Efeito da utilização de complexos com celulose nanofibrilada e polieletrólito nas propriedades de papéis de fibra longa

Abstract

Neste trabalho, foram avaliados complexos estruturados com celulose nanofibrilada (CNF) e polieletrólito catiônico (Poli-DADMAC), referido ao longo do texto por complexo CNF-P, sendo estes produzidos em sete níveis de razão de densidade de carga (q+/q-), com o objetivo de melhorar as propriedades de papéis para embalagens. Além do efeito na qualidade do papel, foi avaliado o efeito desses complexos nas variáveis operacionais de retenção e drenagem da suspensão fibrosa. Para comparação, foram realizados ensaios de referência sem adição dos complexos CNF-P. Polpa de celulose de Pinus não branqueada, com grau de deslignificação correspondente ao número kappa médio de 95, foi utilizada nos ensaios. A polpa foi previamente refinada e lavada, para atingir o grau de refino correspondente ao °SR 19. Os complexos, em meio aquoso, foram formados a partir de CNF-P, esta última obtida a partir de fibra eucalipto branqueada. A execução do trabalho considerou as densidades de carga dos dois materiais em valores de pH e força iônica fixos (7,0 ± 0,5 e 10 ± 3 µS.cm-1, respectivamente) para avaliar a máxima retenção dos sólidos na estrutura do papel e sua qualidade por meio de interações, especialmente, eletrostáticas. Os complexos CNF-P, para os níveis 0/0; 100/0; 100/25; 100/50; 100/75; 100/100, 0/100 de razões de carga (q+/q-), resultou em suspensões com estruturas de equilíbrio com densidade de carga distintas quando comparadas às suspensões com os componentes isolados, CNF e polieletrólito. Essa associação possibilitou a formação de complexos com densidades de carga residual variadas, o que permitu diferentes graus de interação com as superfícies das fibras do papel, as quais estavam carregadas negativamente em meio aquoso. Os complexos melhoraram as propriedades do papel e as variáveis de processo estudadas, especialmente quando foi produzida com 3% de CNF base polpa, aumentando o índice de tração em ~20% (q+/q-=100/100) em relação à referência (q+/q-=0/0). Para resistência à passagem de ar, foi observado um aumento de ~165% (q+/q-=100/75), quando utilizado o mesmo nível de CNF-P, e redução da taxa de permeabilidade ao vapor d'água em ~15% (q+/q-=100/100), propriedade importante para papéis para embalagens de alimentos. Ainda, houve impacto positivo na retenção de sólidos da água drenada em ~229% (q+/q-=100/75) quando empregado o mesmo nível de 3% de CNF, permitindo maior reaproveitamento da água branca e redução do consumo específico de água. Palavras-chave: Nanotecnologia; Complexos com celulose nanofibrilada e polieletrólito catiônico; Papéis para embalagens; Retenção e drenagem; Resistência físico-mecânicas.In this study, complexes structured with nanofibrillated cellulose (NFC) and cationic polyelectrolyte (Poly-DADMAC), referred to throughout the text as NFC-P complex, were evaluated. These complexes were produced at seven levels of charge density ratio (q+/q-), aiming to improve the properties of packaging paper. In addition to the effect on paper quality, the impact of these complexes on the operational variables of retention and drainage of the fiber suspension was evaluated. For comparison, reference tests were performed without the addition of NFC-P complexes. Unbleached Pinus cellulose pulp, with a delignification degree corresponding to an average kappa number of 95, was used in the tests. The pulp was previously refined and washed to achieve a refining degree equivalent to °SR 19. The complexes, in an aqueous medium, were formed from NFC-P, the latter obtained from bleached eucalyptus fiber. The study considered the charge densities of the two materials at fixed pH and ionic strength values (7.0 ± 0.5 and 10 ± 3 µS.cm-1, respectively) to evaluate the maximum retention of solids in the paper structure and its quality through interactions, especially electrostatic ones.The NFC-P complexes, at the levels 0/0; 100/0; 100/25; 100/50; 100/75; 100/100, 0/100 of charge ratios (q+/q-), resulted in suspensions with equilibrium structures and distinct charge densities when compared to the suspensions with the isolated components, NFC and polyelectrolyte. This association enabled the formation of complexes with varied residual charge densities, allowing different degrees of interaction with the surfaces of paper fibers, which were negatively charged in an aqueous medium. The complexes improved the paper properties and the studied process variables, especially when produced with 3% NFC based on pulp, increasing the tensile index by approximately 20% (q+/q-=100/100) compared to the reference (q+/q-=0/0). For air resistance, an increase of approximately 165% (q+/q-=100/75) was observed when using the same level of NFC-P, along with a reduction in the water vapor permeability rate by approximately 15% (q+/q-=100/100), an important property for food packaging papers. Furthermore, there was a positive impact on the retention of solids in the drained water by approximately 229% (q+/q-=100/75) when employing the same 3% NFC level, allowing greater reuse of white water and a reduction in specific water consumption. Keywords: Nanotechnology; Complexes of nanofibrillated cellulose and cationic polyelectrolyte; Packaging papers; Retention and drainage; Physical-mechanical strength.