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nanocelulosa

Nanocelulosa es un término que hace referencia a una familia de materiales celulósicos que tienen al menos una de sus dimensiones en la nanoescala . Ejemplos de materiales nanocelulósicos son la celulosa microfibrilada , las nanofibras de celulosa o los nanocristales de celulosa . La nanocelulosa se puede obtener a partir de fibras de celulosa naturales mediante diferentes procesos de producción. Esta familia de materiales posee varias propiedades interesantes para una amplia gama de aplicaciones potenciales.

Terminología

Celulosa microfibrilada

La celulosa microfibrilada (MFC) es un tipo de nanocelulosa que es más heterogénea que las nanofibras o nanocristales de celulosa, ya que contiene una mezcla de partículas de escala nanométrica y micrométrica. A veces, el término se utiliza incorrectamente para referirse a las nanofibras de celulosa. [1] [2]

Nanofibras de celulosa

Las nanofibras de celulosa (CNF), también llamadas celulosa nanofibrilada (NFC), son fibrillas de celulosa de tamaño nanométrico con una alta relación de aspecto (relación largo-ancho). Los anchos típicos de las fibrillas son de 5 a 20 nanómetros con una amplia gama de longitudes, típicamente varios micrómetros .

Las fibrillas se pueden aislar de la celulosa natural, generalmente pulpa de madera, mediante homogeneización , trituración o microfluidización por impacto a alta presión, alta temperatura y alta velocidad (ver fabricación a continuación). [3] [4] [5]

Imagen TEM de CNC fabricados con celulosa de algodón

Nanocristales de celulosa (CNC o NCC)

Los nanocristales de celulosa (CNC), o celulosa nanocristalina (NCC), son nanopartículas altamente cristalinas en forma de varillas. [6] [7] Por lo general, están cubiertos por grupos cargados negativamente que los hacen coloidalmente estables en agua. Suelen ser más cortos que los CNF, con una longitud típica de 100 a 1000 nanómetros. [8]

Nanocelulosa bacteriana

Algunas bacterias productoras de celulosa también se han utilizado para producir materiales nanocelulósicos que luego se denominan nanocelulosa bacteriana . [9] Los ejemplos más comunes son Medusomyces gisevii (la bacteria involucrada en la fabricación de Kombucha ) y Komagataeibacter xylinus (implicada en la fabricación de Nata de coco ), ver celulosa bacteriana para más detalles. Esta distinción de nombres podría surgir de la morfología muy peculiar de estos materiales en comparación con los más tradicionales hechos de madera o celulosa de algodón. En la práctica, los materiales nanocelulósicos bacterianos suelen ser más grandes que sus homólogos de madera o algodón.

Historia de los materiales nanocelulósicos.

El descubrimiento de los materiales nanocelulósicos se remonta a estudios de finales de la década de 1940 sobre la hidrólisis de fibras de celulosa. [2] Finalmente se observó que la hidrólisis de la celulosa parecía ocurrir preferentemente en algunas porciones intercristalinas desordenadas de las fibras. [10] Esto condujo a la obtención de partículas de nanobarras coloidalmente estables y altamente cristalinas. [11] [12] [13] Estas partículas fueron inicialmente denominadas micelas, antes de recibir múltiples nombres, incluidos nanocristales de celulosa (CNC), celulosa nanocristalina (NCC) o (nano)bigotes de celulosa , aunque este último término se usa menos. hoy. [2] Estudios posteriores realizados por OA Battista demostraron que en condiciones de hidrólisis más suaves, las nanobarras cristalinas permanecen agregadas como objetos de tamaño micrométrico. [14] [15] Este material fue posteriormente denominado celulosa microcristalina (MCC) y comercializado con el nombre Avicel® por FMC Corporation . [dieciséis]

Gel de nanocelulosa (probablemente MFC de NFC)

