BR112014031092B1

BR112014031092B1 - Processo para formar nanofibras de celulose a partir de um material celulósico

Info

Publication number: BR112014031092B1
Application number: BR112014031092-0A
Authority: BR
Inventors: Michael A. Bilodeau; Mark A. Paradis
Original assignee: University Of Maine System Board Of Trustees
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2022-05-17
Also published as: EP2861799A1; EP2861799B1; US20150167243A1; PL2861799T3; CN104583492A; PT2861799T; CN104583492B; WO2013188657A1; BR112014031092A2; CA2876082A1; ES2744788T3; US10563352B2; JP2015521694A; EP2861799A4; CA2876082C; BR112014031092A8

Abstract

PROCESSO PARA FORMAR NANOFIBRAS DE CELULOSE A PARTIR DE UM MATERIAL CELULÓSICO, TRATAMENTO EM UM PROCESSO DE REFINO OU TRITURAÇÃO PARA QUEBRAR UM MATERIAL CELULÓSICO E PRODUTO DE PAPEL. Um processo eficiente de energia escalonável para preparar nanofibras de celulose é divulgado. O processo emprega um tratamento despolimerizante com um ou ambos dentre: (a) uma carga relativamente alta de ozônio sob condições que promovem a formação de radicais livres para despolimerizar de forma química a parede celular de fibra de celulose e ligações interfibras; ou (b) uma enzima de celulose. Despolimerização pode ser estimada por mudanças de viscosidade de polpa. O tratamento despolimerizante é seguido por ou concorrente com trituração mecânica das fibras tratadas, a trituração sendo feita em quaisquer dentre vários dispositivos de trituração mecânica, a quantidade de economia de energia varia dependendo do tipo de sistema de trituração e das condições de tratamento. Trituração pode ser conduzida a quaisquer dentre várias medidas parâmetro tais como comprimento de fibra, % de (partículas) finas ou viscosidade de lama.

Description

PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica prioridade para aplicação depedido provisório dos EUA de número de série No. 61/659.082, depositado em 13 de junho de 2012 e incorporado neste documento por referência.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] A presente invenção refere-se geralmente ao campode processamento de polpa celulósica, e mais especificamente para o processamento da polpa celulósica para preparar fibras de nano celulose, também conhecido na literatura como fibras microfibraladas, micro fibrilas e nano fibrilas. Apesar desta variabilidade na literatura, a presente invenção é aplicável a fibras microfibraladas, micro fibrilas e nano fibrilas, independente das dimensões físicas reais.

[0003] Convencionalmente, polpas químicas produzidasutilizando processos de cozimento kraft, soda ou sulfito foram branqueadas com agentes clareadores contendo cloro. Embora cloro seja um agente clareador muito eficaz, os efluentes de processos de branqueamento de cloro contêm grandes quantidades de cloretos produzidas como o subproduto destes processos. Estes cloretos facilmente corroem o equipamento de processamento, exigindo o uso de materiais caros na construção de usinas de branqueamento. Além disso, existem preocupações sobre os potenciais efeitos ambientais dos produtos orgânicos clorados em efluentes.

[0004] No intuito de evitar estes inconvenientes, a indústriapapeleira tem tentado reduzir ou eliminar o uso de agentes clareadores contendo cloro para o branqueamento da polpa de madeira. Neste contexto, esforços foram feitos para desenvolver um processo de branqueamento, em que agentes contendo cloro são substituídos, por exemplo, por compostos à base de oxigénio, como o ozônio, peróxido e oxigênio, com a finalidade de deslignificação, ou seja, branqueamento da celulose. O uso de oxigênio permite uma redução substancial na quantidade de cloro elementar usado. No entanto, o uso de oxigênio, muitas vezes não é uma solução totalmente satisfatória para os problemas encontrados com cloro elementar. Oxigênio e ozônio têm seletividade pobre, no entanto, não só deslignificam a polpa, eles também degradam e enfraquecem as fibras celulósicas. Também, deslignificação à base de oxigênio geralmente deixa alguma lignina restante na polpa a qual deve ser removida por branqueamento de cloro para obter uma polpa totalmente branqueadas, portanto, as preocupações associadas com o uso de cloro que contenham agentes ainda persistem. Publicações de Patente de 2007/0131364 e 2010/0224336 de Hutto et al; Patente dos E.U. 5.034.096 a Hammer, et al; E.U. patente 6.258.207 de Pan; EP 554.965 Al de Andersson, et al; NOS 6.136.041 de patente de Jaschnski et al.; E.U. patente 4.238.282 para Hyde; e os outros exemplificam essas abordagens à base de oxigênio.

[0005] Problemas com essas abordagens incluem anecessidade de uma quelação e/ou condições altamente ácidas que sequestram os íons metálicos que podem "envenenar" os peróxidos, reduzindo sua eficácia. Condições ácidas também podem levar à corrosão de máquinas em usinas de branqueamento.

[0006] O branqueamento de polpas, no entanto é distinto e,por si só, não resulta em liberação de fibras de nano celulose. Um maior refinamento mecânico ou homogeneização é normalmente necessário, um processo que utiliza uma grande quantidade de energia, para mecanicamente e fisicamente quebrar a celulose em fragmentos menores. Frequentemente múltiplos estágios de homogeneização ou refino, ou ambos, são necessários para atingir uma fibrila de celulose nanométricas. Por exemplo, patente dos E.U. 7.381.294 para Suzuki et al descreve processo de refinamento de várias etapas que requerem 10 ou mais e tanto quanto 30-90 etapas de refinamento.

[0007] Um outro método conhecido para libertar nano fibrilasde fibra de celulose é oxidar a polpa usando radical 2,2,6,6- tetrametilpiperidina-l-Oxil ("TEMPO") e derivados deste composto. Publicação de patente de E.U. 2010/0282422 Miyawaki et al e Saito and Isogai, Oxidação de celulose nativa mediada por TEMPO: The Effect of Oxidation Conditions on Chemical and Crystal Structures of the Water-Insoluble Fractions, Biomacromolecules, 2004: 5, 1983-1989, descrevem esse método. No entanto, este ingrediente é muito caro para fabricar e usar para essa finalidade. Além disso, o uso deste composto tende a modificar quimicamente a superfície da fibra, tal que a carga de superfície é muito mais negativa do que superfícies de celulose nativa. Isso traz dois problemas adicionais: (1) asmodificações químicas de celulose podem prejudicar a aprovação com agências reguladoras como o FDA nos produtos assimregulamentados; e (2) a carga altamente negativa afeta a manipulação e interações com outros materiais usados na fabricação de papel e outros processos de fabricação e pode precisar de ser neutralizado com cátions, adicionando processamento desnecessário e despesa.

