pulpados de alto rendimiento - Facultad de Ingeniería Química

Materia: “Principios generales de pulpado” - ITC - FIQ.
Octubre 2006
Autor: Miguel Zanuttini
PULPADO DE MUY ALTO RENDIMIENTO
INTRODUCCIÓN
El pulpado mecánico comenzó a emplearse a mitad del siglo pasado y fue el primer
proceso que permitió el uso de madera como materia prima para la obtención de pulpas.
En estos procesos se recurre esencialmente a medios mecánicos para la individualización
de las fibras y el desarrollo de las propiedades de las pulpas.
Inicialmente las pulpas mecánicas tuvieron una reducida aceptación por su baja
resistencia. Esta deficiencia sigue siendo una de sus limitantes pero actualmente las
pulpas de muy alto rendimiento (incluyendo desde las mecánicas puras y quimimecánicas)
constituyen un 25 % de la producción mundial de pulpas y esta proporción es creciente
debido, entre otras cosas, a los avances tecnológicos de estos procesos en las últimas
dos décadas que han permitido la extensión de su aplicación.
Entre las razones de su vigencia debe mencionarse:
• Método económico si la energía eléctrica es barata y disponible.
• Alto rendimiento (superiores al 80 %).
• No produce contaminación mayor.
• Posee propiedades específicas que las hacen irremplazables para algunos usos.
Actualmente se producen comercialmente los siguientes tipos de pulpas de muy alto
rendimiento:
•
•
•
•
•
Pulpa Mecánica de Piedra o “Ground Wood Pulp”(GWP)
Pulpa Mecánica de Piedra Presurizada o “Pressurized Ground Wood”(PGW)
Pulpa Mecánica de Refinador o “Refiner Mechanical Pulp”(RMP)
Pulpa Termomecánica o “Thermo Mechanical Pulp”(TMP).
Pulpa Quimimecánica o “Chemi (Thermo ) Mechanical Pulp” (CMP o CTMP).
CARACTERÍSTICAS PARTICULARES DE UNA PULPA MECÁNICA
La observación microscópica de una pulpa mecánica y del papel obtenido a partir de ella
muestra claras diferencias en comparación con una pulpa química. Señalamos las
siguientes particularidades de una pulpa mecánica:
1) A pesar de que en el proceso de pulpado mecánico se logra cierta flexibilización de las
fibras, estas por su carácter de lignificadas, resultan rígidas, no colapsan en la
formación del papel (Figura 1) y por lo tanto logran una reducida superficie de contacto
interfibrilar.
2) La presencia de lignina inhibe la formación de los enlaces interfibrilares dado que
son los carbohidratos los componentes capaces de establecer estos enlaces. Por la
mayor concentración de lignina en las capas exteriores de la fibra esta inhibición será
mucho mayor cuando el plano de fractura que se ha dado en la separación de las fibra en
el proceso ha sido por LM o Pared Primaria con relación a cuando la separación se han
dado por capas más interiores.
3) Muchas de las fibras resultan dañadas en el proceso de pulpado. Puede observarse
en la Figura 3 (correspondiente a fibras de una TMP de pino) que algunos extremos
resutan cortados y/o fibrilados.
4) Una pulpa mecánica contiene una alta proporción de finos que llega a ser de hasta un
50 % en las pulpas puramente mecánicas. Estos finos cumplen un importante rol ya que
tienen alta superficie específica y cuando son del tipo fibrilar tienen la capacidad de
establecer puentes entre las fibras (Ver Figura 4) siendo así esenciales para el logro de
una resistencia aceptable.
5) En comparación a los finos de pulpa química, los finos fibrilares de pulpa mecánica son
menos flexibles y en el secado se adhieren en menor grado a las fibras y por lo tanto los
finos fibrilares de una pulpa mecánica retienen una parte importante de su
superficie específica. Esto implica una alta proporción de interfase fibra-aire en el papel
(superficies ópticamente activas) que produce dispersión interna de luz y así favorece su
opacidad.
