18
Nanocelulosa

Nano Celulosa- Introduccion

  • Upload
    anahi

  • View
    98

  • Download
    6

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Introduccion al mundo de la nanocelulosa. Obtencion. caracteristicas. Procesos quimicos y destilacion.Bibliografia

Citation preview

Page 2: Nano Celulosa- Introduccion

Nanocelulose

Nanocelulosa se clasifica en tres tipos, microfibrillated cellulose (MFC), nanocrystalline cellulose (NCC) y bacterial cellulose (NBC). Es un material que consta de nanofibras de celulosa, que son una cadena de moléculas de celulosa de forma tubular alargada teniendo una marcada relación de aspecto longitud-diámetro. La tendencia o magnitud típica del diámetro es de 10 a 20 nanómetros y la de su longitud es de 10 veces o más la de su diámetro, esta propiedad geométrica de la molécula la hace muy sensible a diferentes campos de aplicación al tratarse de un polímero.La sustancia en gel tiene un comportamiento tixotrópico.

La nanocelulosa se extrae básicamente de cualquier fibra de celulosa como por ejemplo la pulpa de celulosa y puede presentarse de dos maneras, cristalina o aleatoria. Se obtiene a través de un proceso de homogeneización o sometimiento a altas presiones, que dado el caso la nanofibra será amorfa. Aquella obtenida a través de un proceso de hidrólisis ácida se denomina Nanocelulosa Cristalina([NCC] por sus siglas en inglés) y las cuales componen un material mucho más rígido que el obtenido por homogeneización.

Índice

1 Historia

2 Producción 3 Propiedades

o 3.1 Viscosidad

o 3.2 Propiedades Mecánicas

4 Aplicacioneso 4.1 Últimos Usos

o 4.2 Filtro

o 4.3 Biocombustibles

o 4.4 Papel

o 4.5 Alimentos

5 Referencias 6 Véase también

Historia

Page 3: Nano Celulosa- Introduccion

El término nanocellulose o Microfibrillated cellulose fue usado por primera vez en 1977, para designar un material gelatinoso translúcido, resultado de pasar pulpa de celulosa a través de un homogeneizador (llamado Gaulin type milk homogenizer para aquel entonces) y luego impactarla contra una superficie rígida. Dicho descubrimiento se le atribuyó al grupo de investigadores Turbak, Snyder y Sandberg que trabajaban en Whipanny, New Jersey para 'ITT Rayonier Labs'.1 2

A pesar de que en los años 1950 ya se aplicaban tratamientos de ultrasonido, hidrólisis, oxidación y también homogeneización para desintegrar estructuras de celulosa.3 Fue el grupo de Turbak el que dispuso el resultado de las investigaciones de manera que pudiera haber un interés industrial sobre el material.4

ProducciónLa producción de nanocelulosa se realiza generalmente a partir de la pulpa de celulosa de la madera a través de métodos de homogeneización (p.ej. homogenizadores ultrasónicos5 ) y reticulación,procesos a través de los cuales se obtiene una molécula amorfa.

Para la producción de Nanocelulosa cristalina se lleva a cabo el tratamiento de 'Hidrólisis ácida'. La fibra de celulosa natural consta de regiones amorfas y regiones cristalinas. Las regiones amorfas son menos densas que las cristalinas de manera tal que al someter el material natural a la fuerza de la hidrólisis ácida(que es mayor que la de la homogeneización y reticulación), las regiones amorfas se rompen liberando las moléculas cristalinas (NCC). Existen diferentes tipos de hidrólisis pero en general la relación de aspecto 'L/D'(longitud/Diámetro) de las nanocelulosas cristalinas cambian con respecto a la fuente natural de celulosa.6 7

Fuente Bacteriana Algodón Tunicado Ramie Sisal Valonia Madera

Longitud:Diámetro

2:100 10:30 15:42 5:30 20:167 50:100 20:100

Propiedades[editar]

Imagen de nanocelulosa carboxi-metilada sobre una superficie de óxido de Silicio

Viscosidad

Page 4: Nano Celulosa- Introduccion

Cuando la concentración de nanocelulosa es baja, la viscosidad es poca, también es muy sensible a las fuerzas cizallantes ya que la viscosidad se anula en la presencia de estas.

Propiedades Mecánicas

Las nanocelulosa cristalina con cierto grado de cristalinidad ha mostrado ser más resistente que el aluminio, más rígido que el kevlar, propiedades que también se ven mejoradas al elaborar películas de [NCC], que a su vez soportan mayores tensiones. La relación entre el peso y la resistencia es 8 veces más eficiente que elacero inoxidable, este material se postula para ser el reemplazo ecológico delgrafeno.8

AplicacionesLa celulosa es uno de los polímeros más abundantes del planeta pudiendo ser una de las respuestas ecológicas más eficientes para la crisis energética y otros problemas ambientales, las aplicaciones de la [NCC] van desde la elaboración de pantallas para dispositivos electrónicos hasta el cultivo de órganos.7 9

Últimos Usos

Para muchos de los siguientes usos solo se sabe que es posible, mas no se tiene certeza si se ha realizado de forma concreta o,por otro lado, no se ha efectuado dicho uso en forma masiva:10

En la elaboración de pantallas electrónicas flexibles, partes móviles para computadoras, armas livianas y vidrios blindados.

Reemplaza el material metálico en la fabricación de automóviles y todo tipo de plástico no orgánico ya que, no solo es mas ecológico, si no que posee mejores propiedades mecánicas.

En la elaboración de baterías que se recargan al ser dobladas.10

Por ser fuerte y ligero se puede elaborar un gel ultrabsorbente capaz de soportar 10 mil veces su propio peso, sustituyendo los tampones y toallas femeninas.11

Filtro

Así como el grafeno, la nanocelulosa puede filtrar todo tipo de líquidos, usándose así para filtrar transfusiones de sangre, sustancias químicas de los cigarrillos y generar agua potable incluso a partir de agua de mar.10 11

Biocombustibles

Combustibles con cero emisiones de dioxido de carbono , o cualquier otro gas contaminante.10

Papel

En la fabricación de papel la nanocelulosa crea enlaces fibra por fibra, generando un efecto de reforzamiento en los materiales de papelería.

Alimentos

La nanocelulosa se puede utilizar como un reemplazo bajo en calorías para los aditivos de hoy en día de hidratos de carbono utilizados como espesantes, portadores de aroma y estabilizadores de suspensión en una amplia variedad de productos alimenticios y es útil para la producción de rellenos, aplasta, chips, obleas, sopas, salsas, pudines, etc. La aplicaciones de alimentos fueron principios reconocidos como un campo de aplicación muy interesante para nanocelulosa debido al comportamiento reológico del gel nanocellulose.

Page 5: Nano Celulosa- Introduccion

Referencias

1. Volver arriba↑ Turbak, A.F., F.W. Snyder, and K.R. Sandberg Patent 4341807; Patent 4374702; Patent 4378381; Patent 445272; Patent 4452722; Patent 4464287; Patent 4483743; Patent 4487634; Patent 4500546

2. Volver arriba↑ Herrick, F.W.; R.L. Casebier, J.K. Hamilton, y K.R. Sandberg (1983). «Microfibrillated cellulose: morphology and accessibility». A. Sarko (ed.) Proceedings of the Ninth Cellulose Conference: 797–813. ISBN 0-471-88132-5.

3. Volver arriba↑ Chinga-Carrasco. Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils: The morphological sequence of MFC componentsfrom a plant physio logy and fibre technology point of view. Parámetro desconocido |name= ignorado (ayuda)

4. Volver arriba↑ Berglund, Lars (2005). «Cellulose-based nanocomposites». En A.K. Mohanty, M. Misra, and L. Drzal (Eds). Natural fibers, biopolymers and biocomposites. Boca Raton, Florida. pp. 807–832. ISBN 978-0-8493-1741-5.