[0008] Como observado, o ozônio tem sido utilizado comoagente clareador oxidativo, mas também tem sido associada com problemas, especificamente a toxicidade (1) e (2) pobre seletividade para lignina, ao invés de celulose. Estes e outros problemas são discutidos em Gullichsen (ed.). Livro 6A "Chemical Pulping" in Papermaking Science and Technology, Fapet Oy, 1999, páginas A194 et seq., incorporados neste documento por referência. Além disso, o uso de ozônio ou agentes químicos como um pré-tratamento branqueamento, seguido por uma abordagem mecânica de refinação para libertar nano fibrilas, implica um custo de energia muito alta que não é sustentável a nível comercial.

[0009] Assim, é um objeto e característica da invenção proverum processo de tratamento oxidativo usando ozônio que é comercialmente escalável e requer o uso de energia significativamente menor do que os métodos conhecidos para libertar nano fibrilas a partir de fibras celulósicas. Uma outra vantagem que flui a partir da invenção é reduzir corrosividade e melhor impacto ambiental por evitar compostos de cloro.

RESUMO DA INVENÇÃO

[00010] Em um aspecto, a invenção compreende um processomelhorado para a preparação nano fibras de celulose (também conhecidas como nano fibrilas de celulose ou CNF e celulose nanofibrilada (NFC) e celulose microfibrliada (MFC)) de um material celulósico, compreendendo:tratar o material celulósico com uma suspensão aquosa contendo um agente despolimerizador selecionado a partir de (a) ozônio em um nível de carga de pelo menos sobre 0,1 % em peso/peso, com base no peso seco do material celulósico para a geração de radicais livres no chorume; (b) uma enzima celulase em uma concentração de cerca de 0,1 a cerca de £ 10/ton com base no peso seco do material celulósico; ou (c) uma combinação de ambos (a) e (b), sob condições suficientes para causar despolimerização parcial do material celulósico; e simultaneamente ou subsequentemente cominutivas do material celulósico para libertar nano fibras de celulose;em que o processo global atinge uma eficiência de energia (conforme definido neste termo) de pelo menos cerca de 2%.

[00011] Em algumas modalidades a etapa do tratamento érealizada simultaneamente com a etapa de cominuição. Em outras modalidades, a etapa de tratamento é executada antes da etapa de cominuição, tornando-a uma etapa de "pré-tratamento".

[00012] Em contraste com pré-tratamentos debranqueamentos do estado da técnica usando ozônio, despolimerização é um resultado desejado e pretendido, embora 100% de despolimerização é raramente necessária ou alcançada. Em algumas modalidades a despolimerização é pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 12%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30%. Extensão superior da despolimerização é menos crítica e pode ser até cerca de 75%, até cerca de 80%, até cerca de 85%, até cerca de 90% ou até cerca de 95%. Por exemplo, despolimerização pode ser de cerca de 5% para cerca de 95%, de cerca de 8% para cerca de 90%, ou qualquer combinação das extensões acima-citadas superiores e inferiores. Alternativamente, a etapa de tratamento é projetada para causar uma diminuição na viscosidade pelo menos 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 12%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30%.

[00013] Em modalidades usando ozônio, o nível de carga deozônio pode ser de cerca de 0,1% para cerca de 40% (% em peso/peso) e mais particularmente a partir de cerca de 0,5% para cerca de 15%, ou de cerca de 1,2% para cerca de 10%. Em outras modalidades, o nível de carga de ozono é pelo menos cerca de 1,5%, pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, ou pelo menos cerca de 10%. Na modalidade usando enzimas celulase, a concentração da enzima pode variar de sobre 0.1 para cerca de 10 kg/ton de peso de polpa seca. Em algumas modalidades, a quantidade de enzima é de cerca de 1 a cerca de 8 kg/ton; em outras modalidades, os faixas é de cerca de 3 a cerca de 6 kg/ton. Celulases podem ser endo- ou exoglucanases e pode incluir tipos individuais ou misturas de enzimas, tendo diferentes tipos de atividade de celulase. Em algumas modalidades, tanto ozônio e enzimas podem ser usadas no tratamento de despolimerização.

[00014] Em algumas modalidades o tratamento dedespolimerização pode ser complementado com um peróxido. Quando é usado um peróxido opcional (tal um peróxido de hidrogênio), a carga de peróxido pode ser de cerca de 0,1% para cerca de 30% (%em peso/peso) e mais particularmente a partir de cerca de 1% para cerca de 20%, de cerca de 2% para cerca de 10% ou de cerca de 3% para cerca de 8%, baseada no peso do material celulósico seco. Quando uma enzima opcional é usada, a enzima pode incluir um único tipo de enzima celulase ou uma mistura de celulases, tais como PERGALASETM.

[00015] A natureza da etapa cominutivas não é crítica, mas a quantidade de ganho de eficiência energética pode depender o processo de cominuição. Qualquer instrumento selecionado a partir de um moinho, um batedor do vale, um refinador de disco (único ou múltiplo), um refinador cónico, um refinador cilíndrico, um homogeneizador e um microfluidizador estão entre aqueles que normalmente são usados para a cominuição. O ponto de extremidade de cominuição pode ser determinado a qualquer uma das várias maneiras. Por exemplo, pelo comprimento da fibra (por exemplo, onde cerca de 80% das fibras têm de um menos de cerca de 0,2 mm de comprimento); pelas % finas; pela viscosidade da lama; ou pela extensão da despolimerização.

[00016] Verificou-se vantajosamente que o aumento da despolimerização permite o uso de menos energia na etapa de cominuição, que cria uma eficiência de energia. Por exemplo, o consumo de energia pode ser reduzido pelo menos cerca de 3%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, ou pelo menos cerca de 25% em comparação com a energia consumo para o ponto de extremidade comparável os resultados sem o tratamento. Em outras palavras, a eficiência energética do processo é melhorada pelo menos cerca de 3%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30%.

[00017] Um outro aspecto da presente invenção é produtos depapel feitos utilizando nano fibras de celulose feitas por qualquer um dos processos descritos acima. Tais produtos de papel melhoraram propriedades, tais como a porosidade, lisura, opacidade, brilho e força.

[00018] Outras vantagens e características são evidentes daseguinte descrição detalhada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[00019] As figuras anexas, incorporados a adendo e formandouma parte da especificação, ilustram a presente invenção em seus vários aspectos e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nas figuras, a espessura das linhas, camadas e as regiões pode ser exagerada para maior clareza.

