BR112016025912B1 - Produção de alta eficiência de celulose nanofibrilada - Google Patents

Abstract

PRODUÇÃO DE ALTA EFICIÊNCIA DE CELULOSE NANOFIBRILADA. Trata-se de um processo energicamente eficaz e escalável para a preparação de nanofibras de celulose. O processo emprega o tratamento do material celulósico com um primeiro refinador mecânico com placas que têm uma configuração de lâminas separadas por sulcos e, subsequentemente, o tratamento do material com um segundo refinador mecânico com placas que têm uma configuração de lâminas separadas por sulcos diferente do primeiro refinador. As configurações de placa e operações de tratamento são selecionadas de modo que o primeiro refinador produza um primeiro SEL que é maior que o SEL do segundo refinador, em no máximo 2 a 50 vezes. Um primeiro SEL alto exemplificador pode se situar na faixa de 1,5 a 8 J/m. Os produtos de papel produzidos com cerca de 2% a cerca de 30% de nanofibras de celulose com um comprimento a partir de cerca de 0,2 mm a cerca de 0,5 mm, de preferência, a partir de 0,2 mm a cerca de 0,4 mm, têm propriedades aperfeiçoadas.

Description

PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica prioridade ao pedido provisório n° 61/989.893, depositado em 7 de maio de 2014, e ao pedido provisório n° 62/067.053, depositado em 22 de outubro de 2014, ambos os quais estão incorporados ao presente documento a título de referência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO:

[002] A presente invenção refere-se, em geral, ao campo de processamento de polpa celulósica e, mais especificamente, ao processamento de polpa celulósica para preparar fibras de nanocelulose, também conhecidas na literatura como fibras microfibriladas, microfibrilas e nanofibrilas. Apesar dessa variabilidade na literatura, a presente invenção é aplicável a fibras microfibriladas, microfibrilas e nanofibrilas, independentemente das dimensões físicas reais.

[003] As celuloses nanofibriladas têm se mostrado úteis como materiais de reforço em compósitos poliméricos e de madeira, como revestimentos de proteção para papel, papelão e outros substratos, e como aditivo de fabricação de papel para controlar as propriedades dependentes de ligação e porosidade.

[004] De modo convencional, as polpas químicas produzidas com o uso de processos de cozimento com sulfito, soda ou Kraft têm sido alvejadas com agentes alvejantes contendo cloro. Embora o cloro seja um agente alvejante muito eficaz, os efluentes a partir dos processos de alvejamento à base de cloro contêm grandes quantidades de cloretos produzidos como o subproduto desses processos. Esses cloretos corroem prontamente os equipamentos de processamento, exigindo, assim, o uso de materiais dispendiosos na construção de usinas de alvejamento. Além disso, existem preocupações quanto aos efeitos ambientais potenciais de orgânicos clorados em efluentes de usina de alvejamento. Outros processos de pré- tratamento conhecidos incluem compostos à base de oxigênio, como ozônio, peróxido e oxigênio, para o propósito de deslignificação, isto é, polpa de alvejamento.

[005] O alvejamento e outro pré-tratamento de polpas, entretanto, é distinto de e, por si mesmo, não resulta na liberação de fibras de nanocelulose. Uma homogeneização ou refinação mecânica adicional é tipicamente exigida e os processos de refinação são, em geral, divididos em alta e baixa consistência, que se refere ao teor de sólidos da pasta fluida de polpa que é considerada. A refinação de baixa consistência consiste, em geral, em 2 a 6% em peso de sólidos. A refinação mecânica exige muita energia para romper, de maneira mecânica e física, as fibras de celulose em fragmentos menores. A energia exigida é uma mistura complexa de muitas variáveis relacionadas à própria refinação, a mistura de polpa a ser refinada e a configuração das lâminas ou placas do refinador. De acordo com uma teoria popular, o carregamento de borda específico, (SEL), é uma medida útil da "intensidade" da refinação. O mesmo contempla tanto o número de impactos como a intensidade dos impactos que uma fibra "vê" durante uma revolução das placas de refinador. O número de impactos (como uma taxa) está relacionado à configuração de lâmina, e é dado pelo comprimento de gume cortante por rotação (CEL) e velocidade de rotação. A intensidade de tais impactos está relacionada à energia transferida para a fibra, ou consumo de potência "líquida", e é dada pela potência total aplicada menos a potência sem carga, ou (p-p0). Dessa forma, o SEL pode ser definido como a energia eficaz gasta por cruzamento de barra por comprimento de barra de unidade. A definição matemática é mostrada na equação abaixo, em que Q é a velocidade de rotação do refinador e outros termos são conforme definido acima.

[006] As unidades de SEL são dadas em Watt- segundos/metro (Ws/m) ou os Joules/metro equivalentes (J/m).

[007] Frequentemente, múltiplos estágios de homogeneização ou refinação, ou ambos, são exigidos para alcançar uma fibrila de celulose com tamanho nano. Por exemplo, a patente no US 7.381.294 de Suzuki et al. descreve processos de refinação de múltipla etapa que exigem 10 ou mais e tanto quanto 30 a 90 passagens de refinação. Os estágios ou passagens de refinação podem usar as condições iguais ou diferentes. O processo descrito por Suzuki et al produz, em geral, fibras com um comprimento de 0,2 mm ou menos, por meio de muitas passagens de refinador, resultando em consumo de energia específico muito alto, tanto para as operações de bombeamento como de refinação. A instrução de Suzuki não leva em conta a intensidade dos impactos e não calcula o SEL.

[008] Um segundo exemplo é fornecido pelo documento sob o no US 2014/0057105 de Pande et al., no qual as fibras são refinadas em um ou mais estágios para aumentar a área de superfície hidrodinâmica sem uma redução substancial em comprimento de fibra.

[009] Seria vantajoso se pudessem ser desenvolvidos processos aperfeiçoados para o processamento de polpa celulósica, particularmente, um processo que reduz a energia exigida para produzir nanofibrilas. As fibras mais longas são, também, preferenciais para algumas aplicações.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0010] Foi desenvolvido um método inovador para isolar celulose nanofibrilada a partir de materiais lignocelulósicos em volumes comercialmente significativos. O método emprega uma série de tratamentos mecânicos específicos que reduz significativamente a energia exigida para produzir a celulose nanofibrilada quando comparado com a técnica anterior.

[0011] Em um aspecto, a invenção compreende um processo aperfeiçoado para a preparação de nanofibras de celulose (também conhecidas como nanofibrilas de celulose, ou CNF, e como celulose nanofibrilada (NFC) e como celulose microfibrilada (MFC)) a partir de um material celulósico, que compreende:

[0012] tratar o material celulósico com um primeiro refinador mecânico que tem placas de rotor e estator com uma configuração de lâminas separadas por sulcos, sendo que o primeiro refinador produz um primeiro SEL inicial; e

[0013] tratar subsequentemente o material celulósico com um segundo refinador mecânico que tem placas de rotor e estator com uma configuração de lâminas separadas por sulcos que é diferente da configuração do primeiro refinador, sendo que o segundo refinador produz um segundo SEL inicial;

[0014] em que o primeiro SEL inicial é maior que o segundo SEL inicial.

[0015] Em algumas modalidades, o SEL produzido por meio da operação do primeiro refinador é cerca de 2 a 40 vezes maior que o SEL produzido por meio da operação do segundo refinador, por exemplo, cerca de 5 a 30 vezes maior, ou cerca de 6 a 20 vezes maior. Em algumas modalidades, o primeiro SEL inicial se situa na faixa a partir de cerca de 1,5 a cerca de 8,0 J/m, por exemplo, a partir de cerca de 2,0 a cerca de 5,0 J/m; enquanto que o SEL inicial do segundo refinador é, em geral, menor que 1,5 J/m, por exemplo, menor que 1,0 J/m ou a partir de cerca de 0,05 a cerca de 0,95 J/m.

[0016] Em algumas modalidades, a configuração de lâminas separadas por sulcos sobre as placas do primeiro refinador tem um CEL menor que o CEL da configuração de lâminas separadas por sulcos sobre as placas do segundo refinador. As lâminas e sulcos têm inerentemente larguras. Em algumas modalidades, a razão de larguras de lâmina:sulco das placas do primeiro refinador é maior que a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do segundo refinador. Por exemplo, a razão de larguras de lâmina:sulco das placas do primeiro refinador pode ser maior que 1,0 e a razão de larguras de lâmina:sulco das placas do segundo refinador pode ser menor que 1,0.

[0017] De acordo com esta invenção, é fornecido também um produto de papel que incorpora nanofibras de celulose preparadas pelo processo.

[0018] Um aspecto adicional da presente invenção é produtos de papel produzidos com o uso de nanofibras de celulose produzidas por meio de qualquer um dos processos descritos acima. Tais produtos de papel têm propriedades aperfeiçoadas, como porosidade, lisura e resistência.

[0019] Um aspecto adicional da presente invenção é a produção de fibras de comprimento mediano um pouco mais longo; por exemplo, mais longo que 0,2 mm e, de preferência, na faixa de cerca de 0,2 mm a cerca de 0,4 mm.

[0020] Outras vantagens e recursos são evidentes a partir da descrição detalhada a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0021] Os desenhos anexos, incorporados ao presente documento e formando uma parte do relatório descritivo, ilustram a presente invenção em seus vários aspectos e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos, a espessura das linhas, camadas e regiões podem ser exageradas para maior clareza.

[0022] A Figura 1 é uma ilustração esquemática que mostra alguns componentes de uma fibra celulósica, como madeira.

[0023] As Figuras 2A a 2F são vistas de diversas configurações de placa de disco úteis na refinação de disco, de acordo com a invenção.

[0024] As Figuras 3A a 3F são vistas de diversas configurações de placa de disco úteis na refinação de disco, de acordo com a invenção.

[0025] A Figura 4 é um gráfico que mostra os efeitos do padrão de placa e alta carga de borda específica de primeiro estágio sobre a energia exigida para alcançar um determinado nível ou qualidade fina por cento de celulose fibrilada.

[0026] A Figura 5 é um gráfico que mostra a relação entre % de sólidos finos e o comprimento de fibra de acordo com uma modalidade da invenção.

[0027] As Figuras 6 a 11 são gráficos de resultados de dados de produtos de papel e suas propriedades.

[0028] Diversos aspectos desta invenção se tornarão evidentes aos versados na técnica a partir da seguinte descrição detalhada da modalidade preferencial, quando lida à luz dos desenhos anexos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0029] A menos que seja definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado como comumente entendido por um indivíduo de habilidade comum na técnica a que a invenção pertence. Embora quaisquer métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles descritos no presente documento possam ser usados na prática ou teste da presente invenção, os métodos e materiais preferenciais são descritos no presente documento. Todas as referências citadas no presente documento, incluindo livros, artigos de jornal, pedidos de patente estrangeiros ou U.S. publicados, patentes estrangeiras ou U.S. concedidas, e quaisquer outras referências, estão, cada um, incorporados ao presente documento a título de referência, em suas totalidades, incluindo todos os dados, tabelas, figuras e texto apresentados nas referências citadas.

[0030] As faixas numéricas, medições e parâmetros usados para caracterizar a invenção - por exemplo, graus angulares, quantidades de ingredientes, pesos moleculares de polímeros, condições de reação (pH, temperaturas, níveis de carga, etc.), dimensões físicas e assim por diante - são necessariamente aproximações; e, embora relatados de forma mais precisa possível, os mesmos contêm, inerentemente, imprecisão derivada de suas respectivas medições. Consequentemente, todos os números que expressam faixas de magnitudes, conforme usado no relatório descritivo e reivindicações, devem ser compreendidos como sendo modificados, em todos os casos, pelo termo "cerca de". Entende-se que todas as faixas numéricas incluem todas as subfaixas incrementais possíveis dentro dos limites externos da faixa. Dessa forma, uma faixa de 30 a 90 unidades revela, por exemplo, 35 a 50 unidades, 45 a 85 unidades e 40 a 80 unidades, etc. Exceto onde definido em contrário, as porcentagens são % em peso.

MATERIAIS CELULÓSICOS

[0031] A celulose, o principal constituinte de "materiais celulósicos", é o composto orgânico mais comum no planeta. O teor de celulose de algodão é de cerca de 90%; o teor de celulose da madeira é de cerca de 40 a 50%, dependendo do tipo de madeira. Os "materiais celulósicos" incluem fontes nativas de celulose, bem como as fontes parcial ou completamente deslignificadas. As polpas de madeira são uma fonte comum, porém não exclusiva, de materiais celulósicos.

[0032] A Figura 1 apresenta uma ilustração de alguns componentes de madeira, começando com uma árvore completa na esquerda superior e, movendo-se para a direita através da fileira de topo, seções ampliadas progressivamente conforme indicado para chegar a um diagrama de estrutura celular na direita de topo. O processo de ampliação continua para baixo até a estrutura de parede de célula, em que S1, S2 e S3 representam diversas camadas secundárias, P é uma camada primária e ML representa uma lamela intermediária.

[0033] Movendo-se para esquerda através da fileira de fundo, a ampliação continua até as cadeias de celulose na esquerda de fundo. A ilustração se situa em uma faixa em escala acima de 10 ordens de magnitude a partir das árvores que podem ter 10 metros de altura, através de anéis de crescimento dimensionados em milímetro (mm) e estruturas celulares dimensionadas em micron (μm), a microfibrilas e cadeias de celulose que têm dimensões nanométricas (nm). Na estrutura de fibrila-matriz das paredes celulares de algumas madeiras, as fibrilas longas de polímeros de celulose combinam com 5 e 6 membros de polissacarídeos, hemiceluloses e lignina.

[0034] Conforme representado na Figura 1, a celulose é um polímero derivado a partir de unidades de D-glicose, que condensam através de ligações beta (1-4)-glicosídicas. Esse motivo de ligação é diferente das ligações alfa (1-4)-glicosídicas presentes em amido, glicogênio e outros carboidratos. A celulose é, portanto, um polímero de cadeia linear: ao contrário de amido, nenhuma ramificação ou formação de espiral ocorre, e a molécula adota uma conformação semelhante à haste estendida e, de preferência, rígida, auxiliada pela conformação equatorial dos resíduos de glicose. Os múltiplos grupos hidroxila em uma molécula de glicose a partir de uma cadeia formam ligações de hidrogênio com átomos de oxigênio na mesma cadeia ou em uma cadeia vizinha, retendo as cadeias de celulose firmemente juntas lado a lado e formando nanofibrilas elementares. As nanofibrilas de celulose (CNF) são semelhantemente retidas juntas em fibrilas maiores conhecidas como microfibrilas; e as microfibrilas são semelhantemente retidas juntas em feixes ou agregados na matriz conforme mostrado na Figura 1. Essas fibrilas e agregados fornecem materiais celulósicos com alta resistência à tração, que é importante em paredes celulares conferindo rigidez para as células vegetais.

