formulación, evaluación de papel magnético y diseño de una planta

FORMULACIÓN, EVALUACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO Y DISEÑO DE UNA
PLANTA PARA SU ELABORACIÓN A ESCALA SEMI-INDUSTRIAL
KRISTIAN ALESSANDRO PIZA MONTENEGRO
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
BUCARAMANGA
2004
FORMULACIÓN, EVALUACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO Y DISEÑO DE UNA
PLANTA PARA SU ELABORACIÓN A ESCALA SEMI-INDUSTRIAL
KRISTIAN ALESSANDRO PIZA MONTENEGRO
Trabajo de Grado para optar al título de
Ingeniero Químico
Director
Ramiro Augusto Salazar Larotta
Ingeniero Químico, Ph.D.
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
BUCARAMANGA
2004
Este trabajo lo dedico a:
Luz Marina y Luis Efraín, por darme la vida y enseñarme su valor.
Mis hermanas Yaneth, Paola y Catherine, siempre conmigo.
Pedro, Publio, Jesús y Edilberto, amigos del alma.
Freddy Ramírez y Kelyn, luces en mi oscuridad.
Patricia Valderrama, compañera incondicional.
Dios, principalmente.
RESUMEN
TÍTULO: FORMULACIÓN, EVALUACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO Y DISEÑO DE
UNA PLANTA PARA SU ELABORACIÓN A ESCALA SEMI-INDUSTRIAL.*
AUTOR: KRISTIAN ALESSANDRO PIZA MONTENEGRO.**
PALABRAS CLAVES: papel, hoja de piña, sulfito neutro, ferrita, material magnético,
papel magnético.
En el presente trabajo se estudió la posibilidad de encontrar papel con propiedades
magnéticas, como alternativa nueva, práctica y rentable para la solución de diversos
problemas en la industria y la vida cotidiana.
Para elaborar el papel se empleó como materia prima la hoja de piña variedad
Cayena Lisa, la pulpa se obtuvo por el método semiquímico al sulfito neutro y el papel
se formó de manera artesanal. Además de la preparación de pasta y formación de
papel, se seleccionó el tipo de material magnético y el tratamiento para incorporarlo
como carga, se determinó el punto de incorporación en el proceso, su polarización y
técnicas analíticas para determinar sus propiedades.
Como carga magnética se utilizó ferrita de bario y estroncio por su buena relación
calidad-precio, disponibilidad comercial y facilidad de reducción. Se encontró que el
punto más adecuado para incorporar la ferrita es en la homogeneización de pasta. El
papel con ferrita incorporada se polarizó con imanes de Neodimio antes de su entrada
al proceso de secado y se encontró un papel con inducción remanente uniforme
denominado “papel magnético”.
Mediante comparación de propiedades físicas, mecánicas y magnéticas de los papeles
elaborados, se tomó como mejor opción de formulación la presentada al incorporar a la
pasta 10% de ferrita malla 170 de la serie Tyler. A partir de este resultado, se encontró
un papel adherente a imanes, con buena aceptabilidad de tinta.
Teniendo en cuenta las propiedades del papel formulado, se propusieron algunas
aplicaciones, se diseñó una planta para su producción a escala semi-industrial y se
demostró su viabilidad económica.
*
**
Trabajo de Grado.
Facultad de Ingenierías Fisicoquímicas. Ingeniería Química. Director: Ramiro
Augusto Salazar Larota, Ingeniero Químico, Ph.D.
ABSTRACT
TITTLE: FORMULATION, EVALUATION OF MAGNETIC PAPER AND DESIGN OF A
PLANT FOR ITS ELABORATION TO A SEMI-INDUSTRIAL SCALE*.
AUTHOR: KRISTIAN ALESSANDRO PIZA MONTENEGRO**.
KEY WORDS: paper, pineapple leaf, neutral sulfite, magnetic material, magnetic
paper.
In this project the possibility of finding out paper with magnetic properties was studied,
as a new alternative, practical and profitable for the solution of diverse problems in
industry and everyday life.
To elaborate paper the pineapple leaf variety Cayena Lisa was used as raw material,
the pulp was gotten from method to neutral sulfite semichemical and the paper was
made in a handy way. In addition to paste preparation and paper formation, the
magnetic material type was selected and the treatment to be incorporated as a charge,
the incorporation point was determined in the process, its polarization and analytical
techniques in order to determine its properties.
Ferrite of barium and strontium was used as a magnetic charge for its good relation,
quality-price, commercial availability and easy reduction. The best point for adding the
ferrite was found in paste homogenization. The paper with added ferrite was polarized
with Neodymium magