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

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

2 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 Aalto 1

3 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 temperaturas Nanotecnología Comunicación en dispositivos móviles Procesamiento de madera Redes neuronales 2

4 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, 2015 http://wwf.panda.org/about_our_earth/about_freshwater/freshwater_problems/thirsty_crops/cotton/ 3

5 Uso de algodón Vs madera AlgodónMadera Uso de agua2000-20000 l/kg Impacto dependiente de lluvia 15 – 25 l/kg Pesticidas24% del uso mundialMínimos Fertilizantes11% del uso mundialMínimos Suelo3.5 acres/ton0.52 acres/ton CostoApprox 1500 euro/tonApprox 440 euro/ton Tecnología disponible Proceso industrialViscosa, proceso industrial Nuevos procesos en dllo FuentePlantaciónSostenible o no, depende de la fuente de madera Huella de carbono3.5 lb/lb fibra< 1 lb/lb fibra http://www.nrdc.org/living/stuff/choosing-between-organic-and-cotton-tencel.asp http://wwf.panda.org/about_our_earth/about_freshwater/freshwater_problems/thirsty_crops/cotton/ 4

6 Producción de celulosa regenerada 5

7 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 (H 2 S) 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 6

8 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 7

9 Diseños de Tuula Pöyhönen. Marimekko Helsinki, 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) 8

10 Kevlar - Polyaramide Zylon – PBO Vectran Spectra – 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 9

11 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 10

12 Biomimética 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 11

13 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 12

14 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 13

15 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 14

16 Hilado en húmedo de nano fibras Relación reología – formación de fibras 15

17 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 16

18 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) 17

19 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 18

20 Experiencia Finlandia 19

21 Agradecimientos Grupo de Bio - coloides y materiales (BiCMat)/Universidad Aalto Acoltex/UPB organizadores del evento Todos ustedes por su asistencia y atención 20

22 Preguntas? 21