La celulosa microfibrilada (MFC) fue descubierta más tarde, en la década de 1980, por Turbak, Snyder y Sandberg en los laboratorios ITT Rayonier en Shelton , Washington. [17] [18] [19] Esta terminología se utilizó para describir un material similar a un gel preparado pasando pulpa de madera a través de un homogeneizador de leche tipo Gaulin a altas temperaturas y altas presiones seguido de un impacto de expulsión contra una superficie dura. En un trabajo posterior, FW Herrick del laboratorio de la División de Investigación Oriental (ERD) de ITT Rayonier en Whippany también publicó un trabajo sobre cómo preparar el gel en forma de polvo seco. [20] [19] Rayonier, como empresa, nunca buscó la ampliación y otorgó licencia gratuita a quien quisiera dedicarse a este nuevo uso de la celulosa. [ cita necesaria ] Más bien, Turbak et al. Se persigue 1) encontrar nuevos usos para el MFC, incluido su uso como espesante y aglutinante en alimentos, cosméticos, formación de papel, textiles, telas no tejidas, etc. y 2) evaluar el hinchamiento y otras técnicas para reducir los requisitos de energía para la producción de MFC. [21] La primera planta piloto de producción de MFC fue establecida en 2010 por Innventia AB (Suecia). [22]

Fabricar

Fuentes de celulosa

Los materiales de nanocelulosa se pueden preparar a partir de cualquier fuente de celulosa natural, incluida la madera , el algodón , los desechos agrícolas [23] o domésticos, [24] algas , [25] bacterias o tunicados . La madera , en forma de pulpa de madera, es actualmente el material de partida más utilizado para la producción industrial de materiales nanocelulósicos.

MFC y CNF

Las fibrillas de nanocelulosa (MFC y CNF) se pueden aislar de las fibras de celulosa mediante métodos mecánicos que exponen las fibras a altas fuerzas de cizallamiento, deslaminándolas en nanofibras. Para ello se pueden utilizar homogeneizadores, trituradores o microfluidizadores de alta presión. [ cita necesaria ] Este proceso consume grandes cantidades de energía y valores superiores a 30 MWh/ tonelada no son infrecuentes. [ cita necesaria ]

Para abordar este problema, a veces se utilizan pretratamientos enzimáticos/mecánicos y la introducción de grupos cargados, por ejemplo mediante carboximetilación u oxidación mediada por TEMPO . [26] Estos pretratamientos pueden reducir el consumo de energía por debajo de 1 MWh/tonelada. [ cita necesaria ] La "nitrooxidación" se ha desarrollado para preparar nanofibras de carboxicelulosa directamente a partir de biomasa vegetal cruda. Debido a que hay menos pasos de procesamiento para extraer nanocelulosa, se ha descubierto que el método de nitrooxidación es un método rentable, menos orientado químicamente y eficiente para extraer nanofibras de carboxcelulosa. [27] [28] Se ha descubierto que las nanofibras funcionalizadas obtenidas mediante nitrooxidación son un excelente sustrato para eliminar impurezas de iones de metales pesados ​​como plomo , [29] cadmio , [30] y uranio . [31]

Se ha demostrado un proceso quimiomecánico para la producción de nanocelulosa a partir de borra de algodón con una capacidad de 10 kg por día. [32]

CNC

Los CNC se forman mediante la hidrólisis ácida de fibras de celulosa nativas, utilizando más comúnmente ácido sulfúrico o clorhídrico . Las secciones desordenadas de celulosa nativa se hidrolizan y, después de una cuidadosa sincronización, las secciones cristalinas restantes se pueden recuperar de la solución ácida mediante centrifugación y diálisis contra agua. Sus dimensiones finales dependen de la fuente de celulosa, su historia, las condiciones de hidrólisis y los procedimientos de purificación. [33] Los CNC son comercializados por varias empresas que utilizan diferentes fuentes y procesos, lo que da lugar a una gama de productos disponibles. [34] [35]

Otras nanopartículas a base de celulosa

Las nanopartículas de carboxicelulosa de forma esférica preparadas mediante tratamiento con ácido nítrico y ácido fosfórico son estables en dispersión en su forma no iónica. [36]

Estructura y propiedades

Imagen de altura AFM de nanocelulosa carboximetilada adsorbida sobre una superficie de sílice. El área de superficie escaneada es de 1 μm 2 .

Dimensiones y cristalinidad.

