Comprehensive utilization of the bagasse residue as a source of fibers for manufacturing packaging papers and biocomposites

Abstract

Esta investigación busca desarrollar diferentes materiales utilizando residuo agroindustrial de bagazo de caña de azúcar para la producción de papel de embalaje, materiales compuestos y celulosa nanofibrilada. El estudio se establece bajo el principio "generar el mínimo residuo a partir de un subresiduo", de forma que los procesos de transformación del bagazo presenten el máximo rendimiento posible. La presente tesis se presenta como compendio de cinco artículos que, todos ellos, cubren las temáticas expuestas anteriormente: papel de embalaje, materiales compuestos y nanofibras de celulosa. El primer artículo muestra la viabilidad técnica de utilizar el residuo de bagazo como materia prima para la producción de papeles de embalaje de línea marrón. Para ello, se realizó un estudio de producción de distintas pulpas con el propósito de obtener el máximo rendimiento durante el proceso de cocción y un nivel de propiedades similar a los que presentan los papeles testliner. Asimismo, se contempló la combinación de las suspensiones producidas con suspensiones recicladas de papel de embalaje, reduciendo así la cantidad de papel recuperado a utilizar y, por ende, incrementando la vida útil del papel. El bloque central de la tesis versa sobre la producción y caracterización de materiales compuestos tanto de polipropileno como almidón termoplástico reforzados con fibras de bagazo de alto rendimiento. En ambos casos se estudió la interfase fibra-matriz y, en el caso de los basados en matriz de origen fósil, se utilizó un agente de acoplamiento (MAPP) para promover las interacciones entre las fibras y la matriz. Los tipos de fibra que se prepararon fueron mecánicas, termomecánicas, químico-termomecánicas y, finalmente, serrín de residuo de bagazo. Se determinaron propiedades a tracción y se evaluó el comportamiento de los materiales compuestos desde un punto de vista macro y micromecánico. En ambos casos, la utilización del bagazo como refuerzo en materiales termoplásticos resultó satisfactoria, pues las propiedades originales de la matriz fueron significativamente mejoradas. Asimismo, la utilización de las fibras de bagazo con matrices de almidón termoplástico, matriz biodegradable, dio lugar a materiales compuestos termoplásticos totalmente bio-basados y biodegradables. Finalmente, en la línea del aprovechamiento integral del residuo, se prepararon nanofibras de celulosa utilizando bagazo como materia prima. Se compararon dos tipos de nanofibras de celulosa radicalmente distintas, unas obtenidas mediante oxidación catalizada por TEMPO y otras obtenidas por procesos totalmente mecánicos. Dichas nanofibras fueron utilizadas para la fabricación de aerogeles modificados con dímero de alquil ceteno (AKD) para su utilizacón como absorbentes de aceite en medios acuosos. Se obtuvieron resultados satisfactorios tanto en condiciones estáticas como dinámicas, pues a medida que se incrementó el grado de hidrofobización, la capacidad de retención de aceite respecto a la de agua fue mayor. En definitiva, la presente tesis muestra la valorización del residuo agroindustrial sujeto de estudio en distintos sectores, siendo algunos maduros (producción de papel y materiales compuestos) y otro de elevado valor añadido (aerogeles). Asimismo, los procesos utilizados en todas las etapas persiguieron el máximo aprovechamiento de la materia prima, promoviendo así el principio mencionado al inicio de este resumen.

The present study aims to develop different materials using sugarcane bagasse agroindustrial waste as raw material for the production of packaging paper, composites, and cellulose nanofibers. This study is established under the principle “from a residue, minimum residue”, meaning that processing of bagasse should have the highest yield as possible. This Thesis is presented as a compendium of five articles that, all of them, cover the mentioned above subjects: packaging paper, composites and cellulose nanofibers. The first papers show the technical feasibility of using sugarcane bagasse residue as raw material for the production of brown-line packaging papers. For that, different pulps were produced with the purpose of obtaining the highest possible yield during the digestion process and a level of properties similar to that of test liner papers. In addition, the combination of the produced pulps with recycled test liner pulp was also explored, reducing thus the amount of recovered paper and, further, increasing the life span of paper. The central part of this Thesis is about the production and characterization of composites made of polypropylene and thermoplastic starch reinforced with high yield bagasse fibers. IN both cases, the interphase fiber-matrix was studied and, in the case of those fossil-based, MAPP coupling agent was used to further promote the interactions between the fibers and the matrix. The types of fibers were mechanical, thermomechanical, chemical-thermomechanical and, finally, bagasse residue sawdust. Tensile properties were determined and composites behavior was assessed from a macro and micromechanical point of view. In both cases, the use of bagasse fibers as reinforcement in thermoplastic composites was satisfactory, thus the neat properties of the matrices were significantly improved. Moreover, the use of the obtained fibers as reinforcement of thermoplastic starch, which is biodegradable, let to thermoplastic composite materials fully bio-based and biodegradable. Finally, following with the full exploitation of the residue, cellulose nanofibers from bagasse were prepared. Two types of cellulose nanofibers were compared: TEMPO-oxidized cellulose nanofibers and, on the other hand, nanofibers obtained by fully mechanical methods. Such nanofibers were used for the production of aerogels modified with alkyl ketene dimer (AKD) for their further use as oil absorbents. Good results were obtained both in static and dynamic conditions, thus as hydrophobization degree was increased, oil absorption capacity was significantly improved. Overall, this Thesis shows the valorization of an agroindustrial residue in several industrial sectors, either mature (papermaking and composites) or those with high value-added (cellulose nanofibers). In addition, all the processes pursued the highest exploitation of the raw material, promoting thus the mentioned above principle.