5. Volver arriba↑ http://www.hielscher.com/ultrasonic-production-of-nano-structured-cellulose.htm.6. Volver arriba↑ Syverud, Kristin; kirsebom, Harald; Hajizadeh, Solmaz; Chinga-Carrasco, Gary. Cross-

linking cellulose nanofibrils for potential elastic cryo-structured gels. Nano Express.7. ↑ Saltar a:a b Turbak, A.F.; F.W. Snyder, y K.R. Sandberg (1983). «Microfibrillated cellulose, a new

cellulose product: Properties, uses and commercial potential». A. Sarko (ed.)Proceedings of the Ninth Cellulose Conference: 815–827.ISBN 0-471-88132-5.

8. Volver arriba↑ Newscientist Magazine (14 de diciembre de 2012). «Why wood pulp is world's new wonder material (Por que la pulpa de celulosa es el nuevo material milagroso?)» (en inglés). Consultado el 21 de abril de 2013.

9. Volver arriba↑ «Crean un material hecho a base de sol y aguaautor=La Nación». 12 de abril de 2013.10. ↑ Saltar a:a b c d «Conoce siete increíbles usos de la Nanocelulosa». 9 de abril de 2013.11. ↑ Saltar a:a b muyinteresante.com (12 de abril de 2013). «¿Que es la Nanocelulosa?».

Cinco usos revolucionarios de la nanocelulosa industrial

La nanocelulosa llegó hace poco al grupo de los materiales de origen natural que

están llamados a revolucionar la industria en las próximas décadas

Leer más:  Cinco usos revolucionarios de la nanocelulosa industrial. Noticias de Tecnología  http://goo.gl/uwdhD9

MATERIALES

Si hubiese que hacer un pódium de los materiales postulados para revolucionar

la industria en los próximos años, seguramente éste estaría ocupado por el

grafeno, los nanotubos de carbono (que es en esencia lo mismo que el

grafeno, es decir, átomos de carbono, pero organizados en cilindros en vez de

en láminas) y la nanocelulosa. Sus características únicas y sus potenciales

usos maravillan a los científicos y los ingenieros, y los responsables de los

Page 6: Nano Celulosa- Introduccion

procesos productivos están a la espera de que se logren producir con fiabilidad

y eficiencia en cantidades industriales.

De esos tres, la nanocelulosa cristalina es quizá la que más recientemente

ha aparecido en la escena de la actualidad, aunque igual que otros

supermateriales está presente de forma natural en el entorno desde siempre,

en este caso, en los árboles y las plantas. Es ligera, fuerte y rígida, y con un

alto coeficiente de resistencia respecto a su peso. Además, es estable en

cuanto a los cambios de temperatura, tiene propiedades ópticas interesantes

(es transparente) y se dilata poco con el calor. Por último, puesto que es una

derivada de la celulosa, que es una materia prima que producen las plantas en

grandísimas cantidades cada año, es intrínsecamente renovable y respetuosa

con el medio ambiente. 

En abril de 2013, científicos de la Universidad de Texas volvían a hacer sonar

la nanocelulosa con fuerza al anunciar que habían dado con la forma de

reducir los costes de producción, utilizando un determinado tipo de alga para

producir el material de forma natural, algo que hasta entonces no había sido

posible conseguir. Solo haría falta luz y agua. Si su propuesta termina siendo

un éxito, será posible obtener enormes cantidades de nanocelulosa a muy bajo

precio. Esto iría en línea con las predicciones de la Fundación Nacional

para la Ciencia estadounidense, que asegura que para el año 2020, la de la

nanocelulosa será una industria valorada en 600.000 millones de dólares

https://youtu.be/vxqbuOjWV2s

Transparente, ligera, resistente, fuerte y conductora de la electricidad, no son

pocos los que ya trabajan en cómo utilizar la nanocelulosa en el futuro, y estos

son algunos de esos potenciales usos:

