Efeito da incorporação de CaCO3 biogénico e de micro/nanoceluloses em papéis UWF

Abstract

A necessidade de implementar novas técnicas e mudar o paradigma do pensamento humano, de modo a gerar cada vez menos resíduos que não são aproveitados para potenciais subprodutos ou outros materiais com valor acrescentado tem sido cada vez mais importante. Isto está relacionado com o facto destes resíduos ficarem acumulados no ambiente e desta forma agravarem mais as alterações climáticas, emissões de gases com efeito estufa e o aquecimento global. Surge então, como exemplo as cascas dos ovos de galinha, um resíduo pouco valorizado, mas com grande potencial económico, que para além disso é uma fonte renovável de CaCO3, diminuindo assim o impacto sobre as reservas naturais de rocha calcária, uma fonte natural não-renovável. Por outro lado, com a finalidade de se obter vantagens económicas na produção de papel, surgem as microfibrilas de celulose, na medida em que estas aumentam a retenção de carga mineral na folha sem prejudicar as resistências mecânicas do papel. As microfibrilas de celulose, material de origem renovável e biodegradável, apresentam várias propriedades atrativas, tais como: alta resistência, excelente rigidez, elevada área de superfície e transparência.Assim, a presente dissertação tem como objetivos: propor e avaliar a aplicação de carbonato de cálcio biogénico (carbonato de cálcio contido na casca de ovo) em substituição do carbonato de cálcio moído (GCC) no papel como uma carga mineral; aplicar misturas de cargas minerais carbonato de cálcio biogénico e precipitado (BCC e PCC) na formação de folhas; e avaliar o impacto da incorporação de microfibrilas de celulose (CMF), produzidas a partir de celulose micronizada, nas propriedades do papel com carbonato de cálcio precipitado.As cargas minerais utilizadas foram fornecidas pela empresa Omya, sendo que foi esta mesma empresa que as processou e caracterizou em termos de brancura, granulometria e área de superfície específica. No entanto, antes de se proceder à incorporação destas cargas no papel, avaliou-se o potencial de brancura de cada mistura de BCC e PCC a aplicar nas folhas de papel através de um espectrofotómetro. Através desta análise, conclui-se que quanto maior a percentagem nominal de BCC na mistura, menor é a brancura.Da análise das propriedades do papel com a incorporação de 20% (w/w) de carga mineral, conclui-se que para as propriedades mais relevantes num papel fino de escritório (UWF), o BCC proporciona à folha de papel melhor índice de mão e resistências mecânicas que o GCC, no entanto prejudica a opacidade. Apesar dos resultados não serem totalmente positivos na aplicação de carbonato de cálcio biogénico em papéis UWF em relação ao carbonato de cálcio moído, o BCC poderá ser útil em papéis onde as propriedades óticas não são fundamentais.Relativamente às misturas de BCC e PCC, constatou-se que não existe nenhum equilíbrio entre índice de mão, opacidade e resistências mecânicas. Ou seja, se pretender-se uma folha com maior índice de mão e opacidade, a quantidade nominal de PCC na mistura de cargas minerais a incorporar é maior, à custa de perda de resistências mecânicas. Por outro lado, se a especificação do produto é apresentar melhor resistência, a quantidade nominal de BCC na mistura é maior, à custa de perda de bulk e opacidade.As microfibrilas de celulose foram produzidas através de dois métodos diferentes. Num dos métodos utilizou-se celulose micronizada de 60µm em que se aplicou um pré-tratamento enzimático, hidrólise enzimática, e seguidamente um tratamento mecânico, onde se utilizou o refinador PFI e refinou-se a fibra a 10 000 rotações. Neste caso, produziu-se CMF com 25% de consistência. O outro método consistiu apenas num tratamento mecânico à celulose microzinada de 200µm, onde se recorreu ao refinador de discos, aplicando uma energia de refinação de 2.35Wh, sendo que se produziu CMF com 7.5% de consistência. Com o intuito de caracterizar as partículas de CMF obtidas, utilizou-se o Fiber Tester para analisar a morfologia das fibras e determinou-se o grau Schopper-Riegler (ºSR). Conclui-se que com o aumento de energia de refinação e a aplicação de um pré-tratamento enzimático, o comprimento da fibra diminui, aumentando assim o teor de finos e consequentemente o ºSR, tal como era de esperar. A aplicação destas partículas de CMF em quantidade percentual de 2% e 5% (w/w) na matriz do papel aumentou a retenção de carga mineral de carbonato de cálcio precipitado, exceto no caso de 5% CMF obtidas pelo refinador de discos. Apesar disso, como era expectável, o índice de mão e opacidade diminuíram, e a resistência de rasgamento e ligações internas (Scott) aumentaram. Todavia, a resistência à tração e rebentamento diminuíram. Portanto, a incorporação de microfibrilas de celulose não trouxe benefícios para todas as propriedades relevantes num papel de impressão e escrita.