[0035] Conforme observado, muitas madeiras contêm também lignina em suas paredes celulares, que proporcionam para a madeira uma cor mais escura. Dessa forma, muitas polpas de madeira são alvejadas para branquear a polpa para o uso em papel e muitos outros produtos. A lignina é um material polimérico tridimensional que liga as fibras celulósicas e é também distribuído dentro das próprias fibras. A lignina é responsável em grande parte pela resistência e rigidez das plantas.

[0036] Para o uso industrial, a celulose é principalmente obtida a partir de polpa de madeira e algodão e predominantemente usada em papelão e papel. Entretanto, as nanofibrilas de celulose mais finas (CNF) ou celulose microfibrilada (MFC), uma vez liberadas das plantas lenhosas, estão encontrando novos usos em uma ampla variedade de produtos. Por exemplo, as fibras de nanocelulose ainda encontram utilidade na indústria de papel e papelão, conforme foi o caso com a polpa tradicional. Entretanto, suas propriedades de resistência e rigidez encontraram uma infinidade de usos além dos usos de formação de polpa tradicionais. As nanofibras de celulose têm muitas vantagens sobre outros materiais: são naturais e biodegradáveis, proporcionam menor toxicidade e melhores opções de "fim da vida" do que muitos nanomateriais e sistemas atuais; sua química de superfície é bem compreendida e compatível com muitos sistemas existentes, incluindo ecossistemas; e são comercialmente escaláveis. Por exemplo, os revestimentos, barreiras e filmes podem ser reforçados pela inclusão de fibras de nanocelulose. Os compósitos e reforços que poderiam tradicionalmente empregar vidro, mineral, cerâmica ou fibras de carbono, podem, ao invés disso, empregar adequadamente fibras de nanocelulose.

[0037] A alta área superficial dessas nanofibras as tornam bem adequadas para absorção e embebimento de líquidos, que é uma propriedade útil em produtos médicos e higiênicos, embalagem de alimentos e em operações de recuperação de óleo. As mesmas têm também capacidade para formar géis cremosos e macios que encontram aplicação em cosméticos, produtos alimentícios e médicos.

PROCESSOS GERAIS DE ALVEJAMENTO E FORMAÇÃO DE POLPA

[0038] A madeira é convertida em polpa principalmente para o uso na fabricação de papel. A polpa compreende fibras de madeira com capacidade para serem transformadas em pasta fluida ou suspensas e, então, depositadas em uma tela para formar uma folha de papel. Existem dois tipos principais de técnicas de formação de polpa: formação de polpa mecânica e formação de polpa química. Na formação de polpa mecânica, a madeira é fisicamente separada em fibras individuais. Na formação de polpa química, as lascas de madeira são digeridas com soluções químicas para solubilizar uma porção da lignina e, dessa forma, permitir sua remoção. Os processos de formação de polpa química comumente usados incluem: (a) o processo de sulfato (também chamado de "kraft"), (b) o processo de sulfito e (c) o processo de soda. Esses processos não precisam ser descritos aqui, à medida que são bem descritos na literatura, incluindo Smook, Gary A., Handbook for Pulp & Paper Technologists, Tappi Press, 1992 (especialmente, capítulo 4), e no artigo: "Overview of the Wood Pulp Industry," Market Pulp Association, 2007. O processo kraft é o mais comumente usado e envolve a digestão das lascas de madeira em uma solução aquosa de hidróxido de sódio e sulfito de sódio. A polpa de madeira produzida no processo de formação de polpa é normalmente separada em uma massa fibrosa e lavada.

[0039] A polpa de madeira após o processo de formação de polpa tem cor escura devido ao fato de que contém lignina residual não removida durante a digestão. A polpa foi quimicamente modificada na formação de polpa para formar grupos cromofóricos. Com a finalidade de clarificar a cor da polpa, a fim de torná-la adequada para a fabricação de papel branco e também para o processamento adicional em nanocelulose ou MFC, a polpa é tipicamente, embora não necessariamente, submetida a uma operação de alvejamento que inclui a deslignificação e branqueamento da polpa. O objetivo tradicional das etapas de deslignificação é remover a cor da lignina sem destruir as fibras de celulose. A capacidade de um composto ou processo para remover seletivamente ligninas sem degradar a estrutura de celulose é denominada na literatura como "seletividade".

PROCESSOS GERAIS DE MFC

[0040] Um processo generalizado para a produção de nanocelulose ou celulose fibrilada é revelado no pedido de patente PCT n° WO 2013/188.657, que está integralmente incorporado ao presente documento, a título de referência.

[0041] O processo inclui as etapas em que a polpa de madeira é mecanicamente decomposta em qualquer tipo de moinho ou dispositivo que tritura as fibras separadamente. Tais moinhos são bem conhecidos na indústria e incluem, sem limitação, batedeiras Valley, refinadores de disco único, refinadores de disco duplo, refinadores cônicos, incluindo tanto de ângulo amplo como ângulo estreito, refinadores cilíndricos, homogeneizadores, microfluidificadores e outros aparelhos de trituração ou moagem similares. Esses dispositivos refinadores mecânicos não precisam ser descritos em detalhes neste documento, visto que são bem descritos na literatura, por exemplo, Smook, Gary A., Handbook for Pulp & Paper Technologists, Tappi Press, 1992 (especialmente o capítulo 13). O padrão Tappi T 200 (sp 2010) descreve um procedimento para o processamento mecânico de polpa com o uso de uma batedeira. O processo de decomposição mecânica, independentemente do tipo de instrumento, é em geral denominado na literatura como "refinação" ou às vezes genericamente como "cominuição".

[0042] Os refinadores de disco, incluindo refinadores de disco duplo, e os refinadores cônicos estão entre os dispositivos refinadores mais comuns. Os refinadores de disco envolvem uma ou duas placas (também chamadas de "rotores") que são giratórias contra pelo menos uma outra placa (também chamada de "estator"). Algumas patentes que descrevem diversas placas de refinador incluem a patente no US 5.425.508 de Chaney, US 5.893.525 de Gingras e US 7.779.525 de Matthew. Alguns exemplos de refinadores de disco incluem os refinadores Beloit DD 3000, Beloit DD 4000 ou Andritz. Alguns exemplos de refinadores cônicos incluem os refinadores Sunds JCOl, Sunds J C 02 e Sunds JC03. As placas têm barras e sulcos em muitas configurações variadas, conforme mostrado nas Figuras 2A a 2F e 3A a 3F. As barras e sulcos se estendem em uma direção geralmente radial, mas tipicamente em um ângulo (muitas vezes designado α) de cerca de 10 a 20 graus em relação a uma linha radial verdadeira. Em algumas configurações, as barras e sulcos são contínuos (por exemplo, Figuras 2A, 2D, 3D e 3E); enquanto que, em outras modalidades, as barras são desalinhadas para criar trajetórias de fluxo de "extremidade inoperante" que forçam a polpa para cima e sobre a borda de trituração da barra (por exemplo, Figuras 2B, 2C e 2E), às vezes com rampas ou bordas afuniladas (por exemplo, Figura 2E) que forçam a polpa para cima fora da "extremidade inoperante". Em algumas modalidades, as barras e sulcos podem ser curvados (por exemplo, Figura 3D) ou em ziguezague (por exemplo, Figuras 3E e 3F). Os sulcos podem ser contínuos ou interrompidos (por exemplo, Figura 3F). Em algumas modalidades, as barras e os sulcos podem alterar o passo (o número de barras/sulcos por distância de arco), tipicamente progredindo a partir de menos sulcos mais largos próximo ao centro a sulcos mais estreitos e mais abundantes em direção à periferia (por exemplo, Figuras 3A a 3C).

[0043] As dimensões, como altura e largura da barra (também chamada de lâmina) e largura do sulco são mais bem ilustradas na Figura 2F. A altura da barra se situa, tipicamente, na faixa de 2 a 10 mm; e a largura da barra/lâmina se situa, tipicamente, na faixa de 1 a 6 mm. A largura do sulco se situa, tipicamente, na faixa de 1 a 6 mm. A razão entre a largura de lâmina e a largura de sulco pode variar a partir de 0,3 a cerca de 4, mais tipicamente, a partir de cerca de 0,5 a 2,0. Os diâmetros do disco podem se situar na faixa a partir de cerca de 46 cm (18 polegadas) a cerca de 107 cm (42 polegadas), mas um disco de 61 cm (24 polegadas) é um tamanho comum. Independentemente da configuração, a propriedade-chave de qualquer cone ou disco de refinador é o comprimento de gume cortante total que é apresentado em uma rotação (CEL), que é calculado a partir do número e ângulo das barras e do raio diferencial do setor que contém as barras. As lâminas mais finas com mais barras de largura mais estreita produzem um CEL maior e, inversamente, lâminas mais grossas com menos barras de largura mais larga produzem um CEL menor.

[0044] À medida que o comprimento de fibra diminui, a % de sólidos finos aumenta. A Figura 5 ilustra isso. Qualquer valor adequado pode ser selecionado como um critério de avaliação, por exemplo, pelo menos 80% de sólidos finos. Os critérios de avaliação alternativos podem incluir, por exemplo, 70% de sólidos finos, 75% de sólidos finos, 85% de sólidos finos, 90% de sólidos finos, etc.

[0045] De modo similar, os comprimentos de critério de avaliação menores que 1,0 mm, menores que 0,5 mm ou menores que 0,4 mm podem ser usados, à medida que podem variar com o uso de qualquer um desses valores ou intermediários. O comprimento pode ser tomado como comprimento médio (média ponderada em comprimento é mais comum), comprimento mediano (50% decil) ou qualquer outro comprimento decil, como 90% menor que, 80% menor que, 70% menor que, etc. para qualquer determinado comprimento especificado acima.

[0046] A extensão da refinação pode ser monitorada durante o processo por quaisquer dentre vários meios. O padrão Tappi T 271 om-02 (2002) descreve os métodos que usam luz polarizada e também os diversos cálculos de comprimento ponderado. Os instrumentos ópticos podem fornecer dados contínuos relacionados às distribuições de comprimento de fibra e porcentagem de sólidos finos, dos quais qualquer um pode ser usado para definir critérios de avaliação para o estágio de refinação. Tais instrumentos são empregados como testadores padrão da indústria, como o analisador de comprimento da fibra TechPap Morphi. A refinação produz uma distribuição de comprimentos de fibra e os instrumentos têm tipicamente capacidade para relatar a distribuição, bem como uma ou mais dentre as diversas medições de comprimento médio.

[0047] A viscosidade de pasta fluida (conforme distinto da viscosidade intrínseca da polpa) pode também ser usada como um critério de avaliação para monitorar a eficácia do tratamento mecânico na redução do tamanho das fibras de celulose. A viscosidade de pasta fluida pode ser medida em qualquer maneira conveniente, como por meio de um viscosímetro Brookfield.

PROJETO ENERGETICAMENTE EFICAZ PARA A REFINAÇÃO DE CNF

[0048] O processo revelado neste relatório descritivo é suficientemente eficaz no ponto de vista energético para ser escalável a um nível comercial. O consumo de energia pode ser medido em quaisquer unidades adequadas. Tipicamente, uma unidade de potência*hora é usada e, então, normalizada em uma base de peso. Por exemplo: quilowatt- hora/tonelada (KW-h/ton.) ou cavalo-vapor-dias/tonelada (HP-dia/ton.), ou em quaisquer outras unidades adequadas. Um amperímetro que mede a corrente drenada pelo motor que aciona o dispositivo de cominuição é uma maneira adequada para obter uma medição de potência. Para comparações relevantes, os critérios de avaliação do resultado de refinação ou as entradas de energia precisam ser equivalentes. Por exemplo, "eficiência energética" é definida como: (1) alcançar critérios de avaliação de resultado equivalentes (por exemplo, viscosidade de pasta fluida, comprimentos de fibra, porcentagem de sólidos finos) com consumo de energia menor; ou (2) alcançar resultados maiores de critério de avaliação (por exemplo, viscosidade de pasta fluida, comprimentos de fibra, porcentagem de sólidos finos) com consumo de energia equivalentes. A Figura 4 mostra curvas de energia líquida para um processo de 2 estágios e um processo de 3 estágios de acordo com diversas modalidades da invenção.

[0049] Conforme descrito no presente documento, os critérios de avaliação de resultado podem ser expressados como a porcentagem de alteração; e a energia consumida é uma medida absoluta. Alternativamente, os critérios de avaliação podem ser medidas absolutas, e as energias consumidas podem ser expressadas em uma base relativa como uma porcentagem de alteração. Em ainda outra alternativa, ambos podem ser expressados como medidas absolutas. Esse conceito de eficiência é adicionalmente ilustrado na Figura 4.

[0050] O tratamento de acordo com a invenção produz desejavelmente reduções de consumo de energia de pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20% ou pelo menos cerca de 25%, em comparação com o consumo de energia para resultados de critério de avaliação comparáveis sem o tratamento. Em outras palavras, a eficiência energética do processo é aperfeiçoada em pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25% ou pelo menos cerca de 30%.

[0051] Conforme é conhecido na técnica, os refinadores exigem uma certa quantidade de energia para funcionar até sob nenhuma carga. A energia bruta consumida quando carregada com a polpa é a medição mais relevante, mas é também possível subtrair o consumo "sem carga" para chegar a uma energia líquida consumida para a refinação. Essa energia líquida é importante para o cálculo de carregamento de borda específico (SEL), conforme descrito nos antecedentes. Adicionalmente, sabe- se que, à medida que o processo de refinação continua, o SEL irá diminuir um pouco no decorrer do tempo. Isso leva à existência de um SEL inicial, um SEL final que é menor que o SEL inicial e um SEL médio durante todo o período. Exceto onde observado em contrário, os requerentes se referem ao SEL inicial na descrição dos processos da invenção.

[0052] Constatou-se que as disposições específicas dos refinadores mecânicos podem alcançar uma redução inesperada nas exigências de energia do processo, reduzindo, assim, os custos gerais de fabricação. O método inclui o processamento de uma pasta fluida de fibras celulósicas, de preferência, fibras de madeira, que foram liberadas a partir da matriz lignocelulósica com o uso de um processo de formação de polpa. O processo de formação de polpa pode ser um processo de formação de polpa químico, como os processos de sulfato (Kraft) ou sulfito; ou um processo de formação de polpa mecânico, como o processo termomecânico. A tais polpas são adicionados diversos níveis do CNF de acordo com a presente invenção.

[0053] CNF é geralmente produzido por refinação mecânica. O processo de acordo com a invenção inclui primeiro e segundo refinadores mecânicos que aplicam cisalhamento às fibras. Os refinadores podem ser refinadores de baixa consistência. As forças de cisalhamento ajudam a decompor as paredes celulares da fibra, expondo as fibrilas e nanofibrilas contidas na estrutura de parede. À medida que as forças de cisalhamento cumulativas totais aplicadas às fibras aumentam, a concentração de nanofibrilas liberadas a partir da estrutura de parede da fibra aumenta. (Consulte a Figura 4) O tratamento mecânico continua até que a quantidade desejada de fibrilas seja liberada a partir da estrutura de fibra original.

[0054] Com referência às Figuras 2A a 3F, um refinador de disco mecânico 100 inclui uma placa giratória ou "rotor" 104 e uma placa estacionária ou "estator" 106. Conforme mostrado na Figura 3F, em particular, as placas 104, 106 incluem lâminas 108 que definem sulcos 110. O material celulósico flui a partir de um dos discos no espaço plano estreito entre os discos e, então, sai através do outro disco. O material celulósico é rompido em fibras mais curtas e mais finas pelas forças de cisalhamento que agem sobre o material através do movimento relativo das barras sobre as placas, e é comprimido e desfibrilado pelas superfícies de lâmina com espaçamento próximo.

[0055] Embora os refinadores de disco e placas de disco sejam mostrados como uma modalidade, deve-se compreender que a presente invenção não se limita a refinadores de disco, mas inclui também refinadores cônicos. Nesse contexto, "disco" ou "placa", para uso no presente documento, se refere não apenas às superfícies relativamente planas de refinadores de disco, mas também às superfícies de trituração cônicas de refinadores cônicos. Os aspectos de rotor e estator são similares nos refinadores cônicos, conforme são os conceitos de CEL e SEL.

[0056] Vários tratamentos mecânicos para produzir celulose altamente fibrilada (por exemplo, CNF) foram propostos, incluindo homogeneizadores e trituradores ultrafinos. Entretanto, a quantidade de energia exigida para produzir celulose fibrilada com o uso desses dispositivos é muito alta e é um obstáculo para aplicações comerciais desses processos para muitas aplicações. Por exemplo, Suzuki (patente no US 7.381.294, mencionada nos antecedentes) mostra que, para o método preferencial de uso de dois refinadores sequencialmente, o primeiro refinador deveria ser equipado com placas de disco de refinador com uma largura de lâmina de 2,5 mm ou menos e uma razão entre a largura da lâmina e do sulco de 1,0 ou menos. As placas de disco de refinador com essas dimensões tendem a produzir condições de refinação distinguidas por baixa carga de borda específica, também conhecida na técnica como refinação por "escovação", que tende a promover a hidratação e gelificação de fibras de celulose. Suzuki mostra, então, que o segundo refinador deveria ter placas de disco de refinador com uma largura de lâmina de 2,5 mm ou mais e uma razão entre largura de lâmina e de sulco de 1,0 ou mais. As placas de disco de refinador com essas dimensões tendem a produzir condições de refinação distinguidas por alto SEL, também conhecido na técnica como refinação por "corte", que tende a promover redução de fibras de celulose.

[0057] Embora Suzuki não calcule o SEL para o processo, os requerentes já fizeram, com o uso de suposições razoáveis e os dados a partir da Tabela 1 do Suzuki, e o resultado se encontra na Tabela abaixo: TABELA 1: DADOS DE REFINAÇÃO DE SUZUKI E MEDIÇÕES DERIVADAS DOS MESMOS

[0058] Dessa forma, o método de Suzuki de aumentar a largura de lâmina resulta em CEL menor e SEL maior para os segundos e subsequentes estágios. A fibra relativamente longa e altamente inchada ou gelificada produzida no primeiro estágio de refinador não permite que o segundo estágio de segundo seja operado em alta eficiência devido ao fato, em parte, de que a rede de fibra não é capaz de suportar a alta carga específica através de relativamente menos cruzamentos de lâmina, exigindo que o segundo refinador seja operado com um grande intervalo de placa, níveis de potência aplicada menores e, portanto, baixas eficiências de potência. Adicionalmente, as larguras de lâmina largas e mais grossas dos discos de refinador no segundo refinador não são eficazes na "escovação" ou fibrilação das fibras, resultando em mais tempo de operação com baixas economias de energia. Consequentemente, a energia total exigida para produzir celulose fibrilada é alta, aumentando o custo de fabricação.

[0059] Mediante o conceito revelado neste relatório descritivo, dois ou mais refinadores são dispostos sequencialmente com configurações que produzem um SEL maior no estágio inicial e SEL menor nos segundos e subsequentes estágios. Por exemplo, um SEL maior pode ser produzido no primeiro refinador equipando o mesmo com placas de disco que têm larguras de lâmina maiores que cerca de 2,5 mm, de preferência, maiores que cerca de 3 mm. Adicionalmente, em algumas modalidades, a razão entre a largura de lâmina e a largura de sulco é de 0,75 ou mais. As placas de disco de refinador com essas dimensões no primeiro refinador tendem a produzir condições de refinação distinguidas por alta carga de borda específica, também conhecido na técnica como refinação por "corte", que tende a promover redução de fibras de celulose. As fibras que saem desse estágio de tratamento têm uma distribuição de comprimento de fibra menor e mais estreita e são menos inchadas e têm um limite elástico mais baixo, tornando a pasta fluida mais fácil para bombear e processar através do restante do processo de tratamento. A viscosidade não aumenta notavelmente durante esse primeiro estágio.

[0060] Entretanto, os segundos e quaisquer estágios de refinador subsequentes podem ser equipados com placas que produzem SEL menor, por exemplo, com o uso de discos com larguras de lâmina decrescentes.

[0061] Os segundos estágios podem empregar discos com larguras de lâminas que são menores que cerca de 2,5 mm, de preferência, cerca de 2 mm ou menos, com uma razão entre a largura de lâmina e de sulco de cerca de 1,0 ou menos. O comprimento de fibra mais curto que resulta do primeiro refinador permite que discos de refinador mais finos, isto é, larguras de lâmina mais estreitas, sejam usados em refinadores subsequentes com menos preocupação em relação a entupimento, aumentando, assim, a eficiência. As placas de disco de refinador mais finas operam em carga de borda específica menor e são mais eficazes na fibrilação da fibra. O resultado é uma redução do tempo para fabricar celulose altamente fibrilada. Além disso, as placas com larguras de lâmina mais finas podem ser operadas em intervalos menores e cargas maiores e, dessa forma, eficiência energética maior, sem incompatibilidade.

[0062] Menos energia total é consumida se uma alta intensidade de refinação (por exemplo, SEL alto) for usada nos estágios iniciais do processo, isto é, no primeiro refinador. A partir da fórmula para SEL:

[0063] um indivíduo pode observar que existem várias maneiras para aumentar SEL no estágio inicial. Por exemplo, a redução da velocidade de rotação ou CEL, ou ambos, irá aumentar o valor da fração, presumindo-se que a potência líquida seja constante. Consequentemente, um método para realizar isso é empregando-se um padrão de placa grossa (que tem um CEL menor) no primeiro estágio. Isso pode ter um efeito secundário de aperfeiçoamento da eficiência de refinação mediante a redução do consumo de energia sem carga também.

[0064] O emprego de refinação de alta intensidade ou SEL alto no primeiro estágio reduz também o limite elástico de pastas fluidas de polpa kraft de madeira de lei em no máximo 20% em comparação com a polpa não refinada. Isso reduz a energia exigida para iniciar o fluxo e aperfeiçoa a reologia da pasta fluida, economizando, assim, custos de energia de bombeamento e aperfeiçoando a eficiência do refinador. A técnica anterior, especificamente Suzuki, mostra que a refinação de baixa intensidade deveria ser usada no primeiro estágio de refinação. Porém, isso aumenta indesejavelmente o limite elástico de pastas fluidas de kraft de madeira de lei em 23% em relação à polpa não refinada. O resultado é um aumento na energia exigida para recircular a pasta fluida de fibra através do refinador, adicionando à energia exigida para produzir a celulose altamente fibrilada.

[0065] O uso de larguras de lâmina de refinador maiores e SEL maior no primeiro refinador significa que menos tempo e energia são exigidos para produzir celulose altamente fibrilada. As placas de disco de refinador podem ser carregadas sem entupimento ou incompatibilidade, e padrões de placa de fibrilação mais finas e mais eficazes podem ser operados nos últimos estágios de refinador do que é possível com a técnica anterior.

[0066] De acordo com a invenção, o SEL do primeiro estágio deveria ser maior que i SEL dos segundos e subsequentes estágios. Por exemplo, em processos dos Requerentes, o SEL de primeiro estágio pode se situar na faixa a partir de cerca de 5,0 a cerca de 0,5 J/m durante o curso de uma execução. Sabendo-se que o SEL diminui durante uma execução, o SEL de início ou inicial de um primeiro estágio pode ser maior que 1,0, por exemplo, a partir de cerca de 1,5 a cerca de 8,0 J/m, ou a partir de cerca de 2,0 a cerca de 5,0 J/m, enquanto que o SEL de início ou inicial de um segundo ou subsequente estágio pode ser menor que 1,0 J/m, como a partir de cerca de 0,05 a cerca de 0,95 J/m, ou a partir de cerca de 0,1 a cerca de 0,8 J/m.

[0067] De modo diferente, o SEL inicial do primeiro estágio deveria ser significativamente maior que o SEL inicial dos segundos e subsequentes estágios. Em algumas modalidades, o SEL inicial do primeiro estágio é 2 a 40 vezes maior que o SEL inicial de estágios subsequentes; por exemplo, a partir de 5 a 30 vezes maior ou 6 a 20 vezes maior que o SEL inicial de estágios subsequentes.

[0068] Um método para alcançar essas diferenças relativas em SEL é por meio da variação da configuração das lâminas e sulcos das placas de disco para alterar o comprimento de gume cortante (CEL). Uma placa de refinador "grossa" com menos lâminas mais largas tem uma razão maior entre a largura de lâmina e largura de sulco e um CEL menor, em comparação com uma placa "fina" que tem um número maior de barras ou lâminas mais estreitas. Um processo de refinação que usa placas de CEL menor em um primeiro estágio e placas de CEL maior em um estágio subsequente irá aperfeiçoar a eficiência energética desde que outras condições permaneçam relativamente constantes. De modo semelhante, um processo de refinação que usa placas com uma razão de largura de lâmina:sulco maior em um primeiro estágio e razão de largura de lâmina:sulco menor em um estágio subsequente irá aperfeiçoar a eficiência energética desde que outras condições permaneçam relativamente constantes.

[0069] Em algumas modalidades, a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do primeiro refinador é de 1,0 ou mais e a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do segundo refinador é de 1,0 ou menos. Em algumas modalidades, as lâminas do primeiro refinador têm larguras maiores que 2,5 mm, e as lâminas do segundo refinador têm larguras menores que 2,5 mm. Por exemplo, as lâminas do primeiro refinador podem ter larguras maiores ou iguais a 3,0 mm, e as lâminas do primeiro refinador podem ter larguras menores ou iguais a 2,0. Tais configurações de lâmina produzem as razões de largura de lâmina:sulco e CELs desejados que contribuem para o SEL maior no primeiro estágio.

[0070] A Figura 4 ilustra o efeito do padrão de placa e carga de borda específica sobre a energia exigida para alcançar um determinado nível ou qualidade de sólidos finos por cento de celulose fibrilada. Uma curva é a partir de um processo em dois estágios de acordo com a invenção que tem SEL alto (4,8 J/m) seguido de SEL menor (0,2 J/m). A segunda outra curva mostra os resultados de um processo em três estágios em que apenas um SEL modesto (1,1 J/m) é usado no primeiro estágio, seguido de SEL decrescente. Na primeira curva, o SEL inicial é 24 vezes o SEL do segundo estágio, enquanto que, na segunda curva, o SEL inicial é apenas cerca de 1,7 vezes o SEL do segundo estágio. Para todos os critérios de avaliação acima de 35% de sólidos finos, o processo em dois estágios é mais eficaz - com o uso de menos energia para alcançar um critério de avaliação equivalente - do que o processo em três estágios.

PRODUTOS DE PAPEL CONTENDO CNF E SUAS PROPRIEDADES APERFEIÇOADAS

[0071] Em determinadas modalidades importantes, as nanofibras de celulose - preparadas conforme acima ou por meio de um outro processo - podem ter um comprimento de fibra a partir de cerca de 0,2 mm a cerca de 0,5 mm, de preferência, a partir de cerca de 0,2 mm a cerca de 0,4 mm. Os produtos de papel fabricados com o uso de tais nanofibras de celulose têm propriedades aperfeiçoadas. De acordo com as modalidades da invenção, uma determinada quantidade de NFC é adicionada à polpa usada na fabricação do papel. Por exemplo, a partir de cerca de 2% a cerca de 40% da fibra, em uma base de peso seco, podem ser NFC; ou a partir de cerca de 5% a cerca de 25%, em algumas modalidades. A adição de NFC produz algumas vantagens nos produtos de papel, conforme descrito a seguir.

[0072] Muitas propriedades do papel podem e foram medidas, inclusive aquelas descritas a seguir. À medida que as fibras são mais refinadas, a área superficial tende a aumentar e o comprimento de fibra tende a diminuir. Isso leva a alterações em diversas propriedades do papel em uma direção boa ou ruim. Se uma propriedade particular se aperfeiçoa com a refinação, a mesma é identificada como uma "boa" propriedade. As "boas" propriedades incluem índice de drenagem, resistência à tração, porosidade, aderência interna, etc. Mas se a propriedade se deteriora com a refinação, a mesma é identificada como uma propriedade "ruim". Essas incluem encolhimento e rasgo. Um objetivo da refinação é afetar as "boas" propriedades a um grau maior do que as propriedades "ruins"; isto é, para aperfeiçoar a razão entre as propriedades boas/ruins.

