Experiencias del laboratorio de celulosa y papel de la

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS
FORESTALES
Y DE LA CONSERVACION DE LA
NATURALEZA
EXPERIENCIAS DEL LABORATORIO DE CELULOSA Y PAPEL
DE LA UNIVERSIDAD DE CHILE, 22 AÑOS EN PAPEL
RECICLADO Y EMBALAJES
Javier González Molina
Ing. Forestal UCH Ing. Industrias
Papeleras EFP, Dr. INP, Grenoble
Santiago, Chile, 09 enero 2015.
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I.
Marco de referencia:
El LABCELPAP del Departamento de Ingeniería en Madera y sus Biomateriales, en la
Universidad de Chile, comenzó su labor como tal en el año 1982, como consecuencia
de la derivación del Laboratorio de Celulosa y Papel del INFOR (Instituto Forestal),
hacia la Universidad de Chile.
Las áreas principales de trabajo, desde sus orígenes fueron:
-
Materias Primas
-
Proceso de Pulpaje
-
Blanqueo y efluentes
-
Fabricación del Papel
-
Productos químicos y estucado
Desde 1992 se incorporó el área de Reciclaje y Embalajes, en 1994 el área de
Abastecimiento Industrial y en 1998 el área de Biopulpaje y Bioblanqueo (con Hongos
de Pudrición Blanca y Enzimas). En el ambiente de la docencia, tanto para Ingeniería
Forestal e Ingeniería de la Madera, y a nivel de pre y postgrado, se dictan las Cátedras
de Celulosa y Papel, Industrias Forestales, Procesos Unitarios, Huella de Carbono,
Bioenergía y Efluentes Industriales.
Se han dictado una serie de más de 43 cursos de especialización, en el Grupo Arauco,
Empresas CMPC, en Chile y en Francia, con el IRFIP (Instituto de Formación Continua
de la EFPG y CTP de Grenoble, en los siguientes ámbitos:
-
Fibras
-
Composición Química de la Madera
-
Características físico-anatómicas de las fibras
-
Procesos de Pulpajes, PM, PTM, PCTM, Kraft de Fibra corta y Fibra larga
(latifoliadas y coníferas)
-
Refinación de fibras, disco, cónicos, industriales y Pila Valley de laboratorio.
Energía, potencia, cargas específicas, entre otros, con la caracterización de
todas las propiedades
-
Formación de la hoja de papel, diferencia de velocidad chorro/tela, perfiles x, y
y z.
-
Prensado, aptitud al prensado de PM, y químicas de fibra larga y corta, Nº de
prensas y niveles de presión, variaciones de CH entrada y salida de prensas
2
-
Secado, conducción, convección, secado lento al aire e influencia sobre las
propiedades del papel. Estabilidad dimensional
-
Cargas minerales, dióxido de Titanio, Sulfato de Calcio, Talco, etc.
Específicamente en embalajes:
-
Estudios de homogeneidad, en gramaje y volumen específico en SM y ST
-
Estudios de resistencia o cohesión interna, resistencia al desgarro superficial
-
Eficiencia y eficacia de encolantes, almidón, en sus distintas formas, caseína,
colofonia, UF y MF
-
Imprimabilidad lado tela, lado paño
-
Uso de reciclaje Embalaje) en compuestos fibra/yeso, fibra/cemento y
fibra/yeso/cemento (tableros para la construcción
-
Comparación de propiedades como doble pliegue, Ring Crush, Cóncora, entre
otros
-
Variaciones de propiedades en función de la humedad y temperatura
8CIADICYP, 2014, Poster)
-
Análisis de fibra, reconocimiento de fibra larga y de fibra corta, con los
procesos de pulpaje
-
1.
Influencia del porcentaje de reciclaje en las propiedades de los papeles
La formación papelera:
El papel es un sistema anisotrópico de tres dimensiones y, x, z. Siendo x, la dimensión
sentido máquina, y, la dimensión transversal y z la correspondiente al espesor. En
general, las propiedades de resistencia, salvo el rasgado, son mayores en sentido
longitudinal y este último es mayor en sentido transversal. Las propiedades ópticas
dependen en gran medida de la superficie que difunde el papel, principalmente de
reflexión, que son mejores cuando el papel posee mayor porosidad, que se puede
considerar como superficie “libre”.
Por lo anteriormente expuesto, longitud de ruptura, explosión, doble pliegue serán
mayores cuando hay más unión entre fibras, es decir un menor volumen específico y
las propiedades ópticas disminuyen en la medida que el volumen específico decrece (
o la densidad de la hoja aumenta, ya que el volumen específico, cm3/g, es el inverso
de la densidad del papel. Un papel muy blanco forzosamente tiene Ve alto. Se habla
en este caso de superficie específica de difusión (que reemite y superficie específica
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de absorción, que absorbe la luz), el cuociente entre D/A, determina la blancura y la
opacidad, a mayor difusión, mayor blancura, a mayor absorción, menor blancura.