6) Pueden diferenciarse finos del tipo fibrilar y finos no fibrilares. La Figura 3 muestra
la fracción de finos de una pulpa mecánica de piedra de buena calidad. Estos finos
presentan casi todos ellos una característica del tipo fibrilar. Esta característica deseable
de los finos no siempre puede lograrse. La figura muestra también elementos no fibrilares
denominados frecuentemente como “harinosos” .
Los finos no fibrilares (trozos cortos de fibras, trozos de pared no fibrilares, células
pequeñas como las parenquimáticas, etc.) no aportan a la resistencia del papel pudiendo
aportar sólo a su opacidad.
Para el logro de una pulpa mecánica de calidad aceptable (resistencia y opacidad) se
necesita entonces lo siguiente:
• Una fracción importante de fibras individualizadas lo más íntegras posibles.
• Una fracción de finos del tipo fibrilar.
Además de la alta opacidad señalada, las características mencionadas para las fibras y los
finos dan lugar a las siguientes propiedades particulares de un papel obtenido a partir de
pulpa mecánica:
♦ Alto volumen específico y compresibilidad.
♦ Alta capacidad de absorción de líquido.
♦ Buenas características de formación.
♦ Características favorables para la impresión.
LIMITACIONES DE LOS PULPADOS MECÁNICOS.
♦
♦
♦
♦
Alto requerimiento energético (1000 a 2500 kwh/t).
Aplicable a ciertas materias primas.
Baja resistencia en relación a las pulpas químicas y semiquímicas.
Menor permanencia (amarilleo y rigidización por efecto del tiempo).
FUNDAMENTOS DEL PULPADO MECÁNICO
El pulpado mecánico dista mucho de una operación de molienda como se entiende en
Ingeniería Química.
En el proceso de pulpado mecánicos se intenta evitar la rotura vítrea del material y se
pretende que la molienda resulte de una acción progresiva de miles de esfuerzos
mecánicos combinados de compresión y cizallamiento.
A. J. Pearson (1) describe el pulpado mecánico de la siguiente manera:
“El pulpado mecánico tiene lugar por absorción de energía en repetidas y progresivas
compresiones y relajaciones de las fibras en presencia de agua”.
“Esta absorción de energía causa la ruptura de enlaces existentes entre las lamelas y
fibrilas que constituyen la pared de las fibras y usualmente resultan en la remoción
de la pared primaria desde la fibra. La rotura de los enlaces causa que las fibras se
vuelvan flexibles y conformables y al mismo tiempo permite la hidratación de las
superficies libres lo cual es necesario para la unión de las fibras en el secado al
constituir el papel”.
“El proceso es posible porque las fibras son cilindros huecos y pueden colapsar y
recuperar su forma con la aplicación y remoción de la presión”.
En un pulpado mecánico, las fibras son separadas y flexibilizadas por fatiga más que por
rupturas vítreas.
Es esencial que la madera esté hidratada desde un principio del proceso. La humedad
flexibiliza la pared fibrosa y evita su rotura. La incorporación de agua al molino puede ser
tardía. Resulta conveniente el uso de madera fresca, lo cual implica un contenido de
humedad cercano al 50%.
Por ser la madera un material viscoelástico, las deformaciones producen calor y la
energía efectivamente aplicada a la generación de nuevas superficies resulta insignificante
con relación a la energía transformada en calor. El material aumenta su temperatura y
gran parte del calor es absorbido por la capacidad calorífica del agua y su transformación
en vapor.
Efecto de la temperatura:
La temperatura es una variable importante ya que afecta substancialmente el
comportamiento mecánico. Las hemicelulosas pero en especial la lignina se ablanda
(pierden rigidez) con el aumento de la temperatura. Esta caída de la rigidez con el
aumento de temperatura se acentúa cuando se supera el denominado “punto de transición
vítrea” de la lignina. La Figura 5 muestra la caída de la rigidez de una madera en función
de la temperatura representada por su módulo de resistencia a la torsión en función de la
temperatura.
El valor de Tg (temperatura de transición) depende de la frecuencia de la deformación
aumentando 7-8 oC por cada década de aumento de esta. En las condiciones de un molino
industrial donde la frecuencia de deformación es de 104 -10 5 Hz, Tg es de 120 - 130 oC.
