BR112016028230B1

BR112016028230B1 - Celulose microfibrilada e dispersão semelhante a gel da celulose microfibrilada

Info

Publication number: BR112016028230B1
Application number: BR112016028230-2A
Authority: BR
Inventors: Synn0Ve Holtan; Marianne Rosenberg Read; Hans Henrik 0Vreb0; Inger Mari Nygârd Vold
Original assignee: Borregaard As
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2022-05-17
Also published as: WO2015180844A1; US20190284762A1; CN109957985B; JP2017516926A; US20180274173A1; BR112016028230A2; EP3149241A1; CA2948552A1; CN109957985A; CN106661833B; KR102162352B1; CA2948552C; ES2858631T3; CA3065242C; CN106661833A; KR20170016375A; JP6646045B2; EP3149241B1; PL3149241T3; CA3065242A1

Abstract

PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE CELULOSE MICROFIBRILA DA, HOMOGENEIZADOR, CELULOSE MICROFIBRILADA E DISPERSÃO SEMELHANTE A GEL DE A CELULOSE MICROFIBRILADA A presente invenção refere-se à celulose microfibrilada ("CMF"), em particular à celulose microfibrilada que é morfologicamente diferente da CMF convencional conhecida natécnica e/ou que proporcione propriedades de retenção de água melhoradas e/ou propriedades reológicas melhoradas, em particular viscosidade de cisalhamento zero melhorada, 0,(também conhecida como "viscosidade em descanso", isto é, a viscosidade na ausência de forças de cisalhamento), em solução, em particular em polietileno glicol (PEG) como solvente, vis-à-vis à CMF convencional conforme conhecida na técnica.

Description

[0001] A presente invenção refere-se à celulose microfibrilada (“CMF”), a qual é morfologicamente diferente da CMF convencional conhecida na técnica. A nova CMF proporciona propriedades de retenção de água melhoradas e/ou propriedades reológicas melhoradas, em particular viscosidade de cisalhamento zero melhorada, no, (também conhecida como “viscosidade em descanso”, isto é, a viscosidade na ausência de forças de cisalhamento), em solução vis-à-vis à CMF convencional conforme conhecida na técnica.

[0002] A presente invenção refere-se também a um processo e a um homogeneizador para criar a CMF de acordo com a presente invenção, a qual é morfologicamente diferente da CMF conhecida na técnica.

[0003] A celulose microfobrilada (CMF) de acordo com a presente invenção refere-se a fibrilas de celulose que foram submetidas a um tratamento mecânico específico a fim de aumentar a superfície específica e reduzir o tamanho das fibrilas de celulose em termos de seção transversal (diâmetro) e/ou de comprimento, em que a referida redução em tamanho leva, preferivelmente, a um diâmetro de fibrila na ordem dos nanômetros e a um comprimento de fibrila na ordem dos micrômetros.

[0004] A celulose microfibrilada (também conhecida como celulose “reticulada”, ou como celulose “superfina”, ou como “nanofibras de celulose”, entre outros) é descrita, por exemplo, em US 4 481 077, US 4 374 702 e US 4 341 807. De acordo com a patente US 4 374 702 (“Turbak”), a celulose microfibrilada possui propriedades que a distinguem dos produtos de celulose previamente conhecidos.

[0005] A CMF de acordo com o processo “Turbak” (vide Figura 5, Tecnologia B) é produzida passando-se uma suspensão líquida de celulose através de um orifício de diâmetro pequeno, no qual a suspensão é sujeita a uma pressão diferencial e um impacto de cisalhamento de alta velocidade, seguido por um impacto de desaceleração de alta velocidade, até que a suspensão de celulose se torne substancialmente estável. Este processo converte a celulose em celulose microfibrilada sem induzir alterações químicas substanciais à celulose como tal. A celulose microfibrilada está presente na forma de fibrilas individuais ou de feixes de fibrilas (fibras dispostas juntas em um feixe).

[0006] Um processo melhorado para a obtenção de CMF particularmente homogênea é descrita em WO 2007/091942.

[0007] Uma ilustração descritiva da CMF convencional tal como conhecida na técnica é mostrada na fotografia de microscopia ótica na Figura 1. O processo correspondente conhecido na técnica conforme utilizado para se obter a CMF convencional é mostrada esquematicamente na Figura 5 (Tecnologia C).

[0008] Devido à grande área de superfície e à alta proporção de aspecto (proporção entre o comprimento da fibrila e a largura da fibrila), a celulose microfibrilada costuma possuir uma boa capacidade para formar redes tridimensionais estáveis, em solução (incluindo água e solventes orgânicos). Em solução, a CMF tipicamente forma uma dispersão em gel altamente viscosa com propriedades de diluição do cisalhamento. Isto significa que, entre outras coisas, a celulose microfibrilada possui uma boa capacidade para estabilizar dispersões em estado estacionário, enquanto, ao mesmo tempo, torna a dispersão mais fácil de processar, por exemplo, no que diz respeito ao bombeamento. Isto se dá porque a viscosidade da dispersão de CMF é reduzida quando são aplicadas forças de cisalhamento. Como consequência, a viscosidade em cisalhamento zero, no, é comparativamente alta, enquanto que a viscosidade em cisalhamento alto é comparativamente reduzida.

[0009] Entretanto, embora a CMF conhecida na técnica exiba propriedades de diluição de cisalhamento, ela possui limitações no que diz respeito à retenção de água (capacidade para reter água) e/ou no que diz respeito ao grau de viscosidade de cisalhamento zero, no, que pode ser alcançada em certos solventes, por exemplo o polietileno glicol (PEG). Esta deficiência torna-se aparente, em particular, em aplicações de CMF de alto desempenho em revestimentos, tintas, adesivos, cosméticos, produtos para cuidados domésticos, produtos farmacêuticos (pomadas), etc.

[0010] Portanto, um dos objetivos da presente invenção é proporcionar celulose microfibrilada, a qual exibe propriedades reológicas melhoradas em dispersão em um solvente, em particular no polietileno glicol (PEG), e/ou celulose microfibrilada que possua propriedades de retenção de água melhorada, em dispersão, entre outras.

[0011] A invenção é descrita em maior detalhe a seguir, cm relação às figuras anexas, as quais são para fins meramente ilustrativos, em que:

[0012] A Figura 1a mostra uma imagem de microscopia (ampliação: 40x) de CMF tal como obtida de acordo com um processo conhecido na técnica (0,17% de CMF, em peso, em água; obtida em um homogeneizador Microfluidics conforme mostrado esquematicamente na Figura 5, Tecnologia C, e tal com obtido de acordo com o Exemplo Comparativo 2);

[0013] A Figura 1b mostra a MFC conforme a Figura 1a, mas agora a uma ampliação de 100x;

[0014] A Figura 2 mostra uma imagem de microscopia ótica de CMF de acordo com a presente invenção (ampliação 40x, 0,17% em peso de CMF em água), em que a CMF foi obtida de acordo com o Exemplo 1;

[0015] A Figura 3 mostra uma imagem de microscopia da CMF de acordo com a presente invenção a uma ampliação maior (100x), na mesma concentração de CMF;

[0016] A Figura 4 mostra um desenho esquemático do mecanismo proposto para a criação de CMF de acordo com a presente invenção, resultando na estrutura semelhante a uma escova nas extremidades das fibrilas, tal como visto por meio de microscopia ótica.