[00020] A Figura 1 é uma ilustração esquemática mostrandoalguns dos componentes de uma fibra celulósica, tais como a madeira;

[00021] Figuras 2A e 2B são diagramas de bloco para etapasde processo alternativo geral para a preparação de fibras de nano celulose de materiais celulósicos;

[00022] Figuras 3 e 4 são gráficos ilustrando a economia deenergia alcançada conforme descrito no exemplo 3;

[00023] A Figura 5 é gráfico simulado ilustrando como váriaspropriedades físicas de são afetadas pelo grau de polimerização;

[00024] Figuras 6A e 6B são gráficos ilustrando a economia deenergia alcançada conforme descrito no exemplo 4 e 5, respectivamente; e

[00025] Figura 6 é um gráfico de dados ilustrando asalterações de viscosidade inicial ou intrínseca causadas por diversos tratamentos de despolimerização.

[00026] Vários aspectos desta invenção se tornarãoaparentes para aqueles versados na técnica da seguinte descrição detalhada da incorporação preferencial, quando lida à luz das figuras que acompanham.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00027] A menos que definido de outra forma, todos os termostécnicos e científicos neste documento têm o mesmo significado que tão comumente compreendido por uma das habilidade ordinária na arte ao qual pertence a invenção. Embora qualquer métodos e materiais similares ou equivalentes para as descritas neste documento, podem ser usados na prática ou teste da presente invenção, o preferido de métodos e materiais são aqui descritos. Todas as referências citadas neste documento, incluindo livros, artigos de jornal, publicados U.S. ou pedidos de patente estrangeiros, emitidos EUA ou patentes estrangeiras e quaisquer outras referências, cada uma são incorporadas por referência em seus entireties, incluindo todos os dados, tabelas, figuras e texto apresentado nas referências citadas.

[00028] Faixas numéricas, medições e parâmetros usadospara caracterizar a invenção - por exemplo, graus angulares, as quantidades dos ingredientes, pesos moleculares de polímero, condições de reação (pH, temperaturas, níveis de carga, etc.), dimensões físicas e assim por diante - são necessariamente aproximações; e, enquanto reportadas tão precisamente quanto possível, eles contêm inerentemente imprecisão derivado de suas respectivas medições. Consequentemente, todos os números expressando as faixas de magnitudes como usados aqui devem ser entendidos como sendo modificado em todas as instâncias pelo termo "a cerca de". Todas as escalas numéricas são compreendidas para incluir todas as sub-faixas incrementais possíveis dentro dos limites exteriores da faixa. Assim, uma faixa de 30 a 90 unidades divulga, por exemplo, 35 a 50 unidades, unidades de 45 a 85 e 40 para 80 unidades, etc. A menos que caso contrário definido, percentagens são % em peso/peso.

[00029] Materiais Celulósicos

[00030] Celulose, o principal constituinte de "materiaiscelulósicos", é o composto orgânico mais comum do planeta. O teor de celulose do algodão é cerca de 90%; o teor de celulose de madeira é cerca de 40-50%, dependendo do tipo de madeira. "Materiais celulósicos"inclui fontes nativas de celulose, bem como fontes deslignificadas parcialmente ou totalmente. Polpas de madeira são uma fonte comum, mas não exclusiva, de plásticos celulósicos.

[00031] Figura 1 apresenta uma ilustração de alguns doscomponentes de madeira, começando com uma árvore completa no canto superior esquerdo e, movendo para a direita, do outro lado da linha superior, cada vez mais ampliação de seções conforme indicado para chegar em um diagrama de estrutura celular no canto superior direito. O processo de ampliação continua para baixo para a estrutura da parede celular, em que S1, S2 e S3 representam várias camadas secundárias, P é uma camada primária e ML representa uma lamela média. Movendo para esquerda em toda a linha de fundo, ampliação continua até cadeias de celulose no canto inferior esquerdo. As faixas de ilustração em escala ao longo de 9 ordens de magnitude de uma árvore que é metros de altura por meio de estruturas celulares que são dimensões mícron (pm), a micro fibrilas e cadeias de celulose que são nanômetros (nm) dimensões. Na estrutura das paredes das células de algumas madeiras fibrila-matriz, longas fibrilas de polímeros de celulose combinam com polissacarídeos de 5 - e 6- membros, hemiceluloses e lignina.

[00032] Como ilustrado na Figura 1, a celulose é um polímeroderivado de unidades de D-glicose, que condensa-se através de ligações beta (1-4) -glucosídicas. Este motivo de ligação é diferente da ligação alfa (1-4)-glucosídicas presente no amido, glicogênio e outros hidratos de carbono. Celulose, portanto, é um polímero de cadeia reta: ao contrário do amido, sem enrolamento ou ramificação, e a molécula adota uma conformação de tipo haste longa e dura, auxiliada pela conformação equatorial de resíduos de glicose. Múltiplos grupos hidroxila de uma molécula de glicose a partir de uma cadeia forma ligações de hidrogênio com átomos de oxigênio na mesma ou em uma cadeia de vizinho, segurando a celulose correntes firmemente juntos lado-lado e formando nano fibrilas elementar. Nano fibrilas de celulose (CNF) da mesma forma são mantidas juntas em fibrilas maiores conhecidas como micro fibrilas; e micro fibrilas da mesma forma são mantidas unidas em feixes ou agregados em uma matriz, conforme mostrado na Figura 1. Estas fibrilas e agregados fornecem materiais celulósicos com alta resistência à tração, que é importante nas paredes das células, conferindo rigidez para células vegetais.

[00033] Como se observa, muitas madeiras também contêmlignina em suas paredes celulares, que dão uma cor mais escura à madeira. Assim, muitas polpas de madeira são branqueadas e/ou degradadas para branquear a polpa para uso em papel e muitos outros produtos. A lignina é um material polimérico tridimensional que une as fibras celulósicas e também é distribuída dentro das fibras em si. Lignina é em grande parte responsável pela força e rigidez das plantas.

[00034] Para uso industrial, celulose é principalmente obtida depolpa de madeira e algodão e largamente utilizada em papel e cartão. No entanto, as nano fibrilas de celulose mais finas (CNF) ou celulose microfibrilada (MFC), uma vez liberadas das plantas lenhosas, são encontrados novos usos em uma grande variedade de produtos conforme descrito abaixo.

