da composição sem provocar problemas de
reologia. O sacarídeo de cadeia curta pode ser um açúcar, preferivelmente, glicose, xilano, manose, manana, e/ou ciclodextrina, tal como, celobiose, celotriose,
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12/14 celotetrose, celopentose, celoexose e/ou celooligossacarídeo.
A quantidade de pigmentos depende do uso final da composição. Entretanto, uma quantidade demasiadamente baixa não irá proporcionar uma suficiente fibrilação das fibras. Os pigmentos podem proporcionar a um substrato à base de fibras, satisfatórias propriedades de impressão, satisfatório aspecto visual e/ou outras funcionalidades, como, propriedades óticas ou de detecção.
O pigmento da composição, preferivelmente, inclui carbonato de cálcio moído ou precipitado, argila calcinada, talco, caulim, bentonita ou outras argilas de expansão, Al2O3, hidróxido de alumínio (ATH), pigmentos plásticos, sílica, gesso, dióxido de titânio, pigmentos orgânicos, tais como, pigmentos de amido ou dispersões de estearato de cálcio, e/ou uma mistura de quaisquer desses pigmentos.
A composição pode compreender, também, dispersantes ou lubrificantes. É preferido se adicionar ácidos poliacrílicos, copolímeros de acrilato, sais de sódio de ácidos acrílicos e ácidos poliacrílicos, ácido maléico, ácidos polimaléicos, citrato de sódio, malonato de sódio, succinato de sódio, malato de sódio, glutamato de sódio, polifosfatos, estearato de cálcio, PEG e/ou triglicerídeos, hexametafosfato de sódio (SHMP), álcool polivinílico, acetato de polivinila, PVOH/Ac, n-silicato de sódio, polialuminato de sódio, tetraborato de sódio, dispersantes orgânicos bipolares, como, por exemplo, etilenoglicol, metanol, metilamina, propilamina, anilina ou dispersantes polipolares, como, por exemplo, óxidos de polietileno e derivados de polietileno.
A composição pode ser usada como uma formulação de engomagem superficial ou como cor de revestimento, sendo adicionada à superfície de um substrato à base de fibras. A composição compreende celulose fibrilada, o que irá
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13/14 aumentar a resistência do revestimento, e ainda pigmentos, que irão melhorar as propriedades superficiais do substrato. A composição pode também ser usada em revestimentos de dispersão tipo barreira. Também, é possível adicionar a composição a um suprimento à base de fibras, por exemplo, a um suprimento que ocorre no terminal úmido de uma máquina de papel ou papelão. Desse modo, a composição será usada como um agente de carga e irá aumentar a resistência do produto à base de fibra, assim como, irá melhorar as propriedades superficiais do substrato. Outros possíveis usos finais incluem a presença da composição como um componente de tinta, de cimento, cerâmica, alimentos, produtos cosméticos, produtos compósitos, produtos farmacêuticos, asfalto, borracha ou outros possíveis usos finais, onde pode ser usada uma composição compreendendo celulose fibrilada e pigmento com satisfatórias propriedades de reologia e com um alto teor de sólidos.
A composição pode conter também tradicionais aglutinantes, tais como, látex ou amido, assim como, outros ingredientes de cor de revestimento, por exemplo, agentes abrilhantadores óticos, agentes de reticulação, agentes modificadores de reologia, agentes de prolongamento de pigmentação, lubrificantes, dispersantes, agentes desespumantes, etc.
As fibras que foram fibriladas e que apresentam microfibrilas na superfície e microfibrilas que são separadas e localizadas numa fase aquosa de uma dispersão ou composição, são também incluídas na definição de celulose microfibrilada. O termo celulose microfibrilada (MFC) inclui, conforme indicado acima, nanocelulose, e ainda nanocristais de celulose, aparas de celulose, finos de fibras e/ou misturas dos mesmos.
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As fibras celulósicas fibriladas podem ser produzidas a partir de qualquer tipo de fibra celulósica, preferivelmente, a partir de fibras de madeira, tais como, fibras de madeira mole ou madeira dura. No entanto, outras 5 matérias-primas podem também ser usadas, tais como, bambu, produtos de agricultura, capim-elefante, e outros materiais compreendendo fibras de celulose.

Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para produção de uma composição caracterizado por compreender as etapas de:
    - pré-tratar fibras celulósicas através de tratamento mecânico, químico e/ou enzimático;
    - misturar as fibras celulósicas pré-tratadas com um pigmento, formando assim uma dispersão; e
    - dispersar a referida dispersão de fibras celulósicas prétratadas e pigmentos, pelo que é então formada uma composição compreendendo celulose microfibrilada.
  2. 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela consistência das fibras pré-tratadas ser entre 1 e 50% em peso.
  3. 3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela consistência da composição ser entre 10 e 70% em peso.
  4. 4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela temperatura durante a etapa de dispersão ser aumentada para acima de 70°C.
    5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela etapa de dispersão ser feita em um equipamento convencional de dispersão ou mistura. 6. Processo, de acordo com qualquer uma das
    reivindicações anteriores, caracterizado pelas fibras prétratadas serem derivadas de celulose, tais como, hidroxipropilcelulose (HPC), hidroxietilcelulose (HEC) ou etil-hidroxietilcelulose (EHEC).
  5. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelos derivados de celulose serem carboximetilcelulose CMC e apresentarem um baixo grau de substituição, preferivelmente, abaixo de 0,4.
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