Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se a um processo de fabricação de papel que compreende a adição celulose microfibrilada (MFC) à polpa de celulose, gerando um papel com gramatura especial e propriedades de resistência mecânica melhoradas. A presente invenção está relacionada ao campo da fabricação de papel.

Antecedentes da Invenção

[0002] A preocupação com o meio ambiente ganha espaço a cada dia na agenda dos países, que criam leis para regulamentar a geração de resíduos e destinação dada aos mesmos. Todo esse trabalho é decorrente da conscientização de que é necessário utilizar matérias primas de fontes renováveis em processos industriais de produção.

[0003] A cadeia produtiva de papel e celulose se caracteriza por um alto grau de investimento e possui significativa presença na economia de escala, visto estar presente desde a exploração florestal até a comercialização.

[0004] A localização de fábricas está ligada à concentração dos ativos florestais, existindo uma forte dependência entre a produção de matéria-prima e o processo industrial . [0005] Dessa forma, um processo de produção de papel que diminua a dependência e a extração da matéria-prima e confira maior resistência mecânica ao papel, produzido com a utilização de celulose microfibrilada (MFC) integrada ao processo de produção de papel ao invés de se utilizar grandes quantidades de aditivos, diminui as perdas e torna o processo menos custoso e menos danoso ao meio ambiente.

[0006] O documento WO 2011/068457 refere-se a um processo para produção de papel ou papelão com gramatura e resistência aprimoradas, compreendendo uma base formadora contendo fibras celulósicas onde são adicionados de 2 a 15% em peso de amido catiônico e l a 15% em peso de MFC, separadamente. É informado que grandes quantidades de amido irão aumentar a resistência do papel produzido e a MFC ajuda na retenção deste. Contudo, não é abordado nessa anterioridade a gramatura ou ainda testes que comprovem a maior resistência do papel produzido.

[0007] O documento WO 2010/125247 refere-se a um método para produzir uma pasta de papel aquosa contendo um polieletrólito catiônico (como amido) e uma celulose nanofibrilada (cuja definição engloba a MFC) a ser usada na fabricação de papel e papelão, obtendo os mesmos com alto conteúdo de carga e boa resistência mecânica. Foram utilizadas as quantidades de 1,5% e 3% em peso de MFC, produzindo papeis com gramatura entre 55 e 60 g/m ² . Dessa forma, essa anterioridade descreve um processo que utiliza quantidades bem maiores de MFC e produzindo papéis com menor gramatura .

[0008] Por fim, o artigo cientifico "Cellulose nanofibrils—adsorption with poly (amideamine) epichloro- hydrin studíed by QCM-D and applícatíon as a paper strength additive" (Ahola et al . Cellulose (2008) 15:303-314), descreve o aumento da resistência úmida e seca do papel à medida que a concentração de celulose microfibrilada aumenta. Foi realizada a adição de MFC a 1, 2, 4, 6, e 10% em peso de polpa celulósica, produzindo papel com gramatura de 60 g/m ² , ou seja, utilizando quantidades bem maiores de MFC e produzindo papéis com menor gramatura.

[0009] Embora algumas anterioridades façam referência ao uso de MFC em polpa celulósica para aumentar caracteristicas físicas e mecânicas do papel, como resistência, nenhuma descreve um processo capaz de produzir papel com gramatura elevada se utilizando de quantidades bem baixas de MFC, evidenciando as vantagens do processo proposto na baixa utilização de matéria-prima e do conceito de biorrefinaria.

[0010] O papel, de acordo com a presente invenção, possui caracteristicas físicas como resistência e gramaturas aprimoradas. O papel é produzido através do processo de produção de uma polpa de celulose contendo de 1 a 1,5% de MFC em peso de polpa celulósica e amido na faixa de 1,0 a 10,0 Kg/Ton, preferencialmente 5,0 Kg/Ton, gerando um papel final a partir dessa polpa em uma linha de produção de papel com gramatura que varia na faixa de 60 g/m ² a 440 g/m ² , não necessitando de diluentes ou aditivos em quantidade considerável. O presente processo consegue, assim, produzir um papel com melhores caracteristicas físicas e mecânicas usando menores quantidades de matéria-prima. Além disso a adição de MFC provoca alterações significativas na resistência à drenagem dessa polpa, medida pelo grau °SR. O grau °SR é a medida do grau de resistência à drenagem da polpa, que aumenta com maiores cargas de refinação da polpa de celulose. Ao adicionar MFC à polpa celulósica, o mesmo comportamento é observado, demonstrando, assim, um dos potenciais da adição de MFC em substituição parcial da operação de refinação em uma fábrica de celulose.

Sumário da Invenção

[0011] Em um primeiro aspecto, a presente invenção descreve um papel contendo celulose microfibrilada com gramatura e resistência aprimoradas.

[0012] É um primeiro objeto da presente invenção um papel contendo celulose microfibrilada e com gramatura especial .

[0013] Em uma concretização preferencial, a gramatura do papel produzido varia na faixa de 60 a 440 g/m ² e a quantidade de celulose microfibrilada no papel varia na faixa de 1,0 a 1,5% da massa do papel.

[0014] É também caracteristica da invenção ser o papel do tipo Kraft, sackraft, testliner, corrugado ou cartão.

[0015] Em um segundo aspecto, a presente invenção descreve um processo de produção de papel utilizando MFC.

[0016] É um segundo objeto da presente invenção um processo de fabricação de papel compreendendo a adição de celulose microfibrilada e amido a uma polpa de celulose.

[0017] Em uma concretização preferencial, é adicionada celulose microfibrilada na quantidade de 1 a 1,5% por peso de polpa celulósica e de amido adicionado à polpa celulósica na quantidade de 5,0 Kg por tonelada de polpa.

[0018] É também caracteristica da invenção o fato da polpa celulósica utilizada poder ser branqueada, marrom ou mecânica .

[0019] Estes e outros objetos da presente invenção serão detalhados nas figuras e descrição a seguir.

Breve Descrição das Figuras

[0020] A Figura 1 mostra uma representação esquemática da diferença entre camadas de celulose com e sem MFC na sua composição, evidenciando o maior número de ligações entre as hidroxilas livres.

[0021] A Figura 2 mostra a distribuição de tamanho de (A) fibras curtas marrons da polpa de celulose em micrômetros e (B) MFC de fibra curta marrom em nanômetros.

[0022] A Figura 3 mostra uma imagem em microscopia ótica em 200x (A) e outra imagem em microscopia eletrónica em 23.900x das fibras curtas marrons e da MFC produzida com essa fibra, respectivamente .

[0023] A Figura 4 mostra a distribuição de tamanho em micrômetros (A) das fibras longas marrons na polpa de celulose e em nanômetro (B) da MFC produzida com essa polpa de celulose.

[0024] A Figura 5 mostra uma imagem em microscopia ótica em IOOc (A) e outra imagem em microscopia eletrónica em 7.540x das fibras longas marrons e da MFC produzida com essa polpa celulósica respectivamente.

[0025] A Figura 6 mostra a distribuição de tamanho em (A) fibras curtas branqueadas em micrômetros e da MFC e (B) produzida a partir das fibras curtas branqueadas.

[0026] A Figura 7 mostra uma imagem em microscopia ótica em 200x (A) e outra imagem em microscopia eletrónica em 33.000x das fibras curtas branqueadas e da MFC produzida com essa polpa.

[0027] A Figura 8 mostra a variação do grau Schopper Riegler (°SR) com o aumento da concentração de MFC na polpa celulósica para a produção de papel kraftliner contendo uma mistura de fibras longas e curtas, e que também representa o comportamento da adição de MFC em qualquer tipo de polpa celulósica kraft, semiquímica ou comercial.

[0028] A Figura 9 mostra o comportamento da drenagem com o aumento do tempo e em diferentes concentrações de MFC na polpa de celulose para a produção de papel kraftliner contendo uma mistura de fibras longas e curtas.

[0029] A Figura 10 mostra o efeito da dosagem de MFC no grau Schopper Riegler (°SR) na caixa de nível e na caixa de entrada de uma máquina de papel industrial com o passar do tempo .

[0030] A Figura 11 mostra o efeito da dosagem de MFC no vácuo do rolo Couch em uma máquina de papel industrial com o passar do tempo.

[0031] A Figura 12 mostra o efeito da dosagem de MFC no vácuo do sistema Turbaír em uma máquina de papel industrial com o passar do tempo.

[0032] A Figura 13 mostra o efeito da dosagem de MFC na retenção da mesa plana em uma máquina de papel industrial com o passar do tempo.

[0033] A Figura 14 mostra o efeito da dosagem de MFC na turbidez da água branca em uma máquina de papel industrial com o passar do tempo.

[0034] A Figura 15 mostra a comparação da resistência à tração na direção longitudinal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes. [0035] A Figura 16 mostra a comparação da resistência à tração na direção transversal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0036] A Figura 17 mostra a comparação da elongação na direção longitudinal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes .

[0037] A Figura 18 mostra a comparação da elongação na direção transversal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes .

[0038] A Figura 19 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) na direção longitudinal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0039] A Figura 20 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) na direção transversal do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0040] A Figura 21 mostra a comparação da Short Crush Test (SCT) do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0041] A Figura 22 mostra a comparação do Ring Crush Test (RCT) do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0042] A Figura 23 mostra a comparação da resistência ao estouro do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes .

[0043] A Figura 24 mostra a comparação do Scott (Ply) Bond do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes.

[0044] A Figura 25 mostra a comparação da resistência à passagem de ar (Gurley) do papel de referência com o papel produzido através da polpa de celulose com MFC em diversos lotes .

[0045] A Figura 26 mostra a comparação do índice de rasgo para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis.

[0046] A Figura 27 mostra a comparação do índice de tração para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis.

[0047] A Figura 28 mostra a comparação do índice de estouro para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR) e adição de MFC em diferentes níveis .

