BR112014019872B1

BR112014019872B1 - Método para concentrar celulose nanofibrilar, uso de um aparelho de filtração por pressão, e, produto de celulose de fibrila concentrado

Info

Publication number: BR112014019872B1
Application number: BR112014019872-1A
Authority: BR
Inventors: Annikki Vehniãinen; Markus Nuopponen; Pentti Pirkonen; Martina Lille; Hannu Mursunen
Original assignee: Upm-Kymmene Corporation
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2021-06-29
Also published as: JP2015516515A; FI20125159A; EP2815025A2; BR112014019872A2; CA2860811A1; CN107237199A; WO2013121083A2; WO2013121083A3; BR112014019872B8; BR112014019872A8; US9663588B2; US20140329094A1; CA2860811C; FI126819B; CN104105829A; JP5916902B2

Abstract

método para concentrar celulose de fibrila, uso de um aparelho de filtração por pressão, e, produto de celulose de fibrila concentrado. é descrito um método para concentrar celulose de fibrila que compreende - submeter celulose de fibrila aquosa a uma concentração de não mais que 5 % a filtração por pressão onde água é removida da celulose de fibrila aplicando pressão à celulose de fibrila aquosa, e - continuar a filtração por pressão a um ponto final onde mais de 50 % da água inicialmente presente é removida da celulose de fibrila. a filtração por pressão é realizada a uma temperatura de 30ºc ou superior.

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se a um método para concentrar celulose de fibrila. A invenção também se refere a um produto de celulose de fibrila.

Fundamentos da Invenção

[0002] Celulose de fibrila refere-se a microfibrilas de celulose isoladas ou feixes de microfibrila derivados de matéria prima de celulose. Celulose de fibrila, que também é conhecido como celulose nanofibrilar (NFC) e por outros nomes relacionados, é baseada em um polímero natural que está em abundância na natureza. Celulose de fibrila tem muitos usos potenciais, por exemplo, com base na sua capacidade de formar gel viscoso em água (hidrogel).

[0003] Técnicas de produção de celulose de fibrila são baseadas na trituração (ou homogeneização) de dispersão aquosa de fibras de polpa. A concentração de celulose de fibrila em dispersões é tipicamente muito baixa, normalmente em torno de 1-5%. Depois do processo de trituração ou homogeneização, o material de celulose de fibrila obtido é um hidrogel viscoelástico diluído. O material em si é usado como tal em muitas aplicações, mas custos logísticos são muito altos para transportar o material do sítio de produção. Em algumas aplicações, o alto teor de água não é aceitável, isto é, as formulações não toleram grandes quantidades de água.

[0004] EP 2 441 885 A1 descreve um processo para produzir fibras de celulose modificadas. Uma dispersão de celulose fibrilada tendo uma concentração de 0,01% em peso de superior pode ser filtrada para produzir uma lâmina de celulose usando filtração a vácuo ou por pressão.

[0005] US5964983 descreve celulose microfibrilada contendo pelo menos 80% das paredes primárias e revestida com ácidos carboxílicos, e um método para preparar o mesmo. O processo compreende as seguintes etapas:(a) hidrolisar a polpa com ácido ou base a uma temperatura entre cerca de 60°C e 100°C parcialmente para extrair pectinas e hemiceluloses para formar uma suspensão;(b) recuperar um resíduo sólido da suspensão da etapa (a);(c) realizar, em condições alcalinas, uma segunda extração do resíduo de material celulósico da etapa (b), quando etapa (a) é uma hidrólise ácida e recuperar o material celulósico resíduo separando a suspensão;(d) lavar o resíduo da etapa (b) ou etapa (c);(e) diluir o material celulósico da etapa (d) em água para obter entre 2% e 10% de matéria seca;(f) homogeneizar a suspensão de célula da etapa (e) em que pelo menos uma etapa de extração alcalina é realizada no material celulósico, a dita extração alcalina sendo realizada com uma base em uma concentração menor que cerca de 9% em peso, ea etapa de homogeneizar (f) é realizada por uma operação de cisalhamento mecânico alto para fornecer uma suspensão de célula, passando a suspensão de célula através de um orifício de diâmetro pequeno, submetendo a suspensão a uma queda de pressão de pelo menos 20 MPa e a uma ação de cisalhamento em alta velocidade seguido por um impacto de desaceleração de alta velocidade.

[0006] Forte retenção de água é típica para celulose de fibrila, uma vez que água é ligada às fibrilas por meio de inúmeras ligações de hidrogênio. Por exemplo, o atingimento de um teor de substância seca (DS) maior que 10% em peso por meios mecânicos não é economicamente possível em escala industrial. Métodos convencionais, tais como filtração a vácuo ou centrifugação não são adequados para hidrogéis de celulose de fibrila. Secagem térmica ou quaisquer outros métodos são muito caros para remoção de líquido nesta faixa DS.

