Acceder
imagen3022

Pulpa de madera, la nueva maravilla

La celulosa es un material que se conoce desde hace tiempo. Se extrae de la madera para hacer papel, es la base de celofán, y en los últimos años los científicos de materiales la han venido utilizando en el desarrollo nuevos materiales plásticos, básicamente como material de relleno barato. Esto ahora ha cambiado.

Porque ahora, la celulosa el material de moda; ligera, fuerte y conduce la electricidad. La denominada Celulosa Nanocristalina (NCC, en sus siglas en inglés) se obtiene al procesar la pulpa de la madera, y está siendo aclamada como la última maravilla en materiales. La japonesa Pioneer Electronics la utilizará en la próxima generación de pantallas electrónicas flexibles, IBM la utiliza para crear componentes para ordenadores, e incluso el ejército de EEUU  la utiliza para hacer chalecos antibala ligeros y vidrio balístico.

Lars Berglund, investigador del Real Instituto Sueco de Tecnología en Estocolmo (Suecia), presentó en 2008 un nuevo super-papel, más fuerte que el hierro fundido. “Este nuevo papel”, comentó Berglund a la revista New Scientist, “podría utilizarse para reforzar el papel convencional, producir cinta adhesiva extra-fuerte o ayudar a crear fuertes reemplazos sintéticos para tejidos biológicos”. Este nuevo papel se produce también a partir de la celulosa, una larga molécula de azúcar que es un componente principal de las paredes celulares de las plantas y es el compuesto orgánico más común en la Tierra. La madera está compuesta típicamente alrededor de la mitad de celulosa, mezclado con otros compuestos estructurales.

Soporte en red

En las paredes celulares de las plantas, las moléculas individuales de celulosa se unen para producir fibras de unos 20 nanómetros de diámetro, 5.000 veces más finas que un cabello humano. Estas fibras forman unas resistentes redes que proporcionan soporte estructural a las paredes celulares. “Las nanofibras de celulosa son el refuerzo principal en todas las estructuras de la planta y se caracterizan por dimensiones nanométricas, alta resistencia y tenacidad” apuntó Berglund.

Sin embargo, los procesos mecánicos utilizados para obtener pulpa de madera y procesarla para fabricar papel dañan las fibras de celulosa individuales, reduciendo enormemente su fuerza; Berglund y sus colegas han desarrollado un proceso más suave que preserva la fuerza de las fibras.

El nuevo método consiste en descomponer primero la celulosa con enzimas, y después fragmentarla con un batidor mecánico. Las fuerzas de cizalla producen la desintegración suave de la celulosa en las fibras que la componen. El producto final son fibras de celulosa no dañadas en suspensión en agua. Berglund vio que al drenar el agua las fibras se unen en redes mediante enlaces de hidrógeno, formando láminas planas de “nanopapel”.

Los ensayos mecánicos muestran que el material tiene una resistencia a la tracción de 214 megapascales, por lo que es más fuerte que el hierro fundido (130 MPa) y casi tan fuerte como el acero estructural (250 MPa). El papel normal tiene una resistencia a la tracción de menos de 1 MPa. Los ensayos utilizaron tiras de 40 milímetros de largo por 5 mm de ancho y unos 50 micrómetros de espesor.

Estructuras que disipan el estrés

El secreto del rendimiento del nanopapel no sólo es la resistencia de las fibras de celulosa no dañadas, sino también la forma en que se organizan en redes. Aunque fuertemente unidas entre sí, las fibras son todavía capaces de patinar y deslizarse unas sobre otras para disipar tensiones y deformaciones.

Las fibras de celulosa individuales son asimismo mucho más pequeñas que en el papel convencional. “Una red de fibras de papel normal tiene 30 micrómetros de diámetro, aquí nos encontramos en una escala de tres órdenes de magnitud más pequeñas“, explica Berglund. “El material tiene defectos muy pequeños en comparación con un documento de la red convencional.”

Producción a escala industrial

De la importancia del “nuevo” material da fe la inauguración el pasado 26 de julio en Madison (Wisconsin, EEUU) de la  primera fábrica de NCC en EEUU, en lo que marca el surgimiento de lo que la US National Science Foundation prevé se convertirá en una industria de 600 mil millones de dólares para 2020.

La celulosa nanocristalina, transparente, está hecha de una matriz totalmente llena de cristales aciculares que tienen una relación resistencia-peso ocho veces mejor que el acero inoxidable. Y además, es un material increíblemente barato.

Es la versión natural y renovable del nanotubo de carbono a una fracción del precio“, afirma Jeff Youngblood, del Instituto NanoForestry de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana. La nueva fábrica, que ha costado 1,7 millones de dólares, es propiedad del Servicio Forestal de los EEUU y producirá dos tipos de NCC: cristales y fibrillas.

Lo bueno de este material es que es tan abundante que no es necesario fabricarlo“, afirma Youngblood. “Ni siquiera tenemos que usar árboles enteros; la nanocelulosa tiene sólo 200 nanómetros de largo.  Si quisiéramos podríamos usar las ramitas y ramas, o incluso aserrín. Estamos convirtiendo residuos en oro…

La producción de NCC se inicia con madera “purificada”, de la que se han eliminado compuestos como la lignina o la hemicelulosa. Esta madera se muele entonces hasta transformarla en una pulpa y se hidroliza en ácido para eliminar las impurezas. Después se separa y concentra en forma de cristales, sea una pasta espesa que se puede aplicar a las superficies como un laminado, o transformada en hebras formando nanofibrillas. Las nanofibrillas son duras, densas y resistentes, y pueden presentarse en diferentes formas y tamaños. Cuando se liofilizan, el material es ligero, absorbente y un buen aislante.

Las instalaciones de EEUU suponen la segunda planta piloto de producción de nanomateriales basados en celulosa en el mundo. La fábrica CelluForce, mucho más grande, se inauguró en Montreal, Canadá, en noviembre de 2011 y ahora está produciendo una tonelada de NCC al día.

Múltiples aplicaciones

La nanocelulosa cristalina reemplazará piezas metálicas y plásticas en el automóvil y en un futuro no muy lejano podría hacer que los plásticos no orgánicos algo obsoleto, afirma Phil Jones, director de nuevos negocios y tecnologías disruptivas en IMERYS, empresa francesa de proceso de minerales. “Cualquier fabricante de coches o de bolsas de plástico, va a querer entrar en esto“.

Además, el cuerpo humano puede tratar con celulosa con seguridad, dice Jones, por lo que el proceso de la NCC es menos peligroso que el de  los compuestos inorgánicos. “Lo peor que puede pasar es un corte con papel“.

Theodore Wegner, director adjunto de la fábrica de EEUU, afirma que la instalación producirá NCC en gran escala y que en un par de años, el material se venderá a unos pocos dólares el kilo. Apunta que se ha tardado tanto en descubrir el potencial de la NCC porque hasta la última década no se disponía de la tecnología necesaria para explorar sus propiedades, como microscopios de barrido electrónico.

(Foto: New Scientist. Jim Zuckerman/Corbis)

Edición:

Concepció Roca
Responsable de Proyectos y Oficina de Prensa
Foro Química y Sociedad

croca@quimicaysociedad.org
Tel.: 933 962 016

18 septiembre, 2012
Compartir
Relacionado