PT105422A - MODIFIED CELLULOSE PULP, PREPARATION METHOD BY PROCESSING BY HIGH PRESSURE AND THEIR APPLICATIONS - Google Patents

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PT105422A
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Portugal
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cellulose
processing
cellulosic
properties
pulps
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PT10542210A
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Portuguese (pt)
Inventor
Dmitry Victorovitch Evtyugin
Jorge Manuel Alexandre Saraiva
Figueiredo Dos Santos Andreia Filipa Bastos
Original Assignee
Univ Aveiro
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    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C9/00After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
    • D21C9/001Modification of pulp properties
    • D21C9/007Modification of pulp properties by mechanical or physical means
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21BFIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D21B1/04Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
    • D21B1/12Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by wet methods, by the use of steam
    • D21B1/30Defibrating by other means
    • D21B1/36Explosive disintegration by sudden pressure reduction
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21HPULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/16Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only modified by a particular after-treatment

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE AO PROCESSO DE MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE PASTAS CELULÓSICAS. O PROCESSO CONSISTE NA MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES DE PASTAS CELULÓSICAS ATRAVÉS DO PROCESSAMENTO A FRIO/QUENTE POR ALTA PRESSÃO HIDROSTÁTICA (100-1000 MPA) A TEMPERATURAS ENTRE 0-100ºC DURANTE UM INTERVALO DE TEMPO ENTRE 1-75 MINUTOS (PODENDO SER SUPERIOR). O PROCESSAMENTO APLICA-SE A QUALQUER TIPO DE PASTA CELULÓSICA, PREFERENCIALMENTE EM MEIO AQUOSO, COM CONSISTÊNCIA NA GAMA DE 0,1-40,0%. AS PASTAS TRATADAS SOFREM ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS AO NÍVEL DA CELULOSE E AUMENTO DA ACESSIBILIDADE DA CELULOSE AMORFA. ESTE PROCESSO MELHORA A HIDRATAÇÃO DA PASTA, POIS INCORPORA MOLÉCULAS DE ÁGUA FORTEMENTE LIGADAS À CELULOSE. O PROCESSAMENTO DE PASTAS PREVIAMENTE SECAS RESTAURA A SUA CAPACIDADE DE INTUMESCIMENTO, DIMINUINDO OS PROBLEMAS DE HORNIFICAÇÃO. AS ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS DA CELULOSE AUMENTAM A FORÇA INTRÍNSECA DA FIBRA, E A HIDRATAÇÃO CONFERE-LHE MAIOR FLEXIBILIDADE, ELASTICIDADE E CAPACIDADE DE LIGAÇÃO. AS PROPRIEDADES FÍSICAS DAS PASTAS PROCESSADAS MELHORAM SIGNIFICATIVAMENTE, SEM DIMINUIR O ÍNDICE DE MÃO. É ASSIM POSSÍVEL PRODUZIR PASTAS COM PROPRIEDADES DIFERENTES E MELHORADAS, PARA DIVERSAS APLICAÇÕES, NOMEADAMENTE COMO MATÉRIA-PRIMA PARA A INDÚSTRIA PAPELEIRA OU COMO EXCIPIENTE NAS INDÚSTRIAS QUÍMICA, ALIMENTAR E FARMACÊUTICA.The present invention relates to the process for the modification of the properties of cellophane. THE PROCESS CONSISTES IN THE MODIFICATION OF CELLULOSIC PULLEY PROPERTIES THROUGH COLD / HOT PROCESSING BY HIGH HYDROSTATIC PRESSURE (100-1000 MPA) AT TEMPERATURES BETWEEN 0-100ºC DURING A TIME INTERVAL OF 1-75 MINUTES (MAY BE UPPER). THE PROCESSING APPLIES TO ANY TYPE OF CELLULOSIC PASTE, PREFERENTIALLY IN AQUATIC MEDIUM, WITH CONSISTENCY IN THE RANGE OF 0.1-40.0%. TREATED PASTES SUFFER STRUCTURAL ALTERATIONS AT THE LEVEL OF CELLULOSE AND INCREASE THE ACCESSIBILITY OF AMORFA CELLULOSE. THIS PROCESS IMPROVES THE HYDRATION OF THE PASTE, BY INCORPORATING WATER MOLECULES STRONGLY CONNECTED TO THE CELLULOSE. PROCESSING OF PREVIOUSLY DRY PASTA RESTORES ITS ABUSING CAPACITY, DECREASING THE PROBLEMS OF HORNIFICATION. STRUCTURAL CELLULOSE CHANGES INCREASE THE INTRINSIC STRENGTH OF FIBER, AND HYDRATION GIVES YOU GREATER FLEXIBILITY, ELASTICITY AND CONNECTION CAPACITY. THE PHYSICAL PROPERTIES OF THE PROCESSED PASTES BETTER THAN SIGNIFICANTLY, WITHOUT DECREASING THE HAND INDEX. IT IS SO POSSIBLE TO PRODUCE PASTES WITH DIFFERENT AND IMPROVED PROPERTIES, FOR VARIOUS APPLICATIONS, ESPECIALLY AS RAW MATERIAL FOR THE PAPER INDUSTRY OR EXCIPIENT IN THE CHEMICAL, FOOD AND PHARMACEUTICAL INDUSTRIES.

Description

DESCRIÇÃO "PASTAS CELULÓSICAS MODIFICADAS, MÉTODO DE PREPARAÇÃO POR PROCESSAMENTO POR ALTA PRESSÃO E RESPECTIVAS APLICAÇÕES"Description " MODIFIED CELLULOSE PASTURES, PREPARATION METHOD BY PROCESSING BY HIGH PRESSURE AND THEIR APPLICATIONS "

Dominio da Invenção A presente invenção diz respeito ao processamento de pastas celulósicas por alta pressão hidrostática para modificação das suas propriedades, o que poderá ter diversas aplicações.The present invention relates to the processing of cellulosic pulps by high hydrostatic pressure for modification of their properties, which may have several applications.