El aumento de temperatura en un pulpado mecánico permite que la compresión de la
madera y el colapso de las fibras se produzca con menor presión mecánica. Como
expresa Pearson refiriéndose al efecto de la temperatura:
“El tratamiento es más suave y más energía puede ser absorbida para romper los
enlaces internos antes que una falla de la fibra tenga lugar”.
Entiéndase por falla aquí a una ruptura vítrea no deseada.
Como consecuencia de la mayor concentración de lignina en las paredes exteriores de la
fibra y en especial de la lámina media, la elevación de la temperatura desplaza el plano de
fractura hacia el exterior de la fibra. Como ya se mencionó en el tema “Fundamentos de
Pulpado” de esta Materia, la separación mecánica a temperaturas excesivamente altas
como 170 oC tiene lugar totalmente por LM ya que se logra en estas condiciones la
fluidización total de la lignina.
Mecanismo de generación de finos:
Los finos de una pulpa mecánica pueden ser generados por:
♦ Desprendimiento de las capas exteriores de la fibra (LM, Pared Primaria, S1, exterior de
S2). Este mecanismo es deseable porque libera a las fibras las capas más lignificadas
y genera finos fibrilares (Figuras 6 y 7). El mismo ha sido mostrado por Giertz (2)
(Figura 5) y ha sido corroborado por Stationwala (3) recientemente por la cuantificación
de pérdida de peso de las fibras por acción del refino.
♦ Apertura de la pared fibrosa con generación de “cintas” y luego finos fibrilares. Este
mecanismo fue mostrado por Forgacs (4) (Figura 7) quien denominó a este como
desenrollado . El origen de estos finos (pared fibrosa de menor contenido de lignina que
las capas exteriores) hace que estos tengan una alta proporción de carbohidratos
expuestos.
♦ Rotura transversal de la fibra u otro elemento morfológico (células parenquimáticas,
vasos, etc.) originada por fractura vítrea dando lugar a finos del tipo “harinosos”. La
superficie expuesta resulta en este caso baja y quimicamente correspoderá a capas
exteriores de los elementos fibrosos y por lo tanto de relativo alto contenido de lignina.
Calidad de una pulpa mecánica:
a) Análisis Cualitativo: Observación visual de un ojo experto de pulpa diluida colocada
sobre un vidrio azulado.
Las características deseadas de individualización de las fibras y presencia mayoritaria de
finos fibrilares pueden apreciarse, la primera de ellas, por la ausencia de haces y la
segunda por un aspecto nuboso en oposición al aspecto granular de los finos harinosos.
La presencia de finos fibrilares y ausencia de haces indica que pueden predecirse buenas
propiedades físicas de la pasta.
b) Análisis cuantitativo:
1) Freeness: drenabilidad de la pasta. Nos indica el nivel de tratamiento mecánico
aplicado.
La drenabilidad en una pulpa mecánica es dependiente de la cantidad y características de
los finos, ya que la fracción de fibras no presenta mayor resistencia al drenaje.
Una forma de determinar la drenabilidad (Freeness) es según "mL CSF" como hacemos
en el ITC. Su valor, para una pulpa mecánica bien refinada, se encuentra normalmente
entre 200 y 80 mL CSF. Si bien para muchos usos se requiere una pulpa bien refinada,
debe tenerse en cuenta que una baja drenabilidad puede ser un limitante en la formación
del papel.
2) Contenido de haces (Shives): Se determina en laboratorio por medio de zarandas con
ranuras de 0,15 mm (Zaranda Sommerville) o 0,08 mm (Minishives PFI). Para muchos
usos es necesario mantener este porcentaje debajo de cierto nivel. En un papel de diarios
por ejemplo, donde existe generalmente una alta proporción de pulpa mecánica, la
presencia de haces puede ser detectada a simple vista observando el brillo del papel. La
existencia de los haces puede producir inconvenientes en el aspecto del papel y/o su
calidad de impresión y reduce su resistencia y por lo tanto la proporción de haces debe ser
controlada.
3) Clasificación por longitud de fibra.
Por medio de un clasificador por longitud (equipo disponible en el ITC) se obtienen (según
el juego de telas empleado) hasta 5 fracciones cuantificándose la proporción retenida en
cada una de ellas y calculándose por diferencia la proporción de la fracción menor. Las
telas normalmente usadas son 30 - 50 - 100 - 200.