[0048] A Figura 29 mostra a comparação da Tensile Energy Absorption (TEA) para papéis sackraft fabricados com diferentegrau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis. [0049] A Figura 30 mostra a comparação da elongação para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis.

[0050] A Figura 31 mostra a comparação da resistência à passagem de ar (Gurley) para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis.

[0051] A Figura 32 mostra a comparação da drenagem para papéis sackraft fabricados com diferente grau Schopper Riegler ou °SR e adição de MFC em diferentes níveis.

[0052] A Figura 33 mostra a comparação da propriedade de rasgo para papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis.

[0053] A Figura 34 mostra a comparação da resistência a tração para papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis.

[0054] A Figura 35 mostra a comparação do estouro de papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis.

[0055] A Figura 36 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) para papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis.

[0056] A Figura 37 mostra a comparação da elongação para papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis. [0057] A Figura 38 mostra a comparação da resistência à passagem de ar (Gurley) para papéis sackraft fabricados com diferentes gramaturas e adição de MFC em diferentes níveis .

[0058] A Figura 39 mostra a comparação da adição de MFC em diferentes níveis com o grau Schopper Riegler ou °SR da camada cobertura do papel cartão fabricado.

[0059] A Figura 40 mostra a comparação do Water Retentíon Value (WRV) ou valor de retenção de água da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão .

[0060] A Figura 41 mostra a comparação da drenagem ( Drainage Freeness Retentíon ou DFR) da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados a polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0061] A Figura 42 mostra a comparação do índice de tração ( IT ) da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0062] A Figura 43 mostra a comparação do índice de estouro da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0063] A Figura 44 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorption (TEA) da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0064] A Figura 45 mostra a comparação da resistência à passagem de ar (Gurley) da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0065] A Figura 46 mostra a comparação da aspereza da camada cobertura do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0066] A Figura 47 mostra a comparação da resistência à drenagem (indicado pelo grau Schopper Riegler ou °SR) da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão .

[0067] A Figura 48 mostra a comparação do Water Retentíon Value (WRV) ou valor de retenção de água da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0068] A Figura 49 mostra a comparação da drenagem ( Drainage Freeness Retentíon ou DFR) da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0069] A Figura 50 mostra a comparação do índice de tração (IT) da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0070] A Figura 51 mostra a comparação da propriedade de estouro da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0071] A Figura 52 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0072] A Figura 53 mostra a comparação da resistência à passagem de ar ( Gurley) da camada meio do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0073] A Figura 54 mostra a comparação do grau Schopper Riegler ou °SR da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0074] A Figura 55 mostra a comparação do Water Retentíon Value (WRV) ou valor de retenção de água da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0075] A Figura 56 mostra a comparação da drenagem ( Drainage Freeness Retentíon ou DFR) da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0076] A Figura 57 mostra a comparação do índice de tração ( IT ) da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0077] A Figura 58 mostra a comparação da propriedade de estouro da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0078] A Figura 59 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0079] A Figura 60 mostra a comparação da resistência à passagem de ar ( Gurley) da camada base do papel cartão fabricado com diferentes teores de MFC adicionados à polpa celulósica dessa camada do papel cartão.

[0080] A Figura 61 mostra a comparação do grau Schopper Riegler ou °SRda polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0081] A Figura 62 mostra a comparação do Water Retentíon Value (WRV) ou valor de retenção de água da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC

[0082] A Figura 63 mostra a comparação da drenagem (Drainage Freeness Retention ou DFR) da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0083] A Figura 64 mostra a comparação do índice de tração ( IT ) da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0084] A Figura 65 mostra a comparação da propriedade de estouro da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0085] A Figura 66 mostra a comparação da Tensíle Energy Absorptíon (TEA) da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0086] A Figura 67 mostra a comparação da resistência à passagem de ar (Gurley) da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0087] A Figura 68 mostra a comparação da elongação da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0088] A Figura 69 mostra a comparação da propriedade de rasgo da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC.

[0089] A Figura 70 mostra a comparação do Modulus of Elasticity (MOE) da polpa celulósica de mercado com diferentes concentrações de MFC

Descrição Detalhada da Invenção

[0090] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito apenas de ilustrar algumas das inúmeras formas de realização da presente invenção e não devem ser entendidos de modo a limitar o escopo da presente invenção, mas sim apenas de exemplificar o grande número de modalidades possíveis.

[0091] Pequenas modificações em quantidades ou parâmetros que alcancem os resultados propostos pela presente invenção devem ser entendidos como dentro do escopo da invenção .

Celulose Microfibrilada (MFC)

[0092] A celulose microfibrilar, microfibrilated cellulose, celulose nanofibrilada, ou ainda nanofibras ou nanocelulose são termos comumente encontrados que se referem a emaranhado de fibrilas celulósicas com diâmetros compreendidos na faixa inferior a 1.000 nm e apresenta zonas amorfas e cristalinas compondo a sua estrutura. A MFC é caracterizada como um tipo de celulose em que as microfibras são divididas em um maior número de microfibrilas ou ainda fibrilas mais finas. Essa ação cria uma área de superfície aumentada, dando novas características ao produto. A MFC é usada no presente invento principalmente como agente de resistência, para colagem interna do papel e como modificadora da estrutura física do papel.

