Modificação de carbonato de cálcio natural com sílica para aplicações em papel

Abstract

Esta dissertação de mestrado teve como objectivo modicar partículas de carbonato de cálcio natural (GCC) com sílica, in situ, seguindo a metodologia sol-gel, de modo a melhorar a resistência mecânica da folha de papel. Foram utilizadas três gamas de GCC, testando diferentes tamanhos e brancuras, para efectuar o revestimento de sílica, seguindo a metodologia que Gamelas et al. (2011) aplicou ao carbonato de cálcio precipitado. A reacção sol-gel decorreu em meio alcalino durante 24 horas a uma temperatura de 21°C, utilizando TEOS como percursor. Com o intuito de caracterizar as partículas de carbonato de cálcio, original e modificado, foram utilizadas diversas técnicas analíticas para analisar: a morfologia (microscopia electrónica de varrimento), o tamanho (espectroscopia de difracção laser), a composição química (espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier), a quantidade de sílica presente no GCC (termogravimetria), a brancura (espectrofotometria) e a carga da partícula (medição de potencial zeta). Concluiu-se que houve deposição de sílica nas partículas de GCC, tal como era expectável. Tal como com o PCC modificado, documentado em Lourenço et al. (2013), conseguiu-se obter melhorias nas propriedades mecânicas da folha quando o filler de GCC modificado foi aplicado para um alvo de 20 %(w/w) na folha, independentemente da gama utilizada, concretizando-se um dos objectivos propostos. Esta melhoria deve-se à presença de grupos hidroxilo da sílica, que permitem estabelecer pontes de hidrogénio com as fibras de celulose. O aumento na resistência da folha ocorreu em maior grau no GCC com menor tamanho de partícula, indicativo que a deposição de sílica depende do tamanho das partículas de GCC. Relativamente às propriedades ópticas das folhas, estas foram ligeiramente prejudicadas com a aplicação dos GCC's modificados, sugerindo que a folha está "fechada"devido a uma ligação filler-fibra mais forte, sendo que perdeu-se menos opacidade no GCC com menor tamanho de partícula. Assim, constatou-se que é preferível modificar este carbonato de cálcio. Nos GCC's que se diferenciavam pelo nível de brancura, não houve diferenças a registar entre as folhas formadas por estas duas cargas minerais.

Compararam-se os resultados obtidos com GCC modificado com os de PCC, conseguidos por Lourenço et al. (2013), constatando-se que é mais positivo modificar PCC do que GCC. Além da tendência natural que o PCC possui para repercutir boas propriedades ópticas na folha de papel, o revestimento com sílica induziu uma melhoria nas propriedades mecânicas da folha numa magnitude superior às obtidas com GCC, ultrapassando a capacidade intrínseca que este filler contém neste âmbito. Este resultado foi semelhante ao obtido pela aplicação de GCC modificado correspondente a 30 %(w/w) da folha. Também se produziram folhas de papel com uma mistura de cargas minerais, 20%(w/w) GCC modificado e 10 %(w/w) de carbonato de cálcio precipitado, com o objectivo de reduzir a quantidade de carga modificada e para melhorar as propriedades ópticas. Os resultados indicam que é preferível usar esta carga mineral a apenas GCC modificado, se tivermos em conta os custos associados à modificação. Ao utilizar cargas modicadas, comprovou-se que é possível aumentar o conteúdo em cerca de 10 % da carga mineral sem prejudicar as propriedades mecânicas das folhas de papel. Este facto foi confirmado tanto na aplicação de GCC modificado, como na de mistura de cargas, sendo esta mais vantajosa devido à componente económica. Como os objectivos deste estudo estão intimamente ligados a um factor económico, deverão estimar-se os custos económicos da modificação de carbonato de cálcio afim de avaliar devidamente os resultados obtidos. Apesar dos resultados não serem totalmente positivos na aplicação a papéis de impressão e escrita, isto é, em relação ao carbonato de cálcio precipitado, poderão ser úteis em papéis com outro tipo de utilização, onde as propriedades ópticas não são fundamentais.

This master thesis had as its objective to modify particles of ground calcium carbonate with silica, in situ, following the sol-gel method, in order to improve the mechanical strength of the paper. Three GCC ranges were used, with different sizes and brightness, to carry out silica coating, following the Gamelas et al. (2011) methodology applied to precipitated calcium carbonate. The sol-gel reaction took place under alkaline conditions during 24 hours at a temperature of 21°C, using TEOS as a precursor. In order to characterize the original and modified particles of calcium carbonate, multiple analytical techniques were utilized to test: morphology (scanning electron microscopy), the size (laser diffraction spectroscopy), chemical composition (infrared spectroscopy), amount of silica present in the GCC (thermogravimetry), brightness (spectrophotometry) and particle charge (measuring of zeta potential). It was concluded that silica deposition was in GCC particles, as expected. The modified PCC, documented in Lourenço et al. (2013), succeeded in obtaining improvements in the mechanical properties of the sheet when the modified GCCfiller was applied for a goal of 20 %(w/w) in sheet, regardless of the range, one of the objectives was achieved. This improvement is due to the presence of hydroxyl groups of silica, which establish hydrogen bonds with the cellulose fibers. The increase in sheet resistance occurred to a larger degree in the GCC with smallest particle size, indicating that silica deposition depends on GCC particle size. Regarding the optical properties of sheets, these were slightly prejudiced with the application of GCC's modified, suggesting that the sheet is "closed"due to a stronger connection filler-fiber, and a slighter loss of opacity in the GCC with smaller particle size. Thus, it was found that it is preferable to modify calcium carbonate. In GCCs that difiered on the level of brightness, there were no diferences to register between the sheets formed by these two mineral fillers. The results achieved with the modified PCC, which Lourenço et al. (2013) had obtained, have been compared noting that it is better to modify PCC than GCC. Besides the natural tendency that the PCC has to pass good optical properties on the sheet of paper, coating with silica induced a higher improvement in the mechanical properties of a sheet than those obtained with GCC magnitude, overcoming the intrinsic ability that this filler contains in this context. This result was similar to that obtained by applying the sheet corresponding modified GCC 30 %(w/w). Paper sheets were also produced with a mineral filler mixture, 20 %(w/w) modified GCC and 10 %(w/w) of precipitated calcium carbonate, with the aim of reducing the amount of modified load and improving the optical properties. The results indicate that it is preferable to use this filler than just modified GCC, if we take into account the costs associated with the modification. By using modified loads, it was shown that it is possible to increase the content, about 10 %, of mineral filler without damaging the mechanical properties of the paper sheets. This was confirmed both in the use of modfied GCC, as in the filler mixture, the latter having advantage due to the economic component. Since the objectives of this study are closely linked to an economic factor it should be estimated the economic costs of the modification of calcium carbonate in order to properly evaluate the obtained results. Although the results were not entirely positive in applying the uncoated woodfree printing, that is, regarding to precipitated calcium carbonate, it may be useful in papers with other use where the optical properties are not fundamental.