Fibras celulósicas de alto desempeño basadas en hilado de NFC

Julio C. ArboledaUniversidad Aalto – Colorquímica S.A.Sept 10 de 2015

Universidad Aalto:

Universidad Pública, ubicada en Helsinki y Espoo, Finlandia

Resultado de la fusión de la Universidad Politécnica de Helsinki, Universidad de Economía de Helsinki y la Universidad de Arte y Diseño de Helsinki

Busca integrar las comunidades de ciencia, arte y economía

Nombrada en honor a Alvar Aalto1

Estudiantes: 20,434

Personal: 4,512

Organización es 6 escuelas:

Arte, diseño y arquitectura (ARTS)Tecnología química (CHEM)Negocios (BIZ)Ingeniería Elecrica (ELEC)Ingeniería (ENG)Ciencias (SCI)

Áreas destacadas:

Investigación con bajas temperaturasNanotecnologíaComunicación en dispositivos móvilesProcesamiento de maderaRedes neuronales

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La problemática del uso del algodón

Mar de Aral. Izquierda, año 1989 Derecha año 2014. Foto Archivo NASA

Caso del Mar de Aral: Una vez el cuarto lago mas grande del mundo, con 24 especies de peces. Se usa para irrigación, principalmente de algodón desde 1950 (1.47 m hectáreas, antes Unión Sovietica, hoy Uzbekistán).

El algodón convencional es considerado frecuentemente un cultivo poco sostenible por:

• Demanda creciente de fibras (75.5 millones de ton en 2010, vs 133.5 mt esperadas para 2030)

• Alta demanda de agua (producir 1 kg de algodón, puede necesitar mas de 20.000 L de agua)

• Alta demanda de suelo (compite con alimentos)

• Alto uso de pesticidas (2.4% de la tierra plantada se usa para algodón, pero usa el 24 y 11% del mercado de insecticidas y pesticidas respectivamente)

Hummel et al. Adv Polym Sci, 2015http://wwf.panda.org/about_our_earth/about_freshwater/freshwater_problems/thirsty_crops/cotton/

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Uso de algodón Vs madera

Algodón Madera

Uso de agua 2000-20000 l/kgImpacto dependiente de lluvia

15 – 25 l/kg

Pesticidas 24% del uso mundial Mínimos

Fertilizantes 11% del uso mundial Mínimos

Suelo 3.5 acres/ton 0.52 acres/ton

Costo Approx 1500 euro/ton Approx 440 euro/ton

Tecnología disponible

Proceso industrial Viscosa, proceso industrialNuevos procesos en dllo

Fuente Plantación Sostenible o no, depende de la fuente de madera

Huella de carbono 3.5 lb/lb fibra < 1 lb/lb fibra

http://www.nrdc.org/living/stuff/choosing-between-organic-and-cotton-tencel.asphttp://wwf.panda.org/about_our_earth/about_freshwater/freshwater_problems/thirsty_crops/cotton/

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Producción de celulosa regenerada

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Viscosa:

¾ de la producción global de celulosa regenerada

Incremento de capacidad de producción (China, sur y sureste de Asia)

Proceso cuestionado ambientalmente. Sub productos peligrosos (H2S)

Lyocell:

Dilución en NMMO (N-oxido de N-metilmofolina)

Proceso comercial

Mayor orientación vs viscosa

Problemas inherentes a la estabilidad del solvente

Producción de celulosa regenerada

Hummel et al. Adv Polym Sci, 2015

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Prof. Herbert Sixta

https://www.youtube.com/watch?v=AGFDPyzN1C8

Líquidos iónicos

Líquidos iónicos típicos

Los líquidos iónicos son compuestos que entre otras aplicaciones, son especialmente interesantes como sistemas solventes, ya que se pueden diseñar para sistemas específicos.

Disuelven la celulosa sin reaccionar con ella y forman masas viscosas que pueden regenerarse usando agua

Dificultades: Costos, sistemas de recuperación de líquidos iónicos son críticos

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Diseños de Tuula Pöyhönen. MarimekkoHelsinki, 2014

Líquidos iónicos• Poca reducción de peso molecular

• El halado de las fibras durante formación desarrolla propiedades mecánicas superiores

• Pueden procesarse celulosas no blanqueadas

• Pueden usarse fuentes recicladas

• Escalamiento iniciado (planta piloto)

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Kevlar - Polyaramide

Zylon – PBO

VectranSpectra – Polietileno de ultra alto peso molecular

Propiedades comunes:

Polímeros lineales

Moléculas rígidas: anillos aromáticos

Posibilidad de interacciones intra moleculares

Estructuras cristalinas

Fibras de alto desempeño mecánico

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Podrían desarrollarse super fibras a partir de celulosa?

Polímeros lineales

Moléculas rígidas: anillos aromáticos

Posibilidad de interacciones intra moleculares

Estructuras cristalinas

No aromática, pero si rígida

Cristalinidad depende del tipo de celulosa

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Biomimética

Arquitectura jerárquica de la seda:

Hojas β de nano cristales unidos por enlaces de hidrogeno, imbuidos en una proteína amorfa

Studart. Adv. Mater. 2012

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Nano celulosa

Zhang et al. J. Renew Mater, 2013

Nano estructuras de alta cristalinidad

La mayor relación de aspecto de las nano fibras (CNF) las hace mejor para la fabricación de fibras

Al no provenir de disolución, son compuestas de Celulosa I, en principio pueden permitir obtener mejores fibras que las de celulosa regenerada

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Hilado en húmedo de nano fibras

CNFs oxidadas fueron hiladas usando una jeringa, hacienda la coagulación en un baño de solvente, seguido de secado con aire

Resistencia a tracción: 275 +/- 14.7 MPa

Elongación máxima: 4 +/- 0.15%

Fibras no paralelas

Walther, et Al. Adv. Mater. 2011

Prof. Olli Ikkala

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Hilado en húmedo de nano fibras

Prof. Orlando Rojas

Optimización de proceso, condiciones adecuadas para hilado

1. Dispersión de nano fibras en agua

2. Alineamiento bajo flujo

3. Coagulación de estructura alineada

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Hilado en húmedo de nano fibras

Relación reología – formación de fibras

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Hilado hidrodinámico

Se usa el flujo para alinear las nano fibras.

Propiedades mecánicas comparables con viscosa comercial

Parámetro de orden hasta de 0.5

Håkanson, Nature Communications, 2014

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Hilado hidrodinámico

Håkanson, Tesis doctoral, 2015

Alineamiento en dos etapas.

Reduce taponamientos, mayor velocidad.

Parámetro de orden: 0,6

Agua para alinear “solución pasiva”

Líquido de coagulación

Nano filamentos compuestos

(nanotubos de carbon - nanofibras de celulosa)

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Hilado hidrodinámico en Aalto

Convergencia no perpendicular:

El arrastre inducido por flujo no perpendicular puede mejorar el alineamiento.

Reducción de díámetro gradual:

El incremento de aceleración durante coagulación es equivalente a estirado

Optimización de tamaño:

La longitud de la cámara requiere optimización para evitar relajación

Uso de impresión 3D

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Experiencia Finlandia

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Agradecimientos

• Grupo de Bio - coloides y materiales (BiCMat)/Universidad Aalto

• Acoltex/UPB organizadores del evento

• Todos ustedes por su asistencia y atención

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Preguntas?

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