2.
Alcances sobre el recurso fibra:
Existe una gran variedad de fibras para fabricar el papel, pero en general, la mayor
parte de origen vegetal, se dividen entre latifoliadas, maderas duras, de color ó fibras
cortas (ej, abedul, sauce, álamo) y coníferas, maderas blandas, claras ó fibras largas
(ej. Pino, picea abies).
Tabla 1. Diferencias entre latifoliadas y coníferas
Especie
Coníferas
Latifoliadas
Largo mm
2.8 a 3.6
0.7 a 1.2
Diámetro Um
28 a 48
12 a 20
Diámetro lumen Um
18 a 20
8 a 12
Espesor de pared Um
10 a 28
4 a 10
Celulosa %
49
50
Hemicelulosa %
21
28
Lignina %
28
21
Extraíbles %
2
1
0.6
1.2
Cenizas o inorgánicos %
Sobre el total de peso
3.
Influencia en procesos de pulpaje y tipos de los mismos:
Se consideran los pulpajes:
-
Mecánicos (97% de Rendimiento) PM
-
Termomecánicos (95% de R) PTM
-
Químico-termomecánico (75% de R) PCTM
-
Químicos, los más conocidos Kraft y a la soda (rendimientos de 49% en
coníferas y 56% en latifoliadas. Si son blanqueadas bajan a 46 y 54
respectivamente
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Las PM, PTM y PCTM, poseen (por rendimiento) un gran % de lignina, son difíciles de
prensar y comprimir, volúmenes específicos entre 1.8 y 2.1, véanse papeles
“voluminosos” de periódicos, sanitarios, servilletas, en general son poco resistentes y
absorbentes, por una mayor porosidad y falta de enlaces inter-fibras. Sólo las PCTM,
pueden fabricarse eventualmente con latifoliadas, por el gasto de energía, kwh/t. La
materia prima es preferentemente de coníferas, que por su menor densidad,
consumen menos energía (entre 680 y 1150 kwh/t), las latifoliadas (también llamadas
frondosas, pueden llegar a 2800 y 3000 kwh/t)
Para pulpaje químico se usan tanto latifoliadas como coníferas, por el bajo contenido
de lignina, entre 1,4 y 1.8 %, son fibras más flexibles y fáciles de comprimir en
prensado.
Cabe hacer notar que por la relación espesor de pared, comparado con diámetro de
fibra, las frondosas o maderas de fibras cortas, a igualdad de SRº o CSF ( Grados
Schopper Riegler y Canadian Estándar Freeness, respectivamente), poseen mayor Ve
o menor densidad de hoja. También las coníferas, por su mayor largo, tiene mayor
probabilidad de establecer enlaces y derivan en papeles más densos o sea más
resistente.
Los embalajes en general se fabrican con pasta cruda de coníferas y eventualmente
reciclaje, (que abordaremos aparte), las cuales pueden tener diferentes grados
Kappas finales (después de cocción), el grado Kappa, determina la cantidad de lignina
residual (1.2 a 1.8 %). A mayor Kappa, mayor resistencia de la fibra (porque se afecta
menos su grado de polimerización (celulosa), pero en general a mayor Kappa también,
el Ve es levemente mayor, hay que recordar que la lignina hace a las fibras un poco
más rígidas y más hidrofóbicas).
También puede, como hemos establecido anteriormente,
presentarse el caso del
reciclaje, que según clasificación, puede tener o no, otro tipo de fibra que no sea sólo
conífera cruda. Mientras mayor sea el uso de reciclaje, mayores serán los VE, ya que
el paso de la fibra por la máquina papelera, soporta grandes temperaturas y disminuye
la capacidad de enlace de las fibras (grupos OH- de la celulosa), al igual que hacerlas
más rígidas, eventualmente ello puede recuperarse con un leve refino (aumentar SRº
o diminuir CSF).
Cabe hacer notar que en la máquina papelera también las latifoliadas son más difíciles
de drenar (por su mayor % de hemicelulosa, que es más hidrofílica).
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4.
Variables de la Máquina Papelera:
Las fibras se orientan en sentido máquina, ya sea por la menor resistencia que ponen
al flujo (laminar agitado), a la salida del cajón de entrada, sea por una diferencia de
velocidades, chorro/tela, sea por el roce de la fibra al tocar la tela al caer, desde el
cajón de entrada. Ello marca la primera anisotropía, sentido máquina y sentido
transversal, pero los órganos de goteo, también juegan un papel o rol, ya que además
de disminuir el CH del sistema papel, quitan finos de la parte inferior del papel, lado
tela y se deja más guarnecido, en finos el lado paño, ello hace que el lado tela sea
distinto al lado paño, ello se refleja, en un mayor Cobb , para el lado tela, absorbe más
agua. El lado paño es más liso y de menor porosidad.