[0017] A Figura 5 mostra três diferentes métodos de criação de CMF; o painel superior (Tecnologia A) mostra um esboço do processo de criação de CMF de acordo com a presente invenção (tecnologia ‘de bocal’), em que fibras de polpa de celulose são expostas a um alto e súbito impacto (velocidade acelerando). Isto é contrastado com dois métodos conhecidos na técnica, em particular a tecnologia de Microfluidos ‘de câmara fixa’ mostrada na Figura 5 (Tecnologia C), a qual proporciona um caminho mais longo e, consequentemente, um impacto menos súbito nas fibras de polpa (imagem extraída da informação do produto fornecido pela Microfluidics Inc., EUA). Semelhantemente, a tecnologia de válvula de homogeneização mostrada na Figura 5 (Tecnologia B) ‘expande’ as fibras de polpa de celulose em um impacto menos súbito e menos acelerante (imagem extraída de Turbak et al., Journal of Applied Polymer Science: Applied Polymer Symposium 37, 815827, 1983). Processo para a fabricação da CMF de acordo com a presente invenção e CMF obtido por tal processo

[0018] Em um aspecto da presente invenção, e solucionando os objetivos previamente delineados, a celulose microfibrilada de acordo com a presente invenção é preparada e obtida por um processo, o qual inclui pelo menos as seguintes etapas: (a) Sujeitar a polpa de celulose a pelo menos uma etapa de pré-tratamento mecânico; (b) Sujeitar a polpa de celulose pré-tratada mecanicamente da etapa (a) a uma etapa de homogeneização, a qual resulta em fibrilas e feixos de fibrilas de comprimento reduzido e diâmetro vis-à-vis as fibras de celulose presentes na polpa de celulose pré-tratadas mecanicamente da etapa (a), a referida etapa (b) resultando em celulose microfibrilada; Em que a etapa de homogeneização (b) envolve comprimir a polpa de celulose da etapa (a) e submete-la a uma queda de pressão por meio da expansão da celulose através de pelo menos um orifício, proporcionando uma queda de pressão entre um segmento de volume, preferivelmente uma câmara, o qual está localizado a montante do referido orifício, e outro segmento de volume, preferivelmente uma câmara, o qual está localizado a jusante do referido orifício, área, Em que a referida queda de pressão é de pelo menos 1.000 bar, preferivelmente superior a 2.000 bar, preferivelmente superior a 2.500 bar, mais preferivelmente superior a 3.000 bar, e Em que as fibrilas de celulose são submetidas a um regime de fluxo turbulento no referido segmento de volume, de preferência uma câmara, que está localizada a jusante do referido orifício.

[0019] Preferivelmente, a etapa de pré-tratamento mecânico é, ou compreende, uma etapa de refinamento. O propósito da etapa de pré-tratamento mecânico, de acordo com o presente processo de criação de CMF, é “bater” a polpa de celulose a fim de aumentar a acessibilidade às paredes celulares, isto é, para aumentar a área de superfície.

[0020] Um refinador que é utilizado preferivelmente na etapa de pré-tratamento mecânico compreende pelo menos um disco rotativo. Ali, a pasta de polpa de celulose é sujeita a forças de cisalhamento entre pelo menos um disco rotativo e pelo menos um disco estacionário.

[0021] Assim sendo, de acordo com a presente invenção, um processo, ou celulose microfibrilada obtida ou obtenível de acordo com o referido processo, é preferido, em que a etapa de pré-tratamento mecânico compreende sujeitar a polpa de celulose a uma etapa de refinamento.

[0022] Uma forma de realização particularmente preferida refere-se a um processo, ou à celulose microfibrilada obtida ou obtenível pelo referido processo, em que a etapa de refinamento é repetida pelo menos 5 vezes, preferivelmente pelo menos 10 vezes, mais preferivelmente pelo menos 30 vezes.

[0023] Antes da etapa de pré-tratamento mecânico, ou em adição à etapa de pré-tratamento mecânico, o pré-tratamento enzimático da polpa de celulose é uma etapa adicional opcional que pode ser preferida para algumas aplicações. Em relação ao pré-tratamento enzimático em conjunto com a celulose microfobrilante, o respectivo conteúdo de WO 2007/091942 é aqui incorporado para referência. Qualquer outro tipo de tratamento, incluindo pré-tratamento químico, pode também ser incluído.

[0024] Na etapa de homogeneização (b), a qual deve ser conduzida após a etapa de pré-tratamento (mecânico), de acordo com a presente invenção, a pasta de polpa de celulose da etapa (a) é passada através de um homogeneizador pelo menos uma vez, preferivelmente pelo menos duas vezes.

[0025] O homogeneizador de acordo com a presente invenção é um homogeneizador de alta pressão compreendendo pelo menos um segmento de volume, preferivelmente uma câmara, a qual está localizada a montante de um orifício, pelo menos um orifício possuindo um diâmetro pequeno, e pelo menos um segmento de volume, preferivelmente pelo menos uma câmara, a qual está localizada a jusante do orifício, no qual a celulose (microfibrilada) é sujeita a uma área de fluxo turbulento, isto é, um regime de turbulência (isto é, um fluxo de turbulência não-laminar).

[0026] De acordo com a presente invenção, o termo “área de regime de fluxo turbulento” refere-se a um regime de fluxo, no qual o fluxo não é predominantemente caracterizado por um regime de fluxo laminar. Preferivelmente, o número de Reynolds, o qual é uma quantidade adimensional delimitando o regime de fluxo predominantemente laminar do regime de fluxo predominantemente turbulento (ocorrência de turbulências laterais, vórtices, etc.), no referido segmento de volume, preferivelmente câmara, a jusante do orifício, é maior que 100, preferivelmente maior que 1.000, mais preferivelmente maior que 2.000, mais preferivelmente maior que 10.000.

[0027] De acordo com a presente invenção, o termo “orifício” quer dizer uma abertura ou um bocal contido em um homogeneizador adequado para a homogeneização de celulose, e possuindo uma geometria definida ou definível, caracterizada, em particular, por um diâmetro ou outra dimensão adequada.

[0028] Em uma forma de realização preferida, o diâmetro do orifício utilizado nas etapas de homogeneização é de 100 μm a 700 μm, mais preferivelmente de 200 μm a 500 μm.

[0029] De acordo com a presente invenção, o termo “a montante” de determinado ponto de referência quer dizer “antes” do referido ponto de referência em termos da direção geral do fluxo do fluido. Correspondentemente, o termo “a jusante” de determinado ponto de referência quer dizer “após” o referido ponto de referência, em termos de direção geral do fluxo do fluido.

[0030] Em contraste com homogeneizadores convencionais, onde a fibrilação da celulose ocorre pela passagem das fibras de celulose através de câmaras ou válvulas de homogeneização (uma descrição detalhada do processo convencional de microfluidos é dado a seguir e é mostrado na Figura 5, Tecnologia C), a fibrilação das fibras de celulose no homogeneizador de acordo com a presente invenção ocorre pela compressão da celulose em uma câmara e pela passagem das fibras de celulose através de um orifício de diâmetro pequeno e uma subsequente câmara de turbulência. Pela passagem das fibras de celulose através de um orifício de diâmetro pequeno a uma alta pressão, as fibras de celulose são sujeitas a um impacto acelerado comparativamente alto.

[0031] A velocidade da polpa de celulose tal como determinada imediatamente após o referido orifício é de pelo menos 200m/s, mais preferivelmente maior que 500 m/s, e mais preferivelmente maior que 700 m/s.

[0032] O tempo de residência de um dado segmento de fluxo compreendendo fibras de celulose no orifício de diâmetro pequeno, de acordo com a presente invenção, é comparativamente curto, preferivelmente menor que 20 microssegundos, mais preferivelmente menor que 10 microssegundos, e mais preferivelmente menor que 2 microssegundos.

[0033] Em particular, a etapa de homogeneização (b) envolve comprimir a polpa de celulose da etapa (a) e sujeitá-la a uma queda de pressão, e assim expandindo a celulose através do referido orifício de diâmetro pequeno e sujeitando as fibras/fibrilas de celulose a um subsequente segmento de volume de fluxo de turbulência por meio de um diferencial de pressão entre o referido segmento de volume a montante e um segmento de volume a jusante, com o orifício localizado entre estes dois segmentos.