Este tipo de processamento permite, entre outros efeitos, incorporar moléculas de água fortemente ligadas à estrutura da celulose, conferindo propriedades diferentes e únicas às pastas celulósicas, que podem ter aplicações quer na produção de papel com propriedades melhoradas e diferentes, quer na obtenção melhorada de produtos derivados da modificação química da celulose.This type of processing allows, among other effects, to incorporate water molecules tightly bound to the cellulose structure, imparting different and unique properties to the cellulosic pulps, which may have applications either in the production of paper with improved and different properties, or in obtaining improved products derived from the chemical modification of cellulose.

Concretamente, o invento apresenta um método que consiste na modificação das propriedades de pastas celulósicas através do processamento a frio/quente por alta pressão hidrostática (entre 100-1000 MPa, mas podendo ser superior), a temperaturas entre 0 e 100°C durante até 75 minutos (podendo ser superior), aplicável a qualquer tipo de pastas celulósicas com consistência entre 0,1 e 40%, preferivelmente em meio aquoso, mas não só.More specifically, the invention provides a method of modifying the properties of cellulosic pulps by hot / cold processing by high hydrostatic pressure (between 100-1000 MPa, but may be higher), at temperatures between 0 and 100øC for up to 75 minutes (may be higher), applicable to any type of cellulosic pulps with a consistency between 0.1 and 40%, preferably in an aqueous medium, but not only.

Estado da técnica A tecnologia de alta pressão tem vindo a ser aplicada na produção de materiais compósitos, cerâmicos e metálicos (US 3,286,337), plásticos e diamante artificial, sendo na actualidade uma tecnologia em expansão que atraiu a atenção 1 da indústria alimentar para processar e preservar alimentos (US 2004/0058041; US 3,407,721; US 5,213,029; US 6,217,435 Bl; US 5,932,272).State of the art High pressure technology has been applied in the production of composite, ceramic and metallic materials (US 3,286,337), plastics and artificial diamond, and is currently an expanding technology that has attracted the attention of the food industry to processing and preserving foods (US 2004/0058041; US 3,407,721; US 5,213,029; US 6,217,435; US 5,932,272).

Esta técnica, que opera correntemente a pressões entre 100 e 1000 MPa, tem vindo a ser utilizada comercialmente para modificar a textura e controlar a actividade microbiana e enzimática em alimentos, sem alterar as suas propriedades nutricionais e organolépticas. A celulose é o polímero mais abundante na Natureza, podendo ser usado no seu estado natural ou após modificação química num vasto leque de aplicações. A madeira é uma das principais fontes industriais de celulose, que pode ser utilizada sob a forma de pasta celulósica para a indústria papeleira ou como matéria-prima para a indústria química. No entanto, na indústria papeleira, durante o processo de secagem da pasta, a celulose sofre rearranjos estruturais ao nível das moléculas presentes nas fibrilas e nas zonas de agregação interfibrilar, fazendo com que ocorram um conjunto de alterações ao nível das suas propriedades físico-químicas. Como consequência, a superfície das fibras celulósicas colapsa, ocorrendo uma diminuição substancial da sua capacidade de intumescimento e uma perda de flexibilidade. Este fenómeno é conhecido como hornificação e é responsável por deteriorar a acessibilidade da celulose face à água e outros reagentes químicos, assim como por diminuir drasticamente as propriedades papeleiras das pastas e fibras recicladas. Uma parte destas alterações são irreversíveis, isto é, as propriedades iniciais de intumescimento das fibras não são recuperadas após o seu re-humedecimento e refinação. Este é um dos principais problemas que ocorrem na química e tecnologia da celulose, 2 e que não se encontra ainda resolvido, causando custos significativos à indústria papeleira e a outras indústrias. A alteração das propriedades das pastas celulósicas pelo método proposto no invento, nomeadamente pelo efeito de hidratação (incorporação de moléculas de água) tem também aplicações ao nível da reactividade química da mesma, com elevado potencial para inúmeras aplicações.This technique, which currently operates at pressures between 100 and 1000 MPa, has been commercially used to modify the texture and to control microbial and enzymatic activity in foods without altering its nutritional and organoleptic properties. Cellulose is the most abundant polymer in nature, and can be used in its natural state or after chemical modification in a wide range of applications. Wood is one of the main industrial sources of cellulose, which can be used in the form of cellulosic pulp for the paper industry or as a raw material for the chemical industry. However, in the paper industry, during the pulp drying process, cellulose undergoes structural rearrangements at the level of the molecules present in the fibrils and in the areas of interfibrillar aggregation, causing a set of changes in the level of its physicochemical properties . As a consequence, the surface of the cellulosic fibers collapses, with a substantial decrease in their swelling capacity and a loss of flexibility. This phenomenon is known as hornification and is responsible for deteriorating the accessibility of cellulose to water and other chemical reagents, as well as for drastically reducing the paper properties of recycled pulps and fibers. A part of these changes are irreversible, i.e., the initial swelling properties of the fibers are not recovered after their rewetting and refining. This is one of the main problems that occur in the chemistry and technology of cellulose, 2 and that is not yet solved, causing significant costs to the paper industry and other industries. The modification of the properties of the cellulosic pulps by the method proposed in the invention, in particular by the hydration effect (incorporation of water molecules) also has applications at the level of the chemical reactivity thereof, with high potential for numerous applications.