1. Armaduras ligeras y súper resistentes

En busca de materiales más ligeros y resistentes, a la vez que transparentes

para uso militar, incluida la protección ocular y facial, científicos del ejército

estadounidense están buscando la froma de reforzar polímeros sintéticos con

nanocelulosa. Algunos de los materiales que se utilizan normalmente para esta

tarea, como la fibra de carbono o las cerámicas, suelen encarecer mucho el

Page 7: Nano Celulosa- Introduccion

proceso y alteran el polímero porque le quitan claridad y añaden algo de color.

La nanocelulosa podría sortear ambos obstáculos.

Además, su aspecto transparente también le da ventaja en este campo, puesto

que la hace perfecta para proteger vehículos o fabricar cascos a prueba de

impactos, por no mencionar los vidrios de comercios con mayor tendencia a

sufrir robos.

2. Coches más resistentes y eficientes

Según científicos de la Universidad de Maine, añadiendo solo un 10% de

nanocelulosa a la mezcla de un material compuesto cualquiera se consigue

aumentar la fuerza de la sustancia final hasta en un 70%, algo de lo que podría

beneficiarse entre otros el sector de los transportes, y la industria del automóvil

especialmente. 

Gracias a su ligereza, esto podría ocurrir sin que los coches aumentasen

excesivamente de peso, e incluso disminuyendo si la nanocelulosa sustituye a

Page 8: Nano Celulosa- Introduccion

otros materiales más pesados. De esta forma los vehículos no necesitarían

consumir más combustible para ser más resistentes y seguros.

3. Usos médicos y sanitarios

La nanocelulosa es altamente absorbente, porosa y se puede moldear al gusto.

Esto la hace perfecta para fabricar con ella productos absorbentes como

gasas, vendas o incluso tampones. Su carácter biodegradable es una ventaja

más para estos usos, así como para emplearla en pequeños implantes, como

recambios de válvulas cardiacas, ligamentos artificiales o piezas de

articulaciones.Sus aplicaciones en el campo de la medicina son tan prometedores que solo en este ámbito se calcula que tendrá un mercado de 97.000 millones de dólares en 2017

Por otra parte, su capacidad conductora la postula como un material idóneo para

fabricar membranas que luego se utilicen en procesos de filtrado como los

tratamientos de diálisis para enfermos del riñón. Sus aplicaciones en el campo

de la medicina son tan prometedores que solo en este ámbito se calcula que

tendrá un mercado de 97.000 millones de dólares en 2017.

Pero eso no es todo: combinando pequeñas cantidades de nanocelulosa con

agua, se forman hidrogeles muy estables que comparten muchas propiedades

con los tejidos humanos, lo que está dando pie a investigaciones sobre la

aplicación de medicamentos e incluso la ingeniería de tejidos y de órganos.

4. Esponjas para limpiar vertidos en el mar

Mezclando nanocelulosas con agua, se obtienen hidrogeles, pero

mezclándolas con otros componentes, todos juntos forman aerogeles, que son

una especie de esponja, capaces de resister de forma estable en el agua

durante más de 60 días.

Page 9: Nano Celulosa- Introduccion

Ya hay varios laboratorios en el mundo investigando esta propiedad del

supermaterial, que sería muy interesante por ejemplo para facilitar las tareas

de limpieza tras un vertido contaminante en el agua del mar.

5. Mejorar otros materiales como plásticos o papel

La nanocelulosa es un derivado de la celulosa, con la que se fabrica el papel y

el cartón. Añadiéndola a su composición, puede reforzar el entramado de fibras

que los componen y hacerlos más fuertes y resistentes, por ejemplo al agua o

Page 10: Nano Celulosa- Introduccion

a los impactos y el desgaste. Podría convertirse en un ingrediente interesante

para cajas y embalajes que deban resistir en exteriores, o que estén en

contacto con materiales grasos, por ejemplo, evitando que se rompan o

estropeen.