[0034] De acordo com a presente invenção, a referida queda de pressão é de pelo menos 1.000 bar, preferivelmente maior que 2.000 bar, preferivelmente maior que 2.500 bar, ainda mais preferivelmente maior que 3.000 bar.

[0035] Preferivelmente, a referida compressão é alcançada com um pistão, atuando dentro de uma câmara contendo as fibrilas pré-tratadas da etapa (a).

[0036] Após passar pela referida etapa de homogeneização (b), a pasta de celulose é agora “microfibrilada”, isto é, o comprimento e o diâmetro da fibra estão agora significativamente reduzido em comparação às fibras presentes na polpa de celulose inicial. Como resultado desta homogeneização, “fibrilas” são formadas. Além disto, de acordo com a presente invenção, as fibrilas de celulose / feixes de fibrilas são agora bifurcações da fibrila ‘principal’ para fibrilas secundárias menores, a pelo menos um dos dois pontos de extremidade dos respectivos feixos e/ou fibrilas individuais, preferivelmente bifurcações múltiplas, isto é, as extremidades das fibrilas são multiplamente bifurcadas.

[0037] Fibrila ‘principal’ deve ser entendida como a fibrila com a maior seção transversal dentre quaisquer fibrilas ou feixes de fibrilas que sejam discerníveis, neste contexto, em um microscópio ótico a uma ampliação de 40 vezes. ‘Bifurcação’ de extremidades de fibrilas deve ser entendida como o padrão na extremidade de tal fibrila principal com a aparência semelhante à escova das menores fibrilas sendo parcialmente liberadas em um ou dois pontos das extremidades de uma fibrila principal, mas ainda estando anexadas ao núcleo da fibrila principal. Tanto as fibrilas ‘principais’ quanto suas bifurcações de extremidades ‘semelhantes à escova’ são facilmente discerníveis nas imagens de microscopia ótica das Figuras 2 e 3, ambas mostrando CMF de acordo com a presente invenção.

[0038] Em outra forma de realização, a presente invenção também diz respeito à celulose microfibrilada, obtenível e/ou obtida através de um processo tal como descrito anteriormente. De acordo com a presente invenção, a celulose microfibrilada não é caracterizada pelos parâmetros de processo específicos, mas é um novo produto caracterizado por sua até então desconhecida morfologia, conforme discutido a seguir. CMF de acordo com a presente invenção, e sua morfologia

[0039] Os objetivos anteriormente discutidos, e outros objetivos, são alcançados pela celulose microfibrilada, na qual: i) O comprimento e o diâmetro das fibrilas de celulose e feixos de fibrilas são reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose e feixos de fibrilas compondo a celulose que foi utilizada como produto inicial; ii) Pelo menos uma fração dos feixos de fibrilas e das fibrilas individuais da celulose microfibrilada, possuindo comprimento e diâmetro reduzidos, possuem bifurcações em pelo menos uma extremidade das fibrilas principais, para fibrilas secundárias, preferivelmente bifurcações para três ou mais fibrilas secundárias, mais preferivelmente bifurcações pra quatro ou cinco ou mais fibrilas secundárias, em que as referidas fibrilas secundárias possuem um diâmetro menor que o da fibrila principal não-bifurcada, Em que o número de referidas extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas / feixos de fibrilas é de pelo menos 60 extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas (“estruturas de extremidades semelhantes a chicote/escova”) por mm2, tal como medido de acordo com o método de microscopia ótica de luz conforme aqui descrito, a uma ampliação de 40 vezes, preferivelmente pelo menos 80 extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas por mm2, mais preferivelmente pelo menos 100 ou pelo menos 140 extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas por mm2.

[0040] Alternativamente, estes e outros objetivos são alcançáveis pela celulose microfibrilada, em que: i) O comprimento e o diâmetro das fibrilas de celulose e feixos de fibrilas são reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose e feixos de fibrilas compondo a celulose que foi utilizada como produto inicial; ii) Pelo menos uma fração dos feixos de fibrilas e das fibrilas individuais da celulose microfibrilada, possuindo comprimento e diâmetro reduzidos, possui (múltiplas) bifurcações em pelo menos uma extremidade da fibrila principal para fibrilas secundárias, preferivelmente bifurcações para três ou mais ou quatro ou mais fibrilas secundárias em que as referidas fibrilas secundárias possuem um diâmetro menor que o da fibrila principal não-bifurcada, Em que a proporção do número de tais extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas (“estruturas de extremidade semelhantes à escova/chicote”) da celulose microfibrilada de acordo com a presente invenção em relação ao número de tais extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas de uma celulose microfibrilada de referência, de acordo com o processo aqui descrito, é de pelo menos 5, preferivelmente pelo menos 10, mais preferivelmente pelo menos 15, em que o número de extremidades (multiplamente) bifurcadas de fibras/fibrilas ou feixos de fibrilas é mensurada, para ambos os tipos de celulose microfibrilada, de acordo com o método de microscopia ótica de luz tal como aqui descrito, a uma ampliação de 40 vezes.

[0041] Moléculas de celulose em fibras de madeira são agregadas em fibrilas. A dimensão transversal das menores fibrilas (muitas vezes denominadas “fibrila elementar”) varia dependendo da origem da celulose, e é, por exemplo, cerca de 2-4 nm para celulose de madeira. Estas fibrilas elementares são agregadas em microfibrilas, que são ainda agregadas em maiores feixos de fibrilas (às vezes denominados ‘macrofibrilas’) e finalmente em fibras celulósicas. O diâmetro de fibras à base de madeira está tipicamente na faixa de 10-50 μm (com o comprimento destas fibras sendo ainda maior). Quando as fibras de celulose são microfibriladas, uma mistura heterogênea de fibrilas “liberadas” com dimensões transversais e comprimentos na faixa de nm a μn pode ser gerada. Fibrilas e feixos de fibrilas tipicamente coexistem na celulose microfibrilada resultante.

[0042] Na celulose, que é o produto inicial para a produção de celulose microfibrilada (tipicamente presente como uma “polpa de celulose”), nenhuma fração, ou pelo menos nenhuma fração significante ou nem ao menos uma fração notável de fibrilas de celulose individualizadas e “separadas” pode ser encontrada, por exemplo, por meio de microscopia ótica.

[0043] Na celulose microfibrilada (‘CMF’) tal como descrita ao longo da presente divulgação, fibrilas individuais ou feixos de fibrilas podem ser encontrados e facilmente discernidos por meio de microscopia ótica convencional, a uma ampliação de 40 x (veja a Figura 1a, mostrando a CMF “convencional” tal como obtida a partir de uma homogeneizador Microfluidics conforme discutido em maior detalhe a seguir e como mostrado esquematicamente na Figura 5, Tecnologia C). Estas fibrilas a feixos de fibrilas também são descritas como “(micro)fibrilas”. De acordo com a presente invenção, qualquer referência a “fibrilas” também inclui feixos de tais fibrilas.

[0044] Utilizando microscopia ótica a uma ampliação de 40 x, a morfologia nas extremidades das fibrilas pode ser estudada, bem como os comprimentos das fibrilas e o grau de emaranhamentos de fibrilas na estrutura de rede de CMF, permitindo assim conclusões sobre como a morfologia das fibrilas neste nível determina a macroestrutura de material de CMF, o que por sua vez é responsável pelas propriedades físicas tal como descritas na presente divulgação, em particular o valor de retenção de água e as propriedades reológicas em PEG.

[0045] A ampliação de 40 x foi escolhida para possuir uma quantidade razoável de fibrilas na determinada área da imagem a ser contada, na determinada concentração de material de CMF. Por meio da microscopia ótica, fibrilas individuais ou feixos de fibrilas ou fragmentos de fibra com diâmetro transversal maior que aproximadamente 200 nm podem ser estudadas. Fibrilas com diâmetro transversal abaixo desta faixa não podem ser totalmente discernidas ou vistas, mas estarão presentes, coexistindo com as fibrilas ou feixos de fibrilas que podem ser discernidos por meio de microscopia ótica tal como aqui descrito.

