Innovhub-SSI Area Carta e l’Università degli Studi Milano-PackLab, in collaborazione con Sofidel, hanno messo a punto un procedimento per la produzione in laboratorio di cellulosa nanofibrillata (CNF) a partire da uno scarto industriale cellulosico di lavorazione cartotecnica di carta tissue. La CNF è stata impiegata come additivo per la fabbricazione di carta, con risultati interessanti e possibili prospettive per nuove applicazioni nell’ambito delle carte per imballaggio.
L’idea su cui si basa il lavoro svolto è quella di sperimentare una strategia per valorizzare alcune tipologie di scarti industriali e convertirli in un prodotto a elevato valore aggiunto per l’impiego come additivo in nuovi processi produttivi, nell’ottica di un’economia circolare delle risorse.
Lo studio è stato sviluppato nei laboratori di Innovhub-SSI Area Carta e dell’Università degli Studi di Milano-PackLab, nell’ambito di una tesi di laurea magistrale e del progetto di ricerca Nanocrystalpack, cofinanziato dalla Regione Lombardia e Fesr.
La produzione di cellulosa nanofibrillata
Tra i materiali di scarto industriale, valutati sulla base dell’analisi di composizione chimica e del contenuto di cellulosa, uno dei più interessanti è risultato essere il residuo di polvere di cellulosa proveniente dalla lavorazione cartotecnica di carta igienico-sanitaria, fornito dall’azienda Sofidel (Figura 1). La prima fase è stata l’analisi di composizione dello scarto per via chimica, per determinare il contenuto di alfa cellulosa, la frazione necessaria alla produzione di cellulosa nanofibrillata, e il contenuto di ceneri, estratti organici e lignina quali possibili interferenti (Tabella 1).
Sono state quindi studiate le condizioni di pretrattamento del materiale di scarto, al fine di permetterne l’impiego in omogeneizzatore ad alta pressione (HPH) per la produzione di CNF.
Il materiale subisce infatti diverse fasi di lavorazione preparatorie all’omogeneizzazione:
– pre-raffinazione meccanica del materiale al fine di ottenere un impasto con livello di scolantezza di circa 25-30 °SR
– trattamento enzimatico della pasta di cellulosa, utilizzando un enzima tipo endoglucanasi, denominato FiberCare R (Novozymes).
– raffinazione spinta fino a un livello di scolantezza pari a 75-80 °SR.
Il materiale è stato quindi omogeneizzato ad alta pressione per produrne CNF, l’apparecchio utilizzato in laboratorio è l’omogeneizzatore GEA Niro Soavi, modello NS3006L. Il materiale è stato trattato a concentrazione in fibra del 2%, applicando 7 cicli consecutivi di lavorazione a pressioni crescenti fino a un massimo di 1.500 bar.
I campioni di CNF prodotti in laboratorio sono stati sottoposti all’analisi al microscopio elettronico a scansione SEM. I diametri rilevati sono perfettamente in accordo con la letteratura, secondo cui tipicamente le dimensioni di CNF prodotto con un omogeneizzatore sono di 20-40 nm di larghezza e diversi micrometri di lunghezza; con il pretrattamento enzimatico la cellulosa nanofibrillata normalmente presenta una larghezza leggermente inferiore, circa 20-30 nm.
Risultati e prospettive
La CNF prodotta è stata impiegata a dosi crescenti del 3%, 6% e 9% peso/peso in due diverse tipologie di impasti cartari, in sostituzione della medesima quantità di cellulosa. Gli impasti sono stati utilizzati per la fabbricazione di fogli di carta mediante formafogli di laboratorio automatico tipo Rapid-Kothen, utilizzando come coadiuvanti un ritentivo cationico cPAM e una colla alchilchetene.
A titolo di confronto, è stato prodotto un campione analogo di fogli di laboratorio, utilizzando una CNF commerciale prodotta a partire da cellulosa pura bianchita da legno, alla dose del 9% peso/peso. Le due tipologie di carte prodotte in laboratorio intendono simulare una tipologia media di carte per copertine e per onde quali elementi strutturali di imballaggi in cartone ondulato. La carta per copertine è stata prodotta a partire da paste di cellulosa chimica bianchita in miscela fibra corta e lunga, mentre la carta per onde è stata realizzata impiegando cartoncino riciclato.
Le due tipologie di fogli prodotti sono state caratterizzate secondo le principali prove fisico meccaniche, tra cui Short Span Compression Test (SCT), Resistenza di legame interfibra metodo Scott Bond, Assorbimento d’acqua (Metodo Cobb), Determinazione delle proprietà di trazione, Resistenza allo scoppio, RCT e CMT (solo per carte per onde).
Osservando i risultati in generale, è possibile vedere che l’incorporazione di CNF nella matrice cartacea porta a un aumento della densità e questo ha determinato, a sua volta, un miglioramento dei parametri fisico meccanici di resistenza.
Per quanto riguarda la carta per copertine si nota un significativo incremento delle proprietà di compressione (SCT), scoppio, trazione e delaminazione (Scott Bond), in funzione dell’aumento percentuale di CNF. Inoltre, si nota un miglioramento della resistenza all’acqua (Cobb 30): la variazione percentuale di CNF porta, rispettivamente, a una riduzione dell’assorbimento d’acqua nella carta fino a valori del 44% (Tabella 2).
L’aggiunta di CNF da polvere di cellulosa ha migliorato alcune proprietà fisico meccaniche di resistenza nella carta per onde, in particolare SCT e Scott Bond. Tuttavia, non si osservano miglioramenti negli indici di resistenza RCT e CMT, che rappresentano nel caso della carta per onde i principali requisiti meccanici. Su una carta riciclata, come quella utilizzata per la fabbricazione delle onde, l’impatto della purezza, origine e qualità sia dell’impasto che del materiale utilizzato per la produzione della CNF è molto più evidente rispetto alle copertine, verosimilmente per il fatto di contenere una frazione di fibra originata da pasta meccanica, con lignina, e una frazione di sostanze estranee non cellulosiche e contaminanti (Tabella 3).
La produzione e l’impiego industriale di cellulosa nanofibrillata prodotta da paste di cellulosa fino ad ora ha avuto come limite l’economicità della produzione di CNF stessa, legata soprattutto all’elevata richiesta di energia. Tuttavia l’approccio di utilizzare un materiale di partenza di scarto, altrimenti destinato allo smaltimento, potrebbe rappresentare una soluzione più sostenibile dal punto di vista economico e ambientale, qualora le prestazioni della CNF ottenuta siano tali da garantire importanti miglioramenti nei prodotti finiti in termini di innovazioni sostenibili.
In prospettiva si intende approfondire lo studio dell’interazione della CNF con la matrice cartaria, in modo da ipotizzare una possibile funzionalizzazione chimica della CNF per migliorarne ulteriormente l’effetto di miglioramento delle proprietà meccaniche o di resistenza all’acqua.
Altra importante prospettiva è l’applicazione della CNF come rivestimento superficiale di carte destinate a imballaggi per alimenti, con lo scopo di migliorarne la resistenza ai grassi e valutare possibili proprietà barriera all’umidità e ai gas. Questa applicazione in spalmatura può permettere di utilizzare piccole quantità di CNF e quindi di essere economicamente più sostenibile, tuttavia richiede uno studio approfondito delle formulazioni ed eventuali modifiche chimiche della CNF stessa.
Daniele Bussini, Laboratorio Ambiente e Riciclo Innovhub-Divisione Carta (SSCCP)