Descrição A presente invenção tem como objectivo a modificação das pastas celulósicas através do processamento por alta pressão hidrostática e oferece inúmeras potencialidades não só para a indústria da pasta e papel, mas também para aquelas indústrias que utilizam a celulose como matéria-prima em reacções de modificação para a obtenção de novos produtos baseados em celulose, como a produção de celulose microcristalina. 0 tratamento por alta pressão hidrostática das pastas promove o acréscimo dos cristalitos de celulose, através da cocristalização e recristalização parcial dos domínios paracristalinos na superfície das fibrilas elementares. Este fenómeno é responsável pelo aumento da largura média de cristalito (parâmetro d002, Tabela 1 e Figura 1) . A reordenação dos segmentos paracristalinos da superfície das fibrilas elementares causa o aumento do grau de cristalinidade das cadeias de celulose.Description The present invention aims at the modification of cellulosic pulps through hydrostatic high pressure processing and offers numerous potentialities not only for the pulp and paper industry but also for those industries that use pulp as raw material in modification reactions to obtain new products based on cellulose, such as the production of microcrystalline cellulose. The treatment by high hydrostatic pressure of the pulps promotes the addition of the cellulose crystallites through the cocrystallization and partial recrystallization of the paracrystalline domains on the surface of the elementary fibrils. This phenomenon is responsible for increasing the mean crystallite width (parameter d002, Table 1 and Figure 1). The rearrangement of the paracrystalline segments of the surface of the elementary fibrils causes an increase in the degree of crystallinity of the cellulose chains.

Simultaneamente, o processamento por alta pressão hidrostática provoca a hidratação das pastas, forçando a incorporação de moléculas de água que ficam fortemente ligadas às regiões amorfas e inacessíveis da estrutura da celulose, e que são removidas apenas a temperaturas 3 superiores a 300°C. Desta forma, a hidratação das pastas promovida pela alta pressão hidrostática faz com que as fibras recuperem alguma da sua capacidade de intumescimento, originando a diminuição dos efeitos da hornificação nas pastas secas e conferindo maior flexibilidade e elasticidade às fibras. Não é conhecido nenhum outro processo que possa causar este efeito, que se deve à particularidade do modo de funcionamento da tecnologia de alta pressão hidrostática, nomeadamente às elevadas forças físicas que a mesma exerce nos produtos processados. Sendo assim, o tratamento por alta pressão hidrostática alarga as áreas de utilização de pastas celulósicas que tenham sido submetidas a secagem (incluindo pastas recicladas) e altera as propriedades das pastas nunca secas.At the same time, hydrostatic high pressure processing causes hydration of the pastes, forcing the incorporation of water molecules that are strongly bound to the amorphous and inaccessible regions of the cellulose structure, and which are removed only at temperatures higher than 300 ° C. Thus, the hydration of the pulps promoted by the high hydrostatic pressure causes the fibers to regain some of their swelling capacity, causing the reduction of the effects of the firing on the dry pastes and giving greater flexibility and elasticity to the fibers. No other process is known to cause this effect, which is due to the particular nature of the operation of the high pressure hydrostatic technology, namely the high physical forces that it exerts on the processed products. Therefore, the treatment by high hydrostatic pressure extends the areas of use of cellulosic pastes that have been dried (including recycled pulps) and changes the properties of never-dried pastes.

Após tratar pastas celulósicas por alta pressão, obtêm-se folhas de papel com maior índice de mão (volume por unidade de peso de papel) e melhores propriedades de resistência físico-mecânica, comparativamente às folhas obtidas a partir de pastas não processadas. Isso permite obter papéis com propriedades mais robustas e diversificadas para a utilização do consumidor final (Figura 2) , actualmente impossíveis de obter pelos métodos industriais correntes ou descritos na literatura científica. É de salientar ainda que após a hidratação a reactividade da pasta celulósica aumenta, devido ao aumento da sua acessibilidade para a interacção com reagentes químicos, possibilitando novas e melhoradas reacções químicas.After treating cellulose pulps by high pressure, paper sheets with a higher hand index (volume per unit weight of paper) and better properties of physico-mechanical resistance are obtained, as compared to sheets obtained from unprocessed pulps. This allows to obtain papers with more robust and diversified properties for the use of the final consumer (Figure 2), currently impossible to obtain by current industrial methods or described in the scientific literature. It is also worth noting that after hydration the reactivity of the cellulosic pulp increases, due to the increase of its accessibility to the interaction with chemical reagents, enabling new and improved chemical reactions.

Estas alterações estruturais e de hidratação podem ser utilizadas para a modificação química de celulose para 4 diversas aplicações. Como exemplo, a hidrólise com ácido sulfúrico diluído das pastas submetidas ao processamento por alta pressão hidrostática, permite hidrolisar mais rapidamente e em maior extensão as partes amorfas da celulose, comparando com a celulose de pastas não processadas por alta pressão hidrostática, quer em pastas previamente secas quer em pastas nunca secas. Assim, o processamento por alta pressão hidrostática permite obter novos produtos como celulose microcristalina, proporcionando não só produtos com diferente granulometria de partículas, mas também com maior grau de cristalinidade da celulose, com aplicações, por exemplo como matéria-prima para a indústria papeleira ou como excipiente nas indústrias química, alimentar e farmacêutica. 0 método de modificação de pastas celulósicas objecto deste invento e abaixo descrito pode ser aplicado a pastas secas/nunca secas, sujeitas ou não a refinação. 1. Processamento por alta pressão hidrostática:These structural and hydration changes can be used for the chemical modification of cellulose for 4 different applications. As an example, hydrolysis with dilute sulfuric acid from slurries subjected to high hydrostatic pressure processing allows the amorphous portions of cellulose to be hydrolysed more rapidly and to a greater extent compared to pulp of unprocessed slurries by high hydrostatic pressure, or in pastes dried or dried pasta. Thus, the high pressure hydrostatic processing allows to obtain new products such as microcrystalline cellulose, providing not only products with different particle size, but also with a higher degree of crystallinity of the cellulose, with applications, for example as raw material for the paper industry or as an excipient in the chemical, food and pharmaceutical industries. The method of modifying cellulosic pulps object of this invention and described below may be applied to dry / never dried pastes, whether or not refined. 1. High pressure hydrostatic processing:

