Nanocelulosa: estado del arte, perspectivas y retos

Nanocelulosa: estado del arte, perspectivas y retos

Nanocellulose:

Resumen

La convergencia de las propiedades físicas y estructurales de las nanocelulosas y su biodegradabilidad, hacen este material un área muy promisoria dentro del campo de la nanotecnología, teniendo proyección como uno de los mayores éxitos comerciales en el desarrollo de química verde.

Palabras clave:

Nanocelulosa.

Microfibrillas.

NCC (inglés para celulosa nanocristalina)

Nanocelulosa bacteriana

Biodegrabilidad

materiales

Abstract:

The physical and structural properties convergence of nanocellulose and its biodegrability, enhance this material into a very important área inside de field of nanotechnology, having projection as one of the greatest comercial successes inside the development of Green chemistry.

Key words:

Nanocellulose

NCC

Microfibrils

Bacterial nanocellulose

Biodegrability

materials

ᵃEstudiante de pregrado en ingeniería química. Departamento de ingeniería química y ambiental, Facultad de ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. jechaparroa@unal.edu.co

b

c estudiante de pregrado en ingeniería mecánica. Departamento de ingeniería mecánica y mecatrónica, Facultad de ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. maucamargosan@unal.edu.co

Introducción

La celulosa es uno de los polímeros naturales formados a partir de recursos renovables más importantes y sostenibles que tienen como característica principal su biodegradabilidad, es una fuente de carbono con bajo riesgo medio ambiental y de manipulación, y con un impacto mínimo en la salud humana y animal. Es el polímero más abundante en el mundo, un tercio de todo el material vegetal es celulosa y se estima que es la sustancia orgánica más común (Seppälä, 2012). Debido a estas propiedades además de su bajo costo, biodegradabilidad, baja densidad y otras propiedades físicas y mecánicas resaltables, este material es tema de investigaciones exhaustivas y desarrollos con proyección a la nanotecnología. (Rebouillat, 2013)

Durante milenios la celulosa ha sido usada en la forma de madera o plantas vegetales como fuente de energía, material de construcción y vestimentas. Como materia prima para procesos químicos, la celulosa ha sido usada desde hace aproximadamente 150 años. Resaltándose entre los materiales derivados aquellos que incluyen esteres y éteres de celulosa. La reacción de celulosa con ácido nítrico fue llevada a cabo por la compañía manufacturera Hyatt por primera vez en 1870 para la producción de celuloide, el primer material polimérico termoplástico. La modificación industrial de celulosa deja un amplio rango de productos basados en celulosa a partir de la madera. (Sonakshi, Jayaramudu, Das, Reddy, & Sadiku, 2013) Entre los que se incluye la producción de pulpa y papel y la manufactura de fibras textiles sintéticas, que son el componente activo en láminas ópticas, productos alimenticios, farmacéuticos, cosméticos, aditivos en la construcción de materiales, etc. (Rebouillat, 2013)

Además, debido a la funcionalidad, durabilidad y uniformidad, su uso está en continuo crecimiento en otros dominios como lo son la conversión de celulosa a energía por intermedio de biocombustibles para la producción de etanol celulósico como una fuente de energía alternativa. Recientemente, tema que es tratado en esta revisión, el diseño de procesos usando nanoparticulas de celulosa para la generación de nuevos materiales basados en celulosa y sus compuestos es una clara tendencia. (Klemm, Schmauder, & Heinze, Cellulose, 2002) Como es usual la terminología en un nuevo campo es confusa, aunque el termino nanocelulosa cubre el rango de materiales derivados de la celulosa con al menos una dimensión en el rango de los nanómetros. (Dufresne, 2012).

La elucidación de la estructura polimérica de la celulosa puede ser fijada en 1920 y asociada al trabajo pionero de Staudinger (figura 1). Estos trabajos fueron la base para la ciencia polimérica en celulosa. Actualmente nuevos métodos que incluyen metodologías ya sean enzimáticas, químicas, físicas para su aislamiento desde madera y de residuos forestales o agrícolas.