[0093] A MFC é tipicamente proveniente de fontes de madeira, sendo uma das alternativas mais sustentáveis do mercado. Porém, pode ser produzida a partir de qualquer fonte de fibra celulósica, seja ela mecânica, não branqueada e branqueada, além de qualquer fonte de biomassa oriunda da madeira e também não-madeira.

[0094] A área de superfície da MFC é a característica especial dessa substância: com apenas um grama de MFC, é possível cobrir até 200 m ² de espaço físico. Essa característica se deve ao grande número de grupamentos hidroxila (-OH) disponíveis nas microfibras, altamente hidrofílicas e que captam água das proximidades. Uma microfibra de MFC é capaz de captar uma quantidade de água 40 vezes maior que seu próprio peso.

[0095] Sendo material altamente hidrofílico, a MFC pode atuar como um modificador de reologia avançado, proporcionando características de pulverização muito interessantes e uma viscosidade excepcionalmente alta em repouso. A MFC é famosa pelo seu cisalhamento e comportamento não-newtoniano, e também mostra potencial como estabilizador, especialmente em emulsões estabilizadoras (água em óleo ou óleo em água) .

[0096] A MFC apresenta-se como uma grande rede de ligações entre as camadas do papel, garantindo que a interface de ligação fibra-MFC-fibra entre as camadas do papel expresse seu máximo potencial devido os grupamentos OH expostos (Figura 1) e sua elevada área superficial. A MFC passa a preencher tanto a macro como a microporosidade do papel produzido, alterando a estrutura de ligação entre camadas e formando uma ligação perfeita.

[0097] A multifuncionalidade da MFC também permite que ela adote parcialmente aditivos e ingredientes estabilizadores, como surfactantes . Além disso, a MFC mostra potencial como um aditivo de resistência. Por conta destas funcionalidades, tem havido um interesse crescente no uso da MFC em aplicações como revestimentos, adesivos, eletrónicos, cosméticos e muitos outros.

[0098] O tamanho da microfibra de MFC também possui importância na determinação de sua funcionalidade. O aumento do comprimento da microfibra tem efeitos benéficos na tração, elasticidade e resistência dos compósitos em madeira e papel.

Produção de MFC

[0099] De acordo com a presente invenção, a produção de MFC pode ser subdividida em 5 etapas principais:

1. I ^a diluição;

2. tratamento;

3. processamento mecânico;

4. 2 ^a diluição; e

5. estocagem.

[0100] A primeira etapa consiste na diluição da polpa kraft branqueada ou não branqueada para 2% da consistência, ideal para o processamento da MFC.

[0101] A segunda etapa é o tratamento químico- enzimático. Nesta etapa ocorre a preparação da polpa para o processamento. Primeiramente, ocorre o ajuste do pH de cada Container para 6, 0 com o uso de sulfato de alumínio (Al ₂ (S0 ₄ ) ₃ ) · A polpa em meio neutro é aquecida a 35-40°C por 50-60 minutos e, em seguida, tratada com 125g de enzima por tonelada de polpa seca, sendo enzima da família das endoglucanases . O produto é mantido em dispersão durante 25 minutos em agitador tipo cowles. Após este período, é realizado o corte da ação enzimática através do ajuste de pH para 13-14 com soda líquida (hidróxido de sódio, NaOH) na dosagem de aproximadamente 200g por tonelada de polpa.

[0102] A terceira etapa é a etapa de processamento, onde a polpa é transferida para um moinho mecânico vertical através de uma bomba, e processada. O moinho compreende pedra de óxido de alumínio (AI2O3) a 2% cSt {consistência) . O processo é feito duas vezes e é importante salientar que, após a I ^a moagem, ainda é possível a visualização de fibras inteiras, enquanto na segunda moagem não, evidenciando a escala de tamanho micro/nano das fibras. Os tamanhos das microfibras produzidas após essa etapa podem ser conferidos na tabela 1, enquanto a tabela 2 mostra os diferentes parâmetros de caracterização das microfibras para cst a 2%. Tabela 1 - Faixa de diâmetro e frequência da polpa e das microfibilas celulósicas por etapa de produção:

Tabela 2 - Parâmetros de caracterização da polpa e das microfibras a cSt a 2%:

[0103] A quarta etapa é a etapa de diluição da polpa tratada e processada em tanque para consistência de 0,8% cSt, com entrada e saida da polpa no filtro via aberturas e agitação por motor de pás para evitar sedimentação. A polpa é posteriormente filtrada em filtro com abertura de 0,05 mm.

[0104] A quinta e última etapa é a etapa de estocagem, onde a polpa diluída é direcionada para tanque apropriado com agitação.

[0105] O cálculo do consumo energético teórico da produção de MFC pode ser calculado através da seguinte fórmula :

[0106] Onde v é a voltagem (V), i é a corrente média (A) , fp é o fator de potência de um motor em cavalos (cv) e P é a produção/hora (kg seco) . É estimado o gasto energético total de 7075,6 Kw.h/t para o preparo de dois tanques.