[0007] O problema fundamental na remoção mecânica de água é a capacidade do hidrogel de celulose de fibrila de formar uma membrana em nanoescala muito densa e impermeável em torno de si, por exemplo, durante filtração. A casca formada evita difusão de água da estrutura do gel, que leva a taxas de concentração muito lentas. O mesmo se aplica à evaporação em vácuo onde a formação da pele bloqueia a evaporação de água.

[0008] Um outro problema na secagem de celulose de fibrila é a não redispersabilidade do material seco. Durante a remoção da água, as ligações fibrila-água são substituídas por interações fibrila-fibrila e as fibrilas são permanentemente agregadas. Isto pode ser evitado com o uso de certos aditivos durante o estágio de secagem, tais como CMC, ou por modificação química da superfície de microfibrila, por exemplo, oxidação ou carboximetilação. Com os métodos, celulose de fibrila pode ser reativada depois da completa secagem.

[0009] Assim, há uma necessidade evidente de aumento na concentração do produto final, de maneira tal que os custos de transporte sejam diminuídos e a celulose de fibrila possa ser usada no destino final a uma concentração adequada desejada pelo usuário final simplesmente redispersando a celulose de fibrila em água. Ainda, há uma necessidade de aumento na concentração da celulose de fibrila inicialmente para remover a maioria da água, de maneira tal que manuseio adicional da celulose de fibrila seja facilitado, independente do tipo do processo onde a celulose de fibrila deve ser usada.

Sumário da Invenção

[00010] É um propósito da invenção fornecer um método inédito para aumentar a concentração de celulose de fibrila depois de sua fabricação. É ainda um propósito da invenção possibilitar que a concentração de celulose de fibrila na faixa da matéria seca em cujo transporte para o sítio de elevação ou local de utilização direta se torne possível quando o NFC concentrado é redisperso no sítio de aumento ou local de utilização direta.

[00011] No método, celulose de fibrila dispersa em meio líquido a uma concentração de não mais que 5% é submetida a filtração por pressão onde líquido é removido da celulose de fibrila aplicando pressão à celulose de fibrila, e a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde mais de 50% do líquido inicialmente presente é removido da celulose de fibrila.

[00012] O processo mencionado anteriormente é adequado, por exemplo, quando a concentração inicial da celulose de fibrila que foi emitida do processo de fabricação é a uma concentração inicial relativamente baixa na faixa de 0,5 - 5,0%. O método fornece uma maneira eficiente e de economia de energia para remover a maioria do líquido da celulose de fibrila que é dispersa no dito líquido. Aumentando a concentração de inicial a 10% ou superior significa remover mais de 50% de líquido mesmo para o valor superior desta faixa de concentrações iniciais. Observou-se que este tipo de produto de onde o líquido foi parcialmente removido, por exemplo, por desidratação parcial, é prontamente redispersável.

[00013] Por exemplo, o aumento da concentração da celulose de fibrila em meio líquido obtido de um processo de fabricação a pelo menos o dobro do valor original por um processo de filtração por pressão significa diminuição do peso da celulose de fibrila a 50% ou menos e remoção de mais de 50% do líquido. Processo de filtração por pressão é um processo eficiente para diminuir o alto teor de líquido da celulose de fibrila a um nível onde o transporte fica economicamente possível.

[00014] De acordo com uma modalidade, celulose de fibrila em meio líquido a uma concentração de não mais que 5% é submetida a filtração por pressão onde líquido é removido da celulose de fibrila aplicando pressão à celulose de fibrila, e a filtração por pressão é continuada a um ponto final onda celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 20%. A filtração por pressão pode ser continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 30%.

[00015] De acordo ainda com uma modalidade, celulose de fibrila em meio líquido a uma concentração de não mais que 3 é submetida a filtração por pressão onde líquido é removido da celulose de fibrila aplicando pressão à celulose de fibrila, e a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 10%. A filtração por pressão pode ser continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 20% ou mesmo 30%.

[00016] A concentração de partida onde a celulose de fibrila existe em meio líquido depois da fabricação é geralmente 1-4%. Começando desta concentração inicial, o líquido pode ser removido da celulose de fibrila por filtração por pressão a um ponto final onde mais de 50% da água é removida. Por exemplo, o atingimento das concentrações de ponto final de 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8% significará remoção de mais de 50% de líquido e redução do peso da celulose de fibrila a 50% ou menos, quando a concentração inicial é 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5 e 4%, respectivamente. Entretanto, começando destas concentrações iniciais relativamente baixas na faixa de 1-4%, o processo de filtração por pressão pode ser continuado e líquido pode ser removido até que a concentração da celulose de fibrila seja pelo menos 10%. O processo pode ser continuado até que a concentração de pelo menos 20% ou mesmo até a concentração de pelo menos 30%. O processo pode ser continuado a uma faixa adequada, por exemplo, de maneira tal que a concentração final seja 15 a 25%.

