Elaboración de papel con fibra virgen y reciclada reforzada con celulosa nanofibrilada de Guadua angustifolia

Gramaje

Los resultados obtenidos pueden deberse a diferencias en el refinado de las fibras utilizadas. Al respecto, Delgado et al. (2015b) mencionan que el nivel de drenabilidad (SR°) influye en la capacidad de enlace de las fibras, lo que dificulta la unión con la CNF, disminuyendo la capacidad de retención y, por consiguiente, el gramaje, como es el caso del papel de bambú. Se hace la observación de que la disminución del gramaje en el papel de bambú sería causal de la baja capacidad de enlace entre fibras, ocasionada por el refinado del bambú a 2000 revoluciones. A diferencia de lo mencionado, se observó un aumento en los valores del gramaje del papel DKL y la mezcla, lo que podría deberse al aumento de masa en el papel, ocasionado por la adición de CNF a las fibras (Pego et al., 2020).

Espesor

De acuerdo con Delgado (2015) , la disminución del espesor se debe a una mayor compactación de los componentes fibrosos en los papeles. En la presente investigación, el espesor disminuyó debido al método de aplicación en masa de la CNF como componente adicional durante el refinado. Pego et al. (2020) obtuvieron un aumento del espesor del papel frente al aumentar la proporción de CNF, aplicándola de manera superficial como una barrera del papel. La forma de aplicación utilizada en este trabajo puede haber afectado la disposición de las fibras, causando la reducción del espesor.

Densidad

Estudios realizados por Hubbe et al. (2017) mencionan que la naturaleza flexible y las dimensiones de la CNF le permiten formar estructuras entrecruzadas con las fibras para lograr altas densidades en los papeles. Además, en el presente estudio se destaca el aumento de la densidad del papel DKL. Esto, en comparación con los estudios de Potulski et al. (2018) , quienes obtuvieron los mejores resultados en cuanto a densidad y reducción de espesor al agregar 9 % de CNF a fibras recicladas de Eucaliptus sp. En el caso del papel mezcla, el aumento de la densidad se debe a la combinación de las fibras de bambú y las fibras recicladas de DKL. Una mayor densidad mejora las propiedades finales del papel, es decir, para aumentar la densidad del papel, el presente estudio solo necesitó 6 % de CNF. En contraste con otras investigaciones, esto sería provechoso para elaborar papeles de altas densidad utilizando una menor cantidad de CNF.

Permeabilidad Gurley

Los valores de permeabilidad en los papeles ensayados concuerdan con lo expuesto por Lengowski et al. (2019) , quienes afirman que la aplicación de CNF mejora las propiedades mecánicas, reduciendo la permeabilidad y el drenaje de la masa de papel, i.e., la baja porosidad de los papeles y la energía cohesiva de la CNF lograrían una capa lo suficientemente densa para bloquear, además del aire, las moléculas de aceites y gases (Thomas et al., 2020). Esta propiedad de barrera en los papeles puede utilizarse en los productos de embalaje de papel o en el embalaje de alimentos (Osong, 2016).

La norma TAPPI 460 menciona que la permeabilidad del aire está influenciada por la estructura interna de las fibras, i.e., la longitud de las fibras, su nivel de hidratación y la orientación y la compactación de estas son variables importantes. Por lo tanto, se puede inferir que el mayor nivel de refinado aplicado a las fibras DKL influenció la permeabilidad y una mayor fibrilación de las fibras. Esto, sumado al aumento de los puentes de hidrógeno a causa de la elevada área específica de las CNF, permitió la baja porosidad del papel (Pego et al., 2020). En conclusión, es importante identificar las variaciones de la permeabilidad del aire en el papel, pues esto afecta su resistencia, su apariencia visual y los requisitos que se le designen en su uso final (Kasmani & Samariha, 2019).

Resistencia a la tensión

Los aumentos en los valores de resistencia a la tensión que se observaron en el presente estudio son los esperados, lo que demuestra que la CNF tiene un efecto favorable para mejorar la capacidad de establecer enlaces entre fibras, lo que influye en el aumento de la capacidad de carga del papel. Taipale et al. (2010) comprobaron que la adición de 3 % de CNF combinada con almidón catiónico incrementa la resistencia a la tensión de los papeles de madera blanda. Estas condiciones se asemejan a las de la presente investigación, que utilizó el almidón catiónico y el sílice coloidal como agentes de retención.

