PT115074B - MINERAL LOAD FLAKES CONJUGATED WITH MICROFIBRILLES AND CELLULOSE NANOFIBRILLES FOR APPLICATION IN THE PRODUCTION OF PAPER MATERIAL WITH IMPROVED PAPER PROPERTIES - Google Patents

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Abstract

ESTA INVENÇÃO PRETENDE RESOLVER O PROBLEMA ATUAL DO USO DE ADITIVOS SINTÉTICOS, PREJUDICIAIS PARA O AMBIENTE E DISPENDIOSOS, NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE MATERIAL PAPELEIRO COM PROPRIEDADES PAPELEIRAS MELHORADAS, NO QUE DIZ RESPEITO AO AUMENTO DO ÍNDICE DE TRAÇÃO (A SECO E A HÚMIDO), COM MAIOR RETENÇÃO DE CARGAS MINERAIS, MAIOR RESISTÊNCIA MECÂNICA E RESISTÊNCIA AO AR (ADEQUADA PARA APLICAÇÕES DE EMBALAGEM), MENOR RUGOSIDADE, MAIOR OPACIDADE E AINDA MENOR ABSORÇÃO CAPILAR DE ÁGUA. ESTA INVENÇÃO CONSISTE EM PRODUTOS DE FLOCOS (1), PARA APLICAÇÃO EM FIBRAS CELULÓSICAS (2), CONSTITUÍDOS POR CARGAS MINERAIS CONJUGADAS COM MICROFIBRILAS OU NANOFIBRILAS DE CELULOSE, E NO SEU USO NA PRODUÇÃO DE MATERIAL PAPELEIRO E NO PRODUTO PAPELEIRO RESULTANTE.THIS INVENTION INTENDS TO SOLVE THE CURRENT PROBLEM OF THE USE OF SYNTHETIC, HARMFUL AND DIFFERENT ADDITIVES, IN THE PROCESS OF PRODUCTION OF PAPER MATERIAL WITH IMPROVED PAPER PROPERTIES, WITH REGARD TO THE INCREASE IN THE CONTENT OF THE STRAIN (). WITH GREATER MINERAL LOAD RETENTION, GREATER MECHANICAL RESISTANCE AND AIR RESISTANCE (SUITABLE FOR PACKING APPLICATIONS), LESS ROUGHNESS, GREATER OPACITY AND EVEN LESS CAPILLARY WATER ABSORPTION THIS INVENTION CONSISTS OF FLAKE PRODUCTS (1), FOR APPLICATION IN CELLULOSIC FIBERS (2), CONSTITUTED BY MINERAL LOADS CONJUGATED WITH MICROFIBRILLES OR CELLULOSE NANOFIBRILLES, AND THEIR USE IN THE PRODUCTION OF PAPER MATERIAL AND PAPER PRODUCTS.

Description

DESCRIÇÃODESCRIPTION

FLOCOS DE CARGAS MINERAIS CONJUGADAS COM MICROFIBRILAS E NANOFIBRILAS DE CELULOSE PARA APLICAÇÃO NA PRODUÇÃO DE MATERIAL PAPELEIRO COM PROPRIEDADES PAPELEIRAS MELHORADASMINERAL LOAD FLAKES CONJUGATED WITH MICROFIBRILLES AND CELLULOSE NANOFIBRILLES FOR APPLICATION IN THE PRODUCTION OF PAPER MATERIAL WITH IMPROVED PAPER PROPERTIES

Área da InvençãoInvention Area

A presente invenção insere-se no campo de produção de material papeleiro, nomeadamente sobre produtos constituídos por cargas minerais combinadas com microfibrilas e nanofibrilas de celulose, obtidas por um processo enzimático ou por uma oxidação mediada por TEMPO (N-oxil-2,2,6,6-tetrametilpiperidina), que melhoram uma globalidade de propriedades papeleiras, sendo possível a redução da quantidade, ou sem ser necessário a adição, de aditivos normalmente dispendiosos e prejudiciais para o ambiente.The present invention is inserted in the field of paper material production, namely on products consisting of mineral fillers combined with cellulose microfibrils and nanofibrils, obtained by an enzymatic process or by a TEMPO-mediated oxidation (N-oxyl-2,2, 6,6-tetramethylpiperidine), which improve all paper properties, making it possible to reduce the amount, or without the need to add, additives that are normally expensive and harmful to the environment.

Estado da ArteState of art

A competitividade na indústria papeleira tem aumentado significativamente. Por forma a melhorar as propriedades papeleiras é fundamental optimizar os processos subjacentes, tendo em vista novos horizontes, tal como a síntese de novos materiais. As nano e microfibrilas de celulose (CNF e CMF, respetivamente) são um material relativamente recente que provou melhorar significativamente a resistência do papel. Estas possuem caracteristicas únicas, tais como tamanho reduzido e elevada área de superfície específica, elevada resistência à tração, cristalinidade e transparência, sendo portanto objecto de elevado interesse, principalmente como material de reforço em estruturas compósitas. Para a produção destas novas estruturas fibrosas podem-se usar diferentes matérias-primas e metodologias, sendo que habitualmente se empregam tratamentos mecânicos para desfibrilar as fibras. Por forma a evitar um elevado consumo energético e ultrapassar dificuldades técnicas inerentes ao processo, tornou-se comum o pré-tratamento das fibras através de estratégias químicas ou enzimáticas.Competitiveness in the paper industry has increased significantly. In order to improve paper properties, it is essential to optimize the underlying processes, with a view to new horizons, such as the synthesis of new materials. Cellulose nano and microfibrils (CNF and CMF, respectively) are a relatively recent material that have proven to significantly improve the strength of the paper. These have unique characteristics, such as small size and high specific surface area, high tensile strength, crystallinity and transparency, therefore being an object of high interest, mainly as reinforcement material in composite structures. For the production of these new fibrous structures, different raw materials and methodologies can be used, and mechanical treatments are usually used to defibrillate the fibers. In order to avoid high energy consumption and overcome technical difficulties inherent to the process, pre-treatment of fibers through chemical or enzymatic strategies has become common.

uso das CNF/CMF na produção de papel tem sido alvo de diversos estudos já que estas melhoram a resistência do papel, conteúdo de cargas minerais e ainda outras propriedades específicas, tal como a absorção. Na produção de papel, estas costumam aparecer combinadas com os aditivos comummente usados na indústria, tal como agentes de resistência interna (e.g. amido catiónico), agentes de colagem interna (e.g. ASA-Anidrido Alquenil Succínico ou AKD-Dímero de Alquil Ceteno) ou agentes de retenção (e.g. poliacrilamidas catiónicas) . As invenções publicadas referem que a mistura das CNF com os aditivos referidos interfere positivamente nas ligações entre as fibras celulósicas e as cargas minerais. Neste sentido, é de extrema importância a compreensão das diversas e complexas interações e mecanismos envolvidos entre os diferentes componentes do papel.The use of CNF / CMF in paper production has been the subject of several studies since they improve the strength of paper, content of mineral fillers and other specific properties, such as absorption. In paper production, these tend to appear in combination with additives commonly used in the industry, such as internal resistance agents (eg cationic starch), internal sizing agents (eg ASA-Alkenyl Succinic Anhydride or AKD-Alkyl Ketene Dimmer) or agents retention (eg cationic polyacrylamides). The published inventions refer that the mixture of CNFs with the aforementioned additives interferes positively in the bonds between cellulosic fibers and mineral fillers. In this sense, it is extremely important to understand the diverse and complex interactions and mechanisms involved between the different components of the role.

A publicação WO2018100524A1 descreve a invenção em que celulose microfibrilada é misturada com, pelo menos, dois agentes de retenção (polímero catiónico, e.g. amido, e micro ou nanopartículas, e.g. sílica ou bentonite) como uma pré-mistura antes da produção de papel. Misturas com cargas minerais não são descritas.WO2018100524A1 describes the invention in which microfibrillated cellulose is mixed with at least two retention agents (cationic polymer, e.g. starch, and micro or nanoparticles, e.g. silica or bentonite) as a premix before paper production. Mixtures with mineral fillers are not described.

A invenção EP2236664A1 refere a mistura de fibras celulósicas com cargas minerais apenas com o intuito da produção de celulose nanofibrilada, através de um processo mais eficiente. Não demonstrando qualquer melhoria simultânea de uma pluralidade de propriedades papeleiras do papel produzido com o novo produto obtido pelo método descrito.The EP2236664A1 invention refers to the mixture of cellulosic fibers with mineral fillers only for the purpose of producing nanofibrilated cellulose, through a more efficient process. It does not demonstrate any simultaneous improvement of a plurality of paper properties of the paper produced with the new product obtained by the described method.