Antes do tratamento por alta pressão hidrostática, as pastas celulósicas são intumescidas em água durante 0,5-24h, preferencialmente sob agitação moderada, de modo a obter suspensões com consistência entre 0,1-40,0%. Após o intumescimento, as suspensões das pastas são processadas a frio ou quente por alta pressão hidrostática (entre 100-1000 MPa, mas podendo ser superior) a temperaturas entre 0 e 100°C durante até 75 minutos (podendo ser superior). O processamento por alta pressão hidrostática pode ser realizado com as pastas em recipientes de tamanho e geometria variados ou em massa. 5 0 processamento por alta pressão é aplicável a qualquer tipo de pastas celulósicas com consistência entre 0,1 e 40,0%, preferivelmente em meio aquoso, mas não só. As etapas para que esta modificação ocorra envolvem:Prior to the treatment by high hydrostatic pressure, the cellulosic pulps are swollen in water for 0.5-24 hours, preferably under moderate agitation, in order to obtain suspensions with a consistency between 0.1-40.0%. After swelling, slurry suspensions are processed either cold or hot by high hydrostatic pressure (between 100-1000 MPa, but may be higher) at temperatures between 0 and 100øC for up to 75 minutes (and may be higher). Hydrostatic high pressure processing can be performed with the pastes in containers of varying size or geometry or mass. High pressure processing is applicable to any type of cellulosic pulps with a consistency of between 0.1 and 40.0%, preferably in aqueous medium, but not only. The steps for this modification to occur involve:

Ia etapa: intumescimento das pastas celulósicas em água durante 0,5-24h, preferencialmente sob agitação moderada, de modo a obter suspensões com consistências variadas; e 2a etapa: após o intumescimento, as suspensões das pastas são processadas a frio ou quente por alta pressão hidrostática (entre 100-1000 MPa, mas podendo ser superior) a temperaturas entre 0 e 100°C durante até 75 minutos (podendo ser superior). O tratamento por alta pressão hidrostática das pastas promove o aumento do tamanho dos cristalitos de celulose, através da cocristalização e recristalização parcial dos domínios paracristalinos na superfície das fibrilas elementares, provocando o aumento da largura média de cristalito da celulose (parâmetro d002), assim como o aumento do seu grau de cristalinidade. Simultaneamente, a hidratação forçada causada pelos tratamentos por alta pressão hidrostática, promove a incorporação de moléculas de água que ficam fortemente ligadas às regiões amorfas da celulose, aumentando a sua acessibilidade para a interacção com reagentes químicos. Desta forma, relativamente à pasta actualmente presente no mercado, as alterações estruturais sofridas pela pasta tratada por alta pressão fazem com que apresente cristalitos mais largos, com maior grau de cristalinidade, e as suas 6 fibras apresentam maior capacidade de absorção de água, assim como flexibilidade e elasticidade acrescidas. Devido ao aumento das propriedades mecânicas, é necessária uma menor quantidade de pasta celulósica para atingir a mesma resistência no papel, o que implica uma poupança de matéria-prima. Todas estas alterações fazem com que a pasta tratada se torne uma excelente matéria-prima não só para a produção de papel com propriedades melhoradas, mas também para outras aplicações, como novos materiais e para reacções de modificação química da celulose, com variadas possíveis aplicações. 2. Hidrólise ácidaThe step: swelling of the cellulosic pulps in water for 0.5-24 hours, preferably under moderate agitation, in order to obtain suspensions with varied consistencies; and second stage: after swelling, slurry suspensions are processed cold or hot by high hydrostatic pressure (between 100-1000 MPa, but may be higher) at temperatures between 0 and 100øC for up to 75 minutes (may be higher ). The treatment by hydrostatic high pressure of the pulps promotes the increase of the size of the cellulose crystallites, through the cocrystallization and partial recrystallization of the paracrystalline domains on the surface of the elementary fibrils, increasing the average crystallite width of the cellulose (parameter d002), as well as the increase of its degree of crystallinity. Simultaneously, the forced hydration caused by the hydrostatic high pressure treatments promotes the incorporation of water molecules that are strongly bound to the amorphous regions of the cellulose, increasing its accessibility for interaction with chemical reagents. In this way, with respect to the pulp currently present on the market, the structural alterations suffered by the pulp treated by high pressure cause it to present larger crystallites, with a higher degree of crystallinity, and its 6 fibers present a greater capacity of water absorption, as well as flexibility and elasticity. Due to the increased mechanical properties, a smaller amount of cellulosic pulp is required to achieve the same strength in the paper, which implies a saving of raw material. All these changes make the treated pulp become an excellent raw material not only for the production of paper with improved properties, but also for other applications such as new materials and for reactions of chemical modification of cellulose with various possible applications. 2. Acid hydrolysis

As vantagens anteriormente apresentadas associadas às alterações estruturais e de hidratação das pastas celulósicas permitem melhorar a rapidez e extensão das reacções de modificação química da celulose, para diversas aplicações. Por exemplo, se após processamento a alta pressão hidrostática das pastas (pelo método acima referido) se proceder à sua hidrólise com ácido sulfúrico diluído, é possível hidrolisar mais rapidamente e em maior extensão as partes amorfas da celulose, comparando com a celulose de pastas não processadas por alta pressão hidrostática, quer em pastas previamente secas quer em pastas nunca secas.The advantages presented previously associated to the structural and hydration alterations of cellulosic pulps allow to improve the speed and extension of the reactions of chemical modification of the cellulose, for several applications. For example, if hydrolysis with dilute sulfuric acid is processed after the high hydrostatic pressure of the pastes (by the above method), it is possible to hydrolyze the amorphous parts of the cellulose more quickly and to a greater extent, processed by high hydrostatic pressure, either in pre-dried pastes or in dry pastes.

