Producción de micro y nano fibras de celulosa y su aplicación en papelería

Las nanofibras de celulosa (NFC) son los elementos estructurales fundamentales de la pared de la célula vegetal; tienen un altísimo desempeño mecánico y pueden interactuar con fibras lignocelulósicas a nivel superficial, mediante enlaces puente hidrógeno y fuerzas Van der Waals, lo que las convierte en reforzantes mecánicos ideales en papelería. La producción comercial de NFC se inició en Canadá el año 2014, después que se establecieran combinaciones de tratamientos químicos y mecánicos, capaces de disminuir el requerimiento energético drásticamente, con relación a los tratamientos de refinación tradicionales.

El grupo de investigación de UDT ha producido y caracterizado NFC a partir de fibras de paja de trigo, corteza de eucalipto y madera de diversas especies a bajo costo y con un altísimo desempeño mecánico. El tratamiento químico más promisorio se basa en el uso de ácido acético, ya sea como solvente de deslignificación o de tratamiento de fibras Kraft. De esta manera, la acetilación de algunos grupos carboxilo de las cadenas celulósicas permite debilitar la interacción intermolecular por impedimento estérico, hinchando la fibra y permitiendo su fibrilización mecánica con bajos consumos de energía. Se realizaron numerosos ensayos con diversas materias primas y bajo distintas condiciones de operación.

Con relación a la aditivación de papel, se ha establecido a nivel de laboratorio que la adición de sólo un 0,5% de NFC logra aumentar las propiedades mecánicas del papel en hasta un 30%, desempeño muy superior a cualquier aditivo disponible en el mercado. Además, la incorporación superficial de NFC en papeles aumenta su lisura y mejora sustancialmente sus propiedades de barrera a gases y a líquidos si el aditivo es levemente acetilado. No obstante ello, existen importantes aspectos que deben ser considerados, ya que repercuten significativamente en el resultado; principalmente la adición de agentes de retención, para minimizar las pérdidas de NFC durante la etapa de formación, y la presencia de posibles interferentes, entre los cuales se cuentan impurezas (en el caso de fibras recicladas) o determinadas cargas inorgánicas.

Además de su uso en papelería, UDT ha realizado ensayos preliminares de aplicación de las nanofibrilas como reforzante en adhesivos y plásticos, y como mejorador reológico de alimentos. Asimismo, se han creado alianzas con otros centros de investigación para evaluar su uso como soporte de células madre en ingeniería de tejidos (Facultad de Medicina, Universidad de los Andes); formulación de hidrogeles para mejorar la retención de agua en suelos y en la concepción de filtros selectivos para capturar metales en aguas contaminadas (Centro de Investigación de Polímeros Avanzados, CIPA).

Se tiene planificado construir y operar una planta piloto de producción de NFC, con el fin de escalar la tecnología y producir cantidades del nanoaditivo suficientes, para realizar ensayos de aplicación en una planta papelera comercial. Así mismo, se desarrollarán nuevas aplicaciones de NFC, preferentemente en distintos tipos de biomateriales; se estudiarán alternativas para modificar la polaridad de las NFC vía modificación química o adición de tensoactivos, y se evaluarán alternativas tecnológicas para su drenado/ secado. Éste último desafío es el más importante, ya que en la actualidad restringe econímicamente su comercialización a lugares cercanos a la producción.