Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/83161
Title: Produção de nanocelulose para aplicação em papel de impressão e escrita
Other Titles: Nanocelluloses in papermaking: the influence of their production process
Authors: Godinho, Diana Anacleto 
Orientador: Sousa, António Mendes
Ferreira, Paulo Jorge Tavares
Keywords: Oxidação TEMPO; Carboximetilação; Hidrólise enzimática; Nano- e micro-celuloses; Produção de papel; TEMPO- mediated oxidation; Carboximethylation; Enzymatic hydrolysis; Nano- and microcellulose; Papermaking
Issue Date: 8-Sep-2017
Publisher: [s.n.]
Serial title, monograph or event: Produção de nanocelulose para aplicação em papel de impressão e escrita
Place of publication or event: DEQ-FCTUC
Abstract: A presente tese de mestrado tem como principal objetivo a produção de nanocelulose 1 a partir de pasta kraft branqueada de eucalipto, para aplicação na matriz fibrosa do papel de impressão e escrita e posterior estudo da sua influência nas propriedades papeleiras. A “Indústria Papeleira” ao longo dos últimos anos tem vindo a otimizar o processo de produção de papel face ao aumento da competitividade, abrindo assim portas à investigação de novos materiais, com o objetivo de melhorar as propriedades finais do papel. Neste contexto, sabe-se que o carbonato de cálcio precipitado é um aditivo de extrema importância na sua produção, que para além de ser mais económico do que as fibras de celulose, a sua aplicação melhora substancialmente as propriedades óticas. Desta forma, seria importante aumentar a quantidade percentual deste aditivo na estrutura do papel sem comprometer as propriedades mecânicas. Nesta perspetiva, a área de Nanotecnologia surge como uma via promissora, através da incorporação de nanocelulose na matriz fibrosa do papel, que de certa forma poderá influenciar positivamente os custos de produção. A nanocelulose tem despertado interesse devido às suas propriedades promissoras como, biodisponibilidade da matéria-prima, biodegradabilidade, biocompatibilidade, resistência mecânica, fibrilas com razão comprimento/largura elevada e boas propriedades barreira, promovendo desta forma a sua aplicação como material de reforço em várias áreas, como por exemplo, as áreas têxtil, eletrónica ou alimentar, sendo que na área da produção de papel ainda se encontra numa fase muito preliminar. Neste trabalho produziram-se nanocelulose/microcelulose com características químicas e físicas distintas, mediante aplicação de diferentes pré-tratamentos, com posterior aplicação de tratamento mecânico num homogeneizador de alta pressão, sendo esta metodologia denominada método combinado. Diferentes intensidades foram aplicadas nos pré-tratamentos químicos (oxidação mediada por TEMPO e reação de carboximetilação), e no pré-tratamento enzimático (hidrólise enzimática), enquanto que o tratamento mecânico se manteve constante a energia aplicada. Através da variação das quantidades de hipoclorito de sódio na oxidação mediada por TEMPO, hidróxido de sódio e ácido monocloroacético na reação de carboximetilação e de enzima na reação de hidrólise enzimática, foi possível produzir diferentes amostras, que foram posteriormente caracterizadas para avaliação da influência dos diferentes pré-tratamentos. A caracterização das CNF/CMF obtidas foi fundamental para avaliar a eficiência dos prétratamentos, e a influência destes no tratamento mecânico, especialmente no rendimento global de operação. As folhas laboratoriais foram produzidas com pasta kraft branqueada de eucalipto, amido e Anidrido Alquenil Succínico como agentes de colagem, PCC como filler, poliacrilamida catiónica (CPAM) como agente de retenção e as diferentes CNF/CMF produzidas. Avaliou-se por último a influência da incorporação das CNF/CMF na matriz fibrosa das folhas através da realização de testes físico-mecânicos. Concluiu-se que as CNF produzidas por oxidação mediada por TEMPO e carboximetilação, podem ser usadas como material de reforço na matriz fibrosa do papel e como aditivo no processo de floculação do PCC, promovendo, no geral, melhores propriedades mecânicas e o aumento de cargas minerais no papel. Todavia, o pré-tratamento químico não pode ser demasiado intenso, visto que prejudica a floculação das cargas. Neste estudo, verificou-se ainda em alguns casos, que a poliacrilamida catiónica prejudica as ligações das CNF às fibras. Por esta razão, estudou-se o efeito da eliminação do agente de retenção do furnish, constatando-se que esta ação promove bons resultados nas folhas com CNF produzidas a partir da aplicação de pré-tratamentos químicos (oxidação mediada por TEMPO e carboximetilação), não acontecendo, porém, o mesmo nas folhas com as CMF obtidas através da aplicação do prétratamento enzimático.1-Entendida neste estudo como fibrilas que maioritariamente têm diâmetros até 10 nm, mas que podem apresentar diâmetros superiores, podendo neste caso ser designadas por celulose microfibrilada (CMF).