[0073] O índice de drenagem é uma medida padrão na indústria do papel, também conhecido como a drenabilidade da polpa. O índice de drenagem está relacionado à capacidade das fibras para absorver ou liberar água. Embora existam múltiplos métodos para a medição de índice de drenagem, uma medição frequentemente usada é o índice de drenagem padrão canadense, ou CSF (método padrão Tappi T 227 om-04 (2004)), que é o volume (em ml) de água que é drenado a partir de 3 gramas de polpa seca em forno que foi imersa em um litro de água a 20 °C (valores de CSF maiores significa que menos água é absorvida). A medição alternativa de índice de drenagem é o método Schopper-Riegler (SR), que mede uma taxa de drenagem, de modo que os valores de SR menores significa que menos água é absorvida; e o método de Williams Slowness (WS), que mede o tempo para uma polpa drenar (valores de WS menores significa que menos água é absorvida). Um gráfico que correlaciona os valores típicos para cada um desses métodos encontrado em: http://www.aikawagrou.com/freeness- conversion-table.php

[0074] As polpas de madeira de lei não refinadas têm um CSF na faixa de 600 a 500 ml; enquanto que as polpas de conífera não refinadas retêm menos água e têm um CSF na faixa de 760 a 700 ml. À medida que as fibras são refinadas tendem a reter mais água e o CSF diminui. Por exemplo, o papel de qualidade à base de pasta química não revestido (UFS) (tipicamente usado para papel de cópia) tem um CSF de cerca de 300 a 400 ml. Em contrapartida, os papéis mais altamente refinados ou densificados como os papéis de qualidade Kraft supercalandrado (SCK) e Glassine atualmente usados como papéis de base removíveis têm índice de drenagem CSF menor na faixa de cerca de 170 a 100 ml.

[0075] Para uso no presente documento, o termo "índice de drenagem de fibra" e "índice de drenagem inicial" se refere ao índice de drenagem inicial das fibras da polpa antes da adição de quaisquer nanofibras de celulose (CNF). Tipicamente, o índice de drenagem de cada tipo de fibra de polpa é medido antes das fibras serem misturadas na polpa. Em contrapartida, o "índice de drenagem de caixa de entrada" se refere ao índice de drenagem de todas as fibras de polpa - incluindo a CNF, e quaisquer pigmentos, aglutinantes, cargas de argila, amidos ou outros ingredientes - misturadas em conjunto. Quanto maior for o índice de drenagem de caixa de entrada, mais rápido e mais facilmente a água pode ser removida da manta de formação. Isso, por sua vez, oferece oportunidade para aumentar as taxas de produção, reduzir o uso de energia ou uma combinação de ambos, aperfeiçoando, assim, a eficiência do processo. Embora a adição de CNF a polpas menos refinadas possa reduzir um pouco o índice de drenagem de caixa de entrada, uma vantagem importante do uso de polpas menos refinadas com alto índice de drenagem é a estabilidade dimensional e outras propriedades físicas dos papéis produzidos. Adicionalmente à estabilidade dimensional aperfeiçoada, os papéis exibem boa resistência à tração e resistência ao rasgo, e alta opacidade.

EXEMPLO 1:

[0076] As folhas de prova são preparadas com quantidades variadas (cerca de 2,5% a cerca de 30%, base de peso seco) de CNF adicionadas, sendo que a CNF foi refinada em vários lotes a diversos estágios de refinação a partir de cerca de 50% de sólidos finos a cerca de 95% de sólidos finos. O índice de drenagem inicial, índice de drenagem de caixa de entrada e reduções de índice de drenagem são mostrados nas Figuras 6A e 6B para diversas composições de folha de prova (HS) de polpas de celulose com índice de drenagem de fibra inicial CSF de 340 ml da polpa de madeira de lei (HW). Na Figura 6A, a quantidade de CNF adicionada à HS está no eixo geométrico x e a propriedade, nesse caso CSF, está no eixo geométrico Y. As diversas curvas representam um nível de sólidos finos de CNF (95%, 85%, 77%, 64% e 50%), nos níveis diferentes de CNF na HS (que se situa na faixa a partir de cerca de 2% a 20% de CNF). Existem duas curvas de referência nos gráficos de CNF de SW -uma é SW não refinada adicionada à base de HW (27% de sólidos finos -CSF de 671), e a segunda é SW refinada (31% de sólidos finos e CSF de 222) adicionada à base de HW. A Figura 6A ilustra que uma redução de índice de drenagem está correlacionada tanto ao: (1) aumento do nível de sólidos finos na CNF em uma determinada % de CNF na HS (pontos ao longo de uma linha vertical); como ao (2) aumento do nível de % de CNF na HS para uma determinada % de sólidos finos (ao longo de uma curva).

[0077] A Figura 6B é similar à Figura 6A, exceto pelo fato de que a polpa de HW de base com CSF de 340 ml inicial é misturada com CNF tanto a partir de fontes de HW como de SW, em concentrações que variam a partir de cerca de 25 a cerca de 30% da composição de papel, e em níveis de sólidos finos incrementais a partir de cerca de 95% a cerca de 64%, conforme mostrado no gráfico.

EXEMPLO 2:

[0078] As folhas de prova são preparadas conforme no Exemplo 1. As folhas de prova foram testadas acerca da resistência à tração de acordo com o padrão Tappi T 494 om-01 (2001). Na Figura 7A, a polpa de HW de base de kraft com CSF de 340 ml inicial é misturada com fibras de madeira macia apenas. As amostras de controle/comparativas foram refinadas a um nível de índice de drenagem alto (CSF de 671 ml) e um nível de índice de drenagem baixo (CSF de 222 ml). Cinco amostras de CNF de teste foram refinadas, na faixa de 50% de sólidos finos a 95% de sólidos finos e adicionadas à base em porcentagens a partir de cerca de 2,5% a cerca de 25%. As polpas com índice de drenagem muito alto não se ligaram bem e não desenvolveram resistência à tração prontamente. A Figura 7B é similar à Figura 7A, exceto pelo fato de que a polpa de HW de base com CSF de 340 ml inicial é misturada com CNF tanto a partir de fontes de HW como de SW, em concentrações que variam a partir de cerca de 2,5% a cerca de 30% da composição de papel, e em níveis de sólidos finos incrementais a partir de cerca de 95% a cerca de 64%, conforme mostrado no gráfico. A resistência à tração da folha de prova aumenta com a concentração de CNF crescente e a % de nível de sólidos finos da CNF.

EXEMPLO 3:

[0079] As folhas de prova são preparadas conforme no Exemplo 1. A porosidade Gurley (ou densidade Gurley) é uma medida da permeabilidade do papel ao ar e se refere ao tempo (em segundos) exigido para um determinado volume de ar (100 cc) passar através de uma área de unidade (1 polegada2 = 6,4 cm2) de uma folha de papel sob condições de pressão padrão. (Consulte Tappi T 460). Quanto maior for o número, menor a porosidade. Embora os revestimentos e recobrimento superficial possam impactar a porosidade, é desejável que um papel de base não revestido e não recoberto usado para qualidades removíveis tenha um valor de porosidade Gurley de pelo menos cerca de 300, pelo menos cerca de 400, pelo menos cerca de 500, pelo menos cerca de 600, pelo menos cerca de 800 ou pelo menos cerca de 1.000 segundos.

[0080] A porosidade Gurley da HS de polpa de base é de cerca de 25, conforme mostrado na Figura 8, e os valores aumentam (porosidade menor) para as amostras contendo CNF com variação de % de sólidos finos (94%, 85%, 77%, 64% e 50%) em concentrações variadas (cerca de 2% a cerca de 25%), conforme mostrado no gráfico. Dois padrões de referência são mostrados conforme anteriormente.