[00017] A concentração máxima da celulose de fibrila submetida a filtração por pressão é 6%. Continuando o processo a uma concentração de pelo menos 15%, por exemplo, na faixa de15-25%, significa remoção de mais de 60% de líquido.

[00018] O meio líquido em todos os casos mencionados anteriormente é normalmente água, isto é, a celulose de fibrila é celulose de fibrila aquosa onde celuloses de fibrila são dispersas em água a uma concentração relativamente baixa, não mais que 6%. Do mesmo modo a celulose de fibrila emite como celulose de fibrila aquosa de um processo de fabricação onde o material de partida fibroso suspenso em água é desintegrado.

[00019] De acordo com uma modalidade, o processo de filtração por pressão é realizado a uma temperatura de 30°C ou superior, em cujo caso concentrações finais superiores são atingíveis comparado com a celulose de fibrila que está a temperatura ambiente. A uma temperatura de pelo menos 30°C, concentrações de celulose de fibrila de pelo menos 10% são atingíveis. Uma faixa de temperatura adequada é 30-70°C. Em temperaturas superiores, a menor viscosidade dos líquidos, especialmente água, contribui para a remoção de líquido de uma rede de fibrila.

[00020] De acordo com uma modalidade, durante a filtração por pressão o líquido é removido da celulose de fibrila em duas direções opostas.

[00021] O método é bem adequado para celulose de fibrila onde a celulose é quimicamente nativa, isto é, não modificada, e o método é especialmente adequado para celulose de fibrila que é obtida diretamente de um processo de fabricação de celulose de fibrila por desintegração (homogeneização, trituração, refino etc.) de um material de partida fibroso onde a celulose existe na forma nativa.

Breve Descrição dos Desenhos

[00022] A invenção será explicada com a seguinte referência aos desenhos em anexo, onde:a Figura 1 apresenta curvas de fluxo de 0,5% e 1% de dispersões de celulose de fibrila preparadas de material concentrado a 30% de matéria seca por filtração por pressão e de material não concentrado,a Figura 2 apresenta curvas de fluxo de 0,5% de dispersões de celulose de fibrila preparadas de material concentrado a vários níveis de matéria seca em comparação com 0,5% de dispersões feitas do material não concentrado,a Figura 3 é uma representação esquemática de um processo de filtração por pressão, ea Figura 4 apresenta várias variáveis de um processo de filtração por pressão disposto em gráfico contra o tempo.

Descrição Detalhada da Invenção

[00023] Nesta descrição, valores de porcentagem, a menos que de outra forma especificamente indicado, são baseados no peso (p/p). Se algumas faixas numéricas forem dadas, as faixas incluem também os valores superior e inferior dados.

[00024] O material processado, celulose de fibrila, consiste em celuloses de fibrila cujo diâmetro está na faixa de submícron. Ele forma uma rede re hidrogel automontada mesmo em baixas concentrações. Estes géis de celulose de fibrila são altamente de redução em cisalhamento e de natureza tixotrópica.

[00025] A celulose de fibrila é preparada normalmente da matéria prima de celulose de origem de planta. A matéria-prima pode ser baseada em qualquer material de planta que contenha celulose. A matéria-prima também pode ser derivada de certos processos de fermentação bacteriana. Material de planta pode ser madeira. Madeira pode ser de árvore de madeira macia, tais como abeto, pinha, pinheiro, lariço, pinheiro do oregon ou cicuta, ou de árvore de madeira dura, tais como bétula, álamo tremedor, álamo, amieiro, eucalipto ou acácia, ou de uma mistura de madeiras macias e madeiras duras. Material de não madeira pode ser de resíduos agrícolas, gramas ou outras substâncias de planta, tais como palha, folhas, casca, sementes, cascas, flores, vegetais ou frutas de algodão, milho, trigo, aveia, arroz, cevada, linho, cânhamo, cânhamo de Manila, cânhamo de sisal, juta, rami, kenaf, bagaço, bambú ou junco. A matéria prima de celulose também pode ser derivada de micro-organismos que produzem celulose. Os micro-organismos podem ser do gênero Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Pseudomonas ou Alcaligenes, preferivelmente do gênero Acetobacter e mais preferivelmente das espécies Acetobacter xilinum ou Acetobacter pasteurianus.