Además de la información de la proporción de cada fracción, la clasificación facilita la
observación microscópica de la pasta.
El porcentaje retenido como fracción +30 es tomada a veces como indicativo del contenido
de fibras enteras y es denominado “Factor L”. La fracción siguiente 30/50 está integrada
por fibras de menor longitud.
La fracción media (50/100) contiene elementos fibrilares y nofibrilares incluyendo entre
otras cosas, trozos de fibras y cintas. Ha sido señalado por Forgacs (4) que sus
características resultan representativas de las caractrerísticas de la pulpa completa y su
calidad proporcional a su superficie específica hidrodinámica. Este investigador ha
propuesto así el uso del valor de la drenabilidad de esta fracción como un segundo factor
de caracterización que denominó Factor "S". Un mayor valor indica mayor calidad de los
finos y una mayor resistencia en el papel. Forgacs (4) ha mostrado que para pulpas
puramente mecánicas, la calidad de la pulpa (su resistencia) puede ser predicha
conociendo los factores de caracterización L y S.
Las fracciones 100/200 y -200 están integrada por finos.
PULPA MECÁNICA DE PIEDRA (GWP Y PGWP)
Fue el proceso inicial de pulpado mecánico. Utiliza como materia prima troncos que son
mantenidos a presión contra la superficie periférica de la piedra cilíndrica rotativa de gran
tamaño (Figura 8). Los ejes de los troncos se ubican paralelos al de la piedra. Abundante
agua se rocía sobre la piedra para desprender la porción separada.
Un dispositivo de bolsillos trabaja en forma alternada para dar un funcionamiento continuo
sobre la piedra. El exceso de pulpa diluida producida vuelca de la batea.
Además de fibras individuales y finos, se desprenden trozos de la madera (haces fibrosos)
que deben luego ser separados de la pulpa en un proceso de depuración que es común a
todos los procesos mecánicos e incluye:
a) Zarandas presurizadas.
b) Hidrociclones
Fundamentos del pulpado de piedra:
El paso de los granos a presión produce un efecto de compresión y cizallamiento
reiterado y realiza el trabajo de fatiga sobre las tres o cinco primeras capas de fibras. En
la superficie las fibras se van desprendiendo después de haber sufrido una acción
flexibilizante (Figura 11).
La energía absorbida resulta muy alta (1200 a 1400 kwh/t) y se disipa en trabajos de
fricción y se transforma prácticamente toda en calor. Esta fricción no es superficial sino
fricción interna en esas dos o tres hileras superficiales de la madera.
Luego de haber sido separadas tanto las fibras y los finos no son inmediatamente
liberados a la batea ya que pueden quedar adheridos a la piedra y entrar así nuevamente
a la zona de molienda, resultando adicionalmente tratados antes de ser finalmente
liberados. Esta acción es denominada “regrinding”.
Efectos de las variables presión mecánica y temperatura
La Figura 12 muestra la relación directa entre la energía específica y la calidad de la pulpa
obtenida. La figura muestra que un aumento de la presión sobre los troncos produce un
efecto favorable de reducción en la energía específica y de aumento en la producción pero
produce una pérdida en la calidad de la pulpa; en este caso calidad según la resistencia al
reventamiento del papel (valor Mullen).
Como ya se explicó anteriormente el aumento de temperatura ablanda la pared fibrosa
facilitando los efectos mecánicos deseados. La temperatura que tiene influencia es la de
las dos o tres capas de fibras superficiales de la madera donde se produce la deformación
localizada con el paso de los granos. Es conveniente que se alcance en la superficie,
temperaturas cercanas a 100 oC (lo cual corresponde niveles mayores en el interior de la
madera). Una humedad insuficiente o un exceso de presión conduce al inicio de la
carbonización de la madera en su interior. La temperatura de operación se controla con la
temperatura y caudal del agua de las regaderas. En la batea normalmente se opera a 80
o
C.