[0046] As (micro)fibrilas e sua morfologia são descritas, ao longo da presente divulgação, com base exclusivamente em estruturas discerníveis ao nível microscópico, isto é, tão discerníveis por meio de microscopia ótica quanto aqui descrito. O especialista entende que informações estruturais e/ou morfológicas adicionais podem ser discerníveis a uma maior ampliação ou pela utilização de outros métodos, em particular por métodos que possuem uma resolução melhor.

[0047] No geral, independentemente de quaisquer características morfológicas e/ou estruturais ou informações presentes em maior resolução, a presente divulgação descreve exclusivamente a estruturas de extremidades ‘semelhantes à escova’ conforme discerníveis por meio de microscopia ótica tal como aqui descrito.

[0048] Em particular, ao longo da presente divulgação, o termo ‘fibrila’ deve ser entendido como relativo a (agregados de) moléculas/fibrilas de celulose com dimensões transversais (diâmetros) de 2nm a 1 μm, incluindo tanto fibrilas individuais quanto feixos de fibrilas. Feixos ou agregados de fibrilas que ultrapassem 1 μm de diâmetro são considerados ‘fragmentos residuais de fibra’ ao longo da presente divulgação.

[0049] De acordo com a presente invenção, as fibrilas da CMF preferivelmente possuem um diâmetro na faixa dos nanômetros, a um comprimento na faixa dos micrômetros.

[0050] De acordo com a presente invenção, uma fração comparativamente menor de fibras de celulose (‘residuais’) maiores podem ainda estar presentes no produto de CMF, e podem, assim, coexistir com as fibrilas ou feixos de fibrilas microfibriladas.

[0051] Os efeitos subjacentes à presente invenção, em particular a presença de estruturas de extremidade semelhantes a escova, são essencialmente independentes da concentração da CMF no solvente (aqui: água). Contudo, para fins de referência, e conforme utilizado nos Exemplos para fins de quantificação e gráficos de microscopia conforme utilizados ao longo da presente invenção, esta concentração deve ser definida em 0,17% em peso.

[0052] O processo convencional conforme conhecido na técnica baseia-se na utilização do que é conhecido como ‘microfluidizador’. O homogeneizador Microfluidics é um dos homogeneizadores mais eficientes conhecidos na técnica anterior. O princípio de tal homogeneizador conhecido pela técnica é ilustrado na Figura 5 (Tecnologia C).

[0053] De acordo com a presente divulgação, o fluidificador/homogeneizador conforme utilizado como referência, é do tipo “Microfluidizador M-110EH” conforme oferecido pela Microfluidics Corp. e comumente conhecido na técnica. Um exemplo de um processo de homogeneização utilizando um microfluidizador é descrito, por exemplo, no pedido de patente WO 2007/091942.

[0054] No Microfluidizador conforme conhecido na técnica, a suspensão de fibras de celulose é sujeita a pressão diferencial por meio de passagem através de canais em formato de Z e/ou Y, os quais estão dispostos dentro de uma câmara. A suspensão de fibras de celulose é tipicamente passada através de pelo menos dois canais em formato de Z e/ou Y com vários diâmetros que são conectados em série, em primeiro lugar, tipicamente um canal em formato de Z ou Y com um diâmetro maior (por exemplo, 400 μm) e, em segundo lugar, um canal em formato de Z ou Y com um diâmetro menor (por exemplo 100-200 μm) para evitar a obstrução dos canais menores. A desfibrilação das fibras de celulose em fibrilas e/ou feixos de fibrilas é alcançada por causa do diferencial de pressão devido ao diâmetro pequeno nos canais e à turbulência criada dentro dos canais. Dentre outras características, a presença de tais canais em formatos de Z e/ou Y na etapa de homogeneização distingue o processo de Microfluidos do processo de homogeneização na presente invenção.

[0055] Outra característica que distingue o processo convencional de Microfluidos vis-à-vis o processo da presente invenção é que o tempo de residência em qualquer uma das câmaras/canais de Microfluidos é tipicamente maior que 20 microssegundos, sujeitando assim as fibras de celulose a um diferencial de pressão em um intervalo de tempo maior em comparação com o processo de homogeneização da presente invenção.

[0056] Essencialmente todas as fibrilas, feixos de fibrilas e fibras residuais maiores (acima de aproximadamente 40 mícron em comprimento) da CMF, conforme fabricada em um homogeneizador de Microfluidos convencional e vista em um microscópio ótico a uma ampliação de 40 x ou 100 x, terminam em extremidades de corte limpo, em ambas as extremidades da fibrila/fibra. Os feixos de fibrilas/fibrilas de menos comprimento possuem extremidades predominantemente não- bifurcadas. Somente algumas poucas destas extremidades são bifurcadas em fibrilas (secundárias) de diâmetro menor e, se bifurcadas, apenas uma pequena quantidade de bifurcações, tipicamente uma ou duas, está presente. Ainda menos, se houver, destas extremidades são altamente bifurcadas em estruturas de extremidade ‘semelhantes a escova’ (veja as imagens de microscopia das Figuras 1a e b).

[0057] Em contraste com a CMF convencional conhecida na técnica, conforme descrito anteriormente, e conforme ilustrado na Figura 2 (a uma ampliação de 40 vezes) e na Figura 3 (a uma ampliação maior, a saber, 100 vezes), na CMF de acordo com a presente invenção, uma parte significante das fibrilas ou feixos de fibrilas da CMF, conforme discernidas em microscopia ótica a uma ampliação de 40 vezes (e, na Figura 3, 100 vezes), não terminam em uma extremidade, mas a fibrila ‘principal’ se bifurca nesta extremidade, pelo menos uma vez, preferivelmente duas ou mais vezes, mais preferivelmente três ou mais vezes, ainda mais preferivelmente cinco ou mais vezes em segmentos de fibrilas secundárias de diâmetro menor que o da fibrila ‘principal’.

[0058] Estas novas fibrilas microfibriladas formam então um estrutura de extremidade semelhante a um “chicote” ou “pente” ou “escova” que está esquematicamente ilustrada na Figura 4, junto com o mecanismo proposto, pela qual estas novas estruturas podem se formar.

[0059] O mecanismo conforme mostrado na Figura 4 baseia-se no fato de que as fibras de celulose são sujeitas a uma alta queda de pressão (ΔP de pelo menos 1.000 bar, preferivelmente mais que 2.000 bar, preferivelmente mais que 2.500 bar, ainda mais preferivelmente 3.000 bar) e a um rápido aumento na velocidade de < 10 m/s até > 700 m/s em um curto período de tempo de apenas 1-2 microssegundos, o que é alcançado pela passagem da pasta através de um orifício de diâmetro pequeno.

[0060] Na câmara anterior ao orifício, as fibras/fibrilas de celulose são comprimidas e prensadas juntas, e quando as fibras/fibrilas são endireitadas enquanto passam através do orifício, isto ocorre em um segmento de tempo tão curto que um efeito chicote é criado.

[0061] Conforme também mostrado na Figura 4, quando a fibra/fibrila é apertada através do orifício, acredita-se que a fibra/fibrila é esticada, e quando a última extremidade deixa o orifício ela o faz com um estalo que quebra a extremidade da fibra/fibrila, criando múltiplas bifurcações ou “cílios”. O fator crítico determinante do efeito chicote é o quão rápido a força, isto é, a queda de pressão, é aplicada na fibra/fibrila.

[0062] Exte mecanismo proposto é fornecido apenas como uma explicação ilustrativa e não pretende indicar que este é necessariamente o (único) mecanismo aplicável.