EXEMPLO 4:

[0081] A lisura é uma medida da uniformidade ou rugosidade da superfície da folha fibrosa. Uma medida dessa propriedade é o Parker Print Surf (PPS) que mede a variabilidade da superfície (por exemplo, a partir de picos a vales) em microns (μm). As superfícies mais lisas têm variabilidade menor e valores PPS mais baixos. O padrão Tappi T-555 (om 2010) explica essa medida em maiores detalhes. Uma outra medida de rugosidade é o teste de Sheffield, que é um teste de vazamento de ar similar ao teste PPS. Conforme mostrado na Figura 9, a rugosidade Sheffield diminuiu a partir de um nível inicial (para polpa de HW de base) de cerca de 130 para amostras contendo CNF com variação de % de sólidos finos (94%o, 85%, 77%, 64% e 50%) em concentrações variadas (cerca de 2% a cerca de 25%), conforme mostrado no gráfico. Dois padrões de referência são mostrados conforme anteriormente.

EXEMPLO 5:

[0082] As folhas de prova são preparadas conforme no Exemplo 1. A estabilidade dimensional se refere à capacidade da folha de papel para manter suas dimensões no decorrer do tempo. Essa propriedade é altamente dependente da umidade (umidade ambiente), uma vez que as fibras tendem a inchar com a absorção de umidade, no máximo 15 a 20%. Todos os papéis expandem com o teor de umidade aumentado e contraem com o teor de umidade diminuído, mas a taxa e a extensão de alterações podem variar com papéis diferentes. Embora a estabilidade dimensional seja uma "boa" propriedade, é tipicamente medida como sua propriedade inversa "ruim" - encolhimento em dimensões de largura ou comprimento expressado como uma porcentagem do valor inicial, conforme descrito no padrão Tappi T 476 om-11 (2011). Os papéis produzidos a partir de polpas mais altamente refinadas, como papéis removíveis Glassine e SCK, tendem a ser mais sensíveis à absorção de umidade e encolhimento e ondulação consequentes. De forma ideal, o encolhimento deveria ser menor que cerca de 15%, mas os alvos realistas para encolhimento variam com o nível de refinação de polpa, conforme mostrado pelos dados de execução de produção na Tabela A abaixo. Essa Tabela ilustra como os papéis mais altamente refinados são mais sensíveis ao encolhimento. TABELA A: ENCOLHIMENTO REAL POR TIPO DE POLPA (EXTENSÃO DE REFINAÇÃO)

[0083] A estabilidade dimensional é também mostrada na Figura 10. A porcentagem de encolhimento aumentou com as adições de CNF variadas, conforme descrito acima.

EXEMPLO 6:

[0084] As folhas de prova são preparadas conforme no Exemplo 1. Tappi T 569 pm-00 (2000) descreve um procedimento para testar a força de aderência interna que envolve um aparelho articulado que, mediante o impacto, gira para puxar uma folha de papel separada em um sentido de delaminação como uma medida da força de aderência que retém as fibras de papel em conjunto. A Figura 11 mostra que a adição de CNF à polpa de papel de HW de base aumentou a força de aderência interna.

EXEMPLO 7:

[0085] O grau de sinergia de polpa kraft alvejada do norte, produzida por Sappi Fine Papers, América do Norte, como uma mistura de 85% de kraft de madeira de lei e 15% de polpa kraft de madeira macia, foi refinado em um refinador de laboratório PFI em 4.000 revoluções, conforme é consistente para um padrão de papel à base de pasta química não revestido (UFS). Essa massa (CSF de 295) foi produzida em uma folha de prova como um controle. Para testar a amostra foi adicionado 100 ppt (5%) de CNF refinada em 90%> de sólidos finos (média ponderada por comprimento) medidos pelo analisador TechPap Morphi Fiber, e essa massa (CSF de 102) foi também produzida em uma folha de prova. Algumas das propriedades "boas" e "ruins" da folha de teste e controle são dadas na Tabela B, juntamente com algumas razões calculadas entre propriedades boas e ruins. TABELA B: PROPRIEDADES DE FOLHA DE PROVA

[0086] Pode ser observado a partir do exemplo acima que muitas das propriedades "boas" (porosidade e tração) são impactadas a um grau maior que as propriedades "ruins" (encolhimento e rasgo). A razão entre boa e ruim é altamente positiva para as razões de porosidade, e mista para as razões de tração, mas a razão entre tração e rasgo não se aperfeiçoa modestamente.

[0087] A descrição mencionada anteriormente dos diversos aspectos e modalidades da presente invenção foi apresentada para propósitos de ilustração e descrição. Não se pretende ser exaustivo de todas as modalidades ou limitar a invenção aos aspectos específicos revelados. As modificações ou variações óbvias são possíveis à luz das instruções acima e tais modificações e variações podem ser abrangidas pelo escopo da invenção, conforme determinado pelas reivindicações anexas, quando interpretadas de acordo com a amplitude a qual são intituladas de maneira razoável, legal e equitativa.

Claims (12)

1. Processo para a formação de nanofibras de celulose a partir de um material celulósico caracterizado pelo fato de que compreende: tratar o material celulósico com um primeiro refinador mecânico (100) que tem estator e placas de rotor (106, 104) com uma configuração de lâminas (108) separadas por sulcos (110), sendo que o primeiro refinador produz um primeiro carregamento de borda específico (SEL); e tratar subsequentemente o material celulósico com um segundo refinador mecânico que tem estator e placas de rotor com uma configuração de lâminas separadas por sulcos que é diferente da configuração do primeiro refinador, sendo que o segundo refinador produz um segundo SEL; em que o primeiro SEL inicial é maior que 1,0 J/m e é 2 a 40 vezes maior que o segundo SEL inicial, para obter nanofibras de celulose.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro SEL inicial se situa na faixa a partir de cerca de 1,5 a cerca de 8,0 J/m.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a configuração de lâminas (108) separadas por sulcos (110) nas placas do primeiro refinador (100) produz um comprimento de gume cortante por rotação (CEL) que é menor que o CEL produzido pela configuração de lâminas separadas por sulcos nas placas do segundo refinador.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do primeiro refinador é maior que a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do segundo refinador.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do primeiro refinador é de 1,0 ou mais e a razão de larguras de lâmina: sulco das placas do segundo refinador é de 1,0 ou menos.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as lâminas do primeiro refinador têm larguras maiores ou iguais a 3,0 mm e as lâminas do primeiro refinador têm larguras menores ou iguais a 2,0.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tratamento através do primeiro refinador é realizado em uma rpm menor que o tratamento através do segundo refinador.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tratamento através do segundo refinador é continuado até que as nanofibras de celulose tenham um comprimento de fibra a partir de cerca de 0,2 mm a cerca de 0,5 mm.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do primeiro SEL inicial estar em uma faixa de cerca de 2,0 a cerca de 5,0 J/m.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do primeiro SEL inicial ser 5 a 30 vezes maior que o segundo SEL inicial.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do primeiro SEL inicial ser 6 a 20 vezes maior que o segundo SEL inicial.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do tratamento pelo segundo refinador é continuado até um ponto final de pelo menos 75% de sólidos finos.

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