Por sus propiedades, también puede utilizarse para mejorar las cualidades

mecánicas de algunos plásticos, como la resina termoplástica o el látex,

haciéndolos más flexibles y resistentes. De hecho, científicos brasileños han

desarrollado un plástico que, empleando nanocelulosa extraída de plátanos,

resultó un 30% menos pesado pero cuatro veces más fuerte que el mismo

compuesto sin la nanocelulosa.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

El material "milagroso" hecho a base de sol y agua 10 abril 2013

Compartir

Malcom Brown (izq.) es un pionero en el campo de la nanocelulosa.

Es ocho veces más resistente que el acero inoxidable, transparente, ligero, conduce la electricidad y algunos aseguran que este material "maravilla", como lo llaman algunos, transformará la agricultura tal y como hoy la conocemos.

Hablamos de la nanocelulosa cristalina, un material que se obtiene a partir de la compresión de fibras vegetales o se cultiva usando microorganismos como las bacterias.

La nanocelulosa cristalina es considerada por algunos como una opción más ecológica y asequible que el publicitado grafeno, y sus aplicaciones incluyen la industria farmacéutica, cosmética, biocombustibles, plásticos y la electrónica.

Según estimaciones del gobierno estadounidense, en 2020 su producción moverá una industria de unos US$600.000 millones anuales.

Transformará la agricultura

Page 11: Nano Celulosa- Introduccion

Hasta hace poco una de las mayores preocupaciones de los adeptos a la nanocelulosa era cómo producirla en grandes cantidades y a un bajo costo, pero científicos creen que por fin han dado con la técnica para cultivar este material de forma abundante usando algas genéticamente modificadas.

El investigador Malcom Brown, profesor de biología de la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos, y uno de los pioneros en el mundo en este campo de investigación, explicó recientemente durante el Primer Simposio internacional de Nanocelulosa, cómo funcionaría el nuevo proceso.Tendremos plantas para producir nanocelulosa abundantemente y de forma barataMalcom Brown, biólogo

Se trata de un alga de la familia de las mismas bacterias que se usan para producir vinagre, conocidas también como cianobacterias. Unos organismos, que para su desarrollo sólo necesitan luz solar y agua, y que tendrían la ventaja de absorber el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera, causante del efecto invernadero.

"Si podemos completar los últimos pasos, habremos completado una de las mayores transformaciones potenciales de la agricultura jamás llevadas a cabo", dijo Brown.

"Tendremos plantas para producir nanocelulosa abundantemente y de forma barata. Puede convertirse en un material para la producción sostenible de biocombustibles y muchos otros productos".

Nanocelulosa cristalina

Se cree que el nuevo método tendría muchas aplicaciones en distintos campos de la ciencia.

La celulosa en sí es uno de los productos más abundantes del planeta, presente en muchos tipos de fibras vegetales. Pero en escala nano las propiedades de este material cambian por completo.

Como pasa con el grafito, material con el que se producen los nanotubos de grafeno (más resistentes que el diamante), en este caso la fibras nano de la celulosa pueden encadenarse en largas fibras, lo que se conoce como celulosa "nanocristalina".

El material resultante es tan resistente como el aluminio y puede usarse tanto para confeccionar chalecos de protección ultraligeros, como para pantallas de dispositivos electrónicos e incluso para cultivar órganos humanos.

Fábrica naturalAunque actualmente ya existen plantas dedicadas a la producción de nanocelulosa cristalina, los elevados costos de producción todavía frenan el crecimiento de esta industria.

