El éter de celulosa es un nombre general para diversos derivados obtenidos mediante la eterificación de la celulosa natural. Como materia prima principal, la fuente, el tipo, el método de tratamiento y el proceso de la celulosa tienen un impacto decisivo en la síntesis y la aplicación del éter de celulosa.
1. Fuentes y tipos de celulosa
Ya en 1838, el botánico francés Anselme Payen trató la madera alternativamente con soluciones de ácido nítrico e hidróxido de sodio y aisló una sustancia blanca de estructura uniforme. La denominó por primera vez celulosa, que significa sustancia obtenida tras la ruptura celular. La forma polimérica de la celulosa no fue identificada hasta 1932 por Staudinger.
La celulosa, el recurso orgánico natural renovable más abundante, procede de plantas y animales verdes terrestres y marinos. Según la fuente, la celulosa vegetal se divide en algodón, madera, cáñamo y diversos tipos de paja. Es el principal componente de las paredes celulares de las fibras vegetales; otras son celulosas animales procedentes de bacterias animales, organismos del fondo marino y diversos animales. Debido a las diferencias climáticas y regionales, los tipos de fibras de madera que posee cada país también son diferentes para la producción industrial de éter de celulosa. Las principales fibras de madera natural del mundo proceden de diversas maderas blandas y duras. Además de los bosques naturales, también existen algunas especies cultivadas de coníferas y frondosas. Otras materias primas de fibra no maderera, principalmente plantas herbáceas, como los cereales (arroz, trigo), la paja, el bagazo de caña de azúcar y el bambú, también son fuentes importantes de fibra, pero aún no se han utilizado plenamente.
Los principales métodos de producción de pasta de celulosa a partir de la madera incluyen los procesos de bisulfito, sulfito sódico y prehidrólisis Kraft. El objetivo es primero disolver la hemicelulosa y una gran cantidad de lignina residual, luego blanquear y eliminar el residuo, y finalmente obtener una pulpa pura con alto contenido de alfa-celulosa. Varios procesos de fabricación de pasta con ácido sulfuroso utilizan dióxido de azufre como método principal para eliminar la lignina, cambiando el tipo de catión, el valor del pH de la solución y la temperatura de cocción. El proceso de fabricación de pasta ácida con bisulfito cálcico se utiliza en todo el mundo, pero su uso es limitado debido al sulfato cálcico insoluble que se produce durante la regeneración química. Posteriormente, se introdujeron los llamados cationes solubles, como los iones de magnesio, sodio y amonio, y el valor del pH de la solución aumentó de 1 a 2 en el proceso tradicional de bisulfito de calcio a 5 en el proceso de bisulfito de magnesio e incluso alcanzó las condiciones de bisulfito de sodio/sulfato ácido de sodio para el proceso de hidrógeno de sodio.
El proceso de bisulfito ácido y los procesos modificados de sulfito sódico de dos o tres pasos, como el proceso Rauma, desempeñaron un papel esencial en la industria de la pasta por disolución durante mucho tiempo, y el proceso de bisulfito ácido sigue utilizándose. La característica principal del proceso de varios pasos es que se alternan la etapa de bisulfito/sulfito y la etapa alcalina. El proceso puede empezar o terminar con la etapa alcalina. Esta última requiere una extracción alcalina para reducir el contenido residual de hemicelulosa.
El proceso de fabricación de pasta Kraft se utiliza comúnmente en todo el mundo y es el proceso principal para clasificar la pasta de madera en cartón. La prehidrólisis se realiza antes de la cocción Kraft para obtener un producto de grado de pulpa de madera disolvente. La prehidrólisis consiste en vaporizar o cocer las astillas de madera entre 140 y 170ºC o tratarlas con ácido diluido entre 110 y 120ºC. El tratamiento con vapor o agua puede destruir los grupos acetilo y ácido fórmico de la madera para formar ácido acético y ácido fórmico, haciendo que el valor del pH de la madera alcance 3,5 para promover la despolimerización de los componentes de la madera. La calidad puede reducirse entre un 5% y un 20% en función del tiempo y la temperatura de hidrólisis. Casi la mitad de la hemicelulosa de la madera blanda es principalmente glucomanano, que se disuelve tras la hidrólisis, pero la lignina apenas cambia; en términos relativos, se disuelve una gran cantidad de lignina de la madera dura. Si el tiempo de hidrólisis se prolonga, la celulosa cambiará, lo que provocará una reducción de la producción de α-celulosa y la condensación de más lignina. También será más difícil eliminar la lignina en las fases posteriores del proceso, ya que se necesitarán álcalis más fuertes y temperaturas más altas. En la etapa de prehidrólisis, la pérdida de madera es del 20% al 22%, y el haya (Fagus silvatica) puede obtener un mayor contenido de α-celulosa (95% a 96%). El aumento de la temperatura de prehidrólisis y de cocción Kraft de la pasta de madera puede reducir el tiempo de transformación y, al mismo tiempo, la viscosidad se reduce significativamente cuando el contenido de α-celulosa es equivalente. Todas las condiciones son iguales; el contenido de alfa-celulosa obtenido del pino y del abedul es el mismo (ligeramente inferior al 96%), mientras que el del eucalipto es superior al 97%. La viscosidad es aproximadamente la misma que la de la pasta de frondosas, pero significativamente superior a la de la pasta de pino.
Las materias primas van desde la madera blanda a la madera dura, y el proceso va desde el ácido sulfuroso al método Kraft de prehidrólisis alcalina. La tecnología moderna de producción de pasta de madera disuelta se ha desarrollado ampliamente. El uso de madera dura puede producir pasta de madera con un alto contenido de alfa-celulosa, y es fácil conseguir un proceso de blanqueo completamente libre de cloro (es decir, proceso TCF, que significa que no se añaden sustancias que contengan cloro en cada etapa del proceso). Sin embargo, en el análisis final, la celulosa regenerada con un rendimiento excelente requiere una elevada actividad celulósica, un alto contenido de α-celulosa, una distribución estrecha del grado de polimerización y un fácil control de la viscosidad de la solución.