Após processamento por alta pressão hidrostática e secagem, a pasta é intumescida em água (em concentrações variáveis, tipicamente 5% m/m). A hidrólise ácida ocorre sob refluxo, na presença de ácido sulfúrico diluído com concentração entre 1,0 e 7 2,0M, preferencialmente 1,8 Μ, durante um intervalo de tempo compreendido entre 0,5-5h. Após a reacção e arrefecimento, a mistura é filtrada e lavada com água destilada até obter uma pasta com pH próximo de 7. De seguida a pasta é seca na estufa a 105°C até peso constante. A presente invenção propõe um processo que consiste na modificação das propriedades de pastas celulósicas através do processamento por alta pressão hidrostática, aplicável a qualquer tipo de pastas preferivelmente em meio aquoso, mas não só, com consistência entre 0,1 e 40,0%. As pastas assim tratadas sofrem alterações estruturais ao nível da celulose (aumento da largura média de cristalito), aumento da acessibilidade da celulose amorfa e incorporação de moléculas de água ligadas à celulose, o que melhora a hidratação das pastas. O processamento de pastas previamente secas restaura a sua capacidade de intumescimento, diminuindo os problemas de hornificação. As alterações estruturais da celulose aumentam a força intrínseca da fibra, e a hidratação confere-lhe flexibilidade, elasticidade e capacidade de ligação, melhorando as suas propriedades físicas, sem diminuir o índice de mão. O invento permite produzir pastas com propriedades diferentes, para diversas aplicações, como na produção de papel com diferentes e melhoradas características, em reacções de modificação química melhoradas da celulose, bem como para outras aplicações.After processing by high hydrostatic pressure and drying, the slurry is swollen in water (at varying concentrations, typically 5% m / m). Acid hydrolysis takes place under reflux in the presence of dilute sulfuric acid in the range of 1.0 - 7.0M, preferably 1.8 Μ, for a time between 0.5-5h. After reaction and cooling, the mixture is filtered and washed with distilled water until a slurry with a pH of about 7. The slurry is then dried in the oven at 105 ° C to constant weight. The present invention proposes a process which consists in modifying the properties of cellulosic pulps by high pressure hydrostatic processing, applicable to any type of pastes preferably in aqueous but not in the same way, with consistency between 0.1 and 40.0%. The pulps thus treated undergo structural changes at the cellulose level (increase of the mean crystallite width), increase in the accessibility of amorphous cellulose and incorporation of water molecules bound to the cellulose, which improves the hydration of pulps. Processing pre-dried pastes restores their swelling ability, reducing burnout problems. The structural changes in cellulose increase the intrinsic strength of the fiber, and hydration gives it flexibility, elasticity and bondability, improving its physical properties without decreasing the hand index. The invention allows to produce pulps with different properties for various applications, such as in the production of paper with different and improved characteristics, in improved chemical modification reactions of cellulose, as well as for other applications.

Os resultados sem precedentes alcançados com o processamento por alta pressão das pastas celulósicas, fazem com que esta invenção possa ser aplicada: 8 i. À indústria papeleira - a ocorrência de hornificação após secagem das pastas é um dos motivos para que seja necessário recorrer à sua refinação. No entanto, esta etapa representa gastos energéticos significativos numa unidade fabril, que serão significativamente diminuídos com o tratamento por alta pressão hidrostática das pastas. Esta aplicação deve-se ao facto dos tratamentos por alta pressão hidrostática reduzirem significativamente os problemas de hornificação, devido à incorporação de moléculas de água que ficam fortemente ligadas à estrutura da celulose e aí permanecem mesmo após a secagem das pastas. Esta hidratação confere também muita flexibilidade às fibras, fazendo com que as suas propriedades de resistência mecânica sejam bastante superiores às das pastas não tratadas. A hidratação das pastas reflecte-se também em termos de poupança de matéria-prima: torna-se possível obter papéis com melhores propriedades físicas e ópticas utilizando menor quantidade de fibras. ii. À indústria química especializada em produtos à base de celulose - o aumento do tamanho de cristalito e o aumento do grau de cristalinidade após tratamento por alta pressão hidrostática, aliados ao aumento da acessibilidade da celulose amorfa face ao ataque de reagentes químicos, são factos que fazem com que a celulose processada por alta pressão hidrostática, reúna um conjunto de características únicas, que a tornam um melhor reagente para sofrer reacções de modificação química na indústria de transformação de celulose em geral.The unprecedented results achieved with the high pressure processing of the cellulosic pulps, make this invention can be applied: i. The paper industry - the occurrence of kiln drying after drying the pulp is one of the reasons why it needs to be refined. However, this step represents significant energy expenditures in a manufacturing plant, which will be significantly reduced with the treatment by high hydrostatic pressure of the pastes. This application is due to the fact that the treatments by high hydrostatic pressure significantly reduce the problems of hornification due to the incorporation of water molecules that are strongly attached to the structure of the cellulose and remain there even after drying the pastes. This hydration also imparts a lot of flexibility to the fibers, making their mechanical strength properties much higher than those of untreated pulps. The hydration of the pastes is also reflected in terms of saving of raw material: it becomes possible to obtain papers with better physical and optical properties using less amount of fibers. ii. To the chemical industry specializing in cellulose products - increasing crystallite size and increasing crystallinity after treatment by high hydrostatic pressure, together with the increased accessibility of amorphous cellulose in the face of the attack of chemical reagents, are facts that make with which the cellulose processed by high hydrostatic pressure, brings together a set of unique characteristics that make it a better reagent to undergo chemical modification reactions in the cellulose processing industry in general.

