Los tratamientos químicos rigurosos de pulpa blanqueada pura son los enfoques más utilizados para obtener nanofibrillas de celulosa. Estos procesos generan costos considerables y contaminan el medio ambiente.
Estudio: Preparación de nanomateriales lignocelulósicos a partir de paja de trigo mediante pretratamiento con ácido peracético y su aplicación en composites plásticos. Crédito: OskarsK/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista Carbohydrate Polymers informa sobre la síntesis de nanofibrillas lignocelulósicas (LCNF) utilizando material de partida de paja de trigo (WS). El LCNF se muestra prometedor en aplicaciones de bioplásticos.
Nanofibrillas de celulosa: una alternativa ecológica a los plásticos
Los productos de fuentes verdes y renovables tienen una gran demanda. La celulosa, un recurso natural abundante, es renovable, no tóxica y biodegradable.
Los desechos plásticos se han acumulado debido al vertido regular de plásticos no biodegradables, lo que ha provocado una grave contaminación de los entornos terrestres y marinos. Las nanofibrillas celulósicas (CNF) son una alternativa más ecológica a los plásticos en una variedad de aplicaciones.
El bajo volumen de producción y el importante costo de producción de las nanofibrillas de celulosa les impiden desarrollar su verdadero potencial en varias industrias. Por lo tanto, se deben desarrollar técnicas de producción eficientes y de bajo costo para promover el uso de nanofibrillas de celulosa como alternativas viables a los plásticos.
¿Cómo se sintetizan las nanofibrillas de celulosa?
Las nanofibrillas celulósicas suelen estar hechas de fibras kraft blanqueadas, una materia prima de calidad que produce celulosa casi pura. Las fibras kraft se fibrilan mecánicamente para extraer las nanofibrillas de celulosa.
Los procesos de fibrilación mecánica requieren una cantidad significativa de energía. Los métodos de pretratamiento se pueden utilizar para impulsar la fase de parpadeo y minimizar los requisitos de energía.
Un método de pretratamiento ampliamente utilizado para la síntesis de nanofibrillas de celulosa es la oxidación TEMPO (2,2,6,6 tetrametilpiperidina-1-oxilo). Esta técnica estimula la oxidación de las fibras celulósicas, aumentando así la densidad de carga en su superficie. En última instancia, esto conduce a la repulsión electrostática entre las nanofibrillas de celulosa y da como resultado un rendimiento de fibrilación significativo.
Desventajas de usar TEMPO
Las desventajas de usar la técnica de oxidación TEMPO incluyen costos químicos significativos y la naturaleza tóxica de TEMPO. Además, se requieren métodos de eliminación costosos, como la diálisis, para eliminar pequeñas cantidades de TEMPO residual de las nanofibrillas de celulosa, lo que hace que la aplicación escalable del enfoque sea bastante desafiante.
La fabricación de nanofibrillas de celulosa requiere una técnica de conversión más económica si se quiere lograr la implementación escalable de CNF.
Desarrollo de nanofibrillas de lignocelulosa con paja de trigo
Para evitar las desventajas de la oxidación TEMPO, la producción de LCNF podría ser la clave. La producción de LCNF requiere una materia prima lignocelulósica menos costosa que la pulpa totalmente blanqueada. Además, los procesos de tratamiento moderados pueden ser suficientes para LCNF, lo que da como resultado productos de alto rendimiento compuestos por componentes de lignina, celulosa y hemicelulosa.
La producción de trigo produce un subproducto conocido como paja de trigo. WS contiene los tallos que quedan después de cosechar los granos de trigo.
La paja de trigo es una materia prima adecuada para la producción de LCNF debido a su abundante disponibilidad. Por tratarse de un residuo agrícola, el costo de utilizar la paja de trigo es mucho menor en comparación con otras materias primas.
Por lo tanto, la paja de trigo proporciona un recurso económico y abundante de fibra no maderera para la producción de LCNF.
Beneficios del tratamiento con ácido peracético
El ácido peracético (PAA) es un reactivo biodegradable que puede reaccionar con la biomasa lignocelulósica a temperaturas inferiores a 100 °C. Por lo tanto, usar PAA para preprocesar LCNF parece ser una estrategia viable.
El tratamiento PAA produce mayores rendimientos debido a su alta capacidad oxidante, que elimina selectivamente la lignina evitando que los carbohidratos se solubilicen.
El ácido peracético puede desencadenar la oxidación de las partes reductoras de los carbohidratos, lo que genera una carga negativa en la superficie. Esto podría ayudar al proceso de fibrilación a nanoescala y generar suspensiones coloidales estables.
En comparación con el proceso tradicional de oxidación TEMPO para la síntesis de nanofibrillas de celulosa, el tratamiento con ácido peracético ofrece varias ventajas. PAA tiene menor toxicidad y es más ecológico que TEMPO y permite un mejor control sobre la eliminación de hemicelulosa y lignina del material de pulpa.
La arquitectura y el contenido de las nanofibrillas generadas por el tratamiento con ácido peracético difieren significativamente de las nanofibrillas de celulosa generadas por la oxidación TEMPO convencional.
Aplicaciones de nanofibrillas de celulosa en composites plásticos
Las nanofibrillas celulósicas se pueden utilizar como refuerzos en compuestos plásticos para minimizar la cantidad de componentes derivados del petróleo y al mismo tiempo mejorar las propiedades de los compuestos plásticos.
Los polímeros hidrofílicos y biodegradables como el alcohol polivinílico (PVA) exhiben propiedades mecánicas más débiles que sus alternativas sintéticas, lo que requiere la adición de varios aditivos para mejorar sus propiedades.
Las relaciones de aspecto más altas y las mejores interacciones interfaciales con la matriz de alcohol polivinílico permiten que las nanofibrillas de celulosa mejoren las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de PVA cuando se incorporan en pequeñas cantidades (<5% en peso).
Resultados del estudio
El equipo demostró que es posible producir nanofibrillas lignocelulósicas con excelentes propiedades de refuerzo plástico utilizando residuos agrícolas económicos. Lo lograron mediante digestión con peróxido alcalino, después de lo cual el LCNF se trató con PAA.
Se conservaron las porciones de lignina y hemicelulosa de las nanofibrillas formadas a partir de la paja de trigo, lo cual fue crucial para aumentar la productividad.
Si bien el tratamiento con PAA produjo nanomateriales con una densidad de carga superficial más baja que la oxidación con TEMPO, las propiedades del material no se vieron afectadas. Todas las muestras mostraron una alta estabilidad coloidal en condiciones acuosas.
Los materiales tratados con PAA mejoraron la estabilidad térmica debido a su menor densidad de carga y mayor contenido de lignina. Además, todas las nanofibrillas se dispersaron bien en la matriz de alcohol polivinílico independientemente de la densidad de carga. Esto aumentó la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de los compuestos, mostrando un caso único de refuerzo y tenacidad simultáneos.
El estudio estableció una ruta novedosa para producir nanofibrillas lignocelulósicas a partir de residuos agrícolas. Este enfoque económicamente factible tiene el potencial de permitir la producción escalable de nanomateriales a costos de producto estándar, lo que les permite ser utilizados en industrias masivas como los bioplásticos.
Relación
Pascoli DU, Dichiara A, Roumeli E, Gustafson R y Bura R (2022). Obtención de nanomateriales lignocelulósicos a partir de paja de trigo mediante pretratamiento con ácido peracético y su aplicación en composites plásticos. Polímeros de carbohidratos. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119857