[0063] De acordo com a presente invenção, o número de fibrilas, feixos de fibrilas e resíduos de fibras de celulose por área (aqui: a cada 1 mm2) mostrando (múltiplas) bifurcações em suas extremidades é determinado da seguinte forma: A CMF é diluída em água como um solvente, a um teor de sólidos de 0,17%. Uma gota desta amostra é colocada em uma lâmina de microscópio e é feita uma imagem de microscopia ótica das fibrilas individuais e dos feixos de fibrilas, a uma ampliação de 40x. Um campo de visão de 0,14 mm2 é escolhido. Então, o número de bifurcações em dois ou mais segmentos menores de fibrilas em pelo menos uma das respectivas extremidades é contado. Uma fibrila é contada como uma fibrila mostrando tal bifurcação se uma bifurcação é encontrada em uma extremidade ou em ambas as extremidades. Uma explicação mais detalhada deste método de microscopia encontra-se na Seção “Exemplos” a seguir.

[0064] O número de “estruturas de extremidade semelhantes a chicote ou escova” (extremidades multiplamente bifurcadas) encontrado na celulose microfibrilada de acordo com a presente invenção pode então ser comparada ao número de extremidade (multiplamente) bifurcadas (incluindo bifurcações múltiplas) encontradas na celulose microfibrilada convencional, utilizando-se a tecnologia Microfluidics conforme definida anteriormente.

[0065] Sem desejar estar limitado à teoria, acredita-se que a estrutura de extremidade semelhante a “escova” ou “chicote” das fibrilas ou feixos de fibrilas da CMF de acordo com a presente invenção proporciona estabilidade aumentada para redes tridimensionais de fibrilas enclausurando água e assim melhorando a capacidade de retenção de água do gel resultante, e também aumentando a viscosidade em descanso.

[0066] Sem desejar estar limitado pela teoria, acredita-se que dentro da macroestrutura (agregada) da CMF, conforme visível na microscopia ótica tal como utilizada ao longo da presente divulgação, as estruturas de extremidades bifurcadas/semelhantes a escova na CMF desta invenção contribuem para ‘aninhar’ fibrilas, feixos de fibrilas e agregados mais firmemente juntos, e a construir uma rede tridimensional mais rígida e estável medida pelas propriedades reológicas melhoradas e pelo aumento na viscosidade zero de cisalhamento em particular, em comparação com a CMF convencional. Além disto, esta rede tridimensional firme da CMF desta invenção pode aprisionar ou ligar água mais fortemente entre os agregados, esta CMF de acordo com a presente invenção, compreendendo também uma área de superfície aumentada e uma quantidade de grupos OH reativos maior sendo expostos à água através das extremidades altamente bifurcadas das fibrilas. Isto é demonstrado pelas propriedades de maior retenção de água desta nova CMF em comparação com a CMF convencional. Homogeneizador de acordo com a presente invenção

[0067] Em outra forma de realização, a presente invenção também diz respeito a um homogeneizador para utilização na fabricação de celulose microfibrilada (CMF), em que o homogeneizador é um homogeneizador de alta pressão adequado para sujeitar a pasta de celulose a uma queda de pressão de pelo menos 1.000 bar, preferivelmente mais que 2.000 bar, ainda mais preferivelmente mais que 2.500 bar, ainda mais preferivelmente mais que 3.000 bar, em que o referido homogeneizador de alta pressão compreende pelo menos os seguintes componentes: • Pelo menos um segmento de volume, preferivelmente uma câmara, que está localizada a montante de um orifício, • Pelo menos um orifício, • Pelo menos um segmento de volume, preferivelmente uma câmara, que está localizada a jusante do orifício, em que a celulose (microfibrilada) é sujeita a uma regime de fluxo turbulento.

[0068] Os parâmetros e os componentes do homogeneizador são como descritos na seção anterior em relação ao processo de fabricação.

[0069] O homogeneizador de acordo com a presente invenção é ainda ilustrado na Figura 5 (Tecnologia A).

[0070] Preferivelmente, o homogeneizador é utilizado para fabricar a CMF de acordo com a presente invenção. Dispersão semelhante a gel compreendendo a CMF de acordo com a invenção e possuindo propriedades tixotrópicas

[0071] Uma vez que a CMF de acordo com a presente invenção forma uma dispersão com um solvente, esta dispersão possuirá comportamento semelhante a gel (mostrando um comportamento semelhante a sólido mais pronunciado que um comportamento fluido típico).

[0072] As propriedades viscosas de uma dispersão semelhante a gel tal como formadas em solventes orgânicos são melhoradas, utilizando-se a CMF de acordo com a presente invenção, vis-à- vis as CMFs conhecidas na técnica, em particular no que diz respeito à viscosidade de cisalhamento zero. Sem desejar limitar-se à teoria, acredita-se que as redes tridimensionais de um gel de CMF são estabilizadas pelos “pincéis”/”escovas” nas extremidades das fibrilas, para a CMF de acordo com a presente invenção, enquanto que estas redes estabilizadas podem ser facilmente quebradas, uma vez que uma força de cisalhamento seja aplicada, por exemplo quando o gel estiver para ser transportado (bombeado) ou semelhante.

[0073] De acordo com outra forma de realização da presente invenção, uma dispersão semelhante a gel da celulose microfibrilada de acordo com a presente invenção é então caracterizada pelas seguintes características: i) O comprimento e o diâmetro das fibrilas e feixos de fibrilas são reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose compondo a celulose que foi utilizada no produto inicial; ii) A celulose microfibrilada resulta em uma dispersão semelhante a gel que possui uma viscosidade de cisalhamento zero, no, de pelo menos 5.000 Pa»s, preferivelmente pelo menos 6.000 Pa»s, mais preferivelmente pelo menos 7.000 Pa»s, conforme medido em polietileno glicol (PEG) como o solvente, e a um teor de sólidos da CMF de 0,65%.

[0074] Conforme já indicado anteriormente, a viscosidade de cisalhamento zero, n0 (“viscosidade em repouso”) é uma medida para a estabilidade da rede tridimensional compondo a dispersão semelhante ao gel. A viscosidade de cisalhamento zero, n0, da CMF de acordo com a presente invenção é maior que a viscosidade correspondente encontrada em dispersões semelhantes a gel compreendendo CMF como conhecida na técnica (veja a Seção “Resultados” a seguir).

[0075] A “viscosidade de cisalhamento zero” tal como aqui divulgado e reivindicado é medido como descrito a seguir na Seção “Exemplos”. Especificamente, a caracterização reológica das dispersões CMF (“comparativamente” e “de acordo com a invenção”) foram realizadas com PEG 400 como o solvente. “PEG 400” é um polietileno glicol com um peso molecular entre 380 e 420 g/mol e é amplamente utilizado em aplicações farmacêuticas e, portanto comumente conhecido e disponível.

[0076] As propriedades reológicas, em particular a viscosidade de cisalhamento zero foi/foram medidas em um reômetro do tipo Anton Paar Physica MCR 301. A temperatura em todas as medições foi de 25°C e uma geometria “placa-placa” foi utilizada (diâmetro: 50 mm). A medição reológica foi realizada como uma medição oscilante (varredura de amplitude) para avaliar o grau de estrutura nas dispersões (valores para a viscosidade complexa e o módulo de armazenamento G’lin são mostrados na Seção “Exemplos” a seguir) e como medidas de viscosidade rotacional, neste caso a viscosidade sendo medida como uma função da taxa de cisalhamento para avaliar a viscosidade em descanso (forças de cisalhamento ^ 0), bem como as propriedades de diluição de cisalhamento das dispersões.

[0077] Correspondentemente, a presente invenção também se refere a uma dispersão semelhante a gel conforme descrita anteriormente, isto é, um gel que compreende a CMF de acordo com a presente invenção conforme descrita anteriormente (caracterizada por suas propriedades morfológicas e/ou caracterizada por sua viscosidade de cisalhamento zero), em que a celulose microfibrilada está preferivelmente presente, no solvente, aqui em particular a CMF, a um teor de sólidos de 0,01% a 10%, preferivelmente 0,1% a 5%. Correspondentemente, o teor de solvente na dispersão semelhante a gel de acordo com a presente invenção é de 50% a 99%, preferivelmente 60% a 95%.