A publicação WO2016/185397A1 refere ainda a produção de cargas minerais directamente numa suspensão de celulose microfibrilada, que poderá ser usada para produzir papel com melhor drenabilidade. Não existe qualquer referência no documento citado sobre a melhoria simultânea de uma pluralidade de propriedades papeleiras, como aumento do índice de tração, com maior retenção de cargas minerais, maior resistência mecânica e resistência ao ar, menor rugosidade, maior opacidade e ainda menor absorção capilar de água. Adicionalmente, as cargas minerais, e o seu efeito, estão associadas ao uso de um percursor, neste caso dióxido de carbono com um determinado tamanho das suas bolhas de gás.Publication WO2016 / 185397A1 also mentions the production of mineral fillers directly in a suspension of microfibrillated cellulose, which can be used to produce paper with better drainability. There is no reference in the document cited about the simultaneous improvement of a plurality of paper properties, such as an increase in the tensile index, with greater retention of mineral fillers, greater mechanical resistance and resistance to air, less roughness, greater opacity and even less capillary absorption. of water. Additionally, mineral charges, and their effect, are associated with the use of a precursor, in this case carbon dioxide with a certain size of its gas bubbles.

A publicação EP 2978894 B1 define o processo de produção de papel que consiste em misturar celulose microfibrilada com um agente de resistência (e.g. amido) e mais tarde uma microparticula (e.g. sílica ou bentonite).EP publication 2978894 B1 defines the papermaking process which consists of mixing microfibrillated cellulose with a resistance agent (e.g. starch) and later a microparticle (e.g. silica or bentonite).

artigo He et al. (2017) refere que um compósito de CMF, carbonato de cálcio precipitado (PCC) e amido catiónico origina flocos de elevada dimensão que permitem melhoria da retenção de PCC.article He et al. (2017) states that a composite of CMF, precipitated calcium carbonate (PCC) and cationic starch gives rise to large flakes that allow for improved PCC retention.

A publicação EP 2425057 BI revela a metodologia para preparação de uma suspensão aquosa a ser usada na produção de papel. A suspensão referida é composta por cargas minerais, fibras, celulose nanofibrilada e um polielectrólito catiónico (preferencialmente amido catiónico). É afirmado que a retenção de cargas minerais e a resistência do papel são melhoradas se a combinação de cargas, CNF e amido é usada.EP 2425057 BI discloses the methodology for preparing an aqueous suspension to be used in the production of paper. The suspension mentioned is composed of mineral fillers, fibers, nanofibrilated cellulose and a cationic polyelectrolyte (preferably cationic starch). It is stated that the retention of mineral fillers and the strength of the paper are improved if the combination of fillers, CNF and starch is used.

A publicação WO2015101498A1 revela uma metodologia que fornece uma composição de cargas pré-tratadas, contendo PCC, poliacrilamida catiónica e celulose nanofibrilada. Os agregados de cargas pré-tratadas referidos foram caracterizados por Medição de Reflectância por um Feixe de Luz Focalizado (FBRM) e são tidos como responsáveis pela melhoria das propriedades papeleiras.The publication WO2015101498A1 discloses a methodology that provides a composition of pretreated fillers, containing PCC, cationic polyacrylamide and nanofibrilated cellulose. The aggregates of pre-treated loads referred to were characterized by Measurement of Reflectance by a Focused Light Beam (FBRM) and are considered responsible for the improvement of paper properties.

A publicação US2017/0284030A1 refere a aplicação de microfibrilas de celulose e partículas inorgânicas numa camada à superfície de uma estrutura papeleira. Apesar de a camada de superfície descrita (contendo as microfibrilas de celulose e partículas inorgânicas) não conter aditivos, o documento descreve que a estrutura papeleira terá obrigatoriamente de conter aproximadamente 2% de aditivos, como floculantes, aditivos de drenagem/formação, espessantes, amido e agentes de retenção. Adicionalmente, 3 não existe qualquer referência a flocos constituídos por cargas minerais e fibrilas de celulose com determinada viscosidade intrínseca, capacidade de refloculação e tamanho associado. Também não é referida a melhoria simultânea de uma pluralidade de propriedades papeleiras, como aumento do índice de tração, com maior retenção de cargas minerais, maior resistência mecânica e resistência ao ar, menor rugosidade, maior opacidade e ainda menor absorção capilar de água.Publication US2017 / 0284030A1 refers to the application of cellulose microfibrils and inorganic particles in a layer on the surface of a paper structure. Although the described surface layer (containing the cellulose microfibrils and inorganic particles) does not contain additives, the document describes that the paper structure must contain approximately 2% of additives, such as flocculants, drainage / formation additives, thickeners, starch and retention agents. Additionally, 3 there is no reference to flakes made up of mineral fillers and cellulose fibrils with a certain intrinsic viscosity, refloculation capacity and associated size. Nor is it mentioned the simultaneous improvement of a plurality of paper properties, such as an increase in the tensile index, with greater retention of mineral fillers, greater mechanical resistance and resistance to air, less roughness, greater opacity and even less capillary water absorption.

Tendo em conta o conhecimento publicado, continua a haver a necessidade de se conseguir uma melhoraria global de uma pluralidade de propriedades papeleiras, usando produtos e metodologias eficazes, económicas e amigas do ambiente, sendo possível a redução da quantidade, ou sem ser necessário a adição, de aditivos normalmente dispendiosos e prejudiciais para o ambiente.Taking into account the published knowledge, there remains a need to achieve an overall improvement of a plurality of paper properties, using efficient, economical and environmentally friendly products and methodologies, with the possibility of reducing the quantity, or without the need to add , of additives normally expensive and harmful to the environment.

Referência Reference Autor Author Título Title WO 2018 WO 2018 Kaj Backfolk, Kaj Backfolk, Pre-mix useful in the Pre-mix useful in the 100524 Al 100524 Al Isto Heiskanen, Esa Saukkonen Isto Heiskanen, Esa Saukkonen manufacture of a fiber based product manufacture of a fiber based product EP 2978894 BI EP 2978894 BI Mikko Virtanen Mikko Virtanen Process for production of paper or board Process for production of paper or board He et al. He et al. Ming He, Guihua Ming He, Guihua Effects of addition method Effects of addition method (2017) (2017) Yang, Byoung-Uk Cho, Yong Kyu Lee, Jong Myoung Won Yang, Byoung-Uk Cho, Yong Kyu Lee, Jong Myoung Won and fibrillation degree of cellulose nanofibrils on furnish drainability and paper properties and fibrillation degree of cellulose nanofibrils on furnish drainability and paper properties EP 2425057 EP 2425057 Janne Laine, Janne Laine, Method for producing Method for producing BI BI Monika Õsterberg, Delphine Miguel, Leila Pohjola, Irmeli Sinisalo, Harri Kosonen Monika Österberg, Delphine Miguel, Leila Pohjola, Irmeli Sinisalo, Harri Kosonen furnish, furnish and paper furnish, furnish and paper WO 2015 WO 2015 Matti Matti A method for providing a A method for providing a 101498 Al 101498 Al Hietaniemi, Mikko Virtanen, Katariina Torvinen, Terhi Saari, Hellén Erkki Hietaniemi, Mikko Virtanen, Katariina Torvinen, Terhi Saari, Hellén Erkki pretreated filler composition and its use in paper and board manufacturing pretreated filler composition and its use in paper and board manufacturing

EP 2236664 Al EP 2236664 Al Patrick A. C. GaneJoachim SchoelkopfDaniel GantenbeinMichel SchenkerMichael PohlBeat Kíibler Patrick A. C. GaneJoachim SchoelkopfDaniel GantenbeinMichel SchenkerMichael PohlBeat Kíibler Process for the production of nano-fibrillar cellulose suspensions Process for the production of nano-fibrillar cellulose suspensions WO 2016/185397 Al WO 2016/185397 Al Isto HeiskanenKaj Backfolk This HeiskanenKaj Backfolk Production of nanosized precipitated calcium carbonate and use in improving dewatering of fiber webs Production of nanosized precipitated calcium carbonate and use in improving dewatering of fiber webs US 2017/0284030 Al US 2017/0284030 Al Per SvendingJonathan Stuart PhippsJohannes KritzingerTom LarsonTania SelinaDavid Skuse Per SvendingJonathan Stuart PhippsJohannes KritzingerTom LarsonTania SelinaDavid Skuse Paper and paperboard Products Paper and paperboard Products

Resumo da invenção;Summary of the invention;

Esta invenção pretende resolver o problema atual do uso de aditivos sintéticos, prejudiciais para o ambiente e dispendiosos, no processo de produção de material papeleiro com uma pluralidade de propriedades papeleiras melhoradas.This invention aims to solve the current problem of the use of synthetic additives, harmful to the environment and expensive, in the process of producing paper material with a plurality of improved paper properties.