[00026] O termo "celulose de fibrila" refere-se a uma coleção demicrofibrilas de celulose isoladas ou feixes de microfibrila derivados de matéria prima de celulose. Microfibrilas têm tipicamente alta razão de aspecto: o comprimento deve exceder um micrômetro, enquanto que o diâmetro médio é tipicamente abaixo de 200 nm. O diâmetro dos feixes de microfibrila também pode ser maior, mas geralmente menor que 1 μm. As menores microfibrilas são similares às então chamadas fibrilas elementares, que são tipicamente 2-12 nm de diâmetro. As dimensões das fibrilas ou feixes de fibrila são dependentes da matéria-prima e método de desintegração. A celulose de fibrila também pode conter algumas hemiceluloses; a quantidade depende da fonte da planta. Desintegração mecânica da celulose de fibrila da matéria prima de celulose, polpa de celulose, ou polpa refinada é realizada com equipamento adequado, tais como um refinador, triturador, homogeneizador, formador de coloide, triturador por fricção, sonicador por ultrassom, fluidizador, tais como microfluidizador, macrofluidizador ou homogeneizador tipo fluidizador.

[00027] A celulose de fibrila é preferivelmente feita de material deplanta. Uma alternativa é obter as fibrilas de material de planta não parenquimal onde as fibrilas são obtidas de paredes celulares secundárias. Uma fonte abundante de celuloses de fibrila é fibra de madeira. A celulose nanofibrilada é fabricada por homogeneização de matéria-prima fibrosa derivada de madeira, que pode ser polpa química. A desintegração em alguns dos equipamentos mencionados anteriormente produz fibrilas que têm o diâmetro somente de alguns nanômetros, que é 50 nm no máximo e dá uma dispersão de fibrilas em água. As fibrilas podem ser reduzidas a um tamanho onde o diâmetro da maioria das fibrilas é na faixa de 2-20 nm somente. As fibrilas que originam em paredes de célula secundárias são essencialmente cristalinas com grau de cristalinidade de pelo menos 55%.

[00028] O material de partida para o processo é normalmente celulose de fibrila obtido diretamente da desintegração de alguma das matérias-primas fibrosas mencionadas anteriormente e que saem de uma concentração relativamente baixa homogeneamente distribuída em água devido às condições de desintegração. O material de partida pode ser um gel aquoso a uma concentração de 0,5-5%. O gel deste tipo contém muita água para ser manuseado convenientemente em um processo posterior ou cadeia de transporte.

[00029] Remoção de líquido de celulose de fibrila é feita usando filtração por pressão. A filtração por pressão procede até o ponto final onde a celulose de fibrila forma uma torta com um DS desejado final (substância seca). O DS final da torta de filtro pode ser 10-30% (concentração da celulose de fibrila, o restante sendo líquido e possíveis outros ingredientes). Filtração pode ser realizada, de maneira tal que o filtrado seja claro sem nenhuma partícula penetrada através do pano do filtro. Temperatura de filtração é maior que 30°C. Pressão durante a filtração pode ser 5-100 bars (500 kPa-10MPa). Dispositivo de filtração por pressão pode ser uma prensa de filtro de câmera de volume fixo ou prensa de filtro de membrana. Em uma prensa de filtro de câmera de volume fixo a pressão é causada pela maior pressão de bombeamento dos sólidos constituídos na câmara durante filtração do líquido através do pano do filtro. Em uma prensa de filtro de membrana a pressão constitui inicialmente conforme anteriormente, e no estágio final da filtração a torta formada na câmara é comprimida ou apertada por uma membrana ou diafragma em um lado ou em ambos os lados para remover ainda líquido da torta. A câmara de filtração é limitada pelo pano do filtro em um lado ou ambos os lados, que determina os lados retos da torta a ser formado a partir dos sólidos (celuloses de fibrila). A torta é formada durante a filtração tanto pelo efeito da pressão por bombeamento da celulose de fibrila ou o efeito combinado da pressão por bombeamento e subsequente compressão/aperto por uma membrana/diafragma ou um par de membranas/diafragmas. A torta formada é um pedaço reto onde os lados opostos retos são formados de acordo com os lados opostos da câmara e onde remoção de líquido aconteceu através de um ou através de ambos os lados da torta devido ao pano do filtro em um ou ambos os lados da câmara, respectivamente. A dimensão da torta perpendicularmente aos lados retos (espessura) é consideravelmente menor que qualquer dimensão ao longo dos lados retos que são uma superfície ampla.

[00030] Remoção de líquido de dois lados é recomendada para a eficiência do processo, em virtude de mais área de filtração (área de pano do filtro) ser disponível por volume da celulose de fibrila.

[00031] Comparado com a evaporação, a formação da pele não é tão pronunciada na filtração por pressão, em virtude de o líquido ser continuamente impulsionado pela pressão através da camada dos sólidos formada contra o pano do filtro e através da superfície externa da torta sendo formada.

[00032] A torta de filtro de celulose de fibrila pode ser usada como tal em várias aplicações ou pode ser cominuída ou granulada antes do uso. A torta pode ser, por exemplo, retalhada de maneira tal que a celulose de fibrila seja mais fácil de ser transportada e manuseada, ou cominuída de outras maneiras, por exemplo, granulada. Redispersão da celulose de fibrila concentrada é possível sem comprometer sua capacidade de formar dispersões altamente viscosas em água.