[0107] É válido ressaltar que a presente invenção também pode ocorrer utilizando-se apenas a etapa 3, processamento mecânico, para produzir MFC, diminuindo assim o gasto energético do processo.

Caracterização das fibras de MFC utilizadas na polpa celulósica

[0108] As polpas celulósicas são ricas em fibras, mas as fibras não são os únicos elementos anatômicos que elas possuem. Fibras, fragmentos de fibras, lignina, células de parênquima e elementos de vaso estão combinados em uma rica mistura. É considerada uma polpa kraft uma polpa contendo todos esses componentes orgânicos.

[0109] De forma a purificar uma polpa marrom pela remoção de outros componentes não desejáveis (lignina, extrativos e cromóforos) é realizado o procedimento chamado de branqueamento. O branqueamento é a operação fabril onde a polpa de celulose recebe tratamentos químicos redutivos e oxidativos, seguidos ou não de lavagens. Estes componentes indesejáveis são removidos durante as lavagens. É desejável que ocorra a mínima degradação das fibras durante esse processo, tanto do ponto de vista de aumento da rentabilidade quanto do ponto de vista de resistência. Após o branqueamento, a polpa é considerada branca/branqueada.

[0110] O presente invento realizou a caracterização das fibras celulósicas tanto antes como após o branqueamento. Contudo, é válido ressaltar que o presente invento pode se utilizar de polpas marrons, branqueadas ou mecânicas, a depender do tipo de papel que será produzido. Exemplos práticos, mas não se limitando aos mesmos, são o papel sackraft, que é produzido com MFC de fibra longa marrom e o papel cartão, que possui MFC de fibra curta branqueada na camada cobertura e MFC de fibra curta marrom nas camadas meio e base.

[0111] Inicialmente, foi realizada a caracterização das fibras curtas marrom tanto por microscopia ótica como eletrónica, obtendo maior faixa representativa com diâmetro variando de 0 a 568 nanômetros na microscopia eletrónica para a MFC dessa fibra (Figura 2) . A imagem em microscopia eletrónica foi necessária para definir o tamanho real da MFC proveniente da fibra. As imagens em 200 vezes e 23.900 vezes para as microscopias ótica e eletrónica, respectivamente, oferecem uma ideia dos tamanhos das fibras e MFC em projeção (Figura 3) .

[0112] Em seguida, foi realizada a caracterização das fibras longas marrons, mais uma vez, tanto por microscopia ótica como eletrónica. Foi obtida maior faixa representativa com diâmetro variando de 9 a 568 nanômetros para a MFC na microscopia eletrónica (Figura 4) . A imagem em microscopia eletrónica foi necessária para definir o tamanho real da MFC produzida da fibra e. As imagens em 100 vezes e 7.400 vezes para as microscopias ótica e eletrónica, respectivamente, oferecem uma ideia dos tamanhos das fibras e MFC em projeção (Figura 5) .

[0113] Por último, foi realizada a caracterização das fibras curtas branqueadas, mais uma vez tanto por microscopia ótica como eletrónica. Foi obtida maior faixa representativa com diâmetro variando de 11 a 98 nanômetros para a MFC na microscopia eletrónica (ainda que outras faixas, como 33-43, também sejam significativas) (Figura 6) . A imagem em microscopia eletrónica foi necessária para definir o tamanho real da MFC produzida da fibra. As imagens em 200 vezes e 33.000 vezes para as microscopias ótica e eletrónica, respectivamente, oferecem uma ideia dos tamanhos das fibras e MFC em projeção (Figura 7) .

[0114] Dessa forma, as MFCs provenientes das fibras curtas marrons e branqueadas, bem como as fibras longas marrons, foram consideradas como tendo um tamanho satisfatório para a produção de papel com caracteristicas melhoradas .

[0115] Foi realizada, ainda, a medição do potencial zeta das MFCs produzidas. O potencial zeta é um parâmetro de estabilidade, uma vez que a carga residual na superfície pode repelir uma das outras e promover desestabilização do meio que as contém. O tamanho diferenciado das microfibrilas pode resultar em entrelaçamento, o que influencia a diferença do valor. Além disso, a presença de hemiceluloses residuais também pode provocar alteração da leitura desse parâmetro, devido à sua capacidade de aglutinação. Os valores encontrados estão de acordo com o potencial zeta de microfibrilas (potenciais entre -56, 96 e -26, 86 mV) .

Tabela 3 - Valores obtidos a partir da análise do potencial zeta :

Aplicação de MFC à polpa para produção de papel kraft

[0116] O papel kraft ou kraftliner é um tipo de papel fabricado a partir de uma mistura ou não de fibras de celulose curtas e longas, provenientes de polpas kraft de madeiras .

