ES2928070T3 - Composición de celulosa bimodal - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un método para producir a partir de médula de celulosa una composición que tiene una distribución bimodal de sus componentes. La composición se puede usar para modificar las propiedades reológicas de las composiciones de materia y para fabricar artículos de fabricación y nanocompuestos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Composición de celulosa bimodal

Campo de la invención

La presente descripción está relacionada con el campo de los materiales a base de celulosa parenquimatosa. Más particularmente, proporciona una nueva composición de nanocelulosa a partir de una fuente no maderera como el bagazo o la médula del bagazo, así como sus usos y métodos de fabricación.

Antecedentes

La celulosa es una sustancia de gran importancia industrial con numerosas aplicaciones. La fuente principal de celulosa en aplicaciones industriales es la pulpa de celulosa a base de madera. Sin embargo, en el uso de materias primas a base de madera existen varios problemas, como cuestiones ambientales relacionadas con el uso no sostenible de la tierra y el suelo y el gran consumo de energía necesario para cultivar, cosechar y procesar materiales a base de madera. Estos problemas han creado la necesidad de encontrar, por un lado, fuentes alternativas de celulosa para producir nuevos materiales celulósicos. Además, la industria busca constantemente métodos y materias primas más económicos para producir productos celulósicos de gran calidad.

En la naturaleza, la celulosa natural siempre se encuentra en forma microfibrilar, formando parte de las estructuras de la pared de la célula vegetal. En las paredes celulares primarias, especialmente en las células parenquimatosas, las microfibrillas de celulosa se distribuyen aleatoriamente formando una capa de membrana flexible junto con otros polisacáridos, como la pectina y las hemicelulosas. En ciertas especies vegetales se forma una estructura de pared secundaria adicional después de que la célula haya crecido por completo, especialmente en varias especies de madera. En las paredes celulares secundarias, las microfibrillas están muy alineadas, en su mayoría en la misma dirección y unidas estrechamente entre sí a través de puentes de lignina covalentes y puentes de hidrógeno, formando una estructura muy rígida.

Las microfibrillas de celulosa ubicadas en paredes primarias o secundarias son estructuralmente muy similares, si no idénticas (Thomas et al., Structure of Cellulose Microfibrils in Primary Cell Walls). Ambos tipos de microfibrillas constan de cadenas de macromoléculas de celulosa altamente alineadas que forman cristales de celulosa mecánicamente fuertes con cadenas poliméricas paralelas unidas por hidrógeno. Generalmente se considera que las microfibrillas contienen solo unas pocas fallas a lo largo de su eje, aunque el grado de cristalinidad varía entre especies vegetales, siendo generalmente mayor para las microfibrillas obtenidas de paredes secundarias. Se entiende comúnmente que, dependiendo de la especie vegetal, 18, 24 o 36 cadenas de celulosa forman la estructura alineada más pequeña, que se conoce como fibrilla elemental de celulosa con un diámetro de unos pocos nanómetros y longitudes de hasta decenas de micrómetros. Estas nanofibras tienen propiedades mecánicas notables: resistencia a la tracción del orden de 138 GPa y tenacidad del orden de 13 GPa. Por lo tanto, las microfibrillas celulósicas tienen interés si pueden disociarse en fibras individuales.

Aunque las paredes celulares secundarias, por ejemplo, en la madera, son ricas en microfibrillas de celulosa, el aislamiento de las estructuras sin dañar las propias fibrillas es muy difícil. Además, el procedimiento de fibrilación necesario es complicado, costoso y, a menudo, se necesita un pretratamiento químico antes de la fibrilación. Sin embargo, los tejidos vegetales hechos de paredes celulares primarias constituyen una fuente alternativa para la separación de las microfibrillas. Las células con paredes primarias son comunes, por ejemplo, en todas las especies de frutas y hortalizas. Estas plantas están compuestas principalmente por células parenquimatosas, es decir, tejido molido que generalmente constituye el tejido de «relleno» en las partes blandas de las plantas. Tienen paredes celulares primarias delgadas pero flexibles y no suele existir pared celular secundaria. El tejido parenquimatoso tiene diversas funciones, por ejemplo, almacenar almidón en tubérculos, como la papa y la mandioca, o almacenar sacarosa en la remolacha azucarera y la médula de la caña de azúcar. Además del depósito suelto de las microfibrillas en las paredes primarias, los otros polisacáridos presentes en la pared celular tienen una naturaleza más cargada, lo que permite un procesamiento más fácil para separar las microfibrillas individuales.

En ciertas especies vegetales coexisten estructuras de paredes celulares primarias y secundarias. Por ejemplo, en varias gramíneas, la estructura de la planta se compone de una cubierta externa rígida hecha de fibras de celulosa macroscópicas con una pared celular secundaria gruesa y un núcleo interno blando, un tejido de médula, hecho predominantemente de células parenquimatosas con una pared primaria delgada. La parte central contiene a menudo también una pequeña fracción de fibras de celulosa. Como se describió, las microfibrillas de celulosa en las paredes primarias son más fáciles de separar que las fibrillas en las estructuras de las paredes secundarias.

La caña de azúcar es una planta económicamente importante con una cosecha mundial estimada de 1,83 billones de toneladas. La caña de azúcar mide de 3 a 6 metros de altura y consta de tallos robustos y articulados, ricos en sacarosa. Los tallos maduros tienen una composición del (11 -16)% de fibra, (12-16)% de azúcares solubles y (63-73)% de agua. Los tallos en sí constan una capa exterior dura llamada tejido dérmico que funciona impermeabilizando el núcleo interno y fortaleciendo el tallo, lo que le permite crecer alto. El núcleo interno blando consta del tejido molido que se ha llenado alrededor del tejido vascular. Más específicamente, el tejido vascular molido consta principalmente de células parenquimatosas.

Las cañas de azúcar generalmente se procesan triturando mecánicamente los tallos para eliminar el jugo rico en azúcar. A partir de entonces, la materia fibrosa usada, denominada bagazo, puede utilizarse en la producción de biocombustibles o en la fabricación de pulpa para productos de papel y cartón o materiales de construcción. Especialmente para las industrias del papel y la pulpa, el bagazo se almacena húmedo para ayudar a eliminar las fibras de médula cortas y las células parenquimatosas blandas, es decir, el núcleo interno más blando, que impide el procedimiento de fabricación de papel y cartón. Se han desarrollado varios procedimientos mecánicos para ayudar a la eliminación de la médula, incluida la trituración con martillo y el fraccionamiento en seco. La fracción resultante se denomina médula del bagazo o médula del bagazo usada.

La médula del bagazo usada comprende predominantemente pectina, arabinogalactano y celulosa. Otros constituyentes biológicos naturales de la médula del bagazo, tales como proteínas grasas, oligosacáridos solubles y otros componentes de peso molecular bajo, se extraen en gran medida de la caña de azúcar durante la eliminación de la sacarosa de esta. El resto polisacáridos en la médula del bagazo generalmente conjugados, residuos de células en forma de partículas que tienen morfologías generalmente características de las células parenquimatosas que se encuentran en ciertas plantas superiores. A menudo, la médula del bagazo también contiene una pequeña cantidad de fibras de celulosa incluso después del procedimiento de eliminación de la médula: aunque el tejido de la médula está compuesto predominantemente por células parenquimatosas, hay una pequeña cantidad de fibras de celulosa para estabilizar el tejido blando en la estructura original de la planta. Se han encontrado pocos usos económicos para la médula del bagazo. Por ejemplo, la médula del bagazo es un material que se estropea rápidamente y, en consecuencia, constituye un problema ambiental local. Por lo tanto, se necesitan usos alternativos para estas corrientes de desechos.