A mayor temperatura operan los molinos presurizados (pulpa PGW) que, trabajando bajo
una cámara cerrada sobre cada molino a 120-130 oC, permiten obtener fibras más
íntegras, menor contenido de finos y mayor resistencia de la pasta aunque con un
requerimiento energético algo superior.
Calidad de las pulpas mecánicas de piedra:
El proceso es aplicable a muchas coníferas obteniéndose pulpas de baja resistencia pero
con excelentes propiedades para la impresión (papeles de alto volumen y alta superficie
específica).
A partir de latifoliadas se obtienen una muy baja calidad de pulpa con muchas fibras
cortadas y finos del tipo harinosos y como consecuencias muy bajas resistencias.
PULPA MECÁNICA DE REFINADOR (RMP)
Se emplean molinos de discos de barras partiendo desde madera en forma de astillas. La
Figura 13 muestra un molino de discos. Estos equipos pueden llegar a tener un diámetro
de hasta 1,7 m y pueden llegar a aplicar una potencia de hasta 20.000 HP. Pudiendo
disponerse varios en forma paralela.
Se opera normalmente en dos etapas denominadas desfibrado y refino. Las astillas son
llevadas a haces fibrosos y estos progresivamente a fibras y finos. Los discos pueden
tener distinto patrón desde el centro hacia la periferia. La Figura 14(a) muestra un diseño
de discos con una zona central de barras “rompedoras” que actuarán sobre las astillas,
luego una central intermedia y una zona exterior más fina.
El diseño de la alimentación y/o el patrón de los discos debe permitir el flujo, hacia atrás en
el ojo del refinador o hacia adelante junto con la pasta, de una importante cantidad de
vapor que es generado en el proceso.
Los haces fibrosos y las fibras se ubican entre los discos preferentemente en dirección
tangencial o sea perpendicular a las barras (Figura 14 b) siendo sometidas a una acción
preferencial en la dirección de las fibras. Surge aquí una diferencia sustancial con la
acción de los granos en un pulpado de piedra que, como ya señalamos. tiene una
dirección transversal a las fibras.
El pulpado de refinador permite obtener un número mayor de fibras enteras y dando lugar
a la formación de cintas. La pulpa presenta mayor resistencia con relación a la mecánica
de piedra aunque con un requerimiento de energía algo mayor (1400-1800 kwh/t) .
Las mayores diferencias con relación a la mecánica de piedra se obtienen con maderas de
latifoliadas. Para algunas de las cuales es posible obtener una sustancial mejora en el
contenido de fibras de la pasta que permite su aplicación a usos de bajo requerimiento de
resistencia.
Ventajas:
♦ Uso de troncos deformados.
♦ Uso de residuos de aserradero
♦ Menor mano de obra.
♦ Operación más estable y controlable.
El proceso sin embargo no ha desplazado totalmente al pulpado mecánico de piedra
debido a que este brinda pulpas más voluminosas y con mayor contenido de finos y así
mejor comportamiento en cierto tipo de impresiones.
Variables de operación de:
• Diseño de discos.
• Consistencia (15-60 % sobre pulpa).
• Temperatura; esta depende de la consistencia de operación pero la generación de
vapor limita las temperaturas máximas alcanzadas.
Latencia:
Un mecanismo inherente al pulpado en refinador es un efecto de enrulado de las fibras
que se mantiene al enfriarse a la salida del molino por efecto de la termoplasticidad de la
lignina. Este efecto denominado “latencia” reduce la resistencia de la pulpa y puede
eliminarse manteniendo la pulpa en temperatura (a 80-90 oC durante 15-20 minutos) en
una pileta de stock a baja consistencia como para permitir a las fibras enderezarse.
PULPADO TERMOMECÁNICO
Empleando molinos de discos se opera en este caso a mayor temperatura bajo presión.
Las astillas son precalentadas a 120-130 oC con vapor y el refinador actúa bajo presión
(Figura 15). Se opera clásicamente en dos etapas, la primera presurizada y la segunda
atmosférica y a menor temperatura. Modernamente y para equipos grandes se opera en
una única etapa presurizada.