Figura 1. Estructura química de la celulosa. (Klemm, Schmauder, & Heinze, Cellulose, 2002)

La celulosa es principalmente producida en plantas y madera como lino, remolacha y algodón. Aunque esta también es sintetizada a partir de algas, tunicados y bacterias. Otra fuente abundante de celulosa que es bastante utilizada son los residuos de agricultura, estos pueden ser obtenidos a bajo costo En comparación con la celulosa extraída de madera, la nanocelulosa bacteriana presenta mejores características, como mayor pureza, grado de polimerización, cristalinidad, contenido de agua y estabilidad mecánica. Así mismo las propiedades físicas y morfológicas de la celulosa nativa de paredes celulares en plantas son complejas y muy heterogéneas. (Rebouillat, 2013) Esto se debe principalmente a la síntesis con el rendimiento de las redes de nanofibras sin los otros componentes sintetizados generalmente durante la biosíntesis en madera o plantas (polisacáridos, lignina, etc.). (Mishra, Manent, Chabot, & Daneault, 2012)

Debido a las propiedades expuestas de la celulosa, su abundancia y relativa disponibilidad, cabe la pregunta cómo podría aprovecharse de una mejor manera. Un campo de interés creciente es la producción de fibras de celulosa en una nanoescala en diferentes formas: nanofibrillas, nanowhyskers o nanocelulosa bacteriana. Este tipo de celulosa en nanofibrillas es esperada como muy fuerte y además de ello tiene otras propiedades de interés como como su hidrofilia y sus propiedades reologicas.

En esta revisión se busca exponer algunas de las propiedades más importantes de los diferentes tipos de celulosa, los métodos de producción actual, y las perspectivas y retos, tanto desde el punto de vista medio ambiental como la implementación de procesos a gran escala para hacer viable el alcance que podría tener un material con propiedades tan deseables. La nanocelulosa es un ejemplo de un material natural renovable que permite el desarrollo de nuevos materiales funcionales, que igualan e incluso superan las propiedades exhibidas por los polímeros sintéticos actuales.

Nanocelulosas

Dependiendo de sus dimensiones, funciones y los métodos de preparación, que dependen así mismo de la fuente de celulosa y de las condiciones de procesamiento. Las nanocelulosas pueden ser clasificadas en 3 subcategorías. (Klemm, Kramer, & Mortiz, Nanocelluloses: A New family of Nature Based Materials, 2011). Esta clasificación no ha sido siempre uniformemente utilizada. Algunos términos están empezando a ser ampliamente utilizados y han llegado a generalizarse, se prevé que en el futuro con la reafirmación de la importancia del tema, así mismo la nomenclatura utilizada sea más consistente.

• Celulosa en microfibrillas

MFC, de sus siglas en inglés (Microfibrillated cellulose). Con múltiples fuentes de celulosa como madera, remolacha, papa y lino. Tiene un diámetro que puede variar entre 5-60 nm. Puede verse en comparación con los otros tipos de nanocelulosa en la figura 2.

Figura 2. Microfotografías en microscopio electrónico de transmisión de a) MFC y b) NCC; c) microfotografía de microscopio electrónico de barrido de BNC. (Klemm, Kramer, & Mortiz, Nanocelluloses: A New family of Nature Based Materials, 2011)

Es normalmente producida a partir de madera, con una homogenización a alta presión de las pulpas. La pulpa es producida desde la madera con un previo tratamiento químico. Según el tratamiento químico por donde sea obtenida la pulpa puede ser clasificada. Para su caracterización se requiere dimensionar el fibrilar y examinar la reologia de la solución resultante (Seppälä, 2012).

La formación de películas en este tipo de nanocelulosa se ha venido desarrollando desde 1998 por Taniguchi y Okamura, donde concluyen que eran más fuertes que el papel. Con unas propiedades interesantes en reologia y coloidales, hoy día hay pocas aplicaciones a una gran escala. Pero el esfuerzo reciente en el mejoramiento del proceso asociado ha llevado a que se piensen en algunas aplicaciones de nuevo. Entre estas se encuentran la aplicación en papel, para hacer más fuerte en papel o eventualmente con un recubrimiento a prueba de grasa. Las aplicaciones también pueden encontrarse en la formación de compuestos, como resinas termoestable y fibras reforzadas, como aditivo a pinturas, y algunas aplicaciones en las industrias de cosméticos y farmacéutica (Dufresne, 2012).

• Celulosa nanocristalina

NCC, por sus siglas en inglés (Nanocrystalline Cellulose). Este tipo de celulosa también es conocido por otros nombres como nanocristales de celulosa y whiskers. Las fuentes pueden ser múltiples tales como madera, algodón, celulosa bacteriana y algal, remolacha y lino. Los whiskers de tunicina, siendo también una fuente posible esta sustancia presente en los tunicados, son una fuente favorecida debido a su longitud y alta cristalinidad, aunque su uso extendido se ve restringido debido al alto costo de cultivo y su disponibilidad limitada. La madera debido a su abundancia natural, es una fuente clave de celulosa, como lo es el algodón debido a su disponibilidad extendida y el alto contenido de celulosa presente

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