Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/87959
Title: Efeito de nanoceluloses no tratamento de superfície de papel de impressão e escrita: estudo reológico e influência nas propriedades de resistência
Other Titles: Effect of nanocellulose in the surface treatment of printing paper: rheology analysis and its influence on resistance properties
Authors: Costa, Rui Jorge Ribeiro de Aguiar
Orientador: Sousa, António Paulo Mendes de
Ferreira, Paulo Jorge Tavares
Keywords: Caracterização; Nanocelulose; Reologia; Resistência; Tratamento de superfície; Characterization; Nanocellulose; Rheology; Resistance; Surface treatment
Issue Date: 20-Sep-2019
Serial title, monograph or event: Efeito de nanoceluloses no tratamento de superfície de papel de impressão e escrita: estudo reológico e influência nas propriedades de resistência
Place of publication or event: Universidade de Coimbra
Abstract: The current competion in the paper industry leads to a growing demand of new ways to create, improve and optimize new products. This is where the interest in nanocellulose arises, whose properties make it a very attractive material in several areas. It stands out for its nanometric size, high specific surface area, good mechanical and barrier properties, and its biodegradability, which is very relevant considering de importance given to these materials nowadays.In this work, nanofibrillated cellulose (NFC) was applied as surface treatment of printing paper. Base paper coating were performed with diverse formulations containing NFC, starch and carboxymethylcellulose (CMC). Three types of NFC suspensions were produced, differing from each other by the applied pre-treatment, aiming at the analysis of the properties conferred by each one. These three NFC samples were treated mechanically (NFC-MEC), one of them being pre-treated by enzymatic hydrolysis (NFC-ENZ), and other by TEMPO-mediated oxidation (NFC-TEMPO).Several NFC characterization tests were performed, from which it was concluded that the NFC-TEMPO have properties that stand out from the others. Their fibers have a rather smaller average size, and a nanometer-scale quantity of material, given by the yield, of 95%, against 1,4% and 7,6% of NFC-MEC and NFC-ENZ, respectively. Furthermore, the introduction of carboxyl groups, besides influencing their dimensions, results in a more stable suspension due to the existing repulsion forces, which is proven by its zeta potential of -62,6, roughly twice the other NFCs.Afterwards, a rheology analysis was performed on the three types of NFC suspensions produced, from which its shear thinning behavior was highlighted. This feature proved to be beneficial to the coating. This is related to the fact that when the suspensions are distributed over the sheet’s surface, they are no longer subject to the shear stress caused by magnetic agitation, which results in an increase in viscosity, which leads to an increase of NFC retention at the surface. In addition, since the suspensions’ viscosity is extremely high, even with consistencies of around 1% (w/w), the effect caused by the addition of CMC has been studied. It was observed that it immediately lowers its viscosity, allowing to work with consistencies about twice superior, a determinant factor for surface treatment.Once the coatings were made, the paper resistance properties were analyzed. There was a considerable improvement in air resistance, doubling when a formulation with starch, CMC and NFC pre-treated by enzymatic hydrolysis was applied, compared to a sheet with starch and CMC. In addition, a formulation of the same type, but with NFC-TEMPO resulted in a sheet through which there was no air penetration. On the other hand, NFC produced only by mechanical treatment had no influence on this property.When it comes to resistance properties, there was an improvement in tensile strength in all cases, with emphasis again on the formulation with NFC-TEMPO, where the geometric mean of the tensile index (GMTI) increased from 31.68 (starch+CMC) to 33,71 N.m/g.Surface strength was further analysed, from which it was concluded that only NFC-TEMPO are beneficial for this property, as a result of its negative charge and the high specific surface area, which gives a greater ability to bond with fibers in the paper structure.
A competitividade existente na área do papel leva a que haja uma procura crescente de novas formas de criar, melhorar e otimizar novos produtos. É neste seguimento que surge o interesse em nanocelulose, cujas propriedades a tornam um material com bastante interesse em diversas áreas. Destacam-se o seu tamanho nanométrico, elevada área de superfície específica, boas propriedades de resistência mecânica e de barreira, e o facto de ser um material biodegradável, o que é relevante tendo em conta o peso dado a este tipo de material nos dias correntes.O presente trabalho consistiu na aplicação de celulose nanofibrilada (CNF) no tratamento de superfície de papel de impressão e escrita. Foram realizados revestimentos em papel base, sem qualquer tratamento prévio, com diferentes formulações de CNF, amido e carboximetilcelulose (CMC). Produziram-se três tipos de CNF, diferindo entre si pelo pré-tratamento aplicado, com o objetivo de analisar as propriedades conferidas por cada um. Foi produzida celulose nanofibrilada apenas por tratamento mecânico (CNF-MEC), pré-tratada por hidrólise enzimática (CNF-ENZ), e pré-tratada por oxidação mediada por TEMPO (CNF-TEMPO).Realizaram-se diversos testes de caracterização das CNF, de onde se verificou que as CNF-TEMPO apresentam propriedades bastante distintas das demais. As suas fibras apresentam um tamanho médio bastante inferior, e uma quantidade de material à escala nanométrica, dada pelo rendimento, de 95% contra 1,4% e 7,6% das CNF-MEC e CNF-ENZ, respetivamente. Ademais, a introdução de grupos carboxilo, além de influenciar as suas dimensões, resulta numa suspensão mais estável devido às forças de repulsão existentes, o que é comprovado pelo seu potencial zeta, de -62,6, sensivelmente o dobro das outras CNF.Posteriormente, efetuou-se uma análise reológica aos três tipos de suspensões de CNF produzidos, de onde se evidenciou o seu comportamento pseudoplástico. Esta característica revelou-se benéfica aquando da etapa do revestimento, uma vez que quando as suspensões são distribuídas pela superfície da folha deixam de estar sujeitas à tensão de corte provocada por agitação magnética, o que resulta num acréscimo da viscosidade, aumentando a retenção das CNF à superfície. Além disso, tendo em conta o facto de a viscosidade das suspensões ser extremamente alta, mesmo a consistências a rondar 1% (w/w), estudou-se o efeito provocado pela adição de CMC. Observou-se que provoca imediatamente o abaixamento da viscosidade, permitindo trabalhar com consistências cerca de duas vezes superiores, fator determinante para a fase de tratamento de superfície.Uma vez feitos os revestimentos, analisaram-se as propriedades de resistência do papel. Houve uma melhoria considerável da resistência ao ar, duplicando quando se aplicou uma formulação com amido, CMC e CNF pré-tratada por hidrólise enzimática, comparativamente um uma folha com amido e CMC. Além disso, uma formulação do mesmo tipo, mas com CNF-TEMPO resultou numa folha pela qual não houve penetração de ar. Por outro lado, as CNF produzidas apenas mecanicamente não tiveram influência nesta propriedade.No que toca às propriedades de resistência, verificou-se uma melhoria da resistência à tração em todos os casos, com destaque novamente para a formulação com CNF-TEMPO, onde a média geométrica do índice de tração (GMTI) aumentou de 31,68 (amido+CMC) para 33,71 N.m/g.Analisou-se ainda a resistência superficial, de onde se concluiu que apenas as CNF-TEMPO são benéficas para esta propriedade, resultado da sua carga negativa e da elevada área de superfície específica, que lhe confere uma maior capacidade de estabelecer ligações com fibras da estrutura do papel.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/87959
Rights: embargoedAccess
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