Esta invenção consiste em produtos de flocos constituídos por cargas minerais conjugados com microfibrilas e nanofibrilas de celulose, obtidas, respetivamente, por via enzimática ou via uma oxidação mediada por N-oxil-2,2,6,6tetrametilpiperidina - TEMPO - que, inesperadamente, conferem uma pluralidade de propriedades papeleiras globalmente melhoradas ao material papeleiro e sendo possível a redução da quantidade, ou sem ser necessário a adição, de aditivos normalmente dispendiosos e prejudiciais para o ambiente.This invention consists of flake products consisting of mineral fillers conjugated with cellulose microfibrils and nanofibrils, obtained, respectively, by enzymatic route or via an oxidation mediated by N-oxyl-2,2,6,6tetramethylpiperidine - TEMPO - which, unexpectedly, they confer a plurality of globally improved paper properties to the paper material and it is possible to reduce the amount, or without the need to add, of additives normally expensive and harmful to the environment.

Adicionalmente, esta invenção consiste em material papeleiro, produzido a partir dos flocos de cargas minerais e microfibrilas ou nanofibrilas de celulose (obtidas através de uma hidrólise enzimática e por uma oxidação mediada por TEMPO (N-oxil-2,2,6,6-tetrametilpiperidina), respetivamente), descritos acima. 0 produto obtido possui uma globalidade de propriedades papeleiras melhoradas, tais como aumento do índice de tração (a seco e a húmido), maior retenção de cargas minerais, maior resistência mecânica e resistência ao ar, menor rugosidade, maior opacidade e ainda menor absorção capilar de água, tornando possível a redução da quantidade, ou mesmo sem ser necessário a adição, de aditivos dispendiosos, como amidos, ASA, e poliacrilamidas catiónicas.Additionally, this invention consists of paper material, produced from flakes of mineral fillers and cellulose microfibrils or nanofibrils (obtained through enzymatic hydrolysis and TEMPO-mediated oxidation (N-oxyl-2,2,6,6- tetramethylpiperidine), respectively), described above. The product obtained has a globality of improved paper properties, such as an increase in the tensile index (dry and wet), greater retention of mineral fillers, greater mechanical resistance and resistance to air, less roughness, greater opacity and even less capillary absorption. of water, making it possible to reduce the amount, or even without the need for the addition, of expensive additives, such as starches, ASA, and cationic polyacrylamides.

Breve descrição das figuras:Brief description of the figures:

Figura 1. Caracterização das diferentes CNF/CMF produzidas e da pasta branqueada para comparação.Figure 1. Characterization of the different CNF / CMF produced and the bleached pulp for comparison.

Figura 2. Quantidades (em %) dos diferentes componentes para as diferentes séries de formulações para a produção de folhas de pasta branca de eucalipto.Figure 2. Quantities (in%) of the different components for the different series of formulations for the production of sheets of white eucalyptus pulp.

Figura 3. Evolução do tamanho médio das partículas na suspensão contendo PCC e CNF/CMF. Um teste apenas com PCC foi também considerado para comparação.Figure 3. Evolution of the average particle size in the suspension containing PCC and CNF / CMF. A PCC-only test was also considered for comparison.

Figura 4. Evolução do tamanho médio das partículas na suspensão contendo PCC e CMF-E1 produzida com crescente número de passagens no HPH. Um teste apenas com PCC foi também considerado para comparação.Figure 4. Evolution of the average particle size in the suspension containing PCC and CMF-E1 produced with an increasing number of passages in the HPH. A PCC-only test was also considered for comparison.

Figura 5. Retenção de PCC nas folhas produzidas com os flocos produzidos com as CNF/CMF provenientes de diferentes processos e aditivos. A linha horizontal representa o normalmente usado, isto é, folhas sem flocos e com PCC e com todos os aditivos.Figure 5. Retention of PCC in the leaves produced with the flakes produced with the CNF / CMF from different processes and additives. The horizontal line represents the one normally used, that is, sheets without flakes and with PCC and with all additives.

Figura 6. Factor PCC-tração normalizado para o mesmo conteúdo em PCC de folhas produzidas com flocos produzidos com CNF / CMF obtidas por diferentes processos e com diferentes aditivos, e relação com a referencia atual (sem flocos e com PCC e com aditivos).Figure 6. Standardized PCC-traction factor for the same PCC content of sheets produced with flakes produced with CNF / CMF obtained by different processes and with different additives, and relationship with the current reference (without flakes and with PCC and with additives).

Figura 7. índice de tração de folhas produzidas com flocos de CMF-E1, com e sem aditivos. A coluna a preto refere-se a folhas produzidas com 5% extra de adição de PCC.Figure 7. Leaf tensile index produced with CMF-E1 flakes, with and without additives. The black column refers to sheets produced with an extra 5% addition of PCC.

Figura 8. Factor PCC-rasgamento normalizado para o mesmo conteúdo em PCC de folhas produzidas com flocos produzidos com CNF / CMF obtidas por diferentes processos e com diferentes aditivos, e relação com a referencia atual (sem flocos e com PCC e com aditivos).Figure 8. Factor PCC-tear normalized to the same content in PCC of sheets produced with flakes produced with CNF / CMF obtained by different processes and with different additives, and relationship with the current reference (without flakes and with PCC and with additives).

Figura 9. Factor PCC-opacidade normalizado para o mesmo conteúdo em PCC de folhas produzidas com flocos produzidos com CNF / CMF obtidas por diferentes processos e com diferentes aditivos, e relação com a referencia atual (sem flocos e com PCC e com aditivos).Figure 9. Standardized PCC-opacity factor for the same PCC content of sheets produced with flakes produced with CNF / CMF obtained by different processes and with different additives, and relationship with the current reference (without flakes and with PCC and with additives).

Figura 10. índice de tração a húmido de folhas produzidas sem aditivos com flocos produzidos com CNF-T3 ou CMF-E1 e folhas referência (sem flocos e com PCC e com aditivos).Figure 10. Wet tensile index of leaves produced without additives with flakes produced with CNF-T3 or CMF-E1 and reference sheets (without flakes and with PCC and with additives).

Figura 11. Influência da adição de flocos de PCC+CMF-E1 no índice de tração de folhas produzidas com pasta refinada a diferentes °SR. O factor PCC-tração foi calculado tendo como base a referência produzida com pasta a 2 9 0 SR+PCC+aditivos.Figure 11. Influence of the addition of PCC + CMF-E1 flakes on the leaf tensile index produced with refined pulp at different ° SR. The PCC-traction factor was calculated based on the reference produced with 2 9 0 SR paste + PCC + additives.

Figura 12. Propriedades estruturais das folhas produzidas com os flocos produzidos com as diferentes CNF/CMF e aditivos.Figure 12. Structural properties of the leaves produced with the flakes produced with the different CNF / CMF and additives.

Figura 13. Valor de retenção de água (WRV) e de absorção de água capilar (teste Klemm) de folhas laboratoriais com flocos produzidos com as diferentes CNF/CMF e aditivos.Figure 13. Value of water retention (WRV) and capillary water absorption (Klemm test) of laboratory sheets with flakes produced with the different CNF / CMF and additives.

Figura 14. Custos de produção de CNF/CMF e a respectiva adição de 3 % ao processo de produção de papel.Figure 14. CNF / CMF production costs and the respective addition of 3% to the paper production process.

* Custo da fibra estimado em 700euros/tonelada métrica ** Custo da energia assumido em 0,02 euros/MJ, excluindo os custos do consumo de água* Fiber cost estimated at 700euros / metric ton ** Energy cost assumed to be 0.02 euros / MJ, excluding water consumption costs

Figura 15. Flocos (1) agarrados a uma fibra celulósica (2), por microscopia electrónica de varrimento com emissão de campo de uma folha produzida com fibra celulósica e flocos.Figure 15. Flakes (1) attached to a cellulosic fiber (2), by scanning electron microscopy with field emission of a sheet produced with cellulosic fiber and flakes.

Descrição pormenorizada da invenção:Detailed description of the invention:

Nesta invenção celuloses microfibriladas (CMF) enzimáticas e nanofibriladas (CNF) por oxidação TEMPO são conjugadas, individualmente, com cargas minerais para uso na produção de material papeleiro, aumentando as suas propriedades papeleiras com a redução da quantidade, ou sem ser necessário a adição, de outros aditivos.In this invention enzymatic microfibrillated (CMF) and nanofibrillated (CNF) celluloses by TEMPO oxidation are individually combined with mineral fillers for use in the production of paper material, increasing their paper properties with the reduction of the quantity, or without the need for addition, other additives.

Celuloses microfibriladas (CMF) e nanofibriladas (CNF) podem ser sintetizadas através de diferentes processos, mecânicos, enzimáticos e/ou químicos.Microfibrillated (CMF) and nanofibrillated (CNF) celluloses can be synthesized through different processes, mechanical, enzymatic and / or chemical.