[00035] Processos de Polpação e branqueamento em geral

[00036] Madeira é convertida a polpa para uso na fabricaçãode papel. Polpa compreende fibras de madeira capazes de ser dissolvida ou suspensa e depois depositada em uma tela para formar uma folha de papel. Existem dois tipos principais de polpação técnicas: polpação mecânica e polpação química. Na polpação mecânica, a madeira é fisicamente separada em fibras individuais. Na polpação química, as microplaquetas de madeira são digeridas com soluções químicas para solubilizar a uma parte da lignina e assim permitir a sua remoção. Os processos de polpação química usados comumente incluem: (a) o processo kraft, (b) o processo sulfito e (c) o processo de soda. Estes processos não precisam ser descritos aqui uma vez que eles são bem descritos na literatura, incluindo Smook, Gary A., Handbook for Pulp & Paper Technologists, TappiPress, 1992 (especialmente capítulo 4), e o artigo: "Overview of the Wood Pulp Industry," Market Pulp Association, 2007. O processo kraft é o mais comumente usado e envolve a digestão que da madeira chips em uma solução aquosa de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio. A Polpa de madeira produzida no processo de polpação geralmente é separada em uma massa fibrosa e lavada.

[00037] Polpa de madeira, após o processo de despolpagemé de cor escura porque ela contém lignina residual não removida durante a digestão, que tem sido modificada quimicamente na polpação para formar grupos cromóforas. A fim de clarear a cor da polpa, a fim de torná-la adequada para fabricação de papel branco e também para processamento adicional para nanocelulose ou MFC, a polpa é normalmente, embora não necessariamente, submetida a uma operação que inclui a deslignificação de branqueamento e branqueamento da polpa. O objetivo tradicional de etapas de deslignificação é remover a cor da lignina sem destruir as fibras de celulose. A capacidade de um composto ou processo para remover seletivamente Ligninas sem degradar a estrutura da celulose é referida na literatura como "seletividade".

[00038] Processos MFC gerais

[00039] Referindo-se a Figura 2A, a preparação do MFC (ouCNF) começa com a polpa de madeira (etapa 10). A polpa é deslignificada e branqueada conforme observado acima, ou através de um processo de polpação mecânico que pode ser acompanhado por uma etapa de tratamento (12) e seguida por uma moagem mecânica ou cominuição (etapa 14) ao tamanho final. Fibrilas MFC então liberadas são então coletadas (etapa 16). No passado, a etapa de tratamento 12 tem sido pouco mais que o branqueamento e deslignificação da polpa conforme descrito acima, é de ser salientado que a seletividade dos compostos e processos era importante para evitar a degradação da celulose.

[00040] No entanto, as requerentes descobriram que algumaquantidade de despolimerização é desejável, uma vez que reduz grandemente a energia total consumida na etapa de cominuição do processo de fabricação de fibras de nanocelulose. MFCs preparados por este processo inventivo são particularmente bem adequados para produtos cosméticos, médicos, alimentos, revestimentos de barreira e outras aplicações que dependam menos da natureza de reforço das fibras de celulose.

[00041] Em uma variação mostrada na figura 2B, preparaçãodo MFC (ou NCF) começa com a polpa de madeira (etapa 20). A polpa pode ser deslignificada e branqueada conforme mencionado acima. A polpa é então tratada simultaneamente com cominuição conforme mostrado na etapa 23 ao tamanho final. Fibrilas MFC (ou CNF) então liberadas são então coletadas (etapa 26). Em qualquer variação (o processo de pré-tratamento da Figura 2A ou o processo simultâneo da figura 2B), as etapas de cominuição e tratamento podem ser repetidas várias vezes.

[00042] Grau de polimerização e o processo de despolimerização

[00043] O grau de polimerização, ou DP, é geralmente definidocomo o número de unidades monoméricas em uma macromolécula ou polímero ou molécula de oligômero. Para um homopolímero como celulose, há apenas um tipo de unidade monomérica (glicose) e o número médio grau de polimerização é dada por:

[00044] "Despolimerização" é a química ou enzimática(distinto da quebra mecânica) processo de degradação do polímero para segmentos mais curtos, o que resulta em uma menor DP. Uma despolimerização por cento é facilmente calculada como a mudança de uma DP inicial ou original para um final DP, expressa como uma fração sobre o DP original x 100, ou seja, (DP, — DPf) /DP0 x 100.

[00045] No entanto, na prática, desde que o MW do polímeronão é facilmente conhecível, o DP não é diretamente conhecível e estima-se geralmente por uma medida proxy. Uma tal medida de proxi da DP é a viscosidade da polpa. De acordo com a equação de Mark- Houwink, viscosidade, [ii], e DP relacionam-se como:

onde k e α dependem da natureza da interação entre as moléculas e o solvente e são determinados empiricamente para cada sistema.

[00046] Assim, viscosidade de celulose é uma aproximação justa de DP dentro de sistemas similares desde que quanto mais tempo um polímero é, mais grosso ou viscoso é uma solução daquele polímero. Viscosidade pode ser medida de alguma forma conveniente, como por Viscosímetro Brookfield. As unidades de viscosidade são geralmente centipoise (cps). TAPPI prescreve um procedimento de viscosidade de celulose específicos para dissolver uma quantidade fixa de polpa em um solvente de diamina cuprietileno e medir a viscosidade da solução (ver Tappi teste método T230). Uma curva generalizada, mostrando a relação entre a viscosidade e DP (e algumas outras propriedades) é mostrada na Fig. 5. Como com DP, a mudança de viscosidade de celulose da inicial ao ponto final, expressado como uma fração sobre a viscosidade inicial é uma medida de proxy apropriado de despolimerização %.

[00047] Enquanto "viscosidade da polpa" mede a viscosidadede uma verdadeira solução de fibras no solvente diamina cuprietileno, a viscosidade, sendo impactada pelo comprimento do polímero, um segundo tipo de viscosidade também é importante para a invenção. "Viscosidade da pasta"é uma medida da viscosidade de uma suspensão de partículas de fibra em meio aquoso, onde eles não são solúveis. A fibra de partículas interage com eles mesmos e a água em graus variados, dependendo em grande parte sobre o tamanho e a área de superfície da partícula, para que aumenta a "viscosidade da pasta" com maior desagregação mecânica e "viscosidade da pasta" pode ser utilizada como uma medida de ponto de extremidade, como comprimento de fibra e % finas conforme descrito abaixo. Mas é bastante distinto de viscosidade de celulose.