La Figura 16 muestra un layout de una planta clásica de TMP. Puede observarse que el
proceso se inicia con el lavado de chips necesario en todo pulpado mecánico de refinador
para preservar la vida útil de los discos. Luego de la etapa inicial presurizada la pulpa es
soplada hacia un ciclón para ser alimentada por un tornillo único a la batería de
refinadores de la segunda etapa (en este caso dos refinadores). A la salida de esta existe
una pileta (pileta de latencia) desde donde la pulpa se envía a depuración (zaranda
presurizada e hidrociclones). Los rechazos de ambas etapas de depuración son
espesados (dewatered) y recirculados a la segunda etapa de refinación. (Detalles de los
equipos de depuración se analizarán en el tema de manejo de stock de la materia).
Con relación a la pulpa RMP aumenta en la TMP la proporción de fibras intactas y bien
separadas.
La separación de las fibras en gran parte por LM o S1, genera pocos finos y deja pocos
carbohidratos expuestos, lo cual hace necesaria una la acción mecánica adicional intensa
sobre las fibras que conduzca al desprendimiento de las capas exteriores. El requerimiento
global de energía aumenta con relación a la RMP alcanzando 1800-2100 kwh/t.
En su observación microscópica se detecta más claramente que en RMP o GWP las
evidencias del mecanismo de desenrollado que conduce a la generación de cintas y finos
fibrilares desde la pared. Estos finos se suman a los finos generados desde las capas
exteriores de las fibras.
El proceso TMP no es aplicado a latifoliadas ya que para estas materias primas no
muestra ventajas con relación a la RMP.
APLICACIÓN DE LOS PROCESOS GWP, RMP Y TMP A LAS MATERIAS PRIMAS DE
LATIFOLIADAS
Las maderas de latifoliadas presentan una baja aptitud para el pulpado puramente
mecánico con relación a las maderas de coníferas. Las RMP pueden resultar aceptables
cuando se requiere solo baja resistencia.
Las razones normalmente citadas son:
•
Menor posibilidad de deformación por compresión de la madera y/o fibras y por lo tanto
mayor tendencia a la rotura vítrea transversal. Las fibras presentan mayor resistencia
al colapso como consecuencia de su mayor relación de espesor de pared a diámetro
de fibra. Pearson (1) ha relacionado directamente la facilidad de colapso de las fibras,
según sus dimensiones transversales, con la aptitud de una materia prima para el
pulpado mecánico.
• Según Giertz (2), las fibras de hardwoods parecen tener una mayor resistencia al
desprendimiento o delaminación de las capas exteriores entre por ejemplo S1 y S2
dificultándose la generación de finos por este mecanismo.
• Los vasos de las maderas de fibra corta se rompen sin dar lugar a la formación de
elementos fibrilares.
PULPADOS QUIMI-MECÁNICOS (CMP Y CTMP)
Se aplican en estos procesos tratamientos químicos incipientes con escasa o nula
disolución de lignina, los cuales producen sobre las maderas cambios estructurales que
conducen a una mayor preservación de la integridad fibrosa y una mayor flexibilización de
las fibras. Para las latifoliadas en particular tiene lugar la aparición de finos fibrilares
inexistentes en una GWP y escasos en una RMP.
El resultado es una pulpa más resistente aunque esta pierde gradualmente, en función del
nivel de acción química, las características particulares de la pulpa mecánicas como es,
por ejemplo, su alta opacidad. Según el nivel de acción química debe diferenciarse el
rango moderado en el cual se preservan en gran parte las características de una pulpa
mecánica (pulpa quimimecánicas de “carácter mecánico”) de un rango de acción química
intensa aplicado cuando se pretende alcanzar altas resistencias perdiéndose las
características particulares de las pulpas mecánicas (pulpa quimimecánicas de carácter
químico).
El contenido de finos es menor con relación a una pulpa mecánica pura pero el
protagonismo de estos en el enlace interfibrilar se reduce por la mayor capacidad de
enlace de las propias fibras.
El nivel de tratamiento químico depende de la resistencia deseada y el uso previsto. El
rendimiento puede caer desde el 96-98 % de una pulpa mecánica hasta un 80 %.
La impregnación de las astillas debe ser promovida y se recurre a:
• Vaporado previo
• Presión hidrostática sobre el licor que cubre a las astillas.