[0078] O solvente de acordo com a presente invenção pode ser um solvente orgânico, em particular um solvente orgânico polar, que pode ser prótico ou aprótico. Todos os solventes e adjuvantes comumente utilizados para preparar dispersões no respectivo campo (tintas, revestimentos, produtos cosméticos, produtos de cuidados domésticos, adesivos, produtos farmacêuticos, nutracêuticos) podem ser vantajosamente utilizados com o gel ou no gel de acordo com a presente invenção ou a fim de preparar o gel de acordo com a presente invenção.

[0079] Em uma forma de realização preferida, o solvente orgânico é escolhido a partir de álcoois, tal como o etanol, o glicerol e o propileno glicol. Em outra forma de realização preferida, o solvente é escolhido a partir de sistemas de solventes poliméricos, tais como polietileno glicol e polipropileno glicol e/ou a partir sistemas de polímeros com base em epóxi, acrilato e poliuretano, incluindo também acetato de polivinilo ou polivinil pirrolidona.

[0080] A dispersão semelhante a gel de acordo com a presente invenção também é caracterizada pelas seguintes propriedades/vantagens: Em uma forma de realização da presente invenção, o valor G’lin do gel compreendendo a celulose microfibrilada é de mais de 250 Pa, preferivelmente mais de 350 Pa.

[0081] No PEG como solvente, a CMF de acordo com a presente invenção também possui uma valor maior para G’lin (módulo de armazenamento) do que a CMF tal como obtida em um homogeneizador convencional (veja a tabela 2 nos exemplos). O valor G’lin proporciona uma estimativa para o “grau de estrutura” da amostra, quanto maior o G’lin, maior o grau de estrutura. O valor de G’lin é tipicamente associado com a estabilidade de armazenamento do gel/dispersão, enquanto que a viscosidade de cisalhamento zero é normalmente associada à habilidade de gel/dispersão vis-à-vis a sedimentação e no que diz respeito à estabilidade de armazenamento.

[0082] Por fim, conforme já indicado anteriormente, a presente invenção refere-se também a uma dispersão semelhante a gel, compreendendo a celulose microfibrilada conforme divulgada anteriormente, ou conforme obtida ou obtenível por um processo conforme descrito anteriormente, compreendendo celulose microfibrilada, em um solvente, em particular em água ou PEG, a um teor de sólidos de 0,01% a 10%, preferivelmente de 0,1% a 5%.

[0083] De acordo com a presente invenção, a celulose microfibrilada possui uma capacidade de contenção de água (capacidade de retenção de água) de mais de 75, preferivelmente mais de 80, mais preferivelmente mais de 100. A capacidade de retenção de água descreve a habilidade da CMF de reter água dentro da estrutura de CMF, e isto se refere novamente à superfície de área acessível. A capacidade de retenção de água é medida por centrifugação conforme descrito em maior detalhe a seguir na Seção “Exemplos”.

rigem da celulose utilizada para preparar a CMF

[0084] De acordo com a presente invenção, não há restrição específica no que diz respeito à origem da celulose, e, consequentemente, à da celulose microfibrilada. A princípio, o material bruto para as microfibrilas de celulose podem ser qualquer material celulósico, em particular madeira, plantas anuais, algodão, linho, palha, rami, bagaço (da cana de açúcar), algas adequadas, juta, beterraba, frutas cítricas, resíduos da indústria de processamento de alimentos ou culturas energéticas, ou celulose de origem bacteriana ou de origem animal, por exemplo, de tunicados.

[0085] Em uma forma de realização preferida, materiais à base de madeira são utilizados como matérias brutos, seja madeira-de-lei ou madeira comum ou ambas (em misturas). Mais preferivelmente a madeira comum é utilizada como material bruto, tanto um tipo ou misturas de diferentes tipos de madeira comum.

Celulose modificada (derivatizada) e não modificada (não derivatizada) / CMF

[0086] A celulose microfibrilada de acordo com a presente invenção pode ser não-modificada em relação a seus grupos funcionais ou pode ser fisicamente modificada ou quimicamente modificada ou ambos.

[0087] A modificação química da superfície das microfibrilas de celulose é preferivelmente alcançada por várias reações possíveis dos grupos funcionais de superfície das microfibrilas de celulose e mais particularmente dos grupos funcionais hidroxil, preferivelmente por: oxidação, reações de sililação, reações de eterificação, condensações com isocianatos, reações de alcoxilação com óxidos de alquileno ou reações de condensação ou de substituição com derivados de glicidilo. A modificação química pode ocorrer antes ou depois da etapa de desfibrilação.

[0088] As microfibrilas de celulose também podem ser modificadas por uma via física, seja por adsorção na superfície, ou por pulverização, ou por revestimento, ou por encapsulamento da microfibrila. As microfibrilas modificadas preferenciais podem ser obtidas por adsorção física de pelo menos um composto. A CMF pode ainda sem modificada pela associação com um composto anfílico (surfactante). O processo de fabricação de uma CMF de superfície modificada que é adicionada a uma composição viscosa curável é descrita em EP2408857.

EXEMPLOS

[0089] A seguir, as propriedades da CMF de acordo com a presente invenção são comparadas às propriedades da CMF conhecida na técnica anterior, em particular a CMF tal como produzida com equipamento conhecido na técnica anterior (homogeneizador Microfluidics de alta pressão). O homogeneizador Microfluidics de alta pressão um dos homogeneizadores mais eficientes conhecidos na técnica anterior. Tal homogeneizador/fluidizador do tipo “Microfluidizador M-110EH” é disponibilizado pela Microfluidics Corp. e a utilização de tal homogeneizador tal como comumente conhecida no campo são descritos, por exemplo, no pedido WO 2007/091942.

[0090] Uma etapa de pré-tratamento mecânico simples foi escolhida em detrimento de uma etapa de pré-tratamento químico mais complexa a fim de elucidar de forma mais clara e fácil as diferenças encontradas nos produtos resultantes produzidos pelos diferentes processos de homogeneização. A etapa de pré- tratamento mecânico foi realizada da mesma forma em todos os exemplos. Na verdade, os mesmos materiais iniciais foram também utilizados em todos os Exemplos, e a polpa de celulose pré-tratada que entrou no homogeneizador foi a mesma para todos os Exemplos. Qualquer diferença no produto de celulose microfibrilada deve-se, portanto, a diferenças no processamento no homogeneizador.

Exemplo 1 (de acordo com a invenção)

[0091] Uma amostra de CMF de acordo com a presente invenção foi preparada da seguinte forma: polpa de celulose de Abeto vermelho norueguês (madeira comum) foi primeiro sujeita a uma etapa de refinamento conforme delineada anteriormente, utilizando um refinador em disco. A polpa de celulose foi passada através do refinador 40 vezes. Subsequentemente, a polpa de celulose refinada foi sujeita a duas etapas de homogeneização de acordo com a presente invenção, sob um alto diferencial de pressão de 3.000 bar e utilizando um orifício de 300 μm, e a um tratamento subsequente em uma zona de turbulência (após o orifício), resultando em um material de CMF de acordo com a presente invenção.

[0092] Dispersão em PEG400: 72,26 g de CMF (1,8% de teor bruto), foi dispersa em PEG 400 (127,74 g) utilizando uma Dispermat® a 1.500 rpm por 15 minutos. Uma dispersão de CMF em PEG 400 contendo 0,65% de CMF e 35% de H2O foi preparada desta forma.

Exemplo 2 (comparativo)

[0093] O Exemplo 1 foi repetido utilizando-se um processo de homogeneização de Microfluidos convencional, onde a polpa de celulose refinada foi passada através de um canal de 400 μm e um canal de 100 μm a uma pressão de 2.000 bar. A etapa de homogeneização foi repetida duas vezes.