Se ha estudiado ampliamente la ultraestructura de la nanocelulosa derivada de diversas fuentes. Técnicas como microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), dispersión de rayos X de gran ángulo (WAXS), difracción de rayos X con ángulo de incidencia pequeño y magia de polarización cruzada de 13 C en estado sólido. Se han utilizado giro angular (CP/MAS), resonancia magnética nuclear (RMN) y espectroscopia para caracterizar la morfología de nanocelulosa típicamente seca. [ cita necesaria ]

Una combinación de técnicas microscópicas con análisis de imágenes puede proporcionar información sobre el ancho de las fibrillas; es más difícil determinar la longitud de las fibrillas debido a los enredos y las dificultades para identificar ambos extremos de las nanofibrillas individuales. [37] [38] [ página necesaria ] Además, las suspensiones de nanocelulosa pueden no ser homogéneas y pueden constar de varios componentes estructurales, incluidas nanofibrillas de celulosa y haces de nanofibrillas. [39]

En un estudio de fibrillas de nanocelulosa pretratadas enzimáticamente en una suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños se establecieron mediante crio-TEM. Se encontró que las fibrillas estaban bastante monodispersas, en su mayoría con un diámetro de ca. 5 nm, aunque ocasionalmente se encontraban haces de fibrillas más gruesos. [40] Al combinar la ultrasonicación con un "pretratamiento de oxidación", el AFM ha observado microfibrillas de celulosa con una dimensión lateral inferior a 1 nm. El extremo inferior de la dimensión del espesor es de aproximadamente 0,4 nm, que está relacionado con el espesor de una lámina monocapa de celulosa. [41]

Los anchos de los agregados se pueden determinar mediante CP/MAS NMR desarrollado por Innventia AB , Suecia, que también ha demostrado que funciona con nanocelulosa (pretratamiento enzimático). Se midió una anchura media de 17 nm con el método de RMN, que se corresponde bien con SEM y TEM. Utilizando TEM, se han informado valores de 15 nm para nanocelulosa procedente de pulpa carboximetilada. Sin embargo, también se pueden detectar fibrillas más delgadas. Wågberg et al. informaron anchos de fibrillas de 5 a 15 nm para una nanocelulosa con una densidad de carga de aproximadamente 0,5 meq./g. [42] El grupo de Isogai informó anchos de fibrillas de 3 a 5 nm para celulosa oxidada con TEMPO que tiene una densidad de carga de 1,5 meq./g. [43]

La química de la pulpa tiene una influencia significativa en la microestructura de la nanocelulosa. La carboximetilación aumenta el número de grupos cargados en las superficies de las fibrillas, lo que hace que las fibrillas sean más fáciles de liberar y da como resultado anchos de fibrillas más pequeños y uniformes (5 a 15 nm) en comparación con la nanocelulosa pretratada enzimáticamente, donde los anchos de fibrillas eran de 10 a 30 nm. . [44] El grado de cristalinidad y estructura cristalina de la nanocelulosa. La nanocelulosa exhibe una organización de cristal de celulosa I y el grado de cristalinidad no cambia con la preparación de la nanocelulosa. Los valores típicos para el grado de cristalinidad rondaron el 63%. [44]

Viscosidad

Se ha investigado la reología de las dispersiones de nanocelulosa. [45] [40] y reveló que el módulo de almacenamiento y pérdida era independiente de la frecuencia angular en todas las concentraciones de nanocelulosa entre 0,125% y 5,9%. Los valores del módulo de almacenamiento son particularmente altos (104 Pa a una concentración del 3%) [40] en comparación con los resultados de los CNC (102 Pa a una concentración del 3%). [45] También existe una fuerte dependencia de la concentración, ya que el módulo de almacenamiento aumenta 5 órdenes de magnitud si la concentración aumenta del 0,125% al ​​5,9%. Los geles de nanocelulosa también se diluyen mucho (la viscosidad se pierde al introducir las fuerzas de corte). El comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento es particularmente útil en una variedad de aplicaciones de recubrimiento diferentes. [40]

Es pseudoplástico y presenta tixotropía , propiedad de ciertos geles o fluidos que son espesos (viscosos) en condiciones normales, pero que se vuelven menos viscosos cuando se sacuden o se agitan. Cuando se eliminan las fuerzas de corte, el gel recupera gran parte de su estado original.

Propiedades mecánicas

La celulosa cristalina tiene una rigidez de entre 140 y 220 GPa, comparable a la del Kevlar y mejor que la de la fibra de vidrio, ambas utilizadas comercialmente para reforzar plásticos. Las películas hechas de nanocelulosa tienen alta resistencia (más de 200  MPa ), alta rigidez (alrededor de 20  GPa ) [46] pero carecen de alta deformación [ se necesita aclaración ] (12%). Su relación resistencia/peso es 8 veces mayor que la del acero inoxidable. [47] Las fibras hechas de nanocelulosa tienen alta resistencia (hasta 1,57 GPa) y rigidez (hasta 86 GPa). [48]

Propiedades de barrera

En los polímeros semicristalinos, las regiones cristalinas se consideran impermeables a los gases. Debido a la cristalinidad relativamente alta, [44] en combinación con la capacidad de las nanofibras para formar una red densa unida por fuertes enlaces interfibrilares (alta densidad de energía cohesiva), se ha sugerido que la nanocelulosa podría actuar como un material de barrera. [43] [49] [50] Aunque el número de valores de permeabilidad al oxígeno informados es limitado, los informes atribuyen altas propiedades de barrera al oxígeno a las películas de nanocelulosa. Un estudio informó una permeabilidad al oxígeno de 0,0006 (cm 3  μm)/(m 2  día kPa) durante ca. Película de nanocelulosa fina de 5 μm a 23 °C y 0% RH. [49] En un estudio relacionado, se informó una disminución de más de 700 veces en la permeabilidad al oxígeno de una película de polilactida (PLA) cuando se agregó una capa de nanocelulosa a la superficie de PLA. [43]

Se ha explorado la influencia de la densidad y la porosidad de la película de nanocelulosa sobre la permeabilidad al oxígeno de la película. [51] Algunos autores han informado de una porosidad significativa en películas de nanocelulosa, [52] [46] [53], lo que parece estar en contradicción con las altas propiedades de barrera al oxígeno, mientras que Aulin et al. [49] midieron la densidad de una película de nanocelulosa cercana a la densidad de la celulosa cristalina (estructura cristalina de celulosa Iß, 1,63 g/cm 3 ) [54], lo que indica una película muy densa con una porosidad cercana a cero.

Cambiar la funcionalidad de la superficie de la nanopartícula de celulosa también puede afectar la permeabilidad de las películas de nanocelulosa. Las películas constituidas por CNC con carga negativa podrían reducir eficazmente la permeación de iones cargados negativamente, sin afectar prácticamente a los iones neutros. Se encontró que los iones cargados positivamente se acumulaban en la membrana. [55]

La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica es uno de los métodos para estudiar las propiedades de barrera de la nanocelulosa natural, modificada o recubierta. La calidad de las diferentes formulaciones de barrera antiincrustante, humedad, solvente y antimicrobiana se puede medir a nanoescala. La cinética de adsorción y el grado de hinchamiento se pueden medir en tiempo real y sin etiquetas. [56] [57]

Cristales líquidos, vidrios coloidales e hidrogeles.

Debido a su forma anisotrópica y carga superficial, las nanocelulosas (en su mayoría CNC rígidas) tienen un alto volumen excluido y se autoensamblan en cristales líquidos colestéricos más allá de una fracción de volumen crítica. [58] Los cristales líquidos de nanocelulosa son zurdos debido al giro hacia la derecha en el nivel de las partículas. [59] El comportamiento de la fase de nanocelulosa es susceptible a la detección de carga iónica . Un aumento de la fuerza iónica induce la detención de las dispersiones de nanocelulosa en vidrios atractivos. [60] Al aumentar aún más la fuerza iónica, las nanocelulosas se agregan en hidrogeles . [61] Las interacciones dentro de las nanocelulosas son débiles y reversibles, por lo que las suspensiones de nanocelulosa y los hidrogeles son autocurativos y pueden aplicarse como materiales inyectables [62] o tintas de impresión 3D . [63]