[00033] As tortas podem distribuir do processo de filtração por pressão em várias espessuras, dependendo do equipamento usado onde as dimensões das câmaras determinam as dimensões finais da torta. A espessura mínima da torta é normalmente 15 mm, mas tortas mais finas também podem ser preparadas, dependendo da aplicação se a torta deve ser usada como tal.

[00034] O processo de filtração por pressão em todas as modalidades mencionadas pode ser realizado retendo um volume de celulose de fibrila em um espaço confinado limitado pelo menos parcialmente por uma estrutura de filtração permeável à água (por exemplo, um pano do filtro), aplicando pressão ao dito volume de celulose de fibrila, e permitindo que a água seja filtrada do dito volume de celulose de fibrila através da dita estrutura de filtração. Deve-se entender que o dito volume de celulose de fibrila pode não ser constante durante o processo, mas pode diminuir no curso da remoção de água como as é o caso em uma prensa de filtro de membrana, sendo, entretanto, confinado em um espaço limitado pelo menos parcialmente pela dita estrutura de filtração mesmo neste caso. Depois que o ponto final (a concentração desejada) foi alcançado, o volume de celulose de fibrila é retirado como uma estrutura coerente, “torta”, a partir da qual pode ser processado ainda de alguma maneira mencionada anteriormente.

[00035] O processo de filtração por pressão é esquematicamente mostrado na figura 3 dando uma remoção e aperto de bilateral por membranas ou diafragmas de ambos os lados conforme o exemplo. O líquido (filtrado) filtrado da celulose de fibrila é apertado através do pano do filtro em toda a área da torta e removido através de canais em ambas as extremidades da torta de filtro. Também é possível que a torta seja comprimida de um lado somente por uma membrana/diafragma, mas a remoção de líquido seja bilateral.

[00036] No equipamento, pode haver vários espaços confinados aos quais os volumes da celulose de fibrila podem ser introduzidos e que formam câmaras de filtração que funcionam em paralelo durante o processo de filtração por pressão. Equipamentos onde câmaras de filtração são dispostas vertical ou horizontalmente são conhecidos. Tais equipamentos normalmente funcionam ciclicamente. A filtração por pressão da celulose de fibrila pode ser um processo cíclico onde a celulose de fibrila em meio líquido é introduzida em várias câmaras, líquido é filtrado por pressão, e as tortas obtidas na filtração são removidas das câmaras e transportadas para processamento adicional. O método não é limitado ao uso de um tipo específico de equipamento somente.

[00037] Em temperatura ambiente, teor de DS de somente 5-7% pode ser obtido usando equipamento mecânico industrial. Remoção de líquido bilateral é recomendada em virtude de, imediatamente no início da filtração, uma camada de película muito fina ser formada na superfície do pano do filtro atrasando crucialmente a remoção de líquido da celulose de fibrila.

Exemplo geral do método

[00038] Teor de DS de 10-30% e filtrado sem partículas pode ser obtido na temperatura elevada. O processo é iniciado bombeando celulose de fibrila aquecida (>30°C) tendo teor de DS de 2-4% às câmaras de filtração, e líquido é removido através de ambas as extremidades das câmaras. Pressão selecionada (5-100 bar (500 kPa-10 MPa) é mantida até que o teor de DS desejado seja obtido. Bombeamento também pode ser continuado até que o nível de pressão desejado ou teor de DS seja alcançado na torta, e então como operação extra, a torta de filtro pode ser comprida por uma membrana para espremer mais líquido fora da torta de filtro. Como etapa final, ar que sopra através da torta pode ser realizado. Daí em diante a torta de filtro é removida da câmara.

[00039] Pano do filtro deve ser cuidadosamente selecionado para evitar penetração de celulose de fibrila através do pano do filtro e pegajosidade na superfície do pano. Torta de filtro então pode ser redispersa para formar uma menor concentração de celulose de fibrila, por exemplo, a viscosidade original, antes da utilização.

[00040] Como um pano do filtro, um pano densamente tecido feito de polímero sintético e que não tem nenhum furo visível é preferido. Por exemplo, panos de multifilamentos de polipropileno podem ser usados.

[00041] Concentração de celulose de fibrila por filtração por pressão não impede sua capacidade de formar dispersões altamente viscosas em água. Isto é demonstrado no seguinte exemplo.

Exemplo 1

[00042] Celulose de fibrila foi concentrada por filtração por pressão a um teor de matéria seca de 30%. Dispersões de celulose de fibrila foram preparadas a concentrações de 0,5 e 1,0% misturando pedaços de torta de filtro com água em um misturador de Büchi (B-400, força máxima 2100 W, BÜCHI Labortechnik AG, Suíça) para três ciclos de 10 s. Dispersões correspondentes foram preparadas de celulose de fibrila não concentrada tendo um teor de matéria seca inicial de 2%. A viscosidade das dispersões foi medida como função da tensão de cisalhamento aplicada com um reômetro AR-G2 (TA Instruments, UK) equipado com uma geometria de cata-vento.