[0094] Uma dispersão de CMF em PEG 400 contendo 0,65% de CMF de Microfluidos e 35% de H2O foi preparada conforme descrito o Exemplo 1.

Exemplo 3 (comparativo)

[0095] O Exemplo 1 foi repetido utilizando-se um processo de homogeneização de Microfluidos convencional em que a polpa de celulose refinada foi passada por um canal de 400 μm e um canal de 100 μm a uma pressão de 2.000 bar. A etapa de homogeneização foi repetida cinco vezes.

[0096] Uma dispersão de CMF em PEG 400 contendo 0,65% de Microfluidos de CMF e 35% de H2O foi preparada conforme descrito no Exemplo 1.

Medindo Características de Desempenho: Parâmetros Reológicos e Retenção de Água

[0097] A caracterização reológica das dispersões de CMF em PEG 400 foi realizada em um reômetro (Anton Paar Physica MCR 301). A temperatura nas medições foi de 25°C e uma geometria “placa-placa” foi utilizada (diâmetro: 50 mm). As medições reológicas foram realizadas como uma medição oscilante (varredura de amplitude) para avaliar o grau de estrutura nas dispersões (os valores da viscosidade complexa e do módulo de armazenamento G’lin são dados na tabela a seguir) e como uma medição de viscosidade rotacional, em que a viscosidade foi medida em função da taxa de cisalhamento para avaliar a viscosidade em descanso (viscosidade de cisalhamento zero) e as propriedade de dispersão de cisalhamento das dispersões.

[0098] A capacidade de retenção de água foi medida pela diluição de amostras de CMF a um teor de sólidos de 0,3% em água e então pela centrifugação das amostras a 1.000 G por 15 minutos. A fase de água transparente foi separada do sedimento e o sedimento foi pesado. A capacidade de retenção de água é dada com (mV/mT)-1 onde mV é o peso do sedimento úmido e mT é o peso da CMF seca analisada. Resultados

[0099] A CMF de acordo com a presente invenção exibe vantajosas propriedades de retenção de água (veja a Tabela 1). Tabela 1 Capacidade de retenção de água

[0100] Sem desejar limitar-se à teoria, acredita-se que a retenção de água melhorada se deve à morfologia específica das fibrilas/feixos de fibrilas de CMF, de acordo com a presente invenção, em particular devido ao fato de que as extremidades das fibrilas são parcialmente ou completamente divididas em segmentos de extremidade menores, em particular em uma estrutura semelhante a escova ou semelhante a pincel.

[0101] O processo de acordo com a presente invenção proporciona um material de CMF altamente desfibrilada, resultando, entre outras coisas, em uma área de superfície comparativamente grande com um grande número de grupos OH disponíveis. Como pode ser visto na Tabela 1, a capacidade de retenção de água da CMF de acordo com a presente invenção (Exemplo 1) é substancialmente maior que a capacidade de retenção de água dos materiais de CMF produzidos utilizando-se um homogeneizador de microfluidos (exemplos comparativos 2 e 3).

[0102] O processamento adicional da polpa de celulose refinada pelo aumento do número de etapas de homogeneização de dois para cinco no homogeneizador de Microfluidos (exemplos comparativos 2 e 3, respectivamente) não resultou em um aumento significativo na capacidade de retenção de água da CMF. Este resultado corresponde à expectativa de que a morfologia específica da CMF e as estruturas de extremidades semelhantes a pincel das fibrilas/feixos de fibrilas da CMF de acordo com a presente invenção (Exemplo 1) são o que proporciona a capacidade de retenção de água substancialmente alta tal como medida, em comparação com as da CMF convencional conforme descrita pela técnica anterior.

[0103] A CMF de acordo com a presente invenção possui também uma resistência de drenagem muito alta. Por conseguinte, os métodos padrão para a medição da retenção de água na celulose como JAPAN TAPPI n°. 2 6, SCAN-C 60:00 ou Tappi UM 256 não podem ser utilizados (uma vez que estes métodos padrão incluem uma etapa de filtragem), diferenciando ainda mais a CMF das outras CMFs conforme descritas na técnica anterior.

[0104] A CMF de acordo com a presente invenção exibe também, em particular, propriedades reológicas vantajosas em solventes/sistemas orgânicos, tais como polietileno glicol (veja a Tabela 2). Tabela 2 Propriedades reológicas em polietileno glicol

[0105] Na tabela 2, vários parâmetros reológicos relevantes são medidos para a CMF em polietileno glicol, de acordo com a presente invenção, e são comparados aos respectivos parâmetros reológicos tal como medidos para a CMF produzida de acordo com processos conhecidos da técnica anterior, os quais não resultam na morfologia específica e/ou nos parâmetros de desempenho da CMF da presente invenção. Esta MFC tal como conhecida na técnica pode ser obtida, por exemplo, por meio da utilização de um "homogeneizador de microfluidos" na etapa de homogeneização (b).

Avaliação da morfologia da MFC da invenção

[0106] Na microscopia ótica de luz (microscopia de contraste de fase, veja as Figuras 1a e b, 2 e 3) observou-se que as microfibrilas das CMF da invenção são morfologicamente diferentes (desfibriladas de maneira diferente, estruturas de extremidade semelhantes a “chicote/pincel” conforme discutido anteriormente) das microfibrilas no material produzido com o homogeneizador de microfluidos.

[0107] As amostras de fibrilas de CMF conforme discutidas anteriormente foram dispersas a um teor de sólidos de 0,17% em água e observado em um microscópio Olympus BX51 pela utilização de contraste de fase e ampliações variando de 10 a 200 vezes. Para fins de contagem e comparação, a ampliação utilizada foi de 40x.

[0108] Para cada uma das amostras de CMF, duas amostras individuais com um teor de sólidos de 0,17% de CMF em água foram preparadas, e de cada uma destas, 2-4 amostras foram preparadas para a obtenção de imagens ao colocar uma gota em uma lâmina de microscópio de tampa de vidro de tamanho 1.5 (0,17 mm de espessura). As amostras foram estudadas por um microscópio Olympus BX51 a uma ampliação de 40x com contraste de fase. A ampliação de 40x foi escolhida por possuir uma quantidade razoável de fibrilas/feixos de fibrilas na determinada área a ser contada (veja detalhes adicionais no que diz respeito à avaliação do número de “pincel” conforme discutido a seguir). Com a utilização desta ampliação, as estruturas de extremidades semelhantes a chicote/pincel são bem visíveis e é possível também contar as fibrilas/feixos de fibrilas <10 mícron, em que os 10 mícron referem-se ao comprimento das fibrilas/feixos de fibrilas.

[0109] O local das imagens obtidas na amostra (gota de dispersão de CMF em água em uma lâmina de microscópio) foi escolhido aleatoriamente, fornecendo imagens representando uma quantidade de fibrilas razoavelmente alta, e até oito imagens são obtidas para cada preparação de amostra. Utilizando-se o AnalySIS Soft Imaging System, uma grade de 500x500 pixel (= 1 quadrado) foi desenhada sobre as imagens, cada imagem compreendendo ao todo 2.000 pixel de altura x 2.500 pixel de largura (= 20 quadrados (4x5)). O número de estruturas de extremidades semelhantes a chicote/pincel foi contada dentro da grade de 500x500 pixel, contando uma área total de 2.000x2.500 pixel para cada imagem, contando 5-12 imagens ou 100-240 quadrados de 500x500 pixels para cada amostra de diluição de 0,17% de CMF.

