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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2017.tde-14032017-145716
Document
Author
Full name
Jorge Cruces Cerro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Park, Song Won (President)
Lamardo, Maria Luiza Otero D'Almeida
Teixeira, Antonio Carlos Silva Costa
Title in Portuguese
Aplicação de nanoceluloses em fibras não branqueadas para obtenção de papéis.
Keywords in Portuguese
Celulose
CNF
Eucalipto
Fabricação do papel
Kraftliner
MFC
Papel (Propriedades mecânicas)
Abstract in Portuguese
Atualmente, o Brasil é o maior fabricante de celulose branqueada de eucalipto do mundo. Geralmente as fibras virgens de Eucalyptus spp. são utilizadas na fabricação de papéis para imprimir, tissue e especiais. Papéis para embalagens, tipicamente Kraftliners, precisam de uma grande resistência mecânica e são produzidos principalmente a partir de pastas Kraft de coníferas não branqueadas. Por outro lado, nanoceluloses fabricadas a partir de biomassa são consideradas um dos materiais sustentáveis mais interessantes para o século, com excelentes propriedades como baixa densidade, elevadas propriedades mecânicas, alta hidrofilicidade, grande área superficial com reatividade química e elevado valor econômico. Desde 2012 o uso de nanoceluloses na fabricação de papel ganhou impulso. As nanoceluloses têm sido adicionadas em pastas mecânicas e Kraft branqueadas para fabricação do papel, incrementando notavelmente as suas propriedades mecânicas, mas há preocupações sobre a diminuição da drenabilidade, da porosidade e da opacidade do papel. Poucos estudos foram desenvolvidos visando a aplicação de nanoceluloses em fibras não branqueadas, ainda que tenham aplicações em pastas branqueadas e/ou mecânicas. Portanto, o presente trabalho visa desenvolver o uso de nanoceluloses para melhorar as propriedades mecânicas em fibras não branqueadas. Em primeiro lugar, tomaram-se os finos primários do branqueamento de celulose de Pasta Kraft de Eucalipto como a matéria-prima para produzir dois tipos de nanocelulose. A celulose microfibrilada (MFC) é produzida diretamente por homogeneização mecânica utilizando equipamento Masuko. A celulose nanofibrilada (CNF) é produzida por oxidação mediada por TEMPO e homogeneizada por GEA. Em segundo lugar, selecionaram-se com as fibras virgens de Pasta Kraft Marrom de Pinho (PKPM) com número Kappa 36,1 e Pasta Kraft de Eucalipto Não Branqueada (PKEP), obtida na saída de estágio de deslignificação com oxigênio, com número Kappa 9,21, e todas as fibras foram refinadas até atingir o mesmo grau Shopper-Riegler (33±1 SR). Os experimentos com PKPM são conduzidas como uma referência a papéis Kraftliners tradicionais, com ou sem nanocelluloses. Também obteve folhas manuais com pasta branqueada Kraft de eucalipto, adicionando nanoceluloses, para compreender o efeito da lignina presente em PKEP. A receita e os aditivos químicos aplicados aqui são os mesmos que na produção industrial. Os principais resultados são: o uso de CNF (ou MFC) e agentes químicos, separadamente, na pasta PKEP, aumenta as resistências mecânicas dos papéis, no entanto, quando aplicadas CNF (ou MFC) em PKMP sem aditivos químicos, as resistências à tração e a estouro diminuem, e a resistência ao rasgo permanece constante. Como a terceira parte do estudo, delineamento de experimentos teve a configuração composto central com o ponto central em 1% de CNF (ou MFC) e 1% de agentes químicos (polímero+amido+cola), e seus pontos axiais foram 0,3%-1,7% de CNF (ou MFC), e 0,15%-0,85% de agentes químicos. O ponto ótimo de equilíbrio dos índices de rasgo (mN.m2/g) /estouro (kPa.m2/g) /tração (N.m/g) de (10,00/2,25/36,56 para CNF e 12,88/4,25/57,62 para MFC), obteve-se com a adição de 1,03% de CNF e 0,65% de amido, ou com a adição de menos de 0,01% de MFC e de 1% de amido. Finalmente, foram aplicadas CNF ou MFC por impregnação direta no centro da direção-z, considerando que o papel tem forças que interagem em 3D. Os resultados mostram que a PKEP atinge a qualidade do Kraftliner de pinus obtendo um índice de tração de 52,58 N.m/g utilizando 1% de CNF, ou 47,40 N.m/g utilizando 1% de MFC. Também, o custo de utilização do CNF ou MFC na fabricação do papel é avaliado, resultando em estimativas de 0,9494 US$/kg ou 0,3036 US$/kg, com a adição de 1% de CNF ou 1% de MFC, respectivamente, em pasta PKEP. Este trabalho mostra que a aplicação de nanocelulose em Kraftliner tradicional com fibras de pinus com todos os agentes químicos não tem vantagens reais. No entanto, o uso de CNF e MFC tecnicamente e economicamente tem vantagens superiores em pasta Kraft de eucalipto não branqueada (e deslignificada com oxigênio), obtendo-se propriedades superiores às de fibras longas.