[00043] Figura 1 apresenta os resultados das medições de viscosidade como curvas de fluxo de 0,5% e 1% de dispersões de celulose de fibrila preparadas de material concentrado a 30% de matéria seca por filtração por pressão e de material não concentrado. A viscosidade de 0,5% e 1,0% das dispersões de celulose de fibrila preparadas do material concentrado foi comparável à viscosidade das dispersões tendo as mesmas concentrações, mas feitas de material não concentrado em toda a faixa de tensão de cisalhamento estudada. Mistura de alto cisalhamento, tal como a aplicada com um misturador Büchi, é necessária para redispersão bem-sucedida de celulose de fibrila concentrada a 30% de matéria seca. Redispersão pode ser facilitada por cominuição da torta de filtro ou hidratação do material antes da mistura.

[00044] Celulose de fibrila concentrada a teores de matéria seca inferiores (por exemplo, 5-15%) pode ser redispersa com mistura menos eficiente que o material concentrado a 30%, conforme mostrado no seguinte exemplo.

Exemplo 2

[00045] Celulose de fibrila foi concentrada por filtração por pressão a vários níveis de matéria seca. Dispersões a uma concentração de 0,5% foram preparadas da celulose de fibrila não concentrada e do material concentrado a 30% de matéria seca conforme descrito no exemplo 1 anterior. A partir da celulose de fibrila concentrada a 10 e 15% de matéria seca, 0,5% de dispersões foram feitas em água misturando com um misturador de baixa força (Mini-Mix, Nordica, 150 W de força) por vários ciclos curtos em um período de 5 min. A viscosidade das dispersões foi medida conforme descrito no exemplo 1.

[00046] Figura 2 apresenta curvas de fluxo de 0,5% de dispersões de celulose de fibrila preparadas de material concentrado a vários níveis de matéria seca em comparação com 0,5% de dispersões feitas do material não concentrado. Redispersão foi realizada tanto com um misturador de baixa energia (Mini-Mix) quanto com o misturador Büchi.

[00047] Os resultados na figura 2 mostram que celulose de fibrila concentrada a 10 e 15% de teor de matéria seca pode ser redispersa com êxito com um misturador de baixa energia, como um nível comparável ao obtido com o misturador Büchi teria atingido. Um maior tempo de mistura foi, entretanto, necessário com o misturador de baixa energia que com o misturador Büchi.

[00048] Tanto na figura 1 quanto 2 pode-se ver que independente da concentração final, o mesmo nível de viscosidade de zero cisalhamento (gráfico platô na viscosidade em função da tensão de cisalhamento à medida em que tensão de cisalhamento se aproxima zero) que com amostra não concentrada pode ser atingido. A viscosidade com cisalhamento zero a 0,5% da concentração de medição é acima de 1000 Pa^s tanto com amostras não concentradas quanto amostras concentradas a 9,5-30% e redispersas na concentração de medição. Também pode-se ver que a área do gráfico acima de 1000 Pa^s, os pontos de medição individuais obtidos com as amostras concentradas, se não coincidirem com, são ligeiramente acima ou abaixo dos pontos de medição com as amostras não concentradas, que é uma indicação de uma boa correspondência entre os gráficos de viscosidade.

[00049] O curso geral do processo de filtração por pressão é mostrado na figura 4 com relação às dimensões do volume da celulose de fibrila submetida à filtração por pressão (as dimensões da torta), a pressão, teor de DS da torta e água removida. O material de partida foi uma celulose de fibrila aquosa a uma concentração de 1,95%, a temperatura foi 52°C e a carga DS por área de filtração disponível foi 1,4 kg/m2. Pode-se ver que no estágio inicial da filtração por pressão, a pressão aumenta naturalmente a um nível constante predeterminado (neste caso entre 18 e 19 bar (1,8 a 1,9 MPa)), e é mantida neste nível constante até que o ponto final desejado (teor de DS da torta) seja alcançado (neste caso entre 27 e 28%). Também pode-se ver que a torta é comprimida abaixo de um décimo da dimensão original (espessura) do volume da celulose de fibrila. O tempo do início da pressão até o ponto final é cerca de 60 min.

[00050] É recomendável que a dimensão inicial do volume da celulose de fibrila na direção da remoção da água, que pode ser definido como direção perpendicular à estrutura de filtração, seja razoavelmente pequena, de maneira tal que a água possa difundir através da torta. Neste caso, a dimensão (espessura) é inicialmente abaixo de 10 cm, cerca de 7,5 cm. A carga de filtração pode ser mais bem caracterizada pela carga DS, que é obtida dividindo o DS total da celulose de fibrila (kg) no volume inicial de celulose de fibrila pela área de filtração disponível (m2) para o mesmo volume. O valor é reduzido à metade se a remoção de água bilateral for usada em vez de remoção de água unilateral (isto é, água é removida através de uma estrutura de filtração em ambos os lados do volume). A carga de DS afeta o tempo necessário para atingir uma certa concentração final da celulose de fibrila (teor de DS da celulose de fibrila) na torta quando outras variáveis são mantidas constantes.