Espumas y aerogeles a granel

La nanocelulosa también se puede utilizar para fabricar aerogeles /espumas, ya sea de forma homogénea o en formulaciones compuestas. Se están estudiando espumas a base de nanocelulosa para aplicaciones de embalaje con el fin de reemplazar las espumas a base de poliestireno . Svagan et al. demostró que la nanocelulosa tiene la capacidad de reforzar las espumas de almidón mediante el uso de una técnica de liofilización. [64] La ventaja de utilizar nanocelulosa en lugar de fibras de pulpa de madera es que las nanofibrillas pueden reforzar las células delgadas de la espuma de almidón. Además, es posible preparar aerogeles de nanocelulosa pura aplicando diversas técnicas de liofilización y CO supercrítico.
2Técnicas de secado. Se pueden utilizar aerogeles y espumas como plantillas porosas. [65] [66] Sehaqui et al. estudiaron espumas resistentes de porosidad ultraalta preparadas a partir de suspensiones de nanofibrillas de celulosa I. Se obtuvo una amplia gama de propiedades mecánicas, incluida la compresión, controlando la densidad y la interacción de las nanofibrillas en las espumas. [67] También se podrían hacer que los CNC se gelifiquen en agua mediante sonicación de baja potencia, dando lugar a aerogeles con la mayor superficie reportada (>600 m2/g) y la menor contracción durante el secado (6,5%) de los aerogeles de celulosa. [66] En otro estudio realizado por Aulin et al., [68] se demostró la formación de aerogeles porosos estructurados de nanocelulosa mediante liofilización. La densidad y la textura de la superficie de los aerogeles se ajustaron seleccionando la concentración de las dispersiones de nanocelulosa antes de la liofilización. Se utilizó la deposición química de vapor de un silano fluorado para recubrir uniformemente el aerogel y ajustar sus propiedades humectantes hacia líquidos/aceites no polares. Los autores demostraron que es posible cambiar el comportamiento de humectabilidad de las superficies de celulosa entre súper humectante y súper repelente, utilizando diferentes escalas de rugosidad y porosidad creadas por la técnica de liofilización y el cambio de concentración de la dispersión de nanocelulosa. Sin embargo, también se pueden obtener espumas de celulosa porosa estructurada utilizando la técnica de liofilización de celulosa generada por cepas de bacterias Gluconobacter , que biosintetizan redes porosas abiertas de fibras de celulosa con cantidades relativamente grandes de nanofibrillas dispersas en su interior. Olsson et al. [69] demostraron que estas redes pueden impregnarse aún más con precursores de hidróxido/óxido metálico, que pueden transformarse fácilmente en nanopartículas magnéticas injertadas a lo largo de las nanofibras de celulosa. La espuma de celulosa magnética puede permitir una serie de aplicaciones novedosas de nanocelulosa y se informaron las primeras súper esponjas magnéticas accionadas remotamente que absorben 1 gramo de agua dentro de una espuma de aerogel de celulosa de 60 mg. En particular, estas espumas altamente porosas (>98% de aire) se pueden comprimir en nanopapeles magnéticos fuertes, que pueden usarse como membranas funcionales en diversas aplicaciones.

Emulsiones y espumas Pickering.

Las nanocelulosas pueden estabilizar emulsiones y espumas mediante un mecanismo de Pickering , es decir, se adsorben en la interfaz aceite-agua o aire-agua y evitan su contacto energético desfavorable. Las nanocelulosas forman emulsiones de aceite en agua con un tamaño de gota en el rango de 4 a 10 μm que son estables durante meses y pueden resistir altas temperaturas y cambios de pH. [70] [71] Las nanocelulosas disminuyen la tensión de la interfaz aceite-agua [72] y su carga superficial induce la repulsión electrostática dentro de las gotas de emulsión. Tras el cribado de carga inducida por sal, las gotas se agregan pero no se fusionan , lo que indica una fuerte estabilización estérica. [73] Las gotas de emulsión incluso permanecen estables en el estómago humano y resisten la lipólisis gástrica , retrasando así la absorción de lípidos y la saciedad. [74] [75] A diferencia de las emulsiones, las nanocelulosas nativas generalmente no son adecuadas para la estabilización Pickering de espumas, lo que se atribuye a sus propiedades superficiales principalmente hidrófilas que resultan en un ángulo de contacto desfavorable por debajo de 90° (preferiblemente están humedecidas por el Fase acuosa). [76] Utilizando modificaciones de superficie hidrófobas o injertos de polímeros, se puede aumentar la hidrofobicidad de la superficie y el ángulo de contacto de las nanocelulosas, permitiendo también la estabilización Pickering de las espumas. [77] Al aumentar aún más la hidrofobicidad de la superficie, se pueden obtener emulsiones inversas de agua en aceite, lo que denota un ángulo de contacto superior a 90°. [78] [79] Se demostró además que las nanocelulosas pueden estabilizar emulsiones agua en agua en presencia de dos polímeros solubles en agua incompatibles. [80]

Placa de nanofibras de celulosa (CNFP)