Title in English
Application of nanocelulose in unbleached fibers for papermaking.
Keywords in English
Eucalyptus short fibers
Kraftliner
Mechanical properties of paper
MFC
Nanocellulose
NCF
Papermaking
Abstract in English
Nowadays, Brazil is the largest manufacturer of Bleached Eucalyptus Kraft Pulp in the world. Mostly the Eucalyptus spp. virgin fibres are used in papermaking to manufacture printing, tissue and specialty papers. Packaging papers, typically Kraftliners, have high demands for mechanical strength and are made mostly from Unbleached Softwood Kraft Pulp. Other side, nanocelluloses from biomass are considered one of the most interesting sustainable materials for the Century, with excel properties such as low density, high mechanical properties, high hydrophilicity, large surface area with chemical reactivity and high economic value. Since 2012 the use of nanocellulose in papermaking experienced a great momentum. Nanocelluloses are added in bleached or mechanical pulp in papermaking to increase significantly the mechanical properties, but there are concerns about the decreasing of the drainability, the porosity and the opacity of the paper. A very few studies were developed on the application of nanocelluloses in an unbleached Kraft pulp, even there are its applications on bleached pulps and mechanical pulps. Therefore, the present work aims to develop the application of nanocelluloses to increase the mechanical properties of the unbleached fibers, specifically for Kraftliners, and show the way to replace the softwood fibers with the low-cost hardwood fibers. Firstly, the primary fines from bleaching area of Eucalyptus Kraft pulp, obtained from an industrial residue, was the raw material for nanocellulose production of two nanocelluloses. The microfibrillated celluloses (MFC) are produced with direct mechanical homogenization using Masuko. The nanofibrillated cellulose (NCF) is produced with oxidation mediated by TEMPO and homogenization using GEA. Secondly, as virgin fibers were selected the Unbleached Pine Kraft Pulp (USKP) with Kappa number 36.1 and the Unbleached Eucalyptus Kraft Pulp (UEKP) just after the oxygen delignification stage with the Kappa number 9.21. All the fibres (USKP and UEKP) was refining at the same Shopper-Riegler (33±1 SR). USKP experiments are conducted as reference to traditional Kraftliners, with or without nanocelluloses. Also the virgin bleached Eucalyptus Kraft pulp with nanocelluloses addition for the handsheet paper helps to understand the role of lignin in UEKP. The recipe and chemicals applied here are the same of the industrial production. The main results are: the use CNF (or MFC) and chemical agents, separately, in UEKP, promote the mechanical resistances, however when applied CNF (or MFC) in UPKP without chemicals, the tensile and burst properties decreased and tear remains constant. As the third group of the study, the design of the experiments was conducted in the star configuration with centre point as 1% CNF (or MFC) and 1.00% chemical agents (polymers+starch+chemical agents) and, the axial points were 0.3%-1.7% NCF (or MFC) and 0.15%-0.85 of chemical agents. The optimum point from the balanced tear (mN.m2/g) /burst (kPa.m2/g) /tensile (N.m/g) index point of view with 10.00/2.25/36.56 for (1.03% CNF and 0.65% starch) and 12.88/4.25/57.62 for (<0.001% MFC and 1% starch). Finally, it is applied here the direct impregnation of the center of z-direction with 1% of CNF and MFC, considering that the paper has 3D interacting forces. The results show that the UEKP reaches the pinus Kraftliner quality with 52.58 N.m/g (Tensile Index) using 1% CNF or 47.40 N.m/g using 1% MFC. Also, the cost of use CNF or MFC in papermaking is evaluated, resulting in the estimates of 0.9494 US$/kg or 0.3036 US$/kg, the addition of 1% CNF or 1% MFC in UEKP. This work shows that the application of nanocellulose in traditional Kraftliner with pinus fibres with all chemical agents has no real advantages. However, the use of CNF and MFC technically and economically has superior advantages in Eucalyptus unbleached (and oxygen delignified) Kraft pulp, resulting in such properties superior to those of long fibres.
 
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Publishing Date
2017-03-15
 
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