Las siguientes patentes representan el estado actual de la técnica del procesamiento del bagazo. Hasta ahora, los productos a base de bagazo se han fabricado fibrilando el componente celulósico del bagazo extraído de las estructuras de la pared secundaria y/o extraído usando líquidos iónicos.

En el documento CN 103422379 se describe un método para la preparación de fibras de celulosa secas a partir de bagazo. El método comprende el tratamiento con ácido y base, seguido de una molienda mecánica para obtener una biomasa uniforme.

En el documento CN 102505546 se describe un método para la preparación de nanofibras de celulosa homogéneas a partir de caña de azúcar, en donde las fibras de celulosa se extraen en líquidos iónicos seguido de fibrilación a alta presión. El producto resultante se basa principalmente en estructuras de pared secundaria, no en celulosa parenquimatosa.

En el documento US 20080227753 A1 se describe un método para la preparación de fibras del bagazo de caña de azúcar mediante la pulverización de un bagazo congelado y seco para su uso como suplemento dietético.

En el documento US 2008/227753 se describe una composición de fibras del bagazo de tamaño nanométrico.

En el documento US 2004/086626 se describe un método para refinar celulosa.

Aunque se prevén algunos usos para las corrientes de desechos de alimentos/piensos ricos en celulosa, debido a los requisitos logísticos sería beneficioso poder procesar la materia prima localmente sin necesidad de transporte.

Además, sería ventajoso poder procesar materias primas de gran volumen en productos de gran calidad.

Es un objetivo resolver o reducir al menos algunos de los problemas relacionados con los materiales celulósicos anteriores y sus métodos de producción, como se analizó anteriormente. En particular, un objetivo es proporcionar a partir de una nueva materia prima una fuente para la fabricación de materiales celulósicos que tengan buenas propiedades reológicas y/o aglutinantes en suspensiones acuosas y buenas propiedades mecánicas y/o aglutinantes en estado seco.

Otro objetivo es dar un nuevo uso a la médula del bagazo usada.

Otro objetivo es proporcionar composiciones aditivas para aplicaciones industriales, en particular la fabricación de papel y cartón.

Otro objetivo es proporcionar nuevos artículos de fabricación de alto rendimiento.

Sumario de la invención

En esta invención, describimos un método novedoso para separar específicamente las microfibrillas de celulosa de las estructuras de la pared primaria mientras se mantienen las fibras de celulosa en estado natural, lo que produce una mezcla novedosa de celulosa parenquimatosa nanofibrilar y fibras de celulosa.

De acuerdo con el primer aspecto, se proporciona una composición que comprende:

A. celulosa parenquimatosa nanofibrilar; y

B. fibras de celulosa;

en donde tanto A como B se obtienen a partir de médula de celulosa.

Un elemento central de esta invención es el hallazgo de que la médula de celulosa, que se forma a partir de una mezcla de células parenquimatosas y fibras de celulosa, se puede procesar en una composición con una distribución bimodal de objetos de partículas fibrosas celulósicas, que comprende fibrillas de celulosa parenquimatosa nanofibriladas de células parenquimatosas y fibras de celulosa sin fibrilar. Esta mezcla permite una estructura nanocompuesta natural, que conduce a diferentes propiedades mecánicas y reológicas en comparación con sus materiales nanocelulósicos parenquimatosos puros análogos, extraídos, por ejemplo, de patata o remolacha azucarera o materiales nanocelulósicos extraídos de las paredes celulares secundarias.

La presente composición a base de médula de celulosa tiene varias propiedades ventajosas en comparación con la celulosa nanofibrilar de base puramente parenquimal. Dado que la presente invención contiene una mezcla bimodal de celulosa parenquimatosa nanofibrilar y fibras de celulosa, las propiedades reológicas y mecánicas resultantes difieren de sus contrapartes nanocelulósicas puras, lo que las hace especialmente adecuadas para ciertas aplicaciones, tales como papel y cartón, cosméticos, alimentos y piensos, extracción de petróleo, pinturas y adhesivos, industrias agrícolas y de materiales compuestos. Más específicamente, las aplicaciones en donde la distribución bimodal de fibrillas no tiene un efecto adverso sobre las propiedades del producto son las más adecuadas, por ejemplo, agentes de refuerzo de papel y cartón, aglutinantes de alimentos y piensos, modificadores de la reología o extracción de petróleo.

De acuerdo con un segundo aspecto, se proporciona un uso, o un método de uso, de la composición de acuerdo con el primer aspecto para modificar las propiedades reológicas de una composición de materia. La composición de acuerdo con el primer aspecto puede incorporarse o incluirse en dicha composición de materia.

De acuerdo con un tercer aspecto, se proporciona un uso, o un método de uso, de la composición de acuerdo con el primer aspecto para mejorar al menos uno de los siguientes: apresto, resistencia, control de incrustaciones, drenaje, deshidratación, retención, clarificación, formación, adsorbancia, formación de películas, formación de membranas y complejación de polielectrolitos durante la fabricación de papel o cartón.

De acuerdo con un cuarto aspecto, se proporciona un uso de la composición de acuerdo con el primer aspecto para mejorar la estabilidad de un sistema de emulsión, suspensión, dispersión o espuma.

De acuerdo con un quinto aspecto, se proporciona un artículo de fabricación que comprende la composición de acuerdo con el primer aspecto, o está formado por esta.

El artículo es reciclable, fácil de fabricar y obtenible a partir de una materia prima de bajo coste. Además, sus propiedades mecánicas se pueden ajustar, por ejemplo, cambiando la relación A/B o el grado de fibrilación.

De acuerdo con un sexto aspecto, se proporciona un método para hacer un artículo de fabricación que comprende un paso de uso de la composición de acuerdo con el primer aspecto. El artículo se puede fabricar utilizando métodos similares a los conocidos por los expertos en hacer artículos manufacturados a partir de materiales celulósicos tales como microcelulosa o nanocelulosa.

De acuerdo con el séptimo aspecto, se proporciona un procedimiento para preparar una composición, comprendiendo el procedimiento:

a. proporcionar o aislar médula de celulosa a partir de material de médula de celulosa;

b. tratar la médula de celulosa con un álcali; y

c. fibrilar la médula de celulosa tratada con álcali.

Los pasos pueden llevarse a cabo en la siguiente secuencia: a, b, y c.

La composición puede ser la composición del primer aspecto.

En el paso b se puede añadir agua para proporcionar una suspensión con el contenido de agua deseado.

La fracción relativa de fibras de celulosa a celulosa parenquimatosa se puede cambiar después del paso a o el b fraccionando la composición.

La fracción relativa de fibras de celulosa a celulosa nanofibrilar se puede cambiar después del paso c fraccionando la composición.

Una ventaja del procedimiento es que puede implementarse fácilmente en el sitio donde se produce el bagazo o médula de celulosa. Además, la composición después del paso b se puede concentrar fácilmente mediante técnicas de filtración y el paso c de fibrilación se puede realizar en un lugar diferente.