Se puede utilizar un enfoque de abajo hacia arriba para crear un material a granel de alto rendimiento con baja densidad, alta resistencia y tenacidad, y una gran estabilidad térmica dimensional. El hidrogel de nanofibras de celulosa se crea mediante biosíntesis. Luego, los hidrogeles se pueden tratar con una solución de polímero o mediante modificación de la superficie y luego se prensan en caliente a 80 °C. El resultado es un material a granel con una excelente maquinabilidad. "La estructura de red de nanofibras ultrafinas en CNFP da como resultado enlaces de hidrógeno más extensos, una alta orientación en el plano y "puntos de ramificación de tres vías" de las redes de microfibrillas". [81] Esta estructura le da al CNFP su alta resistencia al distribuir la tensión y agregar barreras a la formación y propagación de grietas. El eslabón débil de esta estructura es la unión entre las capas prensadas, lo que puede provocar delaminación. Para reducir la delaminación, el hidrogel se puede tratar con ácido silícico, que crea fuertes enlaces cruzados covalentes entre las capas durante el prensado en caliente. [81]

Modificacion superficial

La modificación de la superficie de la nanocelulosa está recibiendo actualmente gran atención. [82] La nanocelulosa muestra una alta concentración de grupos hidroxilo en la superficie que pueden reaccionar. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno afectan fuertemente la reactividad de los grupos hidroxilo de la superficie. Además, las impurezas en la superficie de la nanocelulosa, como fragmentos de glucosídicos y lignina, deben eliminarse antes de la modificación de la superficie para obtener una reproducibilidad aceptable entre diferentes lotes. [83]

Aspectos de seguridad

El procesamiento de nanocelulosa no causa una exposición significativa a partículas finas durante el pulido por fricción o el secado por aspersión. No se puede observar evidencia de efectos inflamatorios o citotoxicidad en macrófagos humanos o de ratones después de la exposición a la nanocelulosa. Los resultados de los estudios de toxicidad sugieren que la nanocelulosa no es citotóxica y no provoca ningún efecto sobre el sistema inflamatorio de los macrófagos. Además, la nanocelulosa no es extremadamente tóxica para Vibrio fischeri en concentraciones ambientalmente relevantes. [84]

A pesar de la intensificación de la investigación sobre alimentos orales o formulaciones farmacéuticas que contienen nanocelulosas, en general no se reconoce que sean seguras . Se demostró que las nanocelulosas exhiben toxicidad y estrés oxidativo limitados en el epitelio intestinal in vitro [85] [86] [87] o en modelos animales. [88] [89] [90]

Aplicaciones potenciales

Nanocristales de celulosa autoorganizados en lentejuelas bioiridiscentes.

Las propiedades de la nanocelulosa (por ejemplo, propiedades mecánicas, propiedades de formación de película, viscosidad, etc.) la convierten en un material interesante para muchas aplicaciones. [91]

Nanocristales de celulosa autoorganizados en partículas de pigmentos brillantes RGB.
Tabla de reciclaje de nanocelulosa [92]
Electrónica de GaAs sobre sustrato de nanocelulosa [93]

Papel y cartón

Célula solar flexible sobre sustrato de nanocelulosa

En el área de la fabricación de papel y cartón, se espera que las nanocelulosas mejoren la resistencia de la unión fibra-fibra y, por lo tanto, tengan un fuerte efecto de refuerzo en los materiales de papel. [94] [95] [96] La nanocelulosa puede ser útil como barrera en papeles resistentes a la grasa y como aditivo de extremo húmedo para mejorar la retención y la resistencia en seco y en húmedo en productos básicos de papel y cartón. [97] [98] [99] [100] Se ha demostrado que la aplicación de CNF como material de recubrimiento en la superficie del papel y cartón mejora las propiedades de barrera, especialmente la resistencia al aire [101] y la resistencia a la grasa/aceite. [101] [102] [97] También mejora las propiedades estructurales de los cartones (superficie más lisa). [103] La viscosidad muy alta de las suspensiones de MFC/CNF con bajo contenido de sólidos limita el tipo de técnicas de recubrimiento que se pueden utilizar para aplicar estas suspensiones sobre papel/cartón. Algunos de los métodos de recubrimiento utilizados para la aplicación de superficies de MFC sobre papel/cartón han sido el recubrimiento con varilla, [98] prensa de tamaño, [102] recubrimiento por aspersión, [104] recubrimiento de espuma [105] y recubrimiento con ranura. [101] También se está explorando la aplicación de pigmentos minerales y mezclas de MFC en la superficie húmeda para mejorar las propiedades de barrera, mecánicas y de impresión del cartón. [106]