Asimismo, Balea et al. (2016) mencionan que se debe tener precaución con el uso de CNF para aumentar la resistencia a la tensión, pues la mejora de esta propiedad se debe al aumento de las interacciones que ocurren en las fibras de las pulpas. Esto podría ocasionar un aumento en la retención de sólidos, disminuyendo la tasa de drenaje, lo cual ha sido documentado por otros autores e interpretado como un efecto de deterioro de la eficiencia de la CNF (Delgado, et. Al , 2015a).

Resistencia al rasgado

El comportamiento de esta variable podría ser explicado por trabajos como Djafari et al. (2019), donde se confirma esta reducción, asegurando que la adición de microfibrillas de celulosa afecta de forma negativa la resistencia al rasgado del papel. Sin embargo, Balea et al. (2019) mencionan que el índice de rasgado aumenta a causa de los enlaces hidrógeno, cuyo número aumenta con el contenido de CNF pero se ve reducido por la cantidad de fibras cortas en el papel, que facilitan el desgarro de la hoja. Según Tozluoğlu et al. (2015) , la resistencia al rasgado depende, en general, de la resistencia individual de las fibras, y pocas veces del grado de unión entre estas. Además, los autores mencionados afirman que el refinado disminuye esta propiedad en las pulpas luego de lograr un valor máximo inicial. Los resultados de esta investigación pueden deberse al tratamiento mecánico de homogenización a altas revoluciones, mediante el cual se aplicó CNF a las fibras, afectando la resistencia al rasgado de los papeles producidos. Asimismo, se propone que la reducción de esta propiedad puede ser ocasionada por el método de aplicación de CNF, pues Lengowski (2016) obtuvo aumentos hasta del 44 % al aplicar CNF de manera superficial como una capa sobre el papel, a diferencia de esta investigación (aplicación en masa).

Plegado

El papel de bambú obtuvo el máximo valor en esta propiedad con 4 % de CNF; se alcanzó un aumento del plegado de más de 4 veces el valor de referencia (420 %). Para el papel de DKL, el mayor aumento fue menor (29.83 %) al aplicar 2 % de CNF. En el papel mezcla, se logró aumento de casi 5 veces (478.74 %) al añadir 6 % de CNF. Estos resultados son similares a los obtenidos por Zeng et al. (2021) , quienes obtuvieron un incremento de entre 25 y 75 % al aplicar CNF en papeles reciclados, pero alcanzaron un aumento de hasta 6 veces (600 %) al utilizar fibra larga y reforzarla con 5 % de CNF, mencionando que este resultado podría deberse a la orientación y la flexibilidad de las fibras. Pego et al. (2020) registraron aumentos de casi 3 veces (271.6 %) al agregar 10 % de CNF en hojas formadas con fibras de sisal y eucalipto. Otros autores, como Kim et al. (2019) , obtuvieron un aumento de casi 5 veces (464 %) con la adición de 5 % de CNF en papel de pulpa mixta de algodón.

Según los resultados, las mayores variaciones se obtuvieron en el papel mezcla y el papel de bambú, lo que podría deberse a la capacidad de enlace de la fibra virgen de bambú con los componentes fibrosos del DKL. La CNF aportaría un mayor número de uniones y, por tanto, una red de fibras enlazadas más resistente. Además, se debe tener en cuenta la sensibilidad de este ensayo, el cual pudo verse afectado por la temperatura del ambiente o el espesor del papel.

Análisis de los tratamientos

Se evidencian diferencias significativas en todos los tratamientos, excepto en la propiedad de rasgado, donde la aplicación de CNF no tuvo significancia. En el papel DKL, el menor valor de permeabilidad se obtuvo con 2 % de CNF, mientras que la tensión reportó un mayor valor al agregar 6 % de CNF. Según Niemi (2018), los valores de permeabilidad bajos, de por lo menos 0.153 µm/Pa.s, brindan una mayor resistencia a las grasas y aceites. Este valor es comparable con lo obtenido con el papel DKL. Asimismo, la propiedad de tensión es relevante en la fabricación de los papeles de envoltura y debe mantenerse entre 2 y 4 kN/m. Además, un aumento de la tensión a causa de la CNF involucraría una mejora en la densidad y la rigidez final del papel (Reshmy et al., 2020). En la propiedad del plegado, se observa un aumento significativo en el número de dobleces del papel al agregar 2 % de CNF al papel DKL. Esto supondría que la adición de CNF favorece la unión entre fibras, retardando la ruptura del papel, lo cual beneficiaría la duración del papel de envolturas para alimentos.