[0117] A utilização da celulose microfibrilada como aditivo de resistência foi avaliada em produção de papel kraft na máquina de papel 4 (MP4) . Foram dosados entre 1,0 e 1,5% de MFC no tanque de mistura juntamente com 5,0 kg/t de amido catiônico. Não houve necessidade de reduzir a velocidade da máquina, não ocorreram quebras de produção por dificuldades encontradas devido a drenagem, o nivel de retenção do papel permaneceu com valores elevados e, além disso, a formação do papel permaneceu boa sem a necessidade de qualquer ajuste adicional na máquina.

[0118] É possível observar que a adição de MFC provoca a modificação da estrutura física do papel, o que impacta nos fenômenos de movimentação e drenagem da água durante sua formação. Esse aumento é esperado, pois o número e a frequência de ligações são aumentados devido à elevada superfície específica da MFC, que promove grande interação na interface com a superfície das fibras que formam o papel. Logo, o maior número de ligações e interações da MFC com a superfície das fibras que constituem a estrutura do papel justifica a produção de papéis com as propriedades físicas e mecânicas melhoradas.

[0119] Essas propriedades físicas e mecânicas foram medidas através de comparações de testes comuns à produção de papel e indústria de celulose em geral. Medições como grau Schopper Riegler ou °SR, resistência à tração (força necessária até o rompimento do papel), elongação (outra medida da força necessária até o rompimento do papel), resistência ao estouro ou arrebentamento (força necessária para início do rompimento do papel), resistência ao rasgo (força necessário para continuar um rompimento do papel até separação total), Tensíle Energy Absorptíon (TEA) (outra medida da força de ruptura total do papel), Short Crush Test (SCT) (resistência à compressão), Ring Crush Test (RCT) (outra medida de resistência à compressão) , Scott (Ply) Bond (resistência à delaminação ou perda de camadas), Gurley (resistência à passagem de ar que indica o comportamento da macro e microporosidade do papel), Water Retentíon Value (WRV) (medida da quantidade de água retida no papel), Drainage Freeness Retentíon (DFR) (tempo de drenagem) e Modulus of Elasticity (MOE) (medida da rigidez de uma material) . Vale ressaltar que alguns testes são medidos como índices, o que se configura como o quociente da resistência analisada pela gramatura do papel.

[0120] Ao adicionar MFC até 1,5% em massa na polpa celulósica, o °SR da polpa pode subir até 3 pontos (Figura 8), enquanto para a curva de drenagem é possível observar a redução de até 100 ml ou mais de água drenada nos primeiros 10 segundos de formação do papel (Figura 9) .

[0121] A resistência à drenagem da polpa da caixa de nível e na caixa de entrada foi consideravelmente afetada pela dosagem de 1,0 a 1,5% de MFC, aumentando em aproximadamente 20% o °SR (Figura 10) . Os vácuos no Couch (rolo da seção úmida da máquina com sistema de vácuo próprio) e Turbaír (sistema de vácuo integrado à máquina) aumentaram cerca de 10% (Figuras 11 e 12), enquanto a retenção da mesa plana (adiantamento do espelho d' água) permaneceu alta durante toda a produção, acima de 93% e praticamente constante, apesar do aumento da quantidade de MFC (Figura 13) . Esses valores foram indicativos da maior dificuldade de drenagem na mesa. No entanto, não foi necessário reduzir a velocidade da máquina para produzir resultados satisfatórios no papel final. A turbidez da água branca (Figura 14) aumentou cerca de 40%, o que é um indicativo da perda de fibras celulósicas ou mesmo MFC para a água. Porém, esse valor pode ser explicado pela alta concentração de fibras na polpa .

[0122] A resistência à tração, elongação e TEA foram calculadas como média geométrica da tração MD (Machine Direction, ou direção da máquina de produção de papel) e CD ( Cross Direction, ou direção contrária à máquina de produção de papel), com o objetivo de avaliar caracteristicas físicas e mecânicas sem o efeito da orientação do papel. Houve um aumento médio de 12% na resistência à tração quando comparado ao papel de referência (Figuras 15 e 16) . Houve aumento da elongação (Figuras 17 e 18) e do TEA MD e CD em 24 e 29%, respectivamente (Figuras 19 e 20) . O SCT do papel com MFC teve um pequeno incremento de 7% enquanto (Figura 21), enquanto o RCT praticamente não apresentou ganho (Figura 22) . A resistência ao estouro aumentou cerca de 10% no papel com MFC (Figura 23), enquanto o Scott (Ply) Bond cerca de 13% (Figura 24) . Ocorre notável mudança da estrutura física do papel observado pela resistência à passagem de ar {Gurley) , que dobrou com a adição de 1,0% de MFC (Figura 25) .

[0123] Geralmente, a adição de MFC tende a aumentar a densidade do papel, que ocorre devido à construção de uma rede fibrosa forte, consequente da elevada capacidade de ligação das fibras de MFC dessa forma ocorre um aumento crescente das propriedades de resistência do papel como pode ser observado nos resultados obtidos.