Os tamanhos das fibrilas permitem fazer a distinção entre as nanofibrilas e as microfibrilas de celulose (Kargarzadeh H., Mariano M., Gopakumar D., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A., Huang J. , Lin N. (2018) Advances in cellulose nanomaterials. Cellulose 25: 2151-2189). Na proposta de norma TAPPI WI 3021 (TAPPI Standard proposal WI 3021. Standard terms and their definition for cellulose nanomaterials, draft), as nanofibrilas de celulose aparecem definidas como possuindo largura 5-30nm e as microfibrilas de celulose com largura 10-100nm. Adicionalmente, foi determinado o rendimento de nanofibrilação, ou seja, o rácio de nanofibrilas das diferentes amostras, Figura 1. Para tal recorre-se a centrifugação e gravimetria (tal como definido na norma ISO/CD TS 21346). São consideradas CNF as amostras compostas maioritariamente por nanofibrilas (ou seja, com rácio de nanofibrilas - rendimento de nanofibrilação - superior a 50%) e CMF as amostras compostas maioritariamente por microfibrilas (ou seja, com rácio de nanofibrilas - rendimento de nanofibrilação inferior a 50%).The sizes of the fibrils make it possible to distinguish between nanofibrils and cellulose microfibrils (Kargarzadeh H., Mariano M., Gopakumar D., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A., Huang J., Lin N. (2018 ) Advances in cellulose nanomaterials, Cellulose 25: 2151-2189). In the proposal for standard TAPPI WI 3021 (TAPPI Standard proposal WI 3021. Standard terms and their definition for cellulose nanomaterials, draft), cellulose nanofibrils are defined as having a width of 5-30nm and cellulose microfibrils with a width of 10-100nm. Additionally, the nanofibrillation yield, that is, the nanofibril ratio of the different samples, was determined, Figure 1. For this, centrifugation and gravimetry are used (as defined in the ISO / CD TS 21346). Samples composed mainly of nanofibrils (that is, with a nanofibril ratio - nanofibrillation yield - greater than 50%) and CMF are samples composed mainly of microfibrils (ie, with a nanofibril ratio - nanofibrillation yield below 50) %).

Para além de celulose microfibrilada (CMF) produzida por via de hidrólise enzimática com endoglucanases (de acordo com a metodologia proposta por Tarrés et al. 2016) e aqui identificadas como CMF-E1 e CMF-E2, e celulose nanofibrilada (CNF) produzida por oxidação mediada por TEMPO, N-oxil-2,2,6,6-tetrametilpiperidina (de acordo com a metodologia proposta por Saito et al. 2007), comummente designada, por peritos na especialidade, por celulose nanofibrilada TEMPO, CNF-TEMPO, e aqui identificadas como CNF-T3 e CNF-T9, foram ainda consideradas CNF/CMF produzidas de diferentes formas, nomeadamente por refinação mecânica (identificada aqui como CMF-Mec) e por carboximetilação com diferentes quantidades de ácido monocloroacético, de 9 % e de 27 % (identificadas como CNFC9 e CNF-C27, respectivamente).In addition to microfibrillated cellulose (CMF) produced by enzymatic hydrolysis with endoglucanases (according to the methodology proposed by Tarrés et al. 2016) and identified here as CMF-E1 and CMF-E2, and nanofibrillated cellulose (CNF) produced by TEMPO-mediated oxidation, N-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidine (according to the methodology proposed by Saito et al. 2007), commonly referred to by experts in the art as TEMPO nanofibrillated cellulose, CNF-TEMPO, and here identified as CNF-T3 and CNF-T9, were also considered CNF / CMF produced in different ways, namely by mechanical refining (identified here as CMF-Mec) and by carboxymethylation with different amounts of 9% monochloroacetic acid and 27% (identified as CNFC9 and CNF-C27, respectively).

No caso das microfibrilas de celulose (CMF) enzimáticas, estas são produzidas a partir de 0.03 kg de pasta kraft branqueada de eucalipto, que foi desintegrada e refinada a 4000 rotações num refinador do tipo PFI. De seguida as fibras sofrem uma hidrólise enzimática com diferentes enzimas comerciais: enzima El (endocelulase, 10% exocelulase e 5% hemicelulose) e enzima E2 (endocelulase com 10% hemicelulose). O teor proteico das enzimas foi determinado pelo método de Bradford (Bradford, 1976) com proteína de soro bovino (BSA), tendo-se obtido valores de 5.0 e 5.8 kg/m3 para as enzimas El e E2, respectivamente. As fibras são suspensas em água, a uma consistência de 3,5 %, e o pH é ajustado para o valor de 5, com um tampão de citrato de sódio. A suspensão é posteriormente aquecida a 323.15 K, com agitação mecânica contínua, sendo finalmente adicionada a enzima (3xl0-4 kg por kg de pasta). A hidrólise é terminada depois de 7200 s, por aquecimento da suspensão a 353.15 K e durante 900 s. A suspensão resultante é arrefecida à temperatura ambiente.In the case of enzymatic cellulose microfibrils (CMF), they are produced from 0.03 kg of bleached eucalyptus kraft pulp, which was disintegrated and refined at 4000 rotations in a PFI type refiner. Then the fibers undergo an enzymatic hydrolysis with different commercial enzymes: El enzyme (endocellulase, 10% exocellulase and 5% hemicellulose) and E2 enzyme (endocellulase with 10% hemicellulose). The protein content of the enzymes was determined by the Bradford method (Bradford, 1976) with bovine whey protein (BSA), with values of 5.0 and 5.8 kg / m 3 being obtained for the enzymes E1 and E2, respectively. The fibers are suspended in water, at a consistency of 3.5%, and the pH is adjusted to the value of 5, with a sodium citrate buffer. The suspension is then heated to 323.15 K, with continuous mechanical stirring, and the enzyme is finally added (3x10 -4 kg per kg of paste). The hydrolysis is terminated after 7200 s, by heating the suspension to 353.15 K and for 900 s. The resulting suspension is cooled to room temperature.

No caso das CNF produzidas por oxidação, as fibras refinadas foram misturadas numa suspensão aquosa contendo NaBr e TEMPO à temperatura ambiente. De seguida, uma solução de hipoclorito de sódio (NaClO) na proporção de 3 ou 9 mol por kilograma de fibra foi adicionada lentamente à mistura anterior, mantendo o pH a 10 com NaOH durante duas 9 horas, produzindo as amostras CNF-T3 e CNF-T9, respectivamente.In the case of CNF produced by oxidation, the refined fibers were mixed in an aqueous suspension containing NaBr and TEMPO at room temperature. Then, a solution of sodium hypochlorite (NaClO) in the proportion of 3 or 9 mol per kilogram of fiber was added slowly to the previous mixture, maintaining the pH at 10 with NaOH for two 9 hours, producing the samples CNF-T3 and CNF -T9, respectively.

Tanto as amostras enzimáticas como as TEMPO foram abundantemente lavadas com água desmineralizada até se obter uma condutividade baixa do filtrado. Depois destes tratamentos enzimático e de oxidação das fibras estas são, por fim, mecanicamente tratadas, a uma consistência de 1 %, num homogeneizador de alta pressão (HPH, GEA Niro Soavi, model Panther NS3006L), primeiro a 5xl07 Pa e de seguida a 10xl07 Pa. Este tratamento mecânico é intensivo, preferencialmente de duas passagens (pressão total de 15xl07 Pa) .Both the enzymatic samples and the TEMPO were thoroughly washed with demineralized water until a low conductivity of the filtrate was obtained. After these enzymatic and fiber oxidation treatments, they are finally mechanically treated, to a consistency of 1%, in a high pressure homogenizer (HPH, GEA Niro Soavi, model Panther NS3006L), first at 5x10 7 Pa and then to 10x10 7 Pa. This mechanical treatment is intensive, preferably two passes (total pressure 15x10 7 Pa).

Foi também possível caracterizar as CNF/CMF produzidas por diferentes métodos, no que diz respeito ao rendimento de nanofibrilação, conteúdo de grupos carboxílicos, viscosidade intrínseca (grau de polimerização) e carga eléctrica superficial (potencial zeta), como mostrado na Figura 1. Uma caracterização adequada deste tipo de materiais é essencial e os parâmetros a medir podem variar consoante o tipo de utilização prevista. Normalmente a quantidade de material à escala nanométrica, o tamanho de partícula médio e a distribuição de tamanhos, química da superfície e as propriedades mecânicas são os mais medidos, mas também a cristalinidade, área de superfície específica e reologia das suspensões consoante a aplicação futura.It was also possible to characterize the CNF / CMF produced by different methods, with regard to nanofibrillation yield, content of carboxylic groups, intrinsic viscosity (degree of polymerization) and surface electrical charge (zeta potential), as shown in Figure 1. One Adequate characterization of this type of material is essential and the parameters to be measured may vary depending on the type of intended use. Usually the amount of material at the nanoscale, the average particle size and size distribution, surface chemistry and mechanical properties are the most measured, but also the crystallinity, specific surface area and rheology of the suspensions depending on the future application.