[0110] Caso uma bifurcação fosse encontrada em uma extremidade de uma fibrila, ela era contada como uma ocorrência de um “pincel”, e se a bifurcação fosse encontrada em ambas as extremidades, ela era contada como dois pincéis. As bifurcações ao longo/no meio das fibrilas não foram contadas. O número médio de estruturas de extremidade semelhantes a chicote/pincel foi então calculado para uma área de 2.000x2.500 pixel, ou pela utilização da barra de escala do sistema de obtenção de imagens de 200 micrometros = 1.200 pixel; para uma área de aproximadamente 0,139 mm2. O desvio- padrão do número médio de estruturas de extremidades semelhantes a pincel também foi avaliado. A proporção do número de estruturas de extremidades semelhantes a pincel na CMF de acordo com a invenção relativo à amostra da CMD do Microfluidizador convencional é então calculada conforme mostrado a seguir. Tabela 3 Avaliação da morfologia da CMF por microscopia

XX1111111111

[0111] Conforme visto na Tabela 3 anteriormente; a primeira contagem obteve, em média, 22,2 e 21 estruturas de extremidades semelhantes a chicote/pincel para a CMF de acordo com a presente invenção (Exemplo 1), por área de 2.000x2.500 pixels ou cerca de 0,14 mm2 aleatoriamente selecionados e amostrados para a obtenção de imagem.

[0112] Por contraste, a amostra da CMF convencional do homogeneizador Microfluidics (Exemplo 2) obteve, em média, 1,2 estruturas semelhantes a pincel nas extremidades, o que significa que a CMF convencional possui pouquíssimas ou praticamente nenhuma estrutura semelhante a pincel nas extremidades das fibrilas. Isto se aplica ainda mais, uma vez que, em geral, muitas das estruturas de extremidade bifurcada contadas na CMF convencional são diferentes da CMF de acordo coma presente invenção, no sentido de que elas possuem apenas algumas, geralmente apenas uma ou duas, bifurcações. A CMF convencional também costuma ser “peluda” ao longo do comprimento da fibrila e as bifurcações na extremidade não são observadas para fibrilas/feixos de fibrilas maiores que 40 microns. Na CMF de Microfluidizador convencional, as fibrilas/feixos de fibrilas de tamanho maior geralmente são cortados de maneira reta em ambas as extremidades. Independentemente do fato de que muitas, se não a maioria, dos “pincéis” da CMF convencional são apenas levemente ou fracamente bifurcadas, ainda assim estas estruturas foram contadas como “pincéis”.

[0113] Em uma segunda rodada de determinação do número de “pincéis” (as duas últimas linhas da tabela anterior), mais das estruturas de extremidade de pincel de fibrilas pequenas menos visíveis e mais incertas foram incluídas na contagem, ao focar em áreas que não estão bem definidas, e assim, o número total de “pincéis” contados foi maior. Contudo, o resultado relativo relevante (entre 17 - 19 vezes mais “pincéis” para a CMF de acordo com a presente vis-à-vis a CMF convencional) não foi afetada por este método de contagem refinada.

[0114] Outra diferença interessante na morfologia é que a estrutura de agregados da CMF “de Microfluidificador” convencional é mais “aberta” que a CMF de acordo com a presente invenção. As estruturas de extremidade semelhantes a pincel presentes na CMF da invenção contribuem para “aninhar” as fibrilas e os agregados juntos (veja a Figura 3), para construir uma rede mais firme e para prender água ou ligar água mais fortemente dentro dos agregados. Este efeito da morfologia também é medido quanto maior for o valor de retenção de água, conforme discutido anteriormente.

Claims

1. Celulose microfibrilada, caracterizada por: i) o comprimento e o diâmetro das fibrilas de celulose e dos feixos de fibrilas serem reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose e feixos de fibras que compõem a celulose que foi utilizada como um produto inicial; ii) pelo menos uma fração dos feixos de fibrilas e das fibrilas individuais da celulose microfibrilada possuir comprimento e diâmetro reduzidos, possuindo bifurcações em pelo menos uma extremidade das fibrilas principais em fibrilas secundárias, em que as referidas fibrilas secundárias possuem um diâmetro menor que o da fibrila principal não- bifurcada, em que o número das referidas extremidades bifurcadas das fibrilas/feixos de fibrilas é de pelo menos 60 extremidades bifurcadas de fibrilas por mm2, conforme medido de acordo com um método de microscopia ótica de luz a uma ampliação de 40 vezes e conforme medidas a um teor de sólidos de 0,17% de celulose microfibrilada em água.

2. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o número de extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas ser de pelo menos 100 extremidades bifurcadas de fibrilas por mm2.

3. Celulose microfibrilada, caracterizada por: i) o comprimento e o diâmetro das fibrilas de celulose e dos feixos de fibrilas serem reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose e feixos de fibras que compõem a celulose que foi utilizada como um produto inicial; ii) pelo menos uma fração dos feixos de fibrilas e das fibrilas individuais da celulose microfibrilada, possuir comprimento e diâmetro reduzidos, possuindo múltiplas bifurcações em pelo menos uma extremidade das fibrilas principais em fibrilas secundárias, em que as referidas fibrilas secundárias possuem um diâmetro menor que o da fibrila principal não- bifurcada, em que a proporção entre o número de tais extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas da celulose microfibrilada relativo ao número de tais extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas de uma celulose microfibrilada de referência, é de pelo menos 5, em que a celulose microfibrilada tenha sido homogeneizada por a) submeter a polpa de celulose a pelo menos uma etapa de pré-tratamento mecânico; e b) passar a polpa de celulose pré-tratada mecanicamente da etapa (a) através de um canal de 400 μm e um canal de 100 μm a uma pressão de 200 MPa (2.000 bar); em que o número de extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas é medido por microscopia ótica de luz a uma ampliação de 40 vezes, e conforme medido a um teor de sólidos de 0,17% de celulose microfibrilada em água.

4. Dispersão semelhante a gel da celulose microfibrilada conforme definida nas reivindicações 1 ou 3, caracterizada por compreender celulose microfibrilada a um teor de sólidos de 0,01% a 10%, em que a celulose microfibrilada esteja dispersa em PEG 400 ou água.

5. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada por o teor de sólidos da celulose microfibrilada ser de 0,1% a 5%.

6. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por uma das múltiplas bifurcações compreender três ou mais fibrilas secundárias.

7. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a proporção entre o número de tais extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas da celulose microfibrilada relativo ao número de tais extremidades bifurcadas de fibrilas/feixos de fibrilas de uma celulose microfibrilada de referência ser de pelo menos 15.

8. Celulose microfibrilada, caracterizada por: i) uma dispersão da referida celulose microfibrilada compreendendo fibrilas e feixos de fibrilas e possuir viscosidade de cisalhamento zero, no, de pelo menos 5.000 Pa.s em PEG400, tal como medido a um teor de sólidos de CMF de 0,65%, em que ii) o comprimento e o diâmetro das fibrilas e feixos de fibrilas da celulose microfibrilada são reduzidos vis-à-vis os respectivos comprimento e diâmetro das fibras de celulose e feixos de fibras que compõem a celulose que foi utilizada como um produto inicial; e iii) pelo menos uma fração das fibrilas e dos feixos de fibrilas da celulose microfibrilada compreende bifurcações em pelo menos uma extremidade das fibrilas principais em fibrilas secundárias, em que as fibrilas secundárias possuem um diâmetro menor que o da fibrila principal não-bifurcada.

9. Celulose microfibrilada, de caracterizada pelo módulo de dispersão semelhante a gel microfibrilada em PEG 400 ser medido a um teor de sólidos de 0,

10. Celulose microfibrilada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada por possuir uma retenção de água, de pelo menos 80, em que a retenção de água é medida pela diluição de amostras de CMF a um teor de sólidos de 0,3% em água e então centrifugando as amostras a 1.000 G por 15 minutos, em que a fase de água transparente é separada do sedimento e o sedimento é pesado, em que a capacidade de retenção de água é determinada por (mV/mT)-1, onde mV é o peso do sedimento úmido e mT é o peso do sedimento seco de CMF analisado.

11. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por a retenção de água ser de pelo menos 100.

12. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo valor do módulo de armazenamento G’lin ser maior que 350 Pa.

13. Celulose microfibrilada, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por a viscosidade de cisalhamento zero ser de pelo menos 7.000 Pa.s.