[0124] O aumento de resistência verificado indica benefícios no uso do papel para finalidade de conversão em embalagem, seja pelo aumento de resistência da embalagem ou pela possibilidade de redução de gramatura do papel. Além disso, o aumento considerável das propriedades elásticas revela potencial de uso da MFC nas camadas externas do papel cartão, podendo proporcionar aumento da resistência à flexão do mesmo e consequente redução da gramatura.

Aplicação de MFC à polpa para produção de papel sackraft

[0125] MFC foi aplicada em papel sackraft visando melhoria na resistência ao rasgo e/ou redução de gramatura. O papel sackraft é um papel kraft poroso, com maior elasticidade e resistência.

Aumento da resistência ao rasgo do papel sackraft através do uso de MFC na polpa celulósica

[0126] A aplicação de MFC compensa a redução do grau de refinação e entrega papéis com propriedades mecânicas superiores .

[0127] Além disso, a aplicação de MFC permite a redução de até 10 g/m ² em papéis sackraft. Toda a estrutura do papel é modificada com a aplicação de MFC, logo é possível produzir papéis com macro e microporosidades diferenciadas, o que permite a classificação desses papéis como nova matéria- prima para aplicação de barreiras que já apresenta MFC como um prímer renovável incorporado em sua estrutura.

[0128] A modificação da porosidade do papel, dessa forma, abre margem para o desenvolvimento de produtos tanto diferentes como diferenciados, uma vez que a sua estrutura pode ser modificada por completo. Exemplos de papéis da presente invenção que também podem ser utilizados juntamente com a MFC para a obtenção de caracteristicas mecânicas melhoradas, mas sem se limitar aos mesmos, são os papéis testliner e corrugado.

[0129] É sabido que o índice de rasgo tende a diminuir com a refinação. Deste modo, menores níveis de refinação tendem a preservar mais a estrutura de parede da fibra. Uma menor intensidade de refino demonstra uma melhoria em índice de rasgo. Por outro lado, pouco refino não desenvolve outras propriedades de igual importância, como tração e estouro. Visando a manutenção destas outras propriedades, MFC foi aplicada às polpas com níveis de refino intermediário. Como exemplo, o índice de tração da polpa padrão (°SR 18) pode ser atingido com uma polpa refinada até °SR 14 + 4% de MFC.

[0130] Nestas condições, o índice de rasgo subiu 8% (Figura 26), em quanto os índices de tração e estouro foram mantidos (Figuras 27 e 28) . Finalmente, o TEA foi elevado em cerca de 20% (Figura 29), a elongação aumento em 15% (Figura 30) e o Gurley foi elevado em 37% (Figura 31) .

[0131] Os resultados mostraram que a aplicação de MFC como agente de colagem interna nesse caso compensa a necessidade de refinação e menor energia de refino é requerida . [0132] Adicionalmente, MFC é conhecida como um material altamente higroscópico, o que pode causar efeitos no processo de drenagem do papel. Pode ser verificado que devido ao menor °SR dos refinos intermediários, a aplicação de MFC não resultou em perda de drenagem (Figura 32) . Na realidade, em algumas amostras, a drenagem se mostrou ainda melhor do que o papel padrão, o que pode significar economias no processo de produção do papel.

Redução da gramatura do papel sackraft através do uso de MFC na polpa celulósica

[0133] Diferentemente do cenário anterior, este cenário visa a redução de gramatura como foco para aprovação da utilização de MFC. Deste modo, foram testados dois níveis de MFC (2 e 5%) e as gramaturas foram reduzidas em passos de 5 g/m ² .

[0134] É válido ressaltar que o diferencial da presente invenção é a utilização da MFC e as consequências decorrentes desta adição. Em um primeiro momento, a gramatura de um papel é fixada e diferentes concentrações de MFC são adicionadas, visando-se alterações da, dentre outros fatores, gramatura. A busca na redução da gramatura é oriunda do estudo de diferentes concentrações de MFC à polpa celulose.

[0135] Como era esperado, a utilização de MFC em uma mesma polpa matriz tende a influenciar negativamente as propriedades de rasgo devido ao maior adensamento do papel (Figura 33) . Por outro lado, a MFC, considerando apenas a gramatura atual de 85 g/m ² , eleva as propriedades de tração (Figura 34), estouro (Figura 35), TEA (Figura 36) e elongação (Figura 37) . É interessante perceber que a aplicação de MFC compensa a gramatura em todas as propriedades mecânicas. Como exemplo a redução de 10 g/m ² (85 para 75 g/m ² ), com a aplicação de 2% de MFC demonstra manutenção das especificações do produto atual. Deste modo, tanto a cadeia de produção de madeira, quanto a transformação industrial se beneficia do menor uso de matéria-prima. Finalmente, a propriedade de Gurley teve um aumento de cerca de 400% (Figura 38), o que justifica a utilização da MFC como um primer renovável no papel sackraft.

Aplicação de MFC à polpa para produção de papel cartão

[0136] O uso de MFC em polpa celulósica para a fabricação de papel cartão pode ocorrer em camadas diferentes desse papel, uma vez que é caracteristica intrínseca do papel cartão apresentar uma camada cobertura e uma camada base, sendo ligadas através de uma camada meio. Cada uma dessas camadas pode ser fabricada com diversas camadas internas de menor gramatura, mas a intenção da avaliação da MFC no presente invento se refere apenas às 3 camadas principais.