Sumário da Invenção A presente invenção refere-se a um processo de modificação de pastas celulósicas que compreende os seguintes passos: 9 a) desintegração e intumescimento da pasta com água durante 0,5 h a 24 h, sob agitação; b) processamento da pasta por alta pressão hidróstatica de preferência entre 100-1000 MPa que leva à incorporação de moléculas de água fortemente ligada em locais inacessíveis de polissacarídeos.Summary of the Invention The present invention relates to a process for the modification of cellulosic pulps comprising the following steps: a) disintegration and swelling of the pulp with water for 0.5 h to 24 h while stirring; b) pulp processing by high hydrostatic pressure, preferably between 100-1000 MPa which leads to the incorporation of tightly bound water molecules into inaccessible polysaccharide sites.

Numa realização preferencial o passo b) ocorre a temperaturas entre 0-100°C durante um intervalo de tempo variável entre 1-75 minutos.In a preferred embodiment step b) occurs at temperatures between 0-100 ° C for a time interval ranging from 1-75 minutes.

Numa outra realização preferencial o processo é aplicável a qualquer pasta celulósica com consistência na gama de 0,1-40,0%, sendo ainda aplicável a pastas secas ou nunca secas, sujeitas ou não a refinação. A presente invenção refere-se ainda as pastas celulósicas modificadas que são obtidas pelo processo descrito anteriormente.In another preferred embodiment the process is applicable to any cellulosic pulp having a consistency in the range of 0.1-40.0% and is also applicable to dry or never dried pastes, whether or not refined. The present invention further relates to the modified cellulosic pulps which are obtained by the process described above.

As pastas celulósicas da presente invenção são utilizadas como pastas papeleiras ou para o fabrico de produtos para as indústrias química, alimentar, farmacêutica e de biotecnologia.The cellulosic pulps of the present invention are used as paper pulps or for the manufacture of products for the chemical, food, pharmaceutical and biotechnology industries.

ExemplosExamples

Para uma mais fácil compreensão da invenção descrevem-se de seguida exemplos de realizações preferenciais do invento, as quais, contudo, não pretendem limitar o objecto da presente invenção. 10For an easier understanding of the invention, examples of preferred embodiments of the invention are described below, which, however, are not intended to limit the subject matter of the present invention. 10

Resultados obtidos para dois tipos de pastas (sulfito ácido e kraft, de entre os vários estudados):Results obtained for two types of pulps (acid sulphite and kraft, among the several studied):

Para este exemplo o processamento foi efectuado a uma pressão de 400 MPa, durante 10 min a 20°C, com uma pasta com consistência de 5% (m/m).For this example the workup was carried out at a pressure of 400 MPa, for 10 min at 20øC, with a paste having a consistency of 5% (w / w).

Para comparação, apresentam-se também os resultados referentes a pastas não processadas.For comparison, the results for unprocessed pulps are also presented.

Na Tabela 1 apresentam-se os parâmetros da rede cristalina da celulose de ambas as pastas, antes e após tratamento por alta pressão hidrostática. Os parâmetros a e b correspondem à dimensão da célula unitária dos eixos a e b representados na Figura 1, respectivamente; c representa a altura média de cristalito, yrepresenta o ângulo monoclínico formado e d002 a largura média de cristalito no plano de rede 002. A largura média do cristalito aumenta com o processamento por alta pressão hidrostática, sendo este efeito mais significativo para a pasta kraft.Table 1 presents the parameters of the crystalline cellulose network of both pulps, before and after treatment by high hydrostatic pressure. The parameters a and b correspond to the unit cell dimension of the axes a and b shown in Figure 1, respectively; c represents the mean crystallite height, y represents the monoclinic angle formed and d002 the mean crystalite width in the network plane 002. The mean crystalite width increases with the high hydrostatic pressure processing, this being the most significant effect for the kraft pulp.

Tabela 1: Comparação dos parâmetros da rede cristalina da celulose nas pastas kraft e sulfito, processadas e não processadas por alta pressão hidrostática.Table 1: Comparison of the crystalline cellulose network parameters in kraft and sulphite pulps, processed and unprocessed by high hydrostatic pressure.

Pasta a (± 0,02 nm) b (± 0,02 nm) c (± 0,02 nm) □ (± 0,1 deg.) do02 (± 0,lnm) Sulfito 0,801 0,790 1,033 93,3 4,9 Sulfito + alta pressão 0,800 0,788 1,033 93, 6 5,2 Kraft 0,800 0,787 1,034 93, 0 5,3 Kraft + alta pressão 0,797 0,787 1,034 93,2 5,9(± 0.02 nm) b (± 0.02 nm) c (± 0.02 nm) □ (± 0.1 deg.) Do02 (± 0.1nm) Sulfite 0.801 0.790 1.033 93.3 4, 9 Sulfite + high pressure 0.800 0.788 1.033 93.6 2.6 Kraft 0.800 0.787 1.034 93.0 5.3 Kraft + high pressure 0.797 0.787 1.034 93.2 5.9

As principais diferenças observadas nos parâmetros de cristalito de celulose ocorrem ao nivel da largura média de cristalito, d002 - As alterações obtidas, para as mesmas 11 condições de operação, dependem do tipo de pasta em questão (pasta submetida a cozimento sulfito ou kraft). Para toda a gama de parâmetros testada o aumento da largura média de cristalito verificado para pastas sulfito variou entre 1-10%, enquanto para pastas kraft o aumento variou entre 1-20%.The main differences observed in the cellulose crystallite parameters occur at the average crystallite width, d002 - The changes obtained, for the same 11 operating conditions, depend on the type of pulp in question (pulp submitted to sulphite or kraft cooking). For the whole range of parameters tested the increase of the average crystallite width verified for sulphite pulps varied between 1-10%, while for kraft pulps the increase varied between 1-20%.