La presente composición y su método de producción tienen varias ventajas en comparación con la celulosa pura a base de madera y los materiales derivados a base de madera. La presente invención permite utilizar materias primas no madereras a partir de corrientes de desechos agrícolas problemáticas para producir materiales celulósicos con mejores propiedades reológicas, resolviéndose, así, los problemas relacionados con el uso de materias primas a base de madera. Además, se puede reducir el consumo de energía y productos químicos en la fabricación de productos nanocelulósicos.

La presente composición permite formar un gel en agua en todo el intervalo de concentraciones de entre aproximadamente el 0,1% y aproximadamente el 100%, tal como en todo el intervalo de concentraciones de entre aproximadamente el 0,5% y aproximadamente el 50%, o al 0,1%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5%; 0,6%; 0,7%; 0,8%; 0,9% 1%; 1,5%; 2%; 2,5%; 3%; 3,5%; 4%; 4,5%; 5%; 5,5%; 6%; 6,5%; 7%; 7,5%; 8%; 8,5%; 9%; 9,5%; 10%; 15%; 20% 25%; 30%; 35%; 40%; 45%; 46%; 47%; 48%; 49%; 50%; 51%; 52%; 53%; 54%; 55%; 60%; 65%; 70%; 75%; 80% 85%; 90%; 91%; 92%; 93%; 94%; 95%; 96%; 97%; 98%; 99% o 100% en agua. El porcentaje es p/v (peso de composición seca).

De acuerdo con un octavo aspecto, se proporciona el uso de la composición de acuerdo con el primer aspecto para fabricar un nanocompuesto.

Según otro aspecto, se proporciona una composición que comprende celulosa parenquimatosa nanofibrilar obtenida a partir de bagazo y fabricada eliminando las fibras de celulosa y fibrilando la celulosa parenquimatosa extraída de la médula del bagazo para dar nanocelulosa parenquimatosa pura.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un método para modificar las propiedades reológicas de una composición de materia, comprendiendo dicho método el paso de incorporar a dicha composición de materia la presente celulosa parenquimatosa fibrilada, o la composición.

La presente celulosa parenquimatosa nanofibrilar, o la composición, permite modificar las propiedades reológicas de una composición de materia cuando se incorpora o se mezcla con ella. En consecuencia, se pueden usar para modificar y mejorar una o más de las propiedades seleccionadas de viscosidad, estabilidad de la suspensión, insensibilidad del gel a la temperatura, gelificación reversible al cizallamiento, límite elástico y retención de líquido de la composición de la materia. Las composiciones cuyas propiedades reológicas pueden modificarse de esta manera incluyen alimentos, piensos, productos farmacéuticos, nutracéuticos, productos para el cuidado personal, fibras, papeles, pinturas, revestimientos y composiciones para la construcción. Más específicamente, las composiciones adecuadas incluyen productos para el cuidado bucal; cremas o lociones para aplicación epidérmica, incluidas cremas o lociones hidratantes, de noche, antienvejecimiento o de protección solar; alimentos para untar, incluidos alimentos para untar reducidos en grasa, con bajo contenido en grasa o sin grasa (por ejemplo, mayonesa); y fluidos de perforación.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un método para mejorar al menos uno de los siguientes: apresto, resistencia, control de incrustaciones, drenaje, deshidratación, retención, clarificación, formación, formación de película, formación de membrana durante la fabricación de papel, comprendiendo dicho método el paso de usar la presente composición.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un método para mejorar la estabilidad de un sistema de emulsión, dispersión o espuma, comprendiendo dicho método el paso de incluir en el sistema la presente composición.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona gel de celulosa obtenido proporcionando la composición producida de acuerdo con el procedimiento del séptimo aspecto en agua.

Se ilustrarán, o se han ilustrado, diferentes realizaciones de la presente invención únicamente en relación con algunos aspectos de la invención. Un experto en la materia apreciará que cualquier realización de un aspecto de la invención puede aplicarse al mismo aspecto de la invención o a otros aspectos de la invención.

Descripción detallada

Figura 1. Imágenes de microscopía óptica de material parenquimatoso de médula del bagazo. A) Materia prima hidratada sin ningún tratamiento, obtenida de acuerdo con el ejemplo 0. B) Bagazo extraído de base (NaOH 0,76 M) después de mezclar con mezcladora Waring, obsérvense las células parenquimatosas y las fibras de celulosa. C) La muestra B después de la homogeneización (4 pases a 60 MPa [600 bar]), obsérvese que solo son visibles las fibras de celulosa ya que la nanocelulosa parenquimatosa no se puede visualizar mediante microscopía óptica. Barra de escala de 100 micrómetros, aumento 10x con polarizadores.

Figura 2. Imagen de microscopía óptica de muestra fibrilada (muestra 121 - 4 pases al 0,05% en peso), 10 mg depositados en una rejilla de recuento de tamaño habitual (3 mm x 3 mm). Obsérvese que solo son visibles las fibras de celulosa ya que la nanocelulosa parenquimatosa no se puede visualizar mediante microscopía óptica. Aumento 10x con polarizadores.

Figura 3. Imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra 121 - 4 pases. Obsérvese la composición bimodal. Barra de escala 100 micrómetros.

Figura 4. Imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra 121 - 4 pases. Obsérvese la composición bimodal. Barra de escala 10 micrómetros.

Figura 5. Imagen de microscopía electrónica de barrido de la muestra 121 - 4 pases. Obsérvese la composición nanofibrilar. Barra de escala de 1 micrómetro.

Figura 6. Imagen de microscopía electrónica de transmisión de la muestra 121 - 4 pases. Obsérvese la composición nanofibrilar. Barra de escala de 3 micrómetros.

La materia prima, que se puede usar para producir la presente composición o que se usa en los presentes procedimientos, se puede obtener a partir de un material de médula de celulosa adecuado, especialmente la parte de la médula del bagazo, la médula del bagazo usada o la fracción rica en médula de bagazo.

El término «celulosa parenquimatosa» se usa para describir material rico en celulosa de origen vegetal compuesto predominantemente por estructuras de pared celular primaria, es decir, células de parénquima.

El término «fibra de celulosa» se utiliza para describir un material rico en celulosa de origen vegetal compuesto predominantemente por fibras de celulosa macroscópicas con una estructura de pared celular secundaria gruesa, como las fibras en una capa exterior de caña de azúcar o tallo de maíz. Normalmente, el diámetro de una fibra de celulosa está entre 5-40 micrómetros y la longitud supera los 200 micrómetros, a menudo varios milímetros.

El «material de médula de celulosa» que se usa para producir la nueva composición de acuerdo con la presente invención, se puede obtener de cualquier fuente vegetal adecuada, incluidas las especies vegetales que contienen médula. Los ejemplos de plantas de las que se puede aislar fácilmente la médula de celulosa incluyen caña de azúcar, bambú, maíz, diversas estructuras de hierba y paja, por ejemplo, trigo, cebada, centeno, avena, arroz, sabai, albardín, esparto, etc. Aproximadamente el (33-35)% del peso secado al horno de bagazo de caña de azúcar es médula de celulosa, mientras que los tallos de maíz tienen un contenido de médula de celulosa de aproximadamente el 21% (Atchison, J. E., «Data on Nonwood Plant Fibers», capítulo 2 en Pulp and Paper Manufacture, vol. 3 - Secondary Fibers and Nonwood Pulping, Joint Textbook Committee of the Paper Industry, 3.a edición, 1987, Atlanta/Montreal). Las materias primas especialmente adecuadas son las corrientes secundarias de médula de celulosa prefraccionada de las industrias del papel y del cartón en que se utilizan fibras no madereras como principal fuente de fibra. Se sabe ampliamente que las estructuras de celulosa parenquimatosa, es decir, las fracciones de médula, son poco adecuadas para la fabricación de papel y las fracciones a menudo se eliminan de las fibras de celulosa de la cubierta exterior antes del procedimiento de fabricación del papel.