[00051] O processo de filtração por pressão também de ser caracterizado pelo consumo de energia específico (energia de entrada por celulose de fibrila DS), unidade, por exemplo, MWh/ton (1,02 MW/h/Mg) de celulose de fibrila DS. Isto pode variar dependendo da carga de DS e da concentração da celulose de fibrila desejada no ponto final. O aquecimento da celulose de fibrila não precisa ser calculado, se a celulose de fibrila for obtida de um processo de fabricação onde sua temperatura já for elevada devido à energia a qual foi submetido durante a desintegração mecânica e, depois do processo de fabricação, é introduzida na temperatura ou a uma temperatura na qual resfriou naturalmente, mas ainda acima de 30°C ao processo de filtração por pressão.

[00052] O produto redispersável obtido por meio de filtração por pressão pode ser caracterizado pelas seguintes propriedades. Um método de medição é rapidamente descrito a seguir.

[00053] Um método baseado na análise de microscopia e imagem de alta resolução exata foi desenvolvido para a determinação quantitativa de fibras de micro- e nanoescala de celulose de fibrila enquanto que o material tipo fibra não fibrilada é determinado na celulose de fibrila como se segue. A quantidade de fibras ou partículas tipo fibra detectáveis em uma quantidade conhecida da amostra da polpa é medida e o resto da amostra é então relacionado como pertencente à categoria não detectável, isto é, partículas micro- e nanoescala. Analisadores de fibra comerciais podem ser usados para caracterização do material tipo fibra não fibrilado na celulose de fibrila. Por exemplo, dispositivos de Kajaani Fiberlab e FS-300 são adequados, entretanto, outros analisadores de fibra similares com resolução de detecção similar também podem ser usados.

[00054] A análise da fibra compreende as etapas, onde a massa seca da amostra é determinada para uso na análise, seguido por escalonamento volumétrico durante diluição e amostragem, desintegração da amostra. Um tamanho da amostra maior que com amostras de polpa convencionais pode ser usado se necessário. O tamanho da amostra para as medições pode ser aumentado a partir do recomendado de maneira a aumentar a quantidade de fibras detectadas durante a análise. Ainda, a rotina de ’remoção do bloco’ é inválida para evitar interrupções na medição. Se o analisador detectar muito poucas fibras, ele assume que um bloco está presente e inicia as ações de remoção do bloco. Se isto ocorrer poucas vezes durante uma medição, a medição será interrompida e uma parte da amostra permanece não analisada. Teor de sólidos secos (massa seca) de cada amostra é determinado. Pode ser realizado usando métodos padrão em um forno, onde a amostra é seca em uma fonte de calor até peso constante ou outro método adequado conhecido na tecnologia. Na interpretação dos valores numéricos fornecidos pelo analisador, deve-se lembrar que todos os valores reportados representam somente as partículas que o dispositivo foi detectado, isto é, as partículas tendo suas dimensões acima de alguns micrômetros (largura >~5 μm, comprimentos da fibra menores que 0,01 mm não serão registrados). Para simplicidade uma medição quantitativa das partículas por miligrama é usada.

[00055] Realização da análise da fibra das amostras de celulose de fibrila:

[00056] Um analisador de fibra comercial foi usado. Dispositivos adequados são, por exemplo, analisador de fibra Kajaani FiberLab ou FS-300. A preparação e medição da amostra foi realizada conforme instruído para medição da aspereza da fibra típica, com as seguintes exceções:

[00057] Teor de matéria seca (DMC) foi determinada pesando uma massa da amostra de mínimo de 8 g para determinação do teor de matéria seca, aquecendo até peso constante. A exatidão da pesagem foi 0,0001 g.

[00058] Diluição da amostra foi realizada como se segue:

[00059] Quantidade de amostra a ser diluída em vaso de água de 5 litros:8 gramas, se o DMC for em torno de 2%. Exatidão da pesagem 0,0001 g.16 gramas, se o DMC for em torno de 1%. Exatidão da pesagem 0,0001 g.

[00060] Misturador da polpa foi aplicado até que todos os feixes de fibrila visíveis desaparecessem.

[00061] O produto obtido por meio de filtração por pressão preenche preferivelmente os seguintes parâmetros reológicos quando disperso em água:

[00062] Viscosidade em cisalhamento zero 1 000 - 8 000 P;a s e limite de elasticidade 1-10 Pa medido a 0,5% de concentração em água por reômetro rotacional (AR-G2, TA Instruments, UK) usando uma geometria de cata-vento.