Na Tabela 2 apresentam-se as alterações ocorridas ao nivel da fracção cristalina da celulose presente nas pastas sulfito ácido e kraft, antes e após tratamento por alta pressão hidrostática, sendo evidente o aumento do grau de cristalinidade, indice de cristalinidade, e parâmetro de cristalinidade da celulose das pastas, causado pelo processamento por alta pressão hidrostática.Table 2 shows the changes occurring at the level of the crystalline fraction of the cellulose present in the acid and kraft sulphite pastes, before and after treatment by high hydrostatic pressure, being evident the increase of the degree of crystallinity, index of crystallinity, and parameter of crystallinity pulp pulp, caused by high pressure hydrostatic processing.

Tabela 2: Grau de cristalinidade, GC, indice de cristalinidade, IC, e parâmetro de cristalinidade, PC, da celulose presente nas pastas antes e após processamento por alta pressão hidrostática, obtidos por Raio-X, 13C RMN e FTIR, respectivamente.Table 2: Degree of crystallinity, GC, index of crystallinity, IC, and parameter of crystallinity, PC, of pulp present in pulp before and after processing by high hydrostatic pressure, obtained by X-ray, 13C NMR and FTIR, respectively.

Pasta GC (± 0,3 %) IC (± 1 %) PC (± 1 %) Sulfito 70,8 50 55 Sulfito + alta pressão 73, 0 52 60 Kraft 72,7 45 53 Kraft + alta pressão 76,5 50 58 O aumento do grau de cristalinidade pode variar entre 1,0 e 7,0% (determinado por difracção de Raios-X).GC (± 0.3%) IC (± 1%) PC (± 1%) Sulfite 70.8 50 55 Sulfite + high pressure 73, 0 52 60 Kraft 72.7 45 53 Kraft + high pressure 76.5 50 The increase in the degree of crystallinity may range from 1.0 to 7.0% (determined by X-ray diffraction).

Na Tabela 3 encontra-se evidenciado o efeito que a etapa de secagem exerce sobre o grau de hornificação de uma pasta, sendo que o processamento por alta pressão hidrostática permite reduzir a hornificação da pasta seca a 140°C 12 (temperatura à qual ocorre a secagem de pastas na indústria papeleira), para valores próximos dos exibidos pela pasta seca ao ar. No entanto, este valor está sobreestimado porque a hornificação é calculada através da comparação da capacidade de absorção de água de uma pasta nunca seca e seca e, neste caso, não é possível contabilizar a água que após processamento a alta pressão hidrostática fica fortemente ligada à estrutura da celulose e que só se consegue libertar da celulose a temperaturas muito elevadas, como se referiu acima. Desta forma, a redução da ocorrência do efeito de hornificação da celulose da pasta processada por alta pressão hidrostática será ainda maior que o valor apresentado.Table 3 shows the effect that the drying step exerts on the degree of burnification of a pulp, and the high pressure hydrostatic process allows the reduction of the drying of the dry pulp at 140 ° C 12 (temperature at which the drying of pulp in the pulp industry), to values close to those shown by the air dry pulp. However, this value is overestimated because the hornification is calculated by comparing the water absorption capacity of a paste that is never dry and dry, and in this case it is not possible to account for the water which, after processing at high hydrostatic pressure, is strongly bound to structure of the cellulose and which can only be released from the cellulose at very high temperatures, as mentioned above. Thus, the reduction of the occurrence of the cellulose firing effect of the pulp processed by high hydrostatic pressure will be even greater than the presented value.

Tabela 3: Efeitos das diferentes condições de secagem e do tratamento a alta pressão hidrostática na hornificação sofrida por uma pasta sulfito.Table 3: Effects of the different drying conditions and the treatment at high hydrostatic pressure in the furnace undergoing sulphite pulping.

Pasta sulfito Hornificação (%) Nunca seca 0 Seca ao ar 37 Seca a 140°C 43 Seca a 140°C e tratada a alta pressão 36Sulphite pulp Hornification (%) Never dry 0 Air dry 37 Dry at 140 ° C 43 Dry at 140 ° C and treated at high pressure 36

Na Figura 2 está representado o comportamento mecânico de folhas de papel produzidas a partir de uma pasta sulfito ácido seca, com e sem tratamento por alta pressão hidrostática, sendo evidente que o processamento por alta pressão aumenta as propriedades de resistência mecânica (resistência à tracção, ao rasgamento, ao rebentamento e à tracção zero span), como resultado da incorporação de moléculas de água fortemente ligadas à estrutura da celulose, que para além de conferirem maior flexibilidade 13 às fibras, provocam a diminuição dos efeitos provocados pela hornificação.Figure 2 shows the mechanical behavior of paper sheets produced from a dry acid sulphite pulp, with and without high hydrostatic pressure treatment. It is evident that high pressure processing increases the mechanical strength properties (tensile strength, tearing, bursting and zero span tensions), as a result of the incorporation of water molecules strongly bound to the cellulose structure, which, in addition to giving greater flexibility to the fibers, reduce the effects caused by hornification.