The necessity to implement new techniques and change the way humans think has been increasingly important, in order to generate less and less waste that is not used for potential by-products or other materials with added value. The fact that this waste accumulates in the environment and thus further aggravates climate change, greenhouse gas emissions, and global warming. For example, eggshells are a low valued waste, but with great economic potential, which is also a renewable source of CaCO3, thus reducing the impact on the natural reserves of limestone, a non-renewable natural source. On the other hand, to obtain economic advantages in papermaking, cellulose microfibrils have emerged, as they increase the retention of mineral load in the sheet without harming the mechanical strength of the paper. Cellulose microfibrils, a renewable and biodegradable material, present several attractive properties, such as: high strength, excellent stiffness, large surface area and transparency.Thus, the present thesis aims to propose and evaluate: the application of biogenic calcium carbonate (calcium carbonate contained in eggshell), replacing ground calcium carbonate (GCC) in paper as a filler; the application of mixtures of biogenic and precipitated calcium carbonate fillers (BCC and PCC) in papermaking; and evaluate the impact of incorporating cellulose microfibrils (CMF), produced from micronized cellulose, on the properties of paper with precipitated calcium carbonate. The fillers used were supplied by the Omya company, which processed and characterised them in terms of whiteness, granulometry and specific surface area. Nevertheless, before incorporating these fillers in the paper, the whiteness potential of each mixture of BCC and PCC to be applied in the paper was evaluated using a spectrophotometer. Through this analysis, it was concluded that the higher the nominal percentage of BCC in the blend, the lower its whiteness. From the analysis of the paper properties with the incorporation of 20% (w/w) of filler, it was concluded that for the most relevant properties in a fine office paper (UWF), BCC provides the paper with better bulk and strengths properties than GCC, however it impairs the opacity. Although the results are not entirely positive in the application of biogenic calcium carbonate in UWF papers in relation to ground calcium carbonate, BCC may be useful in papers where optical properties are not fundamental.Concerning the mixtures of BCC and PCC, it was found that there is no balance between bulk, opacity and mechanical strengths, i.e., if a sheet with higher bulkiness and opacity is desired, the nominal amount of PCC in the blend of mineral fillers to be incorporated is higher, at the expense of loss in mechanical strengths. On the other hand, if the product's specification is to have better resistance, the nominal amount of BCC in the mixture is higher, at the expense of loss of bulk and opacity.Cellulose microfibrils were produced by two different methods. In the first method, 60µm micronized cellulose was used in which an enzymatic pre-treatment, enzymatic hydrolysis, was applied and then, a mechanical treatment, where the PFI refiner was used and the fibre was refined at 10 000 rotations. Using this method, the CMF was produced with 25% of consistency. The second method consisted only in a mechanical treatment to the 200µm micronized cellulose, where the disc refiner was used, applying a refining energy of 2.35Wh, producing CMF with 7.5% of consistency. To characterise the obtained CMF particles, the Fiber Tester was used to analyse the fibres morphology and the Schopper-Riegler degree (ºSR) was determined. It is concluded that with the increase of the refining energy and the application of an enzymatic pre-treatment, the fibre length decreases, increasing the fines content and consequently the ºSR, as it was expected.The application of these CMF particles in percentage amounts of 2% and 5% (w/w) in the paper matrix increased the retention of mineral load of precipitated calcium carbonate, except in the case of 5% CMF obtained by the disc refiner. Nevertheless, and as expected, the bulk and opacity decreased, and the tear strength and internal bonds (Scott) increased. However, tensile strength and burst strength decreased. Therefore, the incorporation of cellulose microfibrils did not provide benefits for all relevant properties in a printing and writing paper.