La nanocelulosa se puede utilizar para preparar papel flexible y ópticamente transparente. Este tipo de papel es un sustrato atractivo para dispositivos electrónicos porque es reciclable, compatible con objetos biológicos y se biodegrada fácilmente . [93]

Compuesto

Como se describió anteriormente, las propiedades de la nanocelulosa la convierten en un material interesante para reforzar plásticos. La nanocelulosa se puede hilar para formar filamentos que son más fuertes y rígidos que la seda de araña. [48] ​​[107] Se ha informado que la nanocelulosa mejora las propiedades mecánicas de resinas termoestables, matrices a base de almidón , proteína de soja , látex de caucho y poli(lactida) . Los compuestos híbridos de nanofibrillas de celulosa y minerales arcillosos presentan interesantes propiedades mecánicas, de barrera a los gases y retardantes del fuego. [108] Las aplicaciones compuestas pueden ser para uso como recubrimientos y películas, [109] pinturas, espumas y embalajes.

Alimento

La nanocelulosa se puede utilizar como sustituto bajo en calorías de los aditivos de carbohidratos utilizados como espesantes, portadores de sabor y estabilizadores de suspensión en una amplia variedad de productos alimenticios. [110] Es útil para producir rellenos, triturados, chips, obleas, sopas, salsas, pudines, etc. Las aplicaciones alimentarias surgen del comportamiento reológico del gel de nanocelulosa.

Productos de higiene y absorbentes.

Las aplicaciones en este campo incluyen: material superabsorbente de agua (por ejemplo, para material de compresas para incontinencia), nanocelulosa utilizada junto con polímeros superabsorbentes, nanocelulosa en tejidos, productos no tejidos o estructuras absorbentes y como películas antimicrobianas. [ cita necesaria ]

Emulsión y dispersión

La nanocelulosa tiene aplicaciones potenciales en el área general de aplicaciones de emulsión y dispersión en otros campos. [111] [112]

Médico, cosmético y farmacéutico.

Se ha sugerido el uso de nanocelulosa en cosmética y farmacia:

Electrónica de base biológica y almacenamiento de energía.

La nanocelulosa puede allanar el camino para un nuevo tipo de "electrónica de base biológica" en la que los materiales interactivos se mezclan con nanocelulosa para permitir la creación de nuevas fibras, películas, aerogeles, hidrogeles y papeles interactivos. [114] Por ejemplo, la nanocelulosa mezclada con polímeros conductores como PEDOT:PSS muestra efectos sinérgicos que resultan en una extraordinaria [115] conductividad electrónica e iónica mixta , que es importante para aplicaciones de almacenamiento de energía . Los filamentos hilados a partir de una mezcla de nanocelulosa y nanotubos de carbono muestran buena conductividad y propiedades mecánicas. [116] Los aerogeles de nanocelulosa decorados con nanotubos de carbono se pueden construir en dispositivos supercondensadores 3D comprimibles y robustos . [117] [118] Las estructuras de nanocelulosa se pueden convertir en generadores triboeléctricos de base biológica [119] y sensores .

En abril de 2013, los avances en la producción de nanocelulosa mediante algas fueron anunciados en una conferencia de la Sociedad Química Estadounidense, por el orador R. Malcolm Brown, Jr., Ph.D, quien ha sido pionero en la investigación en este campo durante más de 40 años, habló en el Primer Simposio Internacional sobre Nanocelulosa, parte de la reunión de la American Chemical Society. Genes de la familia de bacterias que producen vinagre, té de Kombucha y nata de coco se han convertido en estrellas de un proyecto, que según los científicos ha llegado a una etapa avanzada, que convertiría las algas en fábricas alimentadas por energía solar para producir el "material maravilloso" nanocelulosa. [9]

Materiales coloreados de base biológica

Los nanocristales de celulosa han demostrado la posibilidad de autoorganizarse en estructuras nemáticas quirales [120] con colores iridiscentes que dependen del ángulo. De este modo, es posible fabricar pigmentos y brillos totalmente de origen biológico, películas que incluyen lentejuelas con un brillo metálico y una huella pequeña en comparación con las alternativas de origen fósil.

Otras aplicaciones potenciales

Materiales relacionados

La nanoquitina es similar en su nanoestructura a los nanocristales de celulosa pero se extrae de la quitina.

Ver también

Referencias

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