El espesor definitivo del papel lo determina el prensado, es decir el Ve, ya que el
Ve=espesor e(um)/gramaje(g/m2), el cual se expresa finalmente en cm3/g, debido a
los cambios de magnitud de las medidas um y m2.
En el sacado el papel tiende a contraerse más sentido transversal (ST) que SM, lo cual
es natural porque si observamos lo que ocurre en la madera, la contracción tangencia
es mayor que la radial, en el secado y el papel es la suma de fibras que antes era
madera (esto se llama “memoria de la fibra”), la contracción lateral o transversal, que
puede ser de hasta 9%, se puede disminuir, considerablemente aumentando la tensión
de los paños de secadores, lo cual ayuda a evitar la contracción, pero difícilmente se
anula, ello trae consecuencias en la estabilidad dimensional de la hoja de papel, ya
que al rehumectar y secar se manifiestan nuevamente los fenómenos citados, esto
adquiere especial relevancia en la impresión de cajas de embalaje.
5.
Variables para el embalaje:
Después de 22 años de experiencia, entre investigaciones, asesorías industriales,
memorias de título, tesis de Magister, tenemos que los embalajes pueden ser
fabricados a base de celulosa noble o de primer uso, que no causa problemas y
progresivamente se incrementa la cantidad de reciclaje, siendo en algunos casos las
recetas de fabricación de 100% reciclaje, ello conlleva a que en la obtención de
embalajes debemos tender a controlar:
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1.
Ve, cm3/g, mientras mayor sea, más poroso es el papel y más reciclaje
contendrá o eventualmente más fibra corta. O lo que es peor presencia de
PM, PTM o PCTM, fibras rígidas, que derivan en papeles muy porosos.
2.
El índice Cobb, nos dará el panorama general o una mayor diferenciación de
lado paño y lado tela. Aquí vale la pena, hacer un paréntesis. En un fourdrinier
normal o mesa de formación tradicional, existe como hemos mencionado un
lado paño (más cerrado) y un lado tela, (más abierto y poroso). Pero una
formación doble tela, por ejemplo Bel-Bai, tiene dos lados tela, es decir es un
conjunto “abierto” a ambos lados, un eje z, de alta porosidad, concentrándose
la mayor porosidad en ambas caras, diferentes estudios apuntan al hecho que
el 45% de la porosidad total del papel está en sus caras y el mayor porcentaje
en el lado tela.
3.
Mientras más obscuro sea el embalaje debiera tener más fibra de primer uso,
más claro, mayor porcentaje de reciclaje. El color oscuro se debe
precisamente a mayor porcentaje de lignina o fibra noble o de poco reciclaje
4.
A mayor anisotropía del papel en dimensión x/y, es decir LRSM/LRST, mayor
será la posibilidad de encontrar problemas de estabilidad dimensional,
impresión con más de un color. Esto debido a la mayor contracción ST.
5.
Lo ideal, es clasificar las bobinas según origen y almacenarlas, bajo las
condiciones lo más estables posibles de humedad y temperatura. Es
necesario, controlar la mayor parte de las propiedades en sentido transversal,
a lo menos 5 posiciones y en sentido máquina, ojala en dos partes de la
bobina
6.
Existe una prueba, llamada Indice de Cohesión Interna, que aunque no está
homologada (normalizada), sirve para tener una idea de la resistencia interna
del papel en el sentido z (espesor), se trata de colocar en contacto, una
superficie dada de una cinta adhesiva, por ejemplo 4 cm2 y lo mismo para la
serie de papeles, que se desean testear (obviamente siempre todos lado paño
o lado tela), con una regla de pegar, la punta del papel adhesivo y se procede
a desgarrar, todos los papeles al mismo tiempo, se pesan los 4 cm2
inicialmente adheridos, que lleva restos del papel testeado, el de mayor valor
es el de menor cohesión, interna, ya que ha “dejado partir”, más fibra.
7.
En cuanto al almidón, hay que estudiar, temperatura, diferencias de
temperatura, al aplicar, viscosidad, origen, no todos los maíces son iguales, si
7
son catiónicos o no, humedad del papel, velocidad de la máquina y por lo
tanto de aplicación, superficie de aplicación (deformabilidad), variaciones de
auxiliares de solubilidad para acelerar polimerización o curado, entre otros.
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