A viscosidade intrínseca foi medida por dissolução em cuprietilenodiamina, segundo a norma ISO 5351:2010, e o grau de polimerização foi calculado utilizando a equação de Mark-Houwink, usando os parâmetros definidos por Henriksson et al. 2008.The intrinsic viscosity was measured by dissolving in cupriethylenediamine, according to the ISO 5351: 2010 standard, and the degree of polymerization was calculated using the Mark-Houwink equation, using the parameters defined by Henriksson et al. 2008.

Na Figura 1 a quantidade de nanofibrilas permite distinguir as amostras nanofibriladas (CNF), que correspondem também às amostras funcionalizadas e portanto com elevado grau de grupos carboxílicos e elevado potencial zeta (valor absoluto), das amostras microfibriladas (CMF).In Figure 1, the amount of nanofibrils allows to distinguish the nanofibrillated samples (CNF), which also correspond to the functionalized samples and therefore with a high degree of carboxylic groups and high zeta potential (absolute value), from the microfibrillated samples (CMF).

Foram preparadas e usadas na preparação de folhas laboratoriais, 5 diferentes séries de formulações, no que diz respeito ao conteúdo em pasta branqueada de eucalipto 10 refinada até 33 °SR (grau de refinação, Schopper Riegler), em CNF/CMF, em carbonato de cálcio precipitado (PCC), em amido catiónico, em anidrido alquenil succinico (alkenyl succinic anhydride (ASA)), e/ou em poliacrilamida catiónica linear (linear cationic polyacrylamide (CPAM)). Estes compostos são os comummente usados para melhorar as propriedades papeleiras na produção de folhas papeleiros.Five different series of formulations were prepared and used in the preparation of laboratory sheets, with regard to the content in bleached eucalyptus pulp 10 refined up to 33 ° SR (degree of refining, Schopper Riegler), in CNF / CMF, in carbonate of precipitated calcium (PCC), in cationic starch, in alkenyl succinic anhydride (alkenyl succinic anhydride (ASA)), and / or in linear cationic polyacrylamide (CPAM). These compounds are those commonly used to improve paper properties in the production of paper sheets.

A Figura 2 indica as quantidades consideradas.Figure 2 indicates the quantities considered.

No passo seguinte procede-se à produção de flocos de PCC com as micro ou nanofibrilas de celulose. Inicialmente prepara-se uma suspensão aquosa de carbonato de cálcio precipitado (1% em peso) e uma suspensão aquosa das microfibrilas de celulose obtidas enzimaticamente ou das nanofibrilas TEMPO (0. 2 % em peso). O carbonato de cálcio e as micro ou as nanofibrilas de celulose, numa razão em massa de 10:1, respectivamente, e numa concentração total de sólidos de aproximadamente 0,01 % também em peso, são misturados sob agitação (2000 rpm) . Depois de 1200 s de agitação, sonicação é aplicada durante 900 s para a quebra dos flocos. Ao fim dos 900 s a agitação prossegue por mais 1800 s.In the next step, PCC flakes are produced with cellulose micro or nanofibrils. Initially, an aqueous suspension of precipitated calcium carbonate (1% by weight) and an aqueous suspension of the enzymatically obtained cellulose microfibrils or TEMPO nanofibrils (0. 2% by weight) are prepared. The calcium carbonate and the cellulose micro or nanofibrils, in a mass ratio of 10: 1, respectively, and in a total solids concentration of approximately 0.01% also by weight, are mixed under agitation (2000 rpm). After 1200 s of agitation, sonication is applied for 900 s to break the flakes. At the end of 900 s, the stirring continues for another 1800 s.

Um factor importante na melhoria do potencial papeleiro será a avaliação da interação das CNF/CMF com o PCC, através de testes de floculação. De facto, as cargas minerais, tal como o PCC, não são capazes de formar ligações suficientemente fortes com as fibras celulósicas e portanto no processo de formação da folha uma grande quantidade é perdida através da teia. A floculação eficiente destas, que promova tamanhos de partícula suficientemente elevados para evitar a sua perda, mas com tamanhos controlados de forma a não prejudicar a subsequente formação da folha, é essencial. Como referido, usualmente a floculação de cargas inorgânicas é feita com recurso a aditivos sintéticos, como poliacrilamidas catiónicas ou amido catiónico.An important factor in the improvement of the papermaking potential will be the evaluation of the interaction of the CNF / CMF with the PCC, through flocculation tests. In fact, mineral fillers, such as PCC, are not able to form sufficiently strong bonds with cellulosic fibers and therefore in the sheet formation process a large amount is lost through the web. The efficient flocculation of these, which promotes particle sizes high enough to prevent their loss, but with controlled sizes so as not to harm the subsequent formation of the leaf, is essential. As mentioned, usually the flocculation of inorganic fillers is done using synthetic additives, such as cationic polyacrylamides or cationic starch.

Assim, o tamanho dos flocos é controlado ao longo do tempo por medições de difracção da luz num equipamento Mastersizer 2000 (Malvern Instruments), equipado com o módulo Hydro2000 e usando um índice de refracção do PCC de 1.57 e a teoria de Mie para o processamento das medições. A técnica de medição foi inicialmente reportada por Rasteiro et al. (2008) para cargas minerais (sem CNF).Thus, the size of the flakes is controlled over time by light diffraction measurements on a Mastersizer 2000 equipment (Malvern Instruments), equipped with the Hydro2000 module and using a PCC refractive index of 1.57 and Mie's theory for processing measurements. The measurement technique was initially reported by Rasteiro et al. (2008) for mineral loads (without CNF).

Foi possível verificar, como se observa na Figura 3, que as CMF obtidas mecanicamente não originam floculação do PCC e no caso das CNF via TEMPO apenas um caso originou floculação, as CNF-T3, com um tamanho final dos flocos de aproximadamente 50 μm. Para as CNF obtidas por carboximetilação foi observada uma forte floculação. No caso das enzimáticas, ocorreu também uma forte floculação, com a obtenção de flocos de dimensões de 27 μm. O tamanho dos flocos varia significativamente com as propriedades das CMF. Para o caso das enzimáticas, a viscosidade intrínseca deverá ser inferior a 0.75 m3/kg, mais preferencialmente compreendida na gama 0.45-0.70 m3/kg, correspondentes a um grau de polimerização entre 1000 a 2000, por forma a produzir flocos com os tamanhos referidos atrás. Estudos suplementares para este trabalho indicam que as CNF-TEMPO deverão ter uma viscosidade intrínseca superior a 0.10 m3/kg, mais preferencialmente compreendida na gama 0.12 0.21 m3/kg, que corresponde a um grau de polimerização entre 300-500, e uma quantidade de grupos carboxílicos inferior a 1.4 mol/kg, por forma a serem capazes de provocar uma floculação eficiente de partículas de PCC, nomeadamente, com flocos de tamanhos compreendidos entre 20 a 50 pm (após quebra dos flocos e refloculação). No caso da CMF-E1, estudou-se ainda a influência do número de passagens no homogeneizador na floculação de PCC. Assim, 2, 4 ou 6 passagens (correspondentes a uma pressão total de 12.5xl07, 27.5xl07 e 42.5xl07 Pa, respectivamente) originaram microfibrilas com decrescentes graus de polimerização (1834, 1747 e 1504, respectivamente) e com decrescentes capacidades de floculação (Figura 4). A CMF-E1 produzida com duas passagens (total de 12.5xl07 Pa) no HPH originou os maiores flocos, com tamanhos médios de 28 pm (após quebra dos flocos e subsequente refloculação).It was possible to verify, as seen in Figure 3, that the CMF obtained mechanically do not cause flocculation of the PCC and in the case of CNF via TEMPO, only one case originated flocculation, the CNF-T3, with a final flake size of approximately 50 μm. For CNF obtained by carboxymethylation, a strong flocculation was observed. In the case of enzymes, there was also a strong flocculation, obtaining flakes with dimensions of 27 μm. The size of the flakes varies significantly with the properties of the CMF. In the case of enzymes, the intrinsic viscosity should be less than 0.75 m 3 / kg, more preferably in the range 0.45-0.70 m 3 / kg, corresponding to a degree of polymerization between 1000 to 2000, in order to produce flakes with the sizes mentioned above. Supplementary studies for this work indicate that CNF-TEMPO should have an intrinsic viscosity greater than 0.10 m 3 / kg, more preferably in the range 0.12 0.21 m 3 / kg, which corresponds to a degree of polymerization between 300-500, and a amount of carboxylic groups less than 1.4 mol / kg, in order to be able to cause an efficient flocculation of PCC particles, namely, with flakes of sizes between 20 to 50 pm (after breaking the flakes and refloculation). In the case of CMF-E1, the influence of the number of passes in the homogenizer on the PCC flocculation was also studied. Thus, 2, 4 or 6 passes (corresponding to a total pressure of 12.5 x 10 7 , 27.5 x 10 7 and 42.5 x 10 7 Pa, respectively) gave rise to microfibrils with decreasing degrees of polymerization (1834, 1747 and 1504, respectively) and with decreasing capacities flocculation (Figure 4). The CMF-E1 produced with two passes (total of 12.5 x 10 7 Pa) in the HPH originated the largest flakes, with average sizes of 28 pm (after breaking the flakes and subsequent refloculation).