A pesar de que el DKL es el papel con las mayores significancias, los resultados varían según el porcentaje de CNF añadido, i.e., la selección de la cantidad de aditivo dependerá del tipo de papel que se requiera y de su aplicación final. Esto es respaldado por Das et al. (2020) , quienes mencionan que las diferencias en los papeles se pueden corregir ajustando la dosis de CNF y el grado de fibrilación. Estos autores aseguran que la aplicación de CNF ayuda a que el papel recupere sus propiedades de resistencia, a veces perdida por la utilización de diversos minerales de relleno. Respecto a lo mencionado, Bahar et al. (2016) explican que la aplicación de CNF proporciona ventajas como compatibilidad con la fibra, apoyo en la estabilización de la capacidad de ejecución -sobre todo al inicio de la fabricación del papel- y rotura del papel (i.e., incrementa los valores de tensión).

Asimismo, Lourenço et al. (2020) aseguran que el uso de CNF en la elaboración de papel está influenciado por los elementos que lo conforman; la presencia o ausencia de estos afectará significativamente las uniones con la CNF. Esto quiere decir que la aplicación de CNF como refuerzo del papel logra su objetivo como potenciador de propiedades físicas y mecánicas, pero siempre considerando el tipo de papel que se va utilizar, sus elementos y la tecnología a aplicar.

Sin embargo, el uso de CNF en la industria del papel no solo representa una mejora de propiedades, sino el incremento de la vida útil de las fibras e incluso la reducción de la cantidad de fibras utilizadas durante de la elaboración, lo que resulta en la reducción del gramaje. Según Li et al. (2021) , el uso de CNF como refuerzo significa una disminución en el consumo de materias primas y un aumento en el uso de fibras recicladas, obteniendo resultados similares. Esto conlleva una reducción de costos y de impactos ambientales en la industria del papel. Adicionalmente, la mejora de las propiedades del papel y el cartón mejora la capacidad de retención de cargas y tintes absorbentes, lo cual influye en los costos de producción (Dufresne, 2019).

En esta investigación, la CNF se obtuvo mediante oxidación TEMPO y un tratamiento mecánico con homogeneizador de altas revoluciones. Las CNF obtenidas mediante procesos TEMPO presentan una mayor capacidad de refuerzo debido a la mejora funcional aportada por los grupos carboxilatos en la superficie de las fibrillas. Estos grupos, al formar enlaces con las fibras del papel, generan mejoras en sus propiedades. Además, se sabe que, al aplicar esta técnica como pretratamiento químico, se genera un ahorro de más del 98 % de energía consumida al momento de desestructurar las fibras (Zhang et al., 2013; Josset et al., 2014). Aun así, es necesario considerar otros factores como el costo total de producción, debido al elevado costo del catalizador TEMPO para la elaboración de CNF, además de la ausencia de un método efectivo de recuperación del mismo (Delgado et al., 2016). Por ello, es necesario perfeccionar el método químico, incluyendo un proceso de reutilización del catalizador, lo que mantendría los costos de producción estables, con impactos ambientales reducidos y con valores elevados de refuerzo en el papel.

CONCLUSIONES

El uso de celulosa nanofibrilar (CNF) proveniente de Guadua angustifolia Kunth. en papeles elaborados con fibra virgen, fibra reciclada de DKL y una mezcla de ambos influyó en las propiedades físicas y mecánicas del producto final. En general, la inclusión de CNF tuvo efectos positivos en los valores de permeabilidad y resistencia a la tensión y al plegado, especialmente en el papel elaborado con fibras de DKL.

Con los valores obtenidos, se evidencia un potencial campo de aplicación para papeles elaborados con CNF en la industria de envolturas para alimentos, considerando que este sector demanda bajos valores de permeabilidad y alta resistencia a la tensión y al plegado.