This dissertation presents a study of nanocellulose 2 production from bleached kraft pulp, obtained from the eucalyptus, and its influence in paper properties when applied on printing and writing. During the past years, the competitivity in papermaking industries has been increased. Consequently, to improve paper properties, papermaking processes used are being optimized creating new horizons to investigate new materials that will refine the paper grades. Precipitated calcium carbon is an extremely important additive in the papermaking. Its application in paper improves substantially the optical properties and it is cheaper than cellulose fibers. Thus, it is important to study how to increase the percentual amount of this additive on the paper matrix without compromise the mechanical properties. In this perspective, the nanotechnology field emerges as a promising area, since the incorporation of nanocellulose on the fibrous matrix can influence positively the production costs. Nanocelluloses has gained much interest due to their promising properties, such as high raw material biodisponibility, biodegradability, biocompatibility, mechanical strength, aspect ratio and good barrier properties, mainly as a reinforcing material in many fields, for example, textile, electronics or medicine. However, the application of CNF in the papermaking industry is in a very preliminary stage. In this work, nanocellulose/microcellulose was produced with different chemical and physical characteristics, by applying different pre-treatments with subsequent application of mechanical treatment in the high-pressure homogenizer (HPH), being this experimental methodology called, combined method. Different intensities are applied in the chemical pre-treatments (TEMPO-mediated oxidation and carboxymethylation reaction), and on enzymatic pretreatment (enzymatic hydrolysis), while the energy applied on mechanical treatment remained constant. Through the variation of the quantities of sodium hypochlorite (TEMPO-mediated oxidation), sodium hydroxide and monochloroacetic acid in the carboxymethylation reaction and also the variation of the enzyme amount in the enzymatic hydrolysis, it was possible to produce different samples that were posteriorly characterized to studied the influence of the pre-treatments. The characterization of the CNF/CMF obtained was crucial to evaluate the efficiency of the pre-treatments, and the influence of these in the mechanical treatment, especially in the overall performance of the operation. The laboratorial sheets were produced with bleached kraft pulp from eucalyptus, starch and alkenyl succinic anhydride as a binder aid, PCC (filler), cationic polyacrylamide (CPAM) as a retention aid, and the different CNF produced. Finally, the incorporation of the CNF/CMF into the fibrous matrix was studied through physical-mechanic tests. It was concluded that the CNF produced by TEMPO-mediated oxidation and carboxymethylation, could be used in the paper fibrous matrix as a reinforcing material and as an additive in the flocculation process of the PCC, promoting the improvement of the mechanical properties and the increasing of the loading material in the sheets. However, the pre-treatment may not be done with too much intensity, since it affects the fillers flocculation. In this study, it was observed in some cases, that cationic polyacrylamide damages the fibresCNF bonding. For this reason, it was also studied the effect of CPAM removal from the furnish and this action, promotes good results in the sheets produced with CNF made from chemical pre-treatments (TEMPO-mediated oxidation and carboxymethylation). Unfortunately, the same does not happened with the sheets that contains CMF produced from enzymatic pre-treatment. 2-In this study, the CNF are understood as fibrils that mostly have diameters up to 10 nm. However, these fibrils may present higher diameters, being in this case called microfibrillated celulose (CMF).
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/83161
Rights: embargoedAccess
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