Para a preparação das folhas, com as formulações e quantidades descritas na Figura 1, adicionam-se os flocos produzidos à fibra refinada branqueada de eucalipto, sob agitação. Após 120 segundos, adicionam-se os restantes aditivos. A mistura amido catiónico + ASA está em agitação com a mistura anterior durante 150 segundos e a poliacrilamida catiónica durante 5 segundos. As formulações seguem para o formador de folhas, onde se procede automaticamente aos passos de agitação (5 segundos), decantação (5 segundos) e drenagem (tempo dependente das formulações). As folhas são prensadas, secas e condicionadas de acordo com a norma ISO 5269-1. As propriedades estruturais, ópticas e mecânicas são medidas de acordo com as normas correspondentes: gramagem (ISO 536:2011), resistência ao ar Gurley (ISO 5636-5:2003), rugosidade Bendtsen (ISO 8791-2:2013), índice de tração (ISO 1924-2:2008), índice de rasgamento (ISO 1974:2012), opacidade (ISO 2471:2008) e absorção capilar de água Klemm (ISO 8787:1986). A retenção de cargas minerais na matriz fibrosa foi avaliada pela norma TAPPI T 211 om-93.For the preparation of the leaves, with the formulations and quantities described in Figure 1, the flakes produced are added to the bleached refined eucalyptus fiber, under agitation. After 120 seconds, the remaining additives are added. The cationic starch + ASA mixture is stirred with the previous mixture for 150 seconds and the cationic polyacrylamide for 5 seconds. The formulations go to the leaf former, where the steps of agitation (5 seconds), decantation (5 seconds) and drainage (time dependent on the formulations) are automatically carried out. The sheets are pressed, dried and conditioned according to the ISO 5269-1 standard. The structural, optical and mechanical properties are measured according to the corresponding standards: grammage (ISO 536: 2011), Gurley air resistance (ISO 5636-5: 2003), Bendtsen roughness (ISO 8791-2: 2013), index of traction (ISO 1924-2: 2008), tear index (ISO 1974: 2012), opacity (ISO 2471: 2008) and Klemm capillary water absorption (ISO 8787: 1986). The retention of mineral charges in the fibrous matrix was evaluated by the TAPPI T 211 om-93 standard.

O aumento do conteúdo de cargas minerais no material papeleiro é desejável, não só por questões ambientais, uma vez que o uso de fibras celulósicas é diminuído, mas também por razões económicas já que as fibras são normalmente muito mais dispendiosas e papéis com elevado conteúdo de cargas levam a uma secagem da folha mais eficaz. Para além disso, o seu uso é útil no controlo de propriedades importantes, tal como opacidade, lisura da superfície e imprimabilidade. No entanto, as cargas minerais provocam um efeito negativo na resistência do papel, devido à quebra das ligações fibra-fibra, e as perdas através da teia, como referido anteriormente, fazem com que seja necessário adicionar agentes de retenção ao processo, para além de problemas subjacentes à formação e impressão (delaminação da folha e/ou destacamento de material à superfície do papel). Por esta razão o teor de cargas minerais costuma estar limitado a valores inferiores a 30% do peso total da folha.The increase in the content of mineral fillers in the paper material is desirable, not only for environmental reasons, since the use of cellulosic fibers is reduced, but also for economic reasons since the fibers are normally much more expensive and papers with a high content of loads lead to more effective sheet drying. In addition, its use is useful in controlling important properties, such as opacity, surface smoothness and printability. However, mineral fillers have a negative effect on the strength of the paper, due to the breakage of fiber-fiber connections, and losses through the web, as mentioned above, make it necessary to add retention agents to the process, in addition to problems underlying formation and printing (delamination of the sheet and / or detachment of material on the surface of the paper). For this reason, the content of mineral fillers is usually limited to values below 30% of the total weight of the leaf.

Deste modo, folhas foram preparadas de acordo as diferentes formulações especificadas na Figura 2, num formador de bancada do tipo descontinuo (300-1 model, LabTech), usando uma teia de 120 mesh.In this way, sheets were prepared according to the different formulations specified in Figure 2, in a discontinuous type bench former (300-1 model, LabTech), using a 120 mesh web.

Foi assim medida a percentagem de retenção de PCC, para as 5 diferentes séries de formulações mencionadas acima e usadas para a produção de folhas de pasta branqueada de eucalipto. A figura 5 representa a retenção de PCC nas folhas produzidas com as CNF/CMF provenientes de diferentes processos e aditivos.The percentage of PCC retention was thus measured for the 5 different series of formulations mentioned above and used for the production of bleached eucalyptus pulp sheets. Figure 5 represents the retention of PCC in leaves produced with CNF / CMF from different processes and additives.

Como explicado acima, à exceção de com a CNF-T9, a presença de CNF/CMF, e a consequente forte floculação do PCC, leva a uma elevada retenção de PCC, mesmo na ausência de aditivos. Ao comparar com o método que simula o que é atualmente usado no processo de produção de papéis papeleiros, isto é, uso de PCC com todos os aditivos mas sem CNF, um aumento na retenção de PPC é observado com o benefício de não serem usados aditivos caros, como a CPAM.As explained above, with the exception of CNF-T9, the presence of CNF / CMF, and the consequent strong PCC flocculation, leads to high PCC retention, even in the absence of additives. When comparing with the method that simulates what is currently used in the paper production process, that is, use of PCC with all additives but without CNF, an increase in PPC retention is observed with the benefit of not using additives expensive, like CPAM.

Os materiais papeleiros têm como requisito uma elevada resistência mecânica por forma a superar todas as tensões a que são sujeitos na máquina de papel, mas também nas impressoras industriais. No entanto, há vários factores que influenciam negativamente este factor, tais como o uso de fibras recicladas e de cargas minerais ou a necessidade de reduzir a gramagem (para poupar no uso de fibras virgens, por exemplo). A resistência do material papeleiro depende da resistência das fibras usadas bem como da resistência das ligações entre elas. 0 índice de tração é a propriedade mais comummente usada para avaliar a resistência mecânica, estando diretamente associada ao conteúdo de cargas minerais no papel. Deste modo, uma outra forma de analisar os resultados obtidos será através de um fator carga mineral-tração, que consiste numa correção do índice de tração, ao considerar o conteúdo efetivo de PCC (carga mineral) nas folhas. Temos então:Paper materials have a high mechanical resistance requirement in order to overcome all the stresses to which they are subjected in the paper machine, but also in industrial printers. However, there are several factors that negatively influence this factor, such as the use of recycled fibers and mineral fillers or the need to reduce grammage (to save on the use of virgin fibers, for example). The strength of the paper material depends on the strength of the fibers used as well as the strength of the bonds between them. The tensile index is the property most commonly used to assess mechanical strength, being directly associated with the content of mineral fillers in the paper. Thus, another way to analyze the results obtained will be through a mineral load-traction factor, which consists of a correction of the traction index, when considering the effective content of PCC (mineral load) in the leaves. We then have:

Factor carga mineral - tração: (índice tração x conteúdo carga) com flocos / (índice tração x conteúdo carga) com PCC e com aditivos. Se o valor deste fator for superior a 1, teremos folhas com um valor de índice de tração superior ao das folhas de referência, isto é sem flocos e com PCC e com aditivos.Mineral load factor - traction: (traction index x load content) with flakes / (traction index x load content) with PCC and with additives. If the value of this factor is greater than 1, we will have sheets with a tensile index value higher than that of the reference sheets, that is, without flakes and with PCC and with additives.

mesmo factor e respectivas considerações foram aplicados ao índice de rasgamento e à opacidade.same factor and respective considerations were applied to the tear index and opacity.

Estes valores estão representados nas Figuras 6, 7 e 8.These values are shown in Figures 6, 7 and 8.