El término «médula de celulosa» se utiliza para describir una fracción rica en celulosa parenquimatosa aislada de material vegetal, obtenida separando la mayoría de las fibras de celulosa de la celulosa parenquimatosa. La médula de celulosa comprende células parenquimatosas y una pequeña cantidad de fibras de celulosa.

«Celulosa parenquimatosa nanofibrilar» en este contexto significa microfibrillas de celulosa o haces de microfibrillas de celulosa aislados de la médula de celulosa mencionada anteriormente. La relación de aspecto de las microfibrillas suele ser muy alta; la longitud de las microfibrillas puede ser mayor que un micrómetro y el diámetro promedio numérico normalmente es menor que 200 nm, como entre 2 nm y 100 nm. El diámetro de los haces de microfibrillas puede ser mayor, pero suele ser menor que 1 gm. Las microfibrillas más pequeñas son similares a las llamadas fibrillas elementales, cuyo diámetro es normalmente de 2 nm a 12 nm. La celulosa parenquimatosa nanofibrilar también puede contener otros polisacáridos, como la pectina, cuya cantidad, por ejemplo, depende de la materia prima utilizada y del método de procesamiento. La celulosa parenquimatosa nanofibrilar se puede aislar de la médula de celulosa descrita anteriormente con un aparato adecuado para el propósito, por ejemplo, una trituradora, conminuta, mezcladora de rotor-estator o trituradoras como Ultra-Turrax, Masuko de Masuko Sangyo, mezcladoras o trituradoras rotor-rotor, como dispositivos tipo Atrex, homogeneizador como el tipo Ariete o tipo Panda de GEA Niro-Soavi , fluidificador, microo macrofluidificador como el microfluidizador de Microfluidics y/o el disgregrador ultrasónico.

En la presente memoria, se entiende que celulosa parenquimatosa nanofibrilar abarca fibrillas naturales o haces de fibrillas y también cualquier forma química o físicamente derivatizada. La derivatización química puede basarse, por ejemplo, en reacción de carboximetilación, oxidación, blanqueo, acetilación, oxidación mediada por TEMPO, esterificación o eterificación de moléculas de celulosa. Las fibrillas modificadas pueden ser, por ejemplo, derivados aniónica o catiónicamente cargados que contengan grupos aniónica o catiónicamente cargados, respectivamente. Los ejemplos de derivados aniónicamente cargados incluyen celulosa nanofibrilar oxidada y celulosa nanofibrilar carboximetilada. En la celulosa nanofibrilar oxidada, al menos algunos de los grupos hidroxilo primarios C6 de la celulosa se oxidan selectivamente a grupos carbonilo, es decir, grupos aldehído y/o carboxilo. Las fibrillas oxidadas se pueden obtener, por ejemplo, catalíticamente mediante oxidación mediada por un compuesto heterocíclico de nitroxilo, por ejemplo, mediante oxidación mediada por radicales libres de 2,2,6,6-tetrametilpiperidinil-1 -oxilo (TEMPO). Los ejemplos de celulosa nanofibrilar catiónicamente cargada incluyen celulosa químicamente modificada que contiene grupos amonio cuaternario como resultado de la modificación. La derivatización también puede realizarse mediante la adsorción física de sustancias aniónicas, catiónicas o no iónicas o cualquier combinación de estas sobre la superficie de la celulosa. La derivatización descrita puede realizarse antes, después o durante la producción de celulosa nanofibrilar. Los grados derivatizados se preparan normalmente a partir de médula de celulosa blanqueada. En los grados derivatizados, la hemicelulosa presente también puede derivatizarse junto con el dominio de celulosa.

En una realización, la médula de celulosa es médula del bagazo.

Preferiblemente, la celulosa parenquimatosa se obtiene a partir de celulosa de pared primaria o médula de celulosa purificada, opcionalmente blanqueada.

En una realización, la médula de celulosa, que se usa para producir la composición que incluye celulosa nanofibrilar y fibras de celulosa de acuerdo con la presente invención, es fresca, nunca seca, o seca.

Hay varios sinónimos ampliamente utilizados para estas microfibrillas aisladas, por ejemplo: nanocelulosa, celulosa microfibrilar, celulosa nanofibrilada, nanofibra de celulosa, celulosa fibrilada a nanoescala, celulosa microfibrilada (MFC, por sus siglas en inglés), celulosa de células parenquimatosas homogeneizadas, microfibrillas de celulosa o celulosa parenquimatosa fibrilada.

La celulosa parenquimatosa nanofibrilar forma un gel continuo cuando se dispersa en agua, incluso a baja concentración. Un gel continuo en este contexto significa una mezcla de celulosa parenquimatosa fibrilada, fibras de celulosa y agua, donde el componente de celulosa parenquimatosa fibrilada no se sedimenta de la fase continua en reposo.

Después de la fibrilación, la celulosa parenquimatosa de la presente invención tiene mejores propiedades reológicas y el gel resultante que comprende la celulosa fibrilada en un medio acuoso tiene una viscosidad aumentada.

El grado de fibrilación también puede seguirse midiendo la turbidez de dispersiones acuosas diluidas de celulosa parenquimatosa fibrilada. T ras la fibrilación, el tamaño de partícula disminuye gradualmente y disminuye la dispersión de la luz de las partículas dispersadas. Las fibrillas de celulosa de tamaño nanométrico total son sustancialmente transparentes en un medio acuoso.

El término bimodal se refiere a la distribución de las partículas fibrosas celulósicas en la composición. En el contexto de la composición celulósica de la presente descripción, se hace referencia a la presencia tanto de celulosa nanofibrilar como de fibras de celulosa en la composición.

En una realización del primer aspecto, la relación A/B de peso relativo está entre 100/1 y 0,1/1; preferiblemente entre 10/1 y 1/1; lo más preferiblemente entre 3/1 y 2/1. En otra realización, los puntos finales superior e inferior, o las relaciones A/B, se seleccionan de aproximadamente 100/1; 90/1; 80/1; 70/1; 60/1; 50/1; 40/1; 30/1; 20/1; 10/1; 9/1; 8/1; 7/1; 6/1; 5/1; 4/1; 3/1; 2/1; 1/1; 0,9/1; 0,8/1; 0,7/1; 0,6/1; 0,5/1; 0,4/1; 0,3/1; 0,2/1 o 0,1/1.

En una realización del primer aspecto, el número de fibras de celulosa está entre 100 y 100.000, preferiblemente entre 1.000 y 10.000, más preferiblemente entre 2.500 y 7.5000, lo más preferiblemente entre 5.000 y 5.500, en 1 ml de dispersión al 0,05% en peso de los componentes A y B en agua.