• Prensado continuo en tornillos, en relaciones de compresión (reducción del volumen
aparente) desde 3 a 1 hasta 5 a 1 y expansión posterior en el seno del licor (Figura 17).
Pretratamiento alcalino a baja temperatura
Un tratamiento alcalino moderado (consumo de álcali menor a 5-6 % NaOH sobre madera
y temperatura de hasta 90 oC) produce sobre la madera los siguientes efectos químicos:
•
•
•
•
Deacetilación de los xilanos
Neutralización y liberación de los grupos ácidos en la hemicelulosas.
Peeling de las hemicelulosas (por arriba de los 80 oC).
Disolución de lignina lábil
El efecto fundamental es el alto hinchamiento (“swelling”) alcalino de las hemicelulosas
que es favorecido por la rápida deacetilación de los xilanos y su mayor carácter iónico.
Es de destacar que en la pared fibrosa original las hemicelulosas presentan cierto grado
de ordenamiento cristalino, pero son glúcidos de carácter altamente hidrofílico. Esto se
diferencia del carácter hidrofóbico de la lignina de estructura aromática y la celulosa
altamente cristalina.
El swelling representa una sorción intensa de agua por parte del gel de hemicelulosas que
conducen al ablandamiento de la estructura de la madera. Las fibrilas celulósicas y la
lignina actúan de red de retención del hinchamiento de la pared generando tensiones
internas entre las capas de la fibra. Sobre este material ablandado y pretensionado se
ejerce la acción mecánica del refinador. Se producen fracturas entre S1 y S2 dejando
expuestas a estas capas y preservándose en gran medida la integridad fibrosa. El proceso
requiere menos energía global de desfibrado y refino con relación a una RMP.
La Figura 18 muestra para un pulpado de una latifoliada y en función de la carga alcalina,
la caída de rendimiento (Figura 18 a), y para determinado grado de refino (100 mL CSF),
la reducción del consumo de energía (b), la ganancia en resistencia (c) y la pérdida
gradual de capacidad de dispersión de luz (“scattering”) y por lo tanto de opacidad (d).
El tratamiento alcalino produce reacciones de oscurecimiento sobre la lignina. Para evitarlo
puede recurrirse a la incorporación de sulfito de sodio al licor de tratamiento (proceso
soda-sulfito).
Se emplea en este proceso el refino atmosférico.
El tratamiento alcalino no produce sobre las coníferas los efectos señalados para las
latifoliadas. La explicación a esto puede encontrarse en el menor contenido de
hemicelulosas y el mayor contenido de lignina de estas materias primas con relación a las
latifoliadas.
Tratamiento sulfonante
Se recurre a un tratamiento con bisulfito de sodio o Amonio.
Las reacciones son las siguientes:
• Sulfonación parcial de la lignina.
• Hidrólisis ácida de hemicelulosas.
Mientras la sulfonación no provoca mayor disolución de lignina, es sensible la pérdida de
rendimiento por disolución de hemicelulosas degradadas.
La sulfonación modifica la estructura química de la lignina. Los grupos sulfónicos
incorporados, por su carácter iónico, son hidrofílicos y provocan un ablandamiento de la
lignina. El desfibrado de la madera tiene lugar en planos de fractura más cercanos a LM y
se produce menor rotura de fibras.
Por el pH ácido del licor, en este proceso, resulta más crítica la impregnación de los licores
en relación en los procesos alcalinos y debe recurrirse siempre a impregnación por
prensado y expansión en licor concentrado para desarrollarse una digestión luego en fase
vapor a temperaturas cercanas a los 130 oC.
La Figura 19 (a) muestra la resistencia a la tracción alcanzada en un pulpado RMP y CMP
con alto nivel de sulfonación (2,12 a 2,25 % de sulfonatos sobre pulpa) para distintos
niveles de refino a partir de una madera de conífera. Puede notarse la mayor resistencia
alcanzada por las pulpas CMP para menores requerimientos de energía.
La Figura 19 (b) muestra la reducción en el contenido de finos (P100) y el aumento del
contenido de fibras (Factor L) a medida que aumenta el nivel de sulfonación expresada
aquí en mmoles/kg.