Ao usar as nanofibrilas TEMPO de menor carga (CNF-T3) na produção dos flocos, verifica-se que o índice de tração apenas é melhorado relativamente à referência, se não forem usados aditivos. De facto, a carga negativa das nanofibrilas parece atrair os aditivos catiónicos adicionados, não estando estas assim disponíveis para ligar às fibras e melhorar a resistência mecânica, como observável na Figura 6 nas séries contendo aditivos. É também possível observar que com os flocos contendo CMF enzimáticas o índice de tração é sempre melhorado relativamente à referência, quer na presença quer na ausência de aditivos, com fatores superiores a um. Adicionalmente, ao se remover a CPAM, o maior aumento de tração é também obtido com os flocos com CMF enzimáticas, o que parece sugerir que o grande comprimento de cadeia destas microfibrilas consegue superar o efeito da CPAM. Devido à grande melhoria das propriedades papeleiras com os flocos produzidos com a CMF enzimática El, foi feita uma série de folhas adicional, com incorporação extra de 5% de PCC e sem aditivos (Figura 2). Os resultados do índice de tração (Figura 7) revelam que é possível produzir folhas com o mesmo conteúdo de carga mineral da referência (sem flocos e com todos os aditivos), e índice de tração superior, mas sem que seja necessário adicionar aditivos.When using the TEMPO nanofibrils with lower load (CNF-T3) in the production of the flakes, it appears that the tensile index is only improved compared to the reference, if additives are not used. In fact, the negative charge of the nanofibrils seems to attract the added cationic additives, which are therefore not available to bind to the fibers and improve the mechanical strength, as observed in Figure 6 in the series containing additives. It is also possible to observe that with the enzymatic CMF flakes the traction index is always improved in relation to the reference, either in the presence or in the absence of additives, with factors greater than one. In addition, when removing the CPAM, the greatest increase in traction is also obtained with the enzymatic CMF flakes, which seems to suggest that the long chain length of these microfibrils can overcome the effect of the CPAM. Due to the great improvement of the paper properties with the flakes produced with the enzymatic CMF El, an additional series of sheets was made, with an extra incorporation of 5% of PCC and without additives (Figure 2). The results of the tensile index (Figure 7) reveal that it is possible to produce sheets with the same mineral filler content as the reference (without flakes and with all additives), and a higher tensile index, but without the need to add additives.

efeito dos flocos no índice de rasgamento não seguiu a mesma tendência (Figura 8) . Neste caso, apenas com os flocos com CNF-C27 houve melhoria do índice de rasgamento na ausência de aditivos. No entanto, na presença de amido + ASA ou na presença de todos os aditivos, nota-se que com os flocos produzidos com as CMF não funcionalizadas (CMF-Mec, CMF-E1 e CMF-E2) ocorre um grande aumento desta propriedade.effect of the flakes on the tear index did not follow the same trend (Figure 8). In this case, only with the flakes with CNF-C27 there was an improvement in the tear rate in the absence of additives. However, in the presence of starch + ASA or in the presence of all additives, it is noted that with the flakes produced with non-functionalized CMF (CMF-Mec, CMF-E1 and CMF-E2) there is a great increase in this property.

Adicionalmente, com os flocos de CMF-E1 observaram-se melhores resultados (tanto do índice de tração como de rasgamento) do que com os flocos de CMF-E2, provavelmente devido à presença de exocelulase na composição da enzima El.Additionally, with the CMF-E1 flakes, better results were observed (both in the tensile and tear index) than with the CMF-E2 flakes, probably due to the presence of exocellulase in the composition of the enzyme El.

As propriedades ópticas, aqui avaliadas pela opacidade (Figura 9), foram também melhoradas, quer na ausência quer na presença de aditivos.The optical properties, here assessed by opacity (Figure 9), were also improved, both in the absence and in the presence of additives.

Para além das resistências a seco, a resistência a húmido também foi significativamente melhorada com o uso dos flocos. A Figura 10 representa o índice de tração obtido para diferentes graus de humidade de folhas produzidas sem aditivos e com os flocos produzidos com as CNF-T3, CMF-E1 e CNF-C9. As folhas de referência (sem flocos e com PCC e com aditivos) estão também representadas. Todas as folhas representadas possuem o mesmo teor de cargas minerais (26 a 28% efectivo). Adicionalmente, foram analisadas folhas de referência produzidas nas mesmas condições (com aditivos) , mas contendo 25% de fibra longa, que normalmente é usada para conferir resistência às quebras numa máquina de papel. Estes resultados são de extrema importância para a operação da máquina de papel: para níveis de humidade comuns na secção de secagem (7 a 50%), os flocos podem contribuir para a redução de quebras da folha de papel e/ou para o aumento da velocidade da máquina, devido à melhorada resistência mecânica a húmido. Assim, verifica-se na Figura 10 que, os flocos usados conseguem também substituir a necessidade de usar fibra longa, já que a resistência a húmido é a mesma do que a das folhas de referência.In addition to dry resistances, wet resistance has also been significantly improved with the use of flakes. Figure 10 represents the tensile index obtained for different degrees of humidity of leaves produced without additives and with the flakes produced with CNF-T3, CMF-E1 and CNF-C9. Reference sheets (without flakes and with PCC and with additives) are also shown. All the sheets represented have the same content of mineral fillers (26 to 28% effective). In addition, reference sheets produced under the same conditions (with additives), but containing 25% long fiber, which is normally used to provide resistance to breaks in a paper machine, were analyzed. These results are extremely important for the operation of the paper machine: for common humidity levels in the drying section (7 to 50%), the flakes can contribute to the reduction of breaks in the paper sheet and / or to the increase of the machine speed due to improved wet mechanical resistance. Thus, it can be seen in Figure 10 that the flakes used are also able to replace the need to use long fiber, since the wet resistance is the same as that of the reference sheets.

Na Figura 11 estão representados os resultados da produção de folhas com pasta de eucalipto branqueada com diferentes graus de refinação (1300, 1800 e 2300 rotações correspondentes a graus de refinação de 25, 27 e 29 °SR (grau Schopper Riegler), respectivamente). É possível observar que a adição dos flocos de PCC com CMF-E1 a folhas laboratoriais sem aditivos permite poupar mais de 4°SR na refinação da pasta matriz e mesmo assim obter as mesmas resistências mecânicas. No entanto, a retenção de cargas é ligeiramente afectada, pelo que um índice PCC-tração foi calculado, tendo como base a referência produzida com pasta refinada a 2300 rotações PFI (29°SR) + PCC + aditivos (7XA+P) . Verifica-se que o limite para obter melhorias se situa acima dos 26°SR, ou seja, pela adição dos flocos de PCC com CMF-E1, é possível produzir folhas com o mesmo conteúdo de cargas minerais e com o mesmo índice de tração do que os das folhas referência, mas poupando na refinação da pasta usada.Figure 11 shows the results of the production of leaves with bleached eucalyptus pulp with different degrees of refining (1300, 1800 and 2300 rotations corresponding to degrees of refining of 25, 27 and 29 ° SR (Schopper Riegler degree), respectively). It is possible to observe that the addition of the PCC flakes with CMF-E1 to laboratory sheets without additives allows to save more than 4 ° SR in the refining of the matrix paste and still obtain the same mechanical strengths. However, load retention is slightly affected, so a PCC-traction index was calculated, based on the reference produced with refined pulp at 2300 rotations PFI (29 ° SR) + PCC + additives (7XA + P). It appears that the limit for improvements is above 26 ° SR, that is, by adding the PCC flakes with CMF-E1, it is possible to produce sheets with the same content of mineral fillers and with the same tensile index as the than the reference sheets, but saving on the refining of the used pulp.

A Figura 12 apresenta resultados para a resistência ao ar, medida pelo método de Gurley e para a rugosidade Bendtsen, propriedades estruturais de relevância para as diferentes folhas produzidas. Como amplamente divulgado, o uso de CNF/CMF leva a uma menor capacidade de drenagem, uma vez que a estrutura torna-se mais fechada. No entanto, comparativamente à performance dos flocos produzidos com as CNF obtidas por tratamentos químicos (tal como oxidação TEMPO ou carboximetilação) , a resistência ao ar não é tão alterada quando os flocos com CMF enzimática são usados.Figure 12 shows results for air resistance, measured by the Gurley method and for Bendtsen roughness, structural properties of relevance for the different sheets produced. As widely reported, the use of CNF / CMF leads to less drainage capacity, as the structure becomes more closed. However, compared to the performance of the flakes produced with CNF obtained by chemical treatments (such as TEMPO oxidation or carboxymethylation), the air resistance is not as altered when the enzymatic CMF flakes are used.

A capacidade da matriz fibrosa de reter água foi avaliada pelo valor de retenção de água (WRV) e a capacidade de absorver água pelo teste Klemm de ascensão capilar (Figura 13) . Na ausência de aditivos as folhas com flocos retêm menos água do que a referência, mas na presença de qualquer um dos aditivos as folhas com flocos retêm muito mais água do que a referência, o que poderá dificultar o processo de secagem numa máquina de papel. No entanto, ao usar 5% extra de PCC na formulação papeleira com amido + ASA e com flocos produzidos com CMF-E1, foi possível obter o mesmo valor de WRV que o da folha de referência com todos os aditivos (WRV=1.22±0.02 kg/kg), para além da elevada resistência mecânica já referida atrás. Por outro lado, a absorção capilar de água foi sempre diminuída na presença dos flocos, o que significa que existirá uma menor penetração de líquidos do que nas folhas de referência sem flocos, como por ex., formulações de colagem superficial aplicadas na máquina de papel.The ability of the fibrous matrix to retain water was assessed by the water retention value (WRV) and the ability to absorb water by the Klemm capillary rise test (Figure 13). In the absence of additives the flake sheets retain less water than the reference, but in the presence of any of the additives the flake leaves retain much more water than the reference, which may hinder the drying process in a paper machine. However, when using an extra 5% of PCC in the paper formulation with starch + ASA and flakes produced with CMF-E1, it was possible to obtain the same WRV value as that of the reference sheet with all additives (WRV = 1.22 ± 0.02 kg / kg), in addition to the high mechanical strength mentioned above. On the other hand, capillary water absorption has always been reduced in the presence of flakes, which means that there will be less penetration of liquids than in reference sheets without flakes, such as surface bonding formulations applied to the paper machine. .