Após tratamento a alta pressão hidrostática é possível obter folhas de papel com propriedades de resistência mecânica acrescidas. Observaram-se aumentos na resistência à tracção entre 20-40%, na resistência ao rebentamento entre 40-60% e na resistência à tracção zero span entre 10-20%. Relativamente à resistência ao rasgamento, o aumento verificado variou de 80 a 300%. O processamento por alta pressão hidrostática permite realizar hidrólise química da celulose mais rapidamente e também de modo mais extenso, resultando em maior quantidade de celulose hidrolisada.After treatment at high hydrostatic pressure it is possible to obtain sheets of paper with increased mechanical strength properties. Increases in tensile strength were observed between 20-40%, bursting strength between 40-60% and zero span tensile strength between 10-20%. Regarding the tear strength, the increase verified ranged from 80 to 300%. High-pressure hydrostatic processing allows for chemical hydrolysis of the cellulose more rapidly and also more extensively, resulting in a greater amount of hydrolyzed cellulose.

Na Tabela 4 é apresentado um exemplo dos resultados obtidos para o grau de cristalinidade e largura média de cristalito, doo2í da celulose após a hidrólise. Estes dois parâmetros aumentam com o pré-processamento por alta pressão hidrostática.Table 4 shows an example of the results obtained for the degree of crystallinity and mean width of crystallite, doo2i of the cellulose after hydrolysis. These two parameters increase with the pre-processing by high hydrostatic pressure.

Tabela 4: Comparação da largura média de cristalito, d002, e grau de cristalinidade, GC, da celulose presente numa pasta após hidrólise.Table 4: Comparison of mean crystallite width, d002, and degree of crystallinity, GC, of the cellulose present in a paste after hydrolysis.

Pasta sulfito d002 (nm) GC (%) Nunca seca hidrolisada durante 3h 5,4 76, 6 Seca a 140°C hidrolisada durante 3h 5, 3 76, 9 Seca a 140°C, tratada a alta pressão e hidrolisada durante 3h 5, 6 78,7Sulphite paste d002 (nm) GC (%) Never dried hydrolyzed for 3h 5.4 76.6 Dry at 140Â ° C hydrolyzed for 3h 5.36 76.9 Dry at 140Â ° C, treated at high pressure and hydrolyzed for 3h5 , 6 78.7

Descrição das Figuras 14Description of Figures 14

Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem, limitar o objecto da presente invenção.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a more complete understanding of the invention, the following are attached figures which represent preferred embodiments of the invention which, however, are not intended to limit the subject matter of the present invention.

Na Figura 1 está representado o difractograma de raio-X da pasta sulfito ácido, com a representação dos respectivos halos amorfos e cristalinos. Projecção da célula unitária da celulose com as respectivas dimensões e planos de rede.Figure 1 shows the X-ray diffractogram of the acid sulfite paste, with the representation of the respective amorphous and crystalline halos. Projection of the unit cell of the cellulose with the respective dimensions and network plans.

Na Figura 2 está representado o comportamento mecânico de folhas de papel produzidas a partir de uma pasta sulfito ácido seca a 140°C, com e sem tratamento por alta pressão hidrostática.Figure 2 shows the mechanical behavior of sheets of paper produced from a dry acid sulphite pulp at 140 ° C, with and without high hydrostatic pressure treatment.

Na Figura 3 está representado um esquema de hidratação forçada das fibrilas da celulose sob efeito da alta pressão.Figure 3 shows a forced hydration scheme of cellulose fibrils under high pressure effect.

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As reivindicações seguintes representam adicionalmente realizações preferenciais da presente invenção.The following claims further represent preferred embodiments of the present invention.

Lisboa, 16 de Janeiro de 2012 16Lisbon, 16th January 2012 16

Claims (6)

REIVINDICAÇÕES 1. Processo de modificação de pastas celulósicas caracterizado por compreender os seguintes passos: a) desintegração e intumescimento da pasta com água durante 0,5 h a 24 h, sob agitação; b) processamento da pasta por alta pressão hidróstatica de preferência entre 100-1000 MPa.A process for the modification of cellulosic pulps comprising the following steps: a) disintegration and swelling of the slurry with water for 0.5 h to 24 h with stirring; b) processing the paste by high hydrostatic pressure, preferably between 100-1000 MPa. 2. Processo de modificação de pastas celulósicas de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por ser aplicável a qualquer pasta celulósica com consistência na gama de 0,1-40,0%.Process for the modification of cellulosic pulps according to the previous claim, characterized in that it is applicable to any cellulosic pulp having a consistency in the range of 0.1-40.0%. 3. Processo de modificação de pastas celulósicas de acordo com as reivindicações 1-2 caracterizado por o passo b) ocorrer a temperaturas entre 0-100°C durante um intervalo de tempo variável entre 1-75 minutos.A process for the modification of cellulosic pulps according to claims 1-2, characterized in that step b) occurs at temperatures between 0-100 ° C for a variable time interval of between 1-75 minutes. 4. Processo de modificação de pastas celulósicas de acordo com as reivindicações 1-3 caracterizado por ser aplicado a pastas secas ou nunca secas, sujeitas ou não a refinação.Process for the modification of cellulosic pulps according to claims 1-3, characterized in that it is applied to dry or never dried pastes, whether or not refined. 5. Pastas celulósicas modificadas caracterizadas por serem obtidas pelo processo descrito nas reivindicações 1-4.Modified cellulosic pulps characterized in that they are obtained by the process described in claims 1-4. 6. Utilização das pastas celulósicas descritas na reivindicação anterior e obtidas pelo processo descrito nas reivindicações 1-4 caracterizadas por serem utilizadas como pastas papeleiras ou para o fabrico de produtos nas 1 indústrias química, alimentar, farmacêutica e de biotecnologia. Lisboa, 16 de Janeiro de 2012 2Use of the cellulosic pulps described in the preceding claim and obtained by the process described in claims 1-4 characterized in that they are used as paper pulps or for the manufacture of products in the chemical, food, pharmaceutical and biotechnology industries. Lisbon, January 16, 2012 2
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