Fibras celulósicas de alto desempeño basadas en hilado de NFC Julio C. Arboleda Universidad Aalto – Colorquímica S.A. Sept 10 de 2015
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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