É também possível mostrar que a produção de flocos com CMF enzimática e a sua adição à produção de material papeleiro é das que acarreta menores custos, como mostrado na Figura 13.It is also possible to show that the production of flocs with enzymatic CMF and its addition to the production of paper material is one of the ones with the lowest costs, as shown in Figure 13.

ExemploExample

Numa forma preferencial desta invenção, as celuloses microfibriladas e nanofibriladas são obtidas por hidrólise enzimática ou por oxidação mediada por TEMPO (N-oxil2,2,6,6-tetrametilpiperidina), seguidas de homogeneização de alta pressão (tratamento mecânico intensivo de duas passagens com uma pressão total de 15xl07 Pa) . As CMFEnzimáticas possuem uma viscosidade intrínseca inferior a 0.75 m3/kg, mais preferencialmente compreendida na gama 0.45-0.70 m3/kg, correspondentes a um grau de polimerização entre 1000 a 2000, enquanto que as CNF-TEMPO possuem menos de 1.4 mol/kg de grupos carboxílicos e deverão ter uma viscosidade intrínseca superior a 0.10 m3/kg, mais preferencialmente compreendida na gama 0.12-0.21 m3/kg, que corresponde a um grau de polimerização entre 300-500, por forma a flocular partículas minerais (tal como carbonato de cálcio precipitado, carbonato de cálcio natural e caulino). Os flocos formados são capazes de reflocular após quebra forçada, por ex. usando sonicação, e ter um tamanho médio (medido por espectroscopia de difracção laser) de 20 a 50 pm. O uso destes flocos, constituídos pelas microfibrilas e nanofibrilas descritas e por partículas minerais, na produção de material papeleiro permite a melhoria das propriedades papeleiras, no que diz respeito ao aumento da resistência mecânica (aumentos de 41% e de 99% para índice de tração a seco e com 50% de humidade, respectivamente, e aumento de 20% para índice de rasgamento) , ligeiro aumento de 2.2% da retenção de cargas minerais, maior resistência ao ar, menor rugosidade de superfície (diminuição de 65%), maior opacidade (aumento de 0.2%) e ainda menor absorção capilar de água (teste Klemm, diminuição de 24%), quando comparado com a referência (material papeleiro sem flocos e com PCC, amido, ASA e CPAM, que são aditivos comummente usados, dispendiosos e possivelmente negativos para o meio ambiente). Adicionalmente, estes aumentos são possíveis quando se reduz ou mesmo elimina o uso de quaisquer outros aditivos.In a preferred form of this invention, the microfibrillated and nanofibrillated celluloses are obtained by enzymatic hydrolysis or by TEMPO-mediated oxidation (N-oxyl2,2,6,6-tetramethylpiperidine), followed by high pressure homogenization (intensive mechanical treatment of two passages with a total pressure of 15 x 10 7 Pa). CMFEnzimáticas have an intrinsic viscosity of less than 0.75 m 3 / kg, more preferably comprised in the range 0.45-0.70 m 3 / kg, corresponding to a degree of polymerization between 1000 to 2000, while CNF-TEMPO have less than 1.4 mol / kg of carboxylic groups and should have an intrinsic viscosity greater than 0.10 m 3 / kg, more preferably in the range 0.12-0.21 m 3 / kg, which corresponds to a degree of polymerization between 300-500, in order to flocculate mineral particles ( such as precipitated calcium carbonate, natural calcium carbonate and kaolin). The flakes formed are able to reflect after forced breaking, e.g. using sonication, and have an average size (measured by laser diffraction spectroscopy) of 20 to 50 pm. The use of these flakes, constituted by the described microfibrils and nanofibrils and mineral particles, in the production of paper material allows the improvement of paper properties, with regard to the increase in mechanical resistance (increases of 41% and 99% for tensile index dry and with 50% humidity, respectively, and 20% increase for tear index), slight increase of 2.2% in the retention of mineral loads, greater air resistance, less surface roughness (decrease of 65%), greater opacity (increase of 0.2%) and even lower capillary water absorption (Klemm test, decrease of 24%), when compared to the reference (paper material without flakes and with PCC, starch, ASA and CPAM, which are commonly used additives, expensive and possibly negative for the environment). In addition, these increases are possible when reducing or even eliminating the use of any other additives.

Temos então aqui descrito o uso dos flocos (Figura 15) divulgados no presente documento em processos de produção de material papeleiro, com uma pluralidade de propriedades 18 papeleiras melhoradas, e que permite uma redução da quantidade comummente usada de aditivos papeleiros, ou mesmo sem o uso de qualquer aditivo papeleiro.We have then described here the use of the flakes (Figure 15) disclosed in this document in papermaking production processes, with a plurality of improved papermaking properties, and which allows a reduction in the commonly used amount of paper additives, or even without the use of any paper additive.

Estes flocos podem assim ser usados em processos com maior retenção de cargas minerais e redução da quantidade de aditivos papeleiros, quando comparado com material papeleiro produzido nas mesmas condições mas sem os referidos flocos.These flakes can thus be used in processes with greater retention of mineral fillers and reduction in the amount of paper additives, when compared to paper material produced under the same conditions but without the said flakes.

material papeleiro resultante e que incorpora os flocos descritos nesta invenção apresenta propriedades papeleiras melhoradas, nomeadamente mecânicas, estruturais e ópticas, e com uma menor quantidade de aditivos papeleiros adicionados ou mesmo sem qualquer quantidade de aditivos papeleiros adicionada.The resulting paper material and which incorporates the flakes described in this invention has improved paper properties, namely mechanical, structural and optical, and with a lower amount of added paper additives or even without any amount of added paper additives.

Estes flocos funcionam assim como redutores da quantidade de agentes de resistência interna, agentes de colagem interna e agentes de retenção comummente usados em processos de produção de material papeleiro e incorporados em material papeleiro.These flakes work as well as reducing the amount of internal resistance agents, internal bonding agents and retention agents commonly used in papermaking processes and incorporated in papermaking material.

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Aveiro, 18 de Setembro de 2020Aveiro, September 18, 2020

Claims (4)

ReivindicaçõesClaims 1. Flocos para uma melhoria das propriedades papeleiras de material papeleiro, com redução ou sem o uso de aditivos papeleiros, caracterizados por terem um tamanho entre 20-50 pm na forma refloculada e por compreenderem cargas minerais selecionadas do grupo que consiste em carbonato de cálcio precipitado, carbonato de cálcio natural ou caulino e fibrilas de celulose selecionadas do grupo que consiste em:1. Flakes for improving the paper properties of paper material, with or without the use of paper additives, characterized by having a size between 20-50 pm in refloculated form and by comprising mineral fillers selected from the group consisting of calcium carbonate precipitate, natural calcium carbonate or kaolin and cellulose fibrils selected from the group consisting of: microfibrilas de celulose enzimáticas com uma viscosidade intrínseca entre 0,45-0,70 m3/kg ou, nanofibrilas de celulose via N-oxil-2,2,6,6tetrametilpiperidina - TEMPO com uma viscosidade intrínseca entre 0,12-0,21 m3/kg e uma quantidade de grupos carboxílicos inferior a 1,4 mol/kg.enzymatic cellulose microfibrils with an intrinsic viscosity between 0.45-0.70 m 3 / kg or, cellulose nanofibrils via N-oxyl-2,2,6,6tetramethylpiperidine - TEMPO with an intrinsic viscosity between 0.12-0, 21 m 3 / kg and an amount of carboxylic groups less than 1.4 mol / kg. 2. Uso dos flocos, descritos na reivindicação anterior, caracterizado por serem utilizados na produção de material papeleiro.2. Use of the flakes, described in the previous claim, characterized by being used in the production of paper material. 3. Uso dos flocos, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por serem utilizados como redutores da quantidade de agentes de resistência interna, agentes de colagem interna e agentes de retenção usados em processos de produção de material papeleiro.3. Use of flakes, according to the previous claim, characterized by being used as reducers of the amount of internal resistance agents, internal sizing agents and retention agents used in papermaking production processes. 4. Material papeleiro caracterizado por compreender os flocos descritos na reivindicação n.°l.4. Paper material characterized by comprising the flakes described in claim 1. Aveiro, 18 de Setembro de 2020Aveiro, September 18, 2020
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