La Figura 19 (c) muestra el aumento de resistencia originado con el aumento del grado de
sulfonación. El nivel de 1,5 % de contenido de sulfonatos aproximadamente puede
considerarse como el límite entre las pulpa de “carácter mecánico” y las de “carácter
químico”.
El proceso sulfonante en medio ácido es el adecuado para las coníferas y es aplicado
también sobre latifoliadas pudiéndose recurrirse para estos casos a tratamiento de
sulfonación en medio neutro o alcalino.
Se recurre en general al refino presurizado.
Comparación de los procesos QM alcalino y sulfonante.
SULFONANTE
ALCALINO
Impregnación con licor concentrado y Impregnación-cocción a menos de
90 oC
cocción en fase vapor a 130 oC
Impregnación lenta
Impregnación favorecida por el swelling
alcalino.
Acción química principal sobre Lignina
Acción
química
principal
sobre
Hemicelulosas
Plano de fractura LM
Plano de fractura en la pared S2 o S2/S1
Aplicable a coníferas y en procesos Aplicable a latifoliadas exclusivamente
alcalinos aplicable a latifoliadas
Refino a temperatura (CTMP)
Refino atmosférico (CMP)
USO DE LAS PULPAS DE MUY ALTO RENDIMIENTO
El uso tradicional y más importante es en la producción de diarios y revistas baratas como
parte fundamental del empaste. Convencionalmente este se refuerza incorporando una
fracción de pulpa resistente que puede ser pulpa química blanqueada de fibra larga.
Además las pulpas de muy alto rendimiento pueden usarse para:
• Libros baratos en una proporción menor del empaste con pulpas químicas.
• Papeles de escritura en empastes con pulpa química.
• Papeles absorbentes (tipo Tissue).
• Pulpas absorbentes.
• Cartones, cartulinas, productos moldeados.
IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PULPADOS MECÁNICOS
Los puntos desfavorables para estos procesos son:
• Alto requerimiento energético (debe considerarse el efecto ambiental en la generación
de esa energía).
• En los pulpados quimimecánicos, los reactivos químicos no pueden ser recuperados y
estos, junto con el material de la madera disuelto son conducidos a la corriente de
efluentes. Sólo la existencia de un proceso kraft paralelo de magnitud considerable
puede hacer que se procese el licor agotado.
Estos pulpados tienen a su favor:
• Su alto rendimiento lo cual implica que requieren menor cantidad de materia prima por
tonelada de pulpa producida.
• Si bien el material disuelto por el proceso se convierte directamente en carga orgánica
de los efluentes, estos presentan una toxicidad que resulta de fácil eliminación en los
tratamientos secundarios.
Referencias:
1 - Pearson. “Toward a unified theory of refining”. 1983 International Mechanical Pulping Conference. p. 131138.
2 - Giertz H. “Pulpado Termomecánico y Quimitermomecánico aplicado a papeles de impresión”. Seminario
ATIPCA. 1986.
3 - Stationwala M.I., J. Mathieu , A. Karnis. “On the interaction of wood and Mechanical Pulping Equipment”.
Part I. “Fibre Development and Generation of Fines”. JPPS 22 (5) Mayo 1996.
4 - Forgacs, O.. The characterization of Mechanical Pulps”. Pulp and Paper Mag. Canada 64(1963, T. 89.)
Bibliografía aconsejada
- Lossada A.A. “Pulpado de Ultra Alto Rendimiento”. Parte II: “Aspectos básicos específicos”. Seminario
dictado para la “Especialización en Celulosa y Papel”. Universidad Nacional de Misiones. 1991.
- Smook G.A. “Manual para Técnicos de Pulpa y Papel” TAPPI Press. Cap. 5.
- Biermann Ch. (1993). “Essentials of Pulping and Papermaking”. Academic Press. pag 62-70.
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FIGURAS
Figura 1 : Fotografía en microscópio electrónico de fibras de pulpa mecánica
Figura 2 : Fibras de una TMP (microscopía óptica).
Figura 3: Fibras de una pulpa mecánica; fracciones medias y finos
Figura 4 : Los finos fibrilares son capaces
de establecer puentes (microscopía
electrónica)