Page 12: Nano Celulosa- Introduccion

La producción de este material generalmente entraña la compresión de fibra vegetal, o el cultivo de grandes tanques de bacterias, que tienen que ser alimentadas con costosos nutrientes.Pero ahora las investigaciones de Brown y su equipo, apuntan al uso de este alga azul-verdosa capaz de generar nanocelulosa naturalmente aunque en pequeñas cantidades. Por ello, el equipo plantea modificarla artificialmente, introduciendo genes de la bacteria Acetobacter xylinum usada para producir vinagre.

De este modo, el alga podría producir el material en grandes cantidades y sin necesidad de aportar nutriente alguno, más allá de suministrarle agua y exponerla a la luz del sol.

Hasta el momento, observó Brown, el equipo de investigación ha logrado que este alga cree una larga cadena de nanocelulosa, pero ahora trabajan para que el organismo sea capaz de producirla directamente en su estado cristalino, cuando es más estable y fuerte.

Este chip funciona y está fabricado con nanocelulosa

Page 13: Nano Celulosa- Introduccion

La basura electrónica es un problema importante que aún tenemos que resolver. La cantidad de

residuos procedentes de los dispositivos electrónicos que estamos acumulando globalmente es

una amenaza para el medioambiente, pero, afortunadamente, ya hay científicos trabajando en ello.

Con frecuencia una mejora relativamente pequeña puede marcar una diferencia importante a

gran escala, y esto es lo que parece defender Jack Ma, un profesor de ingeniería eléctrica e

informática en la Universidad de Wisconsin, y sus colegas.

El equipo dirigido por Ma ha conseguido fabricar chips de arseniuro de galio que, en vez de utilizar

las habituales obleas de silicio, recurren a una base de nanocelulosa, un material derivado de la

madera, y, por tanto, biodegradable. Precisamente, que pueda descomponerse en poco tiempo es

la clave para que, una vez que no resulten útiles, su materia sea «reciclada» por la propia

naturaleza y no represente una amenaza para el medio ambiente.

Rinden como los chips normales

La solución propuesta por Ma no elimina completamente el material semiconductor, como cabe

esperar, pero, según este investigador, reduce su presencia en un circuito nada menos que 5.000

veces. Además, la nanocelulosa es fácilmente descompuesta por los hongos comunes, y parece

que no deja ni rastro. Ahora podemos preguntarnos si un chip que utiliza nanocelulosa tiene las

mismas propiedades eléctricas, y, sobre todo, el mismo rendimiento que un chip normal. Según

Ma, sí, aunque parece que la respuesta a esta pregunta aún no es un sí rotundo.

Page 14: Nano Celulosa- Introduccion

Por el momento estos investigadores han conseguido fabricar chips de comunicaciones que

podrían ser integrados en dispositivos que utilizamos habitualmente, como smartphones o tablets,

y que rinden prácticamente igual que los chips convencionales. Pero que, como hemos visto,

contaminan mucho menos. Según Ma, esta estrategia también podría utilizarse en la fabricación de

las células fotovoltaicas de los paneles solares, y posiblemente en el futuro encuentren la forma de

aplicar esta tecnología a otros circuitos electrónicos, por lo que todo esto pinta bien.

Habitualmente cuando os hablamos de una innovación como esta solemos concluir el post

diciéndoos que la tecnología mencionada aún no ha salido del laboratorio. Pero este no es el caso.

Los investigadores responsables de estos chips con sustrato de nanocelulosa aseguran que su

tecnología está lista para ser aplicada a escala industrial. Otra cosa muy diferente es que los

fabricantes de dispositivos electrónicos decidan apostar por ella. Curiosamente, cabe la posibilidad

de que los primeros en optar por estos chips «de madera» sean los militares estadounidenses por

una razón: si alguno de sus dispositivos electrónicos cae en manos enemigas, se «autodestruirá»

pronto por sí solo.

Page 15: Nano Celulosa- Introduccion

Vía | MIT Technology Review

En Xataka | IBM ya tiene listos los procesadores más potentes conocidos gracias a su litografía de

7 nm