En una realización, el número de fibras de celulosa es como máximo 100.000 en 1 ml de dispersión al 0,05% en peso de los componentes A y B en 1 ml de dispersión al 0,05% en peso de los componentes A y B en agua.

En una realización, el número de fibras de celulosa es de 100.000; 90.000; 80.000; 70.000; 60.000; 50.000; 40.000; 30.000; 20.000; 10.000; 9.000; 8.000; 7.000; 6.000; 5.000; 4.000; 3.000; 2.000; 1.000; 900; 800; 800; 700; 600; 500; 400; 300; 200 o 100 en 1 ml de dispersión al 0,05% en peso de los componentes A y B en agua.

En una realización del primer aspecto, la composición tiene la propiedad de formar a partir de una dispersión acuosa una película con una resistencia a la tracción mayor que 40 MPa.

En una realización del primer aspecto, la composición permite formar un gel continuo a partir de una dispersión acuosa en al menos un punto en un intervalo de concentraciones de aproximadamente el 0,1% en peso a aproximadamente el 2% en peso, basado en el peso total del gel.

En una realización del primer aspecto, la composición comprende celulosa parenquimatosa nanofibrilar que tiene preferiblemente un diámetro promedio numérico de 2-200 nm, preferiblemente de 10-100 nm, más preferiblemente de 20-70 nm, tal como aproximadamente 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm, 6 nm, 7 nm, 8 nm, 9 nm, 10 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45,50 nm, 60 nm, 70 nm, 80 nm, 90 nm, 100 nm, 110 nm, 120 nm, 130 nm, 140 nm, 150 nm, 160 nm, 170 nm, 180 nm, 190 nm o 200 nm.

En una realización, la composición del primer aspecto consta de A, B y, opcionalmente, agua.

En una realización, la médula de celulosa es fresca, nunca seca, o seca.

Preferiblemente, la celulosa parenquimatosa nanofibrilar se obtiene a partir de una fracción de celulosa parenquimatosa purificada, opcionalmente blanqueada, de la médula de celulosa.

En una realización del séptimo aspecto, el procedimiento comprende un paso de fraccionamiento entre los pasos a y b, o entre los pasos b y c, para recuperar una fracción rica en células parenquimatosas o para cambiar la fracción relativa de células parenquimatosas y fibras de celulosa.

En otra realización, el paso de fraccionamiento es por fraccionamiento en seco o fraccionamiento en húmedo. Los métodos de fraccionamiento en seco adecuados incluyen la eliminación mecánica de la médula o martilleo.

En una realización del séptimo aspecto, el procedimiento comprende un paso de fraccionamiento después del paso c para recuperar la fracción rica en células parenquimatosas nanofibrilares o para cambiar la fracción relativa de las fracciones A y B. En otra realización, el paso de fraccionamiento es por fraccionamiento en seco o fraccionamiento en húmedo.

En una realización del séptimo aspecto, el tratamiento con álcali en el paso b comprende lavar la médula de celulosa tratada con álcali y eliminar el filtrado.

En una realización del séptimo aspecto, la médula de celulosa tratada con álcali obtenida en el paso b se neutraliza antes de la fibrilación.

En una realización del séptimo aspecto, se lleva a cabo una derivatización química antes, después o durante el paso b, incluyendo la derivatización química preferiblemente reacciones de cationización, oxidación, blanqueo, acetilación, esterificación, eterificación o una combinación de estas.

En una realización de ejemplo en el procedimiento para producir la presente composición, el procedimiento de fibrilación se efectúa utilizando métodos en que se nanofibrila selectivamente solo la celulosa parenquimatosa y no las fibras de celulosa, lo que conduce a una distribución de fibrillas bimodal. Los dispositivos adecuados para este tipo de acción incluyen homogeneizadores como GEA Ariete y trituradoras rotor-rotor, como Atrex. Cuando se utiliza un homogeneizador, la presión no debe superar los 120 MPa (1200 bar), preferiblemente 60 MPa (600 bar) para evitar la nanofibrilación de las fibras de celulosa. La nanofibrilación se refiere a un procedimiento en donde al menos una dimensión del material de celulosa disminuye por debajo de la escala de 100 nm, es decir, la fibrilación superficial de las fibras de celulosa que se observa a menudo durante el refinado no se considera que sea la nanofibrilación descrita en esta invención.

En una realización, la médula de celulosa se fibrila para comprender una mezcla de celulosa nanofibrilar y fibras de celulosa. Preferiblemente, la fibrilación se lleva a cabo para obtener fibrillas que tengan: i) celulosa nanofibrilar con un diámetro promedio numérico de (2-500) nm, preferiblemente de (5-200) nm y ii) fibras de celulosa con un diámetro de 5-40 micrómetros y una longitud mayor que 200 micrómetros.

Las suspensiones acuosas se pueden fibrilar eficazmente en un intervalo de concentraciones del 0,05% en peso al 50% en peso. Normalmente, las fibras de celulosa no modificadas químicamente requieren una fibrilación de cizallamiento muy alto para formar nanocelulosa, por ejemplo, se requieren de seis a doce pases por un fluidizador a 180 MPa (1800 bar) con suspensiones de celulosa de madera al 1,0% para nanofibrilar dicha fibra de celulosa natural. Para la presente invención, en el método de fibrilación se utilizan técnicas que se encuentran dentro de una ventana específica que permite la fibrilación selectiva de solo las estructuras de celulosa parenquimatosa y no de las paredes celulares secundarias en las fibras de celulosa. Por ejemplo, cuando se lleva a cabo la fibrilación para una suspensión al 1,0% tratada con base por un homogeneizador a 60 MPa (600 bar) cuatro veces, se nanofibrilarán las estructuras de celulosa parenquimatosa en nanocelulosa, sin que se fibrilen las fibras de celulosa. Del mismo modo, la ejecución de una suspensión al 3,6% extraída de base por una amoladora rotor-rotor (Atrex, 188 rad/s [1800 rpm]) nanofibrilará selectivamente las estructuras de celulosa parenquimatosa. Las fibras de celulosa con una estructura de pared celular secundaria gruesa, por otro lado, no se nanofibrilarán en estas condiciones. Por lo tanto, la utilización de cualquiera de las técnicas de fibrilación antes mencionadas en médula de bagazo usada extraída con base fibrila selectivamente solo la celulosa parenquimatosa, lo que conduce a una distribución de fibrillas bimodal.

En el procedimiento, la celulosa nanofibrilar y las fibras de celulosa se pueden obtener de médula de bagazo usada. Alternativamente, se puede utilizar una fracción rica en médula obtenida a partir de bagazo. Debido a la estructura de microfibrillas de la celulosa natural que se encuentra en las paredes celulares primarias del parénquima, la extracción y procesamiento de dichas microfibrillas de celulosa requiere considerablemente menos energía que las fibras de celulosa extraídas de células de madera o de bagazo con médula.

Después de la fibrilación, la composición tiene mejores propiedades reológicas y el gel resultante, que comprende parcial o totalmente la celulosa nanofibrilada en un medio acuoso, tiene un módulo de almacenamiento y un límite elástico mejores. Además, las propiedades de una película producida a partir del gel o suspensión resultante mediante la eliminación del agua mejoran en comparación con una película de material no fibrilado. En particular, dicha película tiene mejor resistencia a la tracción en comparación con una película producida, en consecuencia, a partir de celulosa no fibrilada.