[00048] Em conformidade com a invenção,despolimerização é alcançada por um agente despolimerizante selecionado de ozono ou uma enzima. Como mostrado na Figura 6, esses agentes têm um profundo impacto sobre a viscosidade intrínseca que, por sua vez, impacta fortemente a energia necessária para a refinação de tamanhos de nano fibrila, como mostrado na figura 6A e 6B. Notavelmente, cominuição mecânica tradicional não tem impacto DP na mesma medida que o processo de despolimerização de acordo com a invenção. Nem são os tratamentos oxidativos do estado da técnica tais como clareamento tão eficazes quanto a invenção das Requerentes. As Requerentes não gostariam de ser limitada a qualquer teoria específica da invenção, mas isto pode ser devido em parte à incapacidade de processamento mecânico e processos químicos de arte antes de entrar em paredes celulares para atingir seus efeitos degradativos.Cominuição - avaria mecânica

[00049] Em uma segunda etapa do processo, as fibras pré-tratados são mecanicamente fragmentadas em qualquer tipo de moinho ou dispositivo que mói as fibras separadas. Esses moinhos são conhecidos na indústria e incluem, sem limitação, vale batedores, refinadores de disco único, dobro refinadores de disco, cônicos, incluindo o grande angular e o ângulo estreito, refinadores cilíndricos,Homogeneizadores, microfluidizadores e outros semelhantes de trituração ou moagem aparelho. Estes dispositivos mecânicoscominuição não precisam ser descritos em detalhes neste documento, desde que eles são bem descritos na literatura, por exemplo, Smook, Gary A., Handbookfor Pulp & Paper Technologists, Tappi Press, 1992 (especialmente capitulo3). A natureza do aparelho de moagem não é crítica, embora os resultados produzidos por cada um podem não ser idênticos. Tappi T200 padrão descreve um procedimento para o processamento mecânico de celulose usando um batedor. O processo de desagregação mecânica, independentemente do tipo de instrumento, é por vezes referido na literatura como "refinação", mas nós preferimos o mais genérico "cominuição."

[00050] O grau de cominuição pode ser monitorado durante oprocesso por qualquer um dos vários meios. Determinados instrumentos ópticos podem fornecer dados contínuos relativos à distribuição de comprimento de fibra e % finas, ou que pode ser usado para definir pontos de extremidade para o estágio de cominuição. Tais instrumentos são empregados como testadores padrão da indústria, tais como o analisador de comprimento TechPap Morphi fibra. Como diminui o comprimento da fibra, as finas % aumentam. Exemplo 3 e figuras 3 e 4 ilustram isso. Qualquer valor apropriado pode ser selecionado como um ponto de extremidade, por exemplo, pelo menos 80% finas. Pontos finais alternativos podem incluir, por exemplo finas de 70%, 75% finas, finas de 85%, 90% de finas, etc. Da mesma forma, os comprimentos de ponto de extremidade de menos de 1,0 mm ou menos de 0,5 mm ou menos de 0,2 mm ou menos de 0,1 mm podem ser usados, como podem faixas usando qualquer um destes valores ou os intermediários. Comprimento pode ser tomado como comprimento médio, comprimento médio (50% decil) ou qualquer outro comprimento decil, como 90% menor que 80% a menos que, 70% a menos que, etc. para qualquer determinado comprimento especificado acima. A viscosidade da pasta (como distinto da viscosidade de polpa) também pode ser usada como um ponto de extremidade para monitorar a eficácia do tratamento mecânico na redução do tamanho das fibras de celulose. Viscosidade de pasta pode ser medida de alguma forma conveniente, como por Viscosímetro Brookfield.

[00051] Consumo de energia e uma medida da eficiência

[00052] A presente invenção estabelece um processo que ésuficientemente energia eficiente quanto ser escalável para um nível comercial. Consumo de energia pode ser medido nas unidades adequadas. Normalmente, uma unidade de energia * hora é usada e em seguida, normalizada em relação ao peso. Por exemplo: kilowatt- horas/ton (tonelada/KW-h) ou cavalos-dias/ton (HP-dia/ton), ou em outras unidades adequadas. Uma corrente de medição de amperímetro desenhada pelo motor do dispositivo de cominuição de condução é uma forma adequada para obter uma medida de energia. Para comparações pertinentes, ou os pontos de extremidade do resultado de cominuição ou as entradas de energia devem ser equivalentes. Por exemplo, "eficiência energética" é definida como: (1) atingir o resultado equivalente pontos de extremidade (por exemplo, a viscosidade da pasta, comprimentos de fibra, % finas) com menor consumo de energia; ou (2) alcançar maior ponto de extremidade resultados (por exemplo, a viscosidade da pasta, comprimentos de fibra, % finas) com consumo de energia equivalente.

[00053] Conforme descrito neste documento, os resultados de pontos de extremidade podem ser expressos como taxa de variação percentual; e a energia consumida é uma medida absoluta. Como alternativa, os pontos de extremidade podem ser medidas absolutas e as energias consumidas podem ser expressos de forma relativa como uma mudança de porcentagem. Em ainda outra alternativa, ambos podem ser expressos como medidas absolutas. Este conceito de eficiência mais é ilustrado nos exemplos e nas figuras 3-4 e figuras 6A e 6B. Um controle não tratado teria o maior DP, considerando que vários tratamentos DP teria um impacto em vários graus. A combinação de tratamento de enzimas além de ozônio deverá produzir a maior redução na DP, mas também só produz resultados satisfatórios.

[00054] O tratamento de acordo com a invenção produz,desejavelmente, a redução do consumo de energia de, pelo menos, cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20% ou, pelo menos cerca de 25% em relação ao consumo de energia para resultados do parâmetro comparáveis, sem o tratamento. Em outras palavras, a eficiência energética do processo é melhorada pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30%.

[00055] Como é conhecido na técnica, os dispositivos de cominuição exigem uma certa quantidade de energia para executá-los mesmo sob nenhuma carga. O consumo de energia aumenta drasticamente quando o dispositivo de cominuição é carregado com a polpa, mas menos drasticamente se a polpa é pré-tratados em conformidade com a invenção. A energia bruta consumida é a medida mais relevante, mas também é possível subtrair o consumo "sem carga" para chegar a um líquido de energia consumido por cominuição.

[00056] Tratamentos

[00057] Tratamentos com um agente despolimerizadorincluem a "pré-tratamentos"que são realizados por um período de tempo antes de cominuição, ("b) simultâneos"tratamentos que são realizados durante a moagem e (c) os tratamentos que ambos começam como pré-tratamentos, mas continuam em fase de cominuição. Tratamentos despolimerizantes de acordo com a invenção incluem ozônio sozinho ou enzimas sozinhas ou uma combinação de ambos, opcionalmente com o peróxido em cada caso. O processo da invenção pode ser aplicado a crus ou branqueadas polpas de uma grande variedade de madeiras e/ou madeiras leves. A etapa de tratamento é projetada para causar despolimerização pelo menos 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 12%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30% em comparação com a polpa de partida inicial. Alternativamente, a etapa de tratamento é projetada para causar uma diminuição na viscosidade da pasta pelo menos 5%, pelo menos cerca de 8%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 12%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, ou pelo menos cerca de 30% em comparação com o chorume de polpa de partida inicial.