Uso de MFC para fabricação da camada cobertura do papel cartão

[0137] Essa seção mostra o comportamento encontrado da adição de MFC em polpa celulósica da camada cobertura do papel cartão. É possível perceber o aumento tanto do °SR quanto do valor de retenção de água (WRV) com o aumento do teor de MFC utilizado na polpa (Figuras 39 e 40) . O aumento do °SR indica maior dificuldade na drenagem física da água, enquanto o aumento do WRV indica maior interação da água com as fibras celulósicas (alta superfície específica) o que é comprovado pela alteração do comportamento de drenagem (DFR)

( Figura 41) .

[0138] A resistência física e mecânica da camada cobertura do papel cartão produzido com adição de MFC à polpa também foram estudadas. Propriedades como índice de tração (IT), estouro e TEA apresentam tendência crescente de aumento o que demonstra a produção de uma camada cobertura mais resistente (Figuras 42, 43 e 44) . A redução da aspereza (Figura 46) pode ser explicada com a modificação das macro e micro porosidades do papel, indicado pelo aumento da resistência à passagem de ar (Gurley) (Figura 45) .

Uso de MFC para fabricação da camada meio do papel cartão

[0139] Assim como ocorrido no estudo da camada cobertura, O aumento do °SR da camada meio (Figura 47) indica maior dificuldade da drenagem física da água, enquanto o aumento do WRV (Figura 48) demonstra que a adição de MFC, devido sua maior superfície específica, promove também maior frequência de interações com a água, o que é também indicado pela alteração do comportamento de drenagem (Figura 49) . No entanto, é possível observar que devido a composição da camada meio do papel cartão, existe menor incremento das propriedades relacionadas a drenagem e interação físico- química com a água se comparado à camada cobertura, o que demonstra que a composição fibrosa influencia os mecanismos de ligação e formação da rede fibrosa na interface fibra- MFC-fibra .

[0140] A camada meio do papel cartão geralmente é a camada de ligação entre a superfície e a base do papel cartão. Ao adicionar MFC em sua composição fibrosa verificou- se um aumento das propriedades de resistência física e mecânica (Figuras 50, 51, 52 e 53) tal qual observado nos testes com a camada cobertura.

Uso de MFC para fabricação da camada base do papel cartão

[0141] A camada base do cartão mostra os mesmos efeitos observados anteriormente com as camadas cobertura e meio. A medida que a MFC é adicionada na polpa celulósica ocorre o aumento do °SR, indicando maior dificuldade da drenagem física da água o que é também indicado pela alteração do comportamento de drenagem (Figuras 54, 55 e 56) .

[0142] Em relação às propriedades de resistência física e mecânica, contudo, apenas o índice de tração (IT) e o Gurley apresentaram crescimento (Figuras 57 e 60), diferentemente das camadas cobertura e meio. As propriedades de índice de estouro e TEA mantiveram-se com valores próximos aos iniciais (Figuras 58 e 59), o que indica menor ancoragem da MFC à fibra celulósica da polpa.

Aplicação de MFC à polpa celulósica de mercado

[0143] Essa aplicação corresponde à adição de MFC à polpa de celulose comercialmente disponível, uma alternativa viável para produtores de papel que já tenham estoque de polpa celulósica e planejem produzir papel com características melhoradas.

[0144] Dessa forma, os testes realizados até aqui foram feitos diretamente na polpa celulósica. É possível observar o aumento do valor de °SR com a adição de MFC (Figura 61) devido a modificação da estrutura de drenagem da manta formada pela composição fibras + MFC. O mesmo comportamento ocorre com a propriedade de WRV (Figura 62) que demonstra um leve crescimento dos valores conforme o gráfico, indicando que o aumento do teor de MFC na polpa celulósica pode potencializar as interações físico-químicas com a água presente no meio, fenômeno que também pode ser observado nas curvas de drenagem obtidas (Figura 63) .

[0145] As propriedades de resistência da polpa celulósica com a adição de MFC também foram avaliadas. Vale destacar que ao adicionar MFC na polpa celulósica de fibra curta branqueada, foi possível observar ganhos em resistência mecânica superiores a 50%, como no índice de estouro (Figura 65) e TEA (Figura 66)), enquanto outros testes de resistência mecânica como elongação (Figura 68), índice de rasgo (Figura 69), e Modulus of Elasticity (MOE) (Figura 70) apresentaram crescimento muito próximo aos 50%, Contudo, o Gurley (Figura 67), como esperado, também apresentou crescimento.

[0146] O impacto em adicionar um biopolímero como a MFC na composição da polpa de celulose de mercado poderá influenciar de forma positiva nas propriedades do produto final no cliente. Dessa forma ao utilizar a celulose de mercado contendo MFC será possível reduzir o aporte de energia necessária para refinação da polpa mas também produzir um produto final com propriedades de resistência mecânica únicas.