La presente composición se puede proporcionar en forma húmeda, semiseca o seca.

La presente composición se puede usar para modificar uno o más de la viscosidad, la estabilidad de la suspensión, la insensibilidad del gel a la temperatura, la gelificación reversible al cizallamiento, el límite elástico y la retención de líquidos de la composición de la materia. Las composiciones cuyas propiedades reológicas pueden modificarse de esta manera incluyen alimentos, piensos, productos farmacéuticos, nutracéuticos, productos para el cuidado personal, fibras, papeles, pinturas, revestimientos y composiciones para la construcción. Más específicamente, las posibles composiciones incluyen productos para el cuidado bucal; cremas o lociones para aplicación epidérmica, incluidas cremas o lociones hidratantes, de noche, antienvejecimiento o de protección solar; alimentos para untar, incluidos alimentos para untar con grasa reducida, de bajo contenido en grasa o sin grasa (por ejemplo, mayonesa); y fluidos de perforación.

Alternativamente, la presente composición se puede incorporar a una composición de revestimiento para mejorar sus propiedades físicas y/o mecánicas. Esas propiedades pueden incluir una o más de formación de película, nivelación, resistencia al pandeo, resistencia, durabilidad, dispersión, inundación, flotación y salpicaduras. La presente composición se puede añadir como gel, película o polvo.

La presente composición puede usarse además en la fabricación de papel y cartón o productos de papel y cartón para mejorar al menos uno de los siguientes: apresto, resistencia, control de incrustaciones, drenaje, deshidratación, retención, clarificación, formación, capacidad de absorción, formación de película, formación de membrana y complejación de polielectrolitos durante la fabricación. La composición fibrilada es particularmente preferida para usar en este método.

En una realización de este método, la presente composición se puede usar para aumentar la tasa de drenaje y/o deshidratación durante la fabricación de papel. En otra realización, la celulosa presente se puede usar para la retención de partículas dispersadas orgánicas y/o inorgánicas en una hoja de papel durante su fabricación. Las partículas dispersadas representativas que pueden retenerse de esta manera incluyen finos de pulpa, cargas, agentes de apresto, pigmentos, arcillas, materiales en forma de partículas orgánicos perjudiciales, materiales en forma de partículas inorgánicos perjudiciales y combinaciones de estos. Además, la presente composición se puede utilizar en una máquina de fabricación de papel para mejorar la resistencia de una hoja de papel o cartón producida en una máquina de papel o cartón. La composición fibrilada de acuerdo con la invención es particularmente preferida para usar en este método.

En cada una de las realizaciones descritas anteriormente, la composición puede usarse en presencia de uno o más de los siguientes: sílice coloidal; sílice coloidal modificada con aluminio; arcilla coloidal, derivados del almidón; derivados de la goma guar; gomas naturales o gomas naturales derivatizadas; poliacrilamidas; y combinaciones de estos. La composición fibrilada de acuerdo con la invención es particularmente preferida para usar en este método.

La presente composición se puede usar además en un método para mejorar la estabilidad de un sistema de emulsión, dispersión o espuma, al incluir la composición en el sistema. Cuando el sistema que se está tratando es una emulsión, la emulsión se puede producir mediante el procesamiento de una formulación de emulsión, en cuyo caso la composición se puede añadir a la formulación de emulsión antes de completar el procesamiento de la formulación de emulsión. La composición fibrilada de acuerdo con la invención es particularmente preferida para usar en este método.

En una realización, la presente composición tiene un límite elástico de entre 40 MPa y 140 MPa, más preferiblemente de 80 MPa a 120 MPa.

En una realización, la composición tiene la propiedad de permitir la formación de una película con una resistencia a la tracción mayor que antes de la fibrilación. La película, o el artículo de fabricación, puede formarse a partir de una suspensión acuosa de la composición eliminando agua.

En una realización de ejemplo, la composición tiene la propiedad de permitir formar un gel con un módulo elástico mayor que antes de la fibrilación. El gel puede formarse suspendiendo la presente composición en agua.

En una realización en el procedimiento para producir la presente composición, el tratamiento con álcali se lleva a cabo en un ambiente acuoso básico a 20-90 grados, opcionalmente con un álcali seleccionado de NaOH y KOH.

En una realización en el procedimiento, el gel de celulosa obtenido en el procedimiento es y/o concentrado después de su producción.

La descripción anterior ha proporcionado, a modo de ejemplos no limitativos de implementaciones y realizaciones particulares de la invención, una descripción completa e informativa del mejor modo contemplado actualmente por los autores para llevar a cabo la invención. Sin embargo, es evidente para un experto en la materia que la invención no se limita a los detalles de las realizaciones presentadas anteriormente, sino que puede implementarse en otras realizaciones utilizando medios equivalentes o en diferentes combinaciones de realizaciones sin desviarse de las características de la invención.

Además, algunos de los rasgos de las realizaciones descritas anteriormente de esta invención pueden aprovecharse sin el uso correspondiente de otros rasgos. Como tal, la descripción anterior se considerará como meramente ilustrativa de los principios de la presente invención, y no como una limitación de esta. Por lo tanto, el alcance de la invención solo está restringido por las reivindicaciones de patente adjuntas.

Ejemplos

Ejemplo 0. Extracción de médula del bagazo

La parte de la médula de bagazo, a la que previamente se le había quitado el agua y los componentes solubles, se separó en dos fracciones. Aquí, el núcleo interior blando, es decir, la médula, se raspó mecánicamente de la cubierta exterior dura. El contenido de sólidos de la fracción de médula extraída fue del 90% en peso.

Ejemplo 1. Separación de células parenquimatosas de fibras de celulosa

La médula extraída seca (ver el ejemplo 0) contenía dos estructuras claramente diferentes unidas entre sí en su estado natural: (i) espuma blanda que consistía en una matriz (A) de células parenquimatosas con (ii) fibras (B) de celulosa paralelas entre sí. Estas dos estructuras se separaron y se determinó su relación en peso relativa. En primer lugar, se molieron 9,36 g de médula del bagazo seca utilizando una mezcladora Waring. La estructura de células parenquimatosas se eliminó moliendo la mezcla resultante a través de una malla de acero inoxidable (tamaño de poro 0,5 mm) dando como resultado dos fases: un polvo fino que consistía en estructura de células parenquimatosas (6,7 g) y predominantemente fibras de celulosa (2,5 g). La relación de masa relativa fue A/B = 2,7/1; suponiendo que los demás componentes de la médula se distribuían uniformemente en las fracciones.

Ejemplo 2. Extracción de base de médula del bagazo en álcali 0,3 M

La médula del bagazo nunca seca se extrajo en un lavado con lejía caliente. Aquí, la médula del bagazo (90 g de sólidos) se llevó a una suspensión de 2 g/l, con NaOH 0,3 M y se calentó a 80 °C. A continuación, la extracción de base se agitó durante 120 minutos. Después de 120 minutos de agitación, la reacción se enfrió y se filtró a través de una malla de acero inoxidable (tamaño de poro de 0,25 mm). La pulpa extraída se lavó con abundante agua. El rendimiento final, tras el lavado con agua, fue del 43%.

Las propiedades reológicas podrían favorecerse aún más mediante homogeneización a alta presión (ver el ejemplo 5, tablas 2 y 3) (muestra 107). La celulosa parenquimatosa fibrilada resultante se caracterizó usando mediciones de turbidez y viscosidad, los valores característicos se resumen en la tabla 1.