Ozônio

[00058] Embora o ozônio tenha sido usado no passado comoagente de branqueamento / deslignificador, seu uso tem sido limitado. Sua toxicidade já foi notada. Gullichsen observa, na página A196 por exemplo, que o ozono funciona melhor em pH muito baixo de cerca de 2 e apresenta melhor seletividade na faixa estreita de temperatura de 25-30 C. Geralmente acredita-se que o ozônio delignifica pela geração de radicais livres que combinam com os fenóis de lignina. Infelizmente para seletividade, estes radicais livres também atacar os hidratos de carbono como celulose.

[00059] Em um estágio de tratamento do ozônio do processo,a polpa de madeira é contatada com ozônio. O ozônio é aplicado à polpa de qualquer forma adequada. Normalmente, a polpa é alimentada em um reator e ozônio é injetado no reator de forma suficiente para a camada de ozônio agir sobre a polpa. Em algumas modalidades, um estágio de "branqueamento", embora não seja obrigatório, pode consistir de uma batedeira para misturar a camada de ozônio e um recipiente para fornecer o tempo de retenção para uma reação de tratamento vir até a conclusão, seguido por uma etapa de lavagem de polpa e celulose. Pode ser usado qualquer equipamento adequado, como qualquer equipamento de branqueamento ozônio adequado conhecido para aqueles qualificados na arte.

[00060] Por exemplo, o reator de tratamento pode incluir umvaso cilíndrico estendido, tendo um aparelho misturando estendendo- se no interior ao longo do comprimento do recipiente. O reator pode ter uma polpa alimentar porto em uma extremidade do vaso e uma porta de saída de polpa na extremidade oposta. A polpa pode ser alimentada ao reator de forma adequada, por exemplo, pode ser alimentado sob pressão através de um triturador que funciona como uma bomba. O reator também pode ter um ou mais gás alimentam portos para a alimentação do gás ozônio em uma extremidade do vaso e uma ou mais portas de saída de gás para a remoção de gás após a reação no extremo oposto do recipiente. Desta forma o gás ozônio pode ser "borbulhado"através do vaso da reação. Em determinadas incorporações, a polpa e o ozônio são alimentados em direções opostas através do recipiente (contracorrente), mas em outras modalidades, eles poderiam ser alimentados na mesma direção (da corrente).

[00061] O processo de tratamento pode incluir o ozônio comoagente único despolimerização ou a camada de ozônio pode ser usada em mistura com outro agente. Em determinadas incorporações, o processo é realizado sem a adição de um peróxido de branqueamento agente; no entanto, os peróxidos podem ser formados como subproduto durante o processo. Quando o ozônio é usado como agente único de deslignificação, isso não exclui subprodutos da reação; por exemplo, o gás removido depois que a reação do ozônio com polpa pode incluir principalmente dióxido de carbono. Em determinadas incorporações, a camada de ozônio é alimentada ao reator como o único gás no fluxo de alimentação, mas em outras modalidades, a camada de ozônio é alimentada juntamente com um gás de transporte, tais como oxigênio. Teoriza-se que a entrega de altas concentrações de ozônio em um estado gasoso facilitar entrada em paredes celulares, onde a formação de radicais livres é capaz de executar mais eficazmente o processo de despolimerização.

[00062] Enquanto o ozônio pode ser o único agente detratamento, em algumas modalidades, o ozônio é usado com um agente secundário, tal como um peróxido ou enzimas ou ambos.

[00063] Geralmente mais elevados níveis de carga de ozônio podem ser usados na fase de tratamento de ozônio. Em determinadas incorporações, a acusação de ozônio durante a fase de tratamento é dentro de um faixa de cerca de 0,1% para cerca de 40% e mais particularmente a partir de cerca de 0,5% para cerca de 15% ou cerca de 1,2% para cerca de 10%. Em outras modalidades, o nível de carga de ozono é pelo menos cerca de 1,5%, pelo menos cerca de 2%, pelo menos cerca de 5%, ou pelo menos cerca de 10%. A carga de ozônio é calculada como o peso da camada de ozônio em percentagem do peso seco das fibras de madeira na polpa.

[00064] A fase de tratamento do ozônio pode ser realizadausando quaisquer condições de processo adequado. Por exemplo, em determinadas incorporações a polpa é reagida com a camada de ozônio por um tempo dentro de um faixa de cerca de 1 segundo para cerca de 5 horas, ou mais especificamente a partir de cerca de 10 segundos para cerca de 10 minutos. Também, em determinadas incorporações, a polpa é reagida com a camada de ozônio em uma temperatura dentro de um faixa de cerca de 20° C a 80° c, mais tipicamente de cerca de 30° C a cerca de 70° C, ou de cerca de 40° C a cerca de 60° C. Em outras modalidades, a temperatura é pelo menos 25° C, pelo menos sobre 30 ° C, pelo menos cerca de 35° C ou pelo menos cerca de 40° C. Não pode haver nenhum limite superior para a faixa de temperatura, a menos que as enzimas são também empregadas, caso em que as temperaturas acima de cerca de 70° C podem tender a desnaturar as enzimas. Além disso, em determinadas incorporações, o pH da polpa no final da fase de branqueamento é dentro de uma faixa de cerca de 5 a cerca de 10 e mais particularmente de cerca de 6 a cerca de 9. É uma vantagem da presente invenção que não requer condições ácidas, como fez a maioria arte prévia oxigênio/ozônio, condições de branqueamento.

[00065] Peróxidos

[00066] Em algumas modalidades, um peróxido pode seropcionalmente utilizado em combinação com o ozônio como agente de tratamento secundário. Os peróxidos também auxiliam na formação de radicais livres. O peróxido pode ser, por exemplo, peróxido de hidrogênio. A carga de peróxido durante a fase de tratamento está dentro de um faixa de cerca de 0,1% para cerca de 30% e mais particularmente a partir de cerca de 1% para cerca de 20%, de cerca de 2% para cerca de 10% ou de cerca de 3% para cerca de 8%, com base no peso seco da polpa de madeira.

[00067] Enzimas

[00068] Em algumas modalidades, celulase de uma ou maisenzimas podem ser utilizadas em combinação com a camada de ozônio no processo de tratamento. As enzimas celulase agem para degradar celulose e podem ser úteis como ingredientes opcionais no tratamento. Celulases são classificadas com base no seu modo de ação. Sistemas de enzima celulase comerciais frequentemente contêm misturas de celobiohidrolases, endoglucanases e/ou beta-D- glucosidases. Endoglucanases aleatoriamente atacam as regiões amorfas de substrato de celulose, produzindo principalmente maiores oligômeros. Celobiohidrolases são exoenzimas e hidrolisam celulose cristalina, liberando celobiose (dímero da glicose). Ambos os tipos de enzimas exo hidrolisam ligações beta-1,4-glicosídicas. B-D-glicosidase ou celobiase converte celooligosacarídeos e celobiose a glicose monomérica. Endoglucanases ou misturas de alta na atividade do bagaço podem ser preferidas por este motivo. Algumas enzimas celulase comercialmente disponíveis incluem: PERGALASE ® A40 e PERGALASE ® 7547 (disponível a partir do Nalco, Naperville, IL), FRC (disponível a partir de químicos de chutes, Bangor, ME) e INDIAGETM Super L (duPont Chemical, Wilmington, DE). Ou misturas de enzimas ou enzimas individuais são adequadas. Tratamento de ozônio em combinação também pode melhorar a eficácia das enzimas para hidrolizar ligações de fibra e reduzir a energia necessária para libertar nano fibrilas.