[00063] Ainda, a celulose de fibrila tem viscosidade Brookfield (1,5% em água, 10 rpm) de 5.000 a 25.000 mPa.s e contém partículas de 5.000 a 20.000/g conforme determinado usando análise de fibra.

[00064] De acordo com uma outra modalidade, a celulose de fibrila tem viscosidade Brookfield (1,5% em água, 10 rpm) de 25.000 a 50.000 mPa.s e contém partículas de 10 a 5.000/g determinado usando análise de fibra.

[00065] As concentrações de medição não são necessariamente as mesmas onde o produto é disperso, mas elas servem para definir as propriedades do produto.

[00066] O método também pode ser aplicado a graus de celulose de fibrila como estes que são especificamente modificados para melhorar sua capacidade de desidratação.

Claims

1. Método para concentrar celulose nanofibrilar, caracterizado pelo fato de que compreende:- submeter celulose nanofibrilar, que é cristalina com grau de cristalinidade de pelo menos 55% e é feita de fibras de madeira, em meio líquido em uma concentração não maior que 6% em peso e a uma temperatura de 3070°C para filtração por pressão, em que o líquido é removido em duas direções opostas da celulose nanofibrilar pela aplicação de pressão de pelo menos 5 bar (0,5 MPa) para a celulose nanofibrilar, e- continuar a filtração por pressão a um ponto final onde mais de 50% em peso do líquido inicialmente presente é removido da celulose de fibrila, para a substância seca final de 10-30% em peso de celulose de fibrila,pelo qual a celulose nanofibrilar nesta substância seca final é redispersável em água e proverá, quando redispersada em água em uma concentração de dispersão na faixa de 0,5-1,0% em peso, um perfil de viscosidade que é igual ao perfil de viscosidade que tinha originalmente na mesma concentração de dispersão.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a celulose de fibrila aquosa que é submetida à filtração por pressão é na concentração de 0,5-5,0% em peso.

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 15% em peso.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 20% em peso.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 30% em peso.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a celulose de fibrila aquosa que é submetida à filtração por pressão é na concentração de não mais que 4% em peso.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 10% em peso.

8. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de pelo menos 20% em peso.

9. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a filtração por pressão é continuada a um ponto final onde a celulose de fibrila atingiu a concentração de 30% em peso.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a celulose de fibrila aquosa que é submetida à filtração por pressão é na concentração de 1-4% e a filtração por pressão é continuada até uma substância seca final de 15-25% de celulose de fibrila.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o processo de filtração por pressão é realizado a uma temperatura cuja celulose nanofibrilar atingiu como um resultado de um processo de fabricação anterior ou ao qual a celulose nanofibrilar foi resfriada da temperatura que atingiu como um resultado de um processo de fabricação anterior.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a pressão de 5-100 bar (0,5-10 MPa) é usada durante a filtração por pressão.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a celulose da celulose de fibrila é quimicamente nativa.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a celulose nanofibrilar é celulose nanofibrilar aquosa e o líquido removido na filtração por pressão é água.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que depois da filtração por pressão a celulose de fibrila é dispersa em um meio líquido.

16. Uso de um aparelho de filtração por pressão, caracterizado pelo fato de ser para um método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15.

17. Produto de celulose nanofibrilar concentrado, caracterizado pelo fato de que compreende teor de substância seca de 10 - 30% em peso, em que a celulose de fibrila é cristalina com grau de cristalinidade de pelo menos 55%, e é feita de fibras de madeira, e onde a celulose nanofibrilar é redispersável em água e dará, quando redispersa em água a uma concentração de dispersão na faixa de 0,51,0% em peso, um perfil de viscosidade que é igual ao perfil de viscosidade que tinha originalmente na mesma concentração de dispersão.

18. Produto de celulose nanofibrilar concentrado de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende celulose quimicamente nativa e tendo teor de substância seca de 15 - 25% em peso.

19. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que é celulose de fibrila filtrada por pressão.

20. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que celulose de fibrila está na forma de torta de filtro.

21. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que celulose de fibrila está na forma de torta de filtro triturada com tamanhos de partícula entre 1 - 5 mm.

22. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21, caracterizado pelo fato de que a celulose nanofibrilar tem viscosidade em cisalhamento zero de 1000-8000 P;rs e limite de elasticidade 1-10 Pa medido a 0,5% em peso de concentração.

23. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21, caracterizado pelo fato de que a celulose de fibrila tem viscosidade Brookfield (1,5% em peso em água, 10 rpm) de 5.000 a 25.000 mPa^s e contém partículas de 5.000 a 20.000/g determinado usando análise de fibra.

24. Produto de celulose nanofibrilar de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21, caracterizado pelo fato de que a celulose de fibrila tem viscosidade Brookfield (1,5% em peso em água, 10 rpm) de 25.000 a 50.000 mP;rs e contém partículas de 10 a 5.000/g determinado usando análise de fibra.