Ejemplo 3. Extracción de base de médula del bagazo en álcali 0,76 M

La médula del bagazo nunca seca se extrajo en un lavado con lejía caliente. Aquí, la médula del bagazo (90 g de sólidos) se llevó a una suspensión de 2 g/l, con NaOH 0,76 M y se calentó a 80 °C. A continuación, la extracción de base se agitó durante 120 minutos. Después de 120 minutos de agitación, la reacción se enfrió y se filtró a través de una malla de acero inoxidable (tamaño de poro de 0,25 mm). La muestra extraída se lavó con abundante agua. El rendimiento final, tras el lavado con agua, fue del 38%. Las células parenquimatosas y las fibras de celulosa se pudieron separar fácilmente de la materia prima mezclándolas cuidadosamente con una mezcladora Waring (10 s, suspensión al 2%), ver la imagen A en la figura 1.

Las propiedades reológicas podrían favorecerse aún más mediante homogeneización a alta presión (ver el ejemplo 5, tablas 2 y 3) (muestra 108). La celulosa parenquimatosa fibrilada resultante se caracterizó usando mediciones de turbidez y viscosidad, los valores característicos se resumen en la tabla 1.

Las propiedades reológicas podrían favorecerse alternativamente haciendo pasar la muestra extraída de base a través de una mezcladora de rotor a 188 rad/s (1800 rpm) dos veces (muestra 121 - 2 pases) o cuatro veces (muestra 121 -4 pases) (ver el ejemplo 6, tablas 2 y 3). Las muestras de celulosa parenquimatosa fibrilada resultantes se caracterizaron usando mediciones de turbidez y viscosidad, los valores característicos se resumen en la tabla 1.

Ejemplo 4. Blanqueo de médula del bagazo extraída de base

Se llevó pulpa de médula del bagazo extraída de base; base extraída a 0,3 M, a una suspensión al 2% y se añadió una solución de NaClO al 13% durante 60 minutos manteniendo el pH a un nivel de 7,5. Después de 120 minutos de agitación a 21 °C, la pulpa blanqueada se lavó con abundante agua. La pulpa de médula del bagazo blanqueada pudo nanofibrilarse opcionalmente.

Las propiedades reológicas podrían favorecerse aún más haciéndola pasar por una mezcladora de rotor a 188 rad/s (1800 rpm) (ver el ejemplo 6).

Ejemplo 5. Homogeneización a alta presión de médula del bagazo extraída de base

Las propiedades reológicas podrían favorecerse aún más mediante la homogeneización a alta presión de la pulpa de médula del bagazo extraída, opcionalmente blanqueada. Al pasar la suspensión de pulpa del bagazo extraída de base o la suspensión de pulpa de médula del bagazo blanqueada (5 g/l, 10 g/l y 25 g/l) a través de un homogeneizador a 60 MPa (600 bar) entre 1 y 4 veces, se favorecieron las propiedades reológicas.

Ejemplo 6. Fibrilación de médula del bagazo extraída de base utilizando un rotor-mezclador

Las propiedades reológicas podrían favorecerse aún más mediante la nanofibrilación de la pulpa de médula del bagazo extraída, opcionalmente blanqueada. Al pasar la suspensión de pulpa del bagazo extraída de base o la suspensión de pulpa de médula del bagazo blanqueada a través de una mezcladora rotatoria a 188 MPa (1800 rpm) entre 1 y 4 veces, se favorecieron las propiedades reológicas.

Ejemplo 7. Caracterización mecánica de la preparación de muestras de películas moldeadas con disolvente

Los materiales se moldearon con disolvente de la siguiente manera. Las muestras se diluyeron hasta un contenido de sólidos adecuado para moldeado con disolvente, normalmente el (0,4-5,0)% en peso, y se desgasificaron al vacío para eliminar las burbujas formadas debido a la mezcla. Por ejemplo, se aplicó una cantidad que contenía 100 mg de sólidos sobre una placa de Petri de plástico (50 mm de diámetro). Las muestras se secaron en estufa a 60 °C hasta que parecieron secas. Las películas se retiraron de las placas de Petri y el secado continuó durante al menos 4 h entre papeles secantes a una temperatura mayor que 100 °C.

Las películas moldeadas con disolvente se cortaron en tiras de 2 mm de ancho para pruebas mecánicas. El espesor de cada tira se midió utilizando un medidor de espesor de película Mitutoyo. Los espesores se midieron en tres puntos y se usó el promedio para el análisis de datos. Antes de la prueba de tracción, las muestras se almacenaron a una humedad controlada (HR del 50%, 20 °C) durante la noche. Las pruebas de tracción se realizaron usando un modulómetro Kammrath & Weiss con una celda de carga de 100 N. La separación de agarre en la posición inicial fue de 10 mm. Las tiras de muestra se alargaron a 1,00 mm/min y la fuerza y el alargamiento se midieron a una frecuencia de muestreo de 20 Hz. De cada película, se midieron 5-6 tiras.

La resistencia a la tracción, el módulo elástico, la deformación (alargamiento) a la rotura y el módulo de tenacidad (es decir, el área bajo la curva tensión-deformación) se determinaron por separado de cada medición individual. Los valores promedio de cada propiedad se tabularon junto con el error estándar del promedio. Se generó una curva promedio calculando el promedio de las tensiones en cada punto de deformación hasta la deformación promedio a la rotura, interpolando linealmente los datos medidos para cada punto. Antes de calcular la curva promedio, los datos de las muestras que se rompieron antes del promedio se extrapolaron linealmente hasta la deformación promedio en la rotura.

Los resultados de la prueba de tracción se muestran en la tabla 1 para la muestra 121 - 4 pases.

Tabla 1. Propiedades mecánicas con el error estándar

Ejemplo 8. Métodos de caracterización: reología y turbidez

La viscosidad de la muestra se midió con un viscosímetro Brookfield DV3T (Brookfield Engineering Laboratories, Middleboro, EE. UU.) equipado con una geometría de paleta (V-72, diámetro 21,67 mm; longitud 43,38 mm). El producto se diluyó con agua al 1,0% p/p y la muestra se agitó durante 10 min antes de la medición, seguido de desgasificación al vacío para eliminar las burbujas de aire atrapadas en la muestra. La temperatura se ajustó a 20 °C antes de las mediciones. La viscosidad de las muestras se midió a velocidades de cizallamiento de 5 rad/s (50 rpm) y 10 rad/s (100 rpm).

La turbidez de suspensiones acuosas diluidas se midió con un turbidímetro HACH P2100. El producto se diluyó con agua a una concentración del 0,1% en peso y la muestra se agitó durante 10 minutos antes de la medición, seguido de desgasificación al vacío para eliminar las burbujas de aire atrapadas en la muestra. La temperatura se ajustó a 20 °C antes de la medición en la que se detectó la emisión de luz dispersada por las partículas de una muestra.

Tabla 2. Resumen de los resultados de turbidez, viscosidad y diámetros promedio de nanofibrillas (excluyendo las fibras de celulosa)

Tabla 3. Resumen de la información de la materia prima y métodos de fibrilación

Ejemplo 9. Caracterización por microscopía óptica de médula del bagazo

Las muestras se evaluaron con un microscopio óptico Nikon modelo E200 a concentraciones del (1-4)% usando un aumento de (4-40)x sin tinción.