[00069] A quantidade de enzima necessária para atingir adespolimerização adequada varia com o tempo e temperatura. Faixas úteis, no entanto, são de cerca de 0,1 a cerca de 10 kg/ton de peso de polpa seca. Em algumas modalidades, a quantidade de enzima é de cerca de 1 a cerca de 8 kg/ton; em outras modalidades, os faixas é de cerca de 3 a cerca de 6 kg/ton.

[00070] Usos industriais de fibras de nano celulose

[00071] Fibras de nano celulose ainda encontram utilidade naindústria de papel e cartão, como foi o caso com polpa tradicional. No entanto, suas propriedades de rigidez e resistência encontraram miríade de uso além dos usos tradicionais de polpação. Nano fibras de celulose têm muitas vantagens sobre outros materiais: elas são naturais e biodegradáveis, dando-lhes baixa toxicidade e opções de "fim de vida" melhores do que muitos nano materiais e sistemas atuais; sua química de superfície é bem compreendida e compatível com muitos sistemas existentes; e elas são comercialmente escaláveis. Por exemplo, revestimentos, barreiras e filmes podem ser reforçados pela inclusão de fibras de nano celulose. Compósitos e reforços que tradicionalmente empregam vidro, mineral, cerâmica ou fibra de carbono, podem empregar apropriadamente fibras de nano celulose em vez disso.

[00072] A área de superfície elevada destas nano fibras tornaadequado para a absorção e embebimento de líquidos, que é uma propriedade útil em produtos de higiene e medicina, alimentos, embalagens e em operações de recuperação de óleo. Elas também são capazes de formar géis suaves e cremosos que encontram aplicação em produtos cosméticos, alimentares e médicos.

[00073] EXEMPLOS

[00074] Os exemplos a seguir servem para ilustrar ainda maisa invenção.

[00075] Exemplo 1: Preparação de amostrascomparativas

[00076] Amostras de polpa de processo kraft madeira de leibranqueada (Domtar Aspen) foram elaboradas e processadas por vários métodos descritos neste exemplo.Tabela 1: Preparo de amostras

[00077] Duas amostras (amostras 1 e 4) são as amostras decelulose não refinadas, como compradas, sem tratamento ou refino. Amostra 2 é refinada, mas não pré-tratadas. Todas as amostras refinadas são tratadas em um batedor Valley de acordo com o padrão T200 Tappi. Amostra 3 foi pré-tratada com enzimas (mistura de enzima PergalaseTM A40) de acordo com o PergalaseTM procedimento recomendado. Amostra 5 foi pré-tratada com ozônio em um nível relativamente alto de carga de 2% e água oxigenada em um nível de carga de 5% (ambos com base no peso seco da fibra) durante 15 minutos à temperatura de 50° C e um pH de cerca de 7. A camada de ozônio foi borbulhada no reator. Amostras 6 e 7 foram pré-tratadas com 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-Oxil radical ("TEMPO"), de acordo com o procedimento de Isogai, macromoléculas, 2004: 5, 1983-1989,incorporados por referência. Após pré-tratamento, cada uma das polpas das amostras 3, 5, 6 e 7 foram extraídas e submetidas arefinação mecânica no batedor Valley, como observado.

Exemplo 2: Testes Carga e condutividade

[00078] A carga e a condutividade de cada amostra forammedidas usando um Miitek PCD-03 de acordo com suas instruções padrão. Os resultados estão na tabela 2 abaixo.Tabela 2: Carga e condutividade

[00079] Esses dados confirmam o problema observadoanteriormente associado com o TEMPO de tratamento, ou seja, a alta carga negativa associada a celulose quimicamente modificada, o que também resulta em alta condutividade elétrica. Todas as outras amostras, incluindo a camada de ozônio tratada amostra de acordo com a invenção, têm muito menos negativo carga e condutividade.

[00080] Exemplo 3: Teste Energia consumo

[00081] A energia consumida para refinar cada MFC foimonitorada junto com finas de % e comprimento médio das fibras como procedeu a cominuição. Um amperímetro ligado ao vale do motor de acionamento do batedor fornecido que a medição da potência de consumo de energia e o analisador de comprimento TechPap Morphi fibra fornecido uma medida contínua da % finas e comprimento da fibra como saídas de ponto de extremidade. Como pode ser visto na tabela 1, amostra n°s 2, 3, 5 e 7 foram refinadas. Esta experiência permite que um cálculo da eficiência energética de cada um dos vários processos de tratamento — ou seja, a quantidade de energia necessária para alcançar um ponto de extremidade especificado ou, inversamente, o ponto de extremidade que pode ser alcançado com uma quantidade fixa de energia consumida. Os dados são apresentados nas figuras 3, 4.

[00082] Figura 3 ilustra a redução do comprimento da fibra emfunção da energia bruta consumida. Disto pode ser visto que o tratamento de enzima (#3) e o tratamento de ozônio (#5) são mais energia eficiente do que o controle (#2), a camada de ozônio sendo ligeiramente mais eficientes do que as enzimas. O tratamento do ritmo (#7) foi ainda mais energia eficiente, mas produz a carga, condutividade, modificação química e problemas de custo já discutido acima e mostrado no exemplo 2.

[00083] Figura 4 confirma o mesmo resultado usando a medidade ponto de extremidade de finas %. O tratamento da enzima e o tratamento do ozônio são aproximadamente comparáveis e ambos são mais energia eficiente que o controle, mas menos eficiente que a amostra de ritmo.