Imágenes de microscopía óptica de material parenquimatoso de médula del bagazo (figura X) (ejemplo 3). A) Materia prima hidratada sin ningún tratamiento. B) Bagazo extraído de base (NaOH 0,76 M) después de mezclar con mezcladora Waring, obsérvense las células parenquimatosas y las fibras de celulosa. C) La muestra B después de la homogeneización (4 pases a 60 MPa [600 bar]), obsérvese que solo las fibras de celulosa eran visibles ya que la nanocelulosa parenquimatosa no se podía visualizar mediante microscopía óptica. Barra de escala de 100 micrómetros, aumento 10x con polarizadores.

Para determinar la cantidad promedio de fibras de celulosa, la muestra 121 - 4 pases se diluyó al 0,05% en peso. Colocando una pequeña gota (masa de gotita entre 7-11 mg) de la suspensión diluida antes mencionada en un portaobjetos de microscopía óptica y se dejó evaporar el agua. A continuación, se contó el número de fibras de celulosa visibles y se tabularon los resultados (tabla 4). La gotita se depositó en una rejilla de conteo habitual (3 mm x 3 mm) (figura 2). Se evaluaron ocho muestras paralelas.

Tabla 4. Resultados tabulados de la cantidad promedio de fibras de celulosa en la muestra 121 - 4 pases. La suspensión de bagazo fibrilado estudiada tenía un contenido de sólidos del 0,05% en peso. Luego, los resultados se nominalizaron a 1 ml de suspensión con un contenido de sólidos del 0,05% en peso. La cantidad promedio de fibras de celulosa usando este método fue 5384 dentro de 1 ml de una suspensión al 0,05% en peso de la muestra 121 - 4 pases.

Ejemplo 10. Fraccionamiento húmedo de médula del bagazo extraída de base

La muestra 121 - 4 pases se fraccionó en húmedo diluyendo la muestra al 0,05% en peso y pasando la suspensión a través de mallas. Las fracciones resultantes se recogieron utilizando mallas de acero inoxidable con tamaños de poro, en el orden de filtración, 800*800 um (malla 1), 400*250 um (malla 2), 300*300 um (malla 3) y 50*50 um (malla 4). Con este método, para dicha suspensión, las fracciones recogidas, calculadas a partir del contenido de sólidos de las pulpas fraccionadas, fueron: malla 1: 3,5%; malla 2: 43,2%; malla 3: 5,9%; y malla 4: 15,7%.

Utilizando el método antes mencionado para una suspensión al 0,025% en peso (muestra 121 - 4 pases), las fracciones relativas fueron: malla 1: 3,1%; malla 2: 43,2%; malla 3: 5,9%; y malla 4: 15,7%.

Ejemplo 11. Caracterización mediante microscopía electrónica de barrido

La muestra 121 - 4 pases se diluyó primero al 0,1% en peso. La muestra se agitó durante la noche y luego se sonicó durante 10 minutos. Después de la sonicación, se depositó una gota de muestra diluida sobre una oblea de silicona y posteriormente se secó a 80 °C. Luego se tomaron imágenes de las muestras secas utilizando un Zeiss FE-SEM a 0,1 kV (figuras 3, 4 y 5).

Ejemplo 11. Caracterización mediante microscopía electrónica de transmisión

Se preparó muestra 121 - 4 pases depositando 3 ul en una rejilla Formvar (30 s = plasma O²/H²). Esta rejilla se lavó 3 veces con agua depositando pequeñas gotas de agua y retirándolas con papel de filtro. La muestra se cubrió con sombra con 2 nm de platino y se tomaron imágenes utilizando un FEI Tecnai 12, campo claro, 120 kV (figura 6). Usando las imágenes, se calcularon y tabularon los diámetros promedio de las nanofibrillas, excluyendo las fibras de celulosa (tabla 2).

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Composición que comprende:

A. Celulosa parenquimatosa nanofibrilar que tiene una longitud mayor que 1 pm y un diámetro promedio numérico de (2-200) nm, preferiblemente de (10-100) nm; y

B. fibras de celulosa;

en donde tanto A como B se obtienen a partir de médula de celulosa.

2. La composición de la reivindicación 1, en donde la médula de celulosa es médula del bagazo.

3. Composición según la reivindicación 1 o 2, en donde la relación A/B ponderal relativa está entre 100/1 y 0,1/1;

preferiblemente entre 10/1 y 1/1; lo más preferiblemente entre 3/1 y 2/1.

4. Composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde el número de fibras de celulosa es como máximo 100.000 en 1 ml de dispersión al 0,05% en peso de los componentes A y B en agua.

5. Composición de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el número de fibras de celulosa está entre 100 y 100.000, preferiblemente entre 1.000 y 10.000, más preferiblemente entre 2.500 y 7.500, lo más preferiblemente entre 5.000 y 5.500.

6. Composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -5, que tiene la propiedad de formar a partir de una dispersión acuosa una película que tiene una resistencia a la tracción mayor que 40 MPa.

7. Composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, que permite formar un gel continuo a partir de una dispersión acuosa en al menos un punto en un intervalo de concentraciones de aproximadamente el 0,1% en peso a aproximadamente el 2% en peso basado en el peso total del gel.

8. Un uso de la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, para modificar las propiedades reológicas de una composición de materia.

9. Un uso de la composición de acuerdo con las reivindicaciones 1-7, para mejorar al menos uno de entre apresto, resistencia, control de incrustaciones, drenaje, deshidratación, retención, clarificación, formación, adsorbancia, formación de películas, formación de membranas y complejación de polielectrolitos durante la fabricación de papel o cartón.

10. Un uso de la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, para mejorar la estabilidad de un sistema de emulsión, suspensión, dispersión o espuma.

11. Un artículo de fabricación que comprende la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, o está formado por esta.

12. Un método para hacer el artículo de fabricación de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende un paso de usar la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7.

13. Un procedimiento para preparar una composición de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el procedimiento:

a. proporcionar o aislar médula de celulosa a partir de material de médula de celulosa;

b. tratar la médula de celulosa con un álcali; y

c. fibrilar la médula de celulosa tratada con álcali.

14. El procedimiento de la reivindicación 13, que comprende un paso de fraccionamiento entre los pasos a y b, o entre los pasos b y c, para recuperar una fracción rica en células parenquimatosas o para cambiar la fracción relativa de células parenquimatosas y fibras de celulosa.

15. El procedimiento de la reivindicación 14, en donde el paso de fraccionamiento es fraccionamiento en seco o fraccionamiento en húmedo.

16. El procedimiento de las reivindicaciones 13-15, que comprende un paso de fraccionamiento después del paso c para recuperar la fracción rica en células parenquimatosas nanofibrilares o para cambiar la fracción relativa de las fracciones A y B.

17. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 13-16, en donde el tratamiento con álcali en el paso b comprende lavar la médula de celulosa tratada con álcali y eliminar el filtrado.

18. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 13-17, en donde se lleva a cabo una derivatización química antes, después o durante la etapa b, incluyendo la derivatización química preferiblemente reacciones de cationización, oxidación, blanqueo, acetilación, esterificación, eterificación o una combinación de estas.

19. Uso de la composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7 para fabricar un material nanocompuesto.