[00084] Exemplo 4: Cominuição com um dentre refinadorde disco

[00085] Estes ensaios demonstram os efeitos de pré-tratamentos químicos na redução do consumo de energia durante a produção de celulose nano fibrilas. Os testes foram realizados em um refinador de disco de 20 polegadas usando várias etapas de refinaria. Três tipos de celulose foram testados, madeira macia não tratada por kraft (dois ensaios desempenhados) (E0), pré-tratamento da enzima 1 (El) (Nalco Pergalase 7547) e pré-tratamento da enzima 2 (E2) (Chute Chemical FRC). Cada tratamento de enzima foi realizado na faixa de pH de 5,5 -6 e uma temperatura de 50 C. O tempo de tratamento para cada um foi 2 hrs antes da refinação. A dosagem da enzima para cada pré-tratamento foi 4 kg/tonelada de celulose. Para cada julgamento, periódicas amostras foram coletadas e medidas por finas % conteúdas usando um analisador de comprimento de fibra TechPap. O conteúdo de finas foram plotados em função da energia líquida. Figura 6A resume estes resultados e mostra uma redução de energia significativa usando um pré-tratamento químico.

[00086] Exemplo 5: Cominuição com moedor banco

[00087] Estes ensaios demonstram novamente os efeitos deredução de energia de pré-tratamentos químicos na redução do consumo de energia durante a produção de celulose nano fibrilas. Estes ensaios foram realizados usando um moedor bancada superior (super massa colloider) fabricado pela Masuko. As três polpas testadas nestes ensaios foram celulose kraft de coníferas não tratadas (controle), uma enzima tratada polpa e uma polpa de ozônio Tratado. Para o pré-tratamento de enzima, a polpa foi aquecida a 50 ° C e tratada com 4 kg/tonelada de Chute FRC. O pH e o tempo de reação foram 5,5 e 2 horas respectivamente. Para o pré-tratamento de ozônio, celulose de conífera em 33% de sólidos foi aquecida a 50 ° C em um reator de Quantum. A química consistia de 75 ppm de sulfato de ferro, 5% de peróxido de hidrogênio e ozônio 4% por um tempo de reação de 30 minutos. Como no exemplo 4, dados para conteúdo de finas em função da energia bruta foram coletados para cada julgamento. Os dados estão presentes na figura 6B e mostram uma redução em energia para alcançar um nível determinado de finas com o uso de um pré-tratamento.

[00088] Exemplo 6 Tratamentos de despolimerização e viscosidade

[00089] Usando enzimas (El) e tratamentos (E2), conformedescrito no exemplo 4 acima, juntamente com o ozônio (pré-refinando palco somente) como despolimerizador junto com um controle (E0), amostras de celulose foram refinadas para sobre finas de 95%, conforme determinado pelo analisador de comprimento da fibra do TechPap. Este exemplo mostra a viscosidade intrínseca de mudançapelo tratamento prévio, bem como durante o processo de refino. A viscosidade intrínseca é uma indicação do grau de polimerização da cadeia de celulose. Figura 6 resume a alteração na viscosidade intrínseca para cada tipo de pré-tratamento em comparação com a polpa não tratada. Notavelmente, ambos tratamentos de enzima e o tratamento de ozônio causaramdespolimerização significativa, reduzindo viscosidade inicial. Refinação diminuiu a viscosidade, um pouco, mas não tão drasticamente como os tratamentos despolimerizantes.

[00090] Outras provas do enfraquecimento das fibras durante o pré-tratamento são mostradas medindo resistência à tração de giro zero molhada de cada pasta de papel. Resistência à tração molhada zero span foi medida com um medidor de Pulmac. Tabela 1 apresenta os dados de tensão de giro zero úmido e viscosidade intrínseca para polpas tratadas com qualquer enzima ou ozônio em comparação com uma amostra de polpa não tratada. Ambas as amostras de tratamento químico mostraram redução molhado zero span força elástica.

[00091] Tabela 3: Viscosidade inicial e força de tensão de giro zero úmida

[00092] Exemplo 7 de propriedades de papel

[00093] Este exemplo mostra algumas melhorias depropriedade de papel quando nano celulose é adicionada para a composição do papel. Para este trabalho, folhas foram formadas usando normas TAPPI apropriadas usando uma polpa de madeira (maple) refinada para drenabilidade (CSF) de 425 ml. Para cada conjunto de folhas de mão, o carregamento de nano celulose foi fixado em 10% do peso total da folha. Para efeito de comparação, um conjunto de controle de folhas de mão foi produzido sem nano celulose. Um total de cinco amostras de nano celulose foram testadas. Estes incluem três amostras sem qualquer tratamento desporimerizador produzido em níveis variados de finas, uma amostra tratada com enzima e uma amostra tratada com ozônio. Todas as amostras de nano celulose foram produzidas usando o moedor de bancada superior como no exemplo 5. Os dados presentes na tabela 4 mostram um aumento significativo na porosidade Gurley (fluxo de ar reduzido) e aumento da força de ligação interna com a adição de nano celulose. Em um equivalente nível de finas, formada de papel com de nano celulose que foi pré-tratado com ozônio resultou na maior porosidade e ligação interna.

[00094] Tabela 4: Melhoria de propriedades de papéis

Claims

1. Processo para formar nanofibras de celulose a partir de um material celulósico, caracterizado pelo fato de que compreende: tratar um material celulósico deslignificado com uma pasta aquosa contendo ozônio em um nível de carga de 1,2 a 10% em peso/peso, com base no peso seco do material celulósico em um pH de 5 a 10 para gerar radicais livres na pasta para causar despolimerização parcial de pelo menos 5% do material celulósico nativo; e cominuir concorrentemente ou subsequentemente o material celulósico para liberar nanofibras de celulose; em que o processo total alcança um melhoramento em eficiência energética de pelo menos 2%, em que a eficiência energética é definida tanto como: (1) alcançar o ponto final de resultado de cominuição equivalente com menor consumo de energia; ou (2) alcançar um ponto final de resultado de cominuição maior com consumo de energia equivalente, em que o ponto final de cominuição é selecionado dentre viscosidade da pasta, comprimentos de fibra, ou % finos.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de tratamento é conduzida como uma etapa de pré- tratamento antes da etapa de cominuição.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de tratamento é conduzida a uma temperatura de 30 °C a 70 °C.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende adicionar à pasta uma ou mais enzimas para digerir celulose.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de cominuição é desempenhada por um instrumento selecionado a partir de um moinho, um batedor Valley, um refinador de disco (único ou múltiplo), um refinador cônico, um refinador cilíndrico, um homogeneizador, e um microfluidizante.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de cominuição é desempenhada pelo menos até 80% das fibras terem um comprimento menor que 0,2 mm.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tratamento causa pelo menos 10% de despolimerização do material celulósico.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que para os pontos finais de despolimerização equivalentes, o consumo de energia é reduzido em pelo menos 3%.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o consumo de energia é reduzido em pelo menos 8%.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que para entrada de energia equivalente, a despolimerização alcançada é pelo menos 5% mais alta.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a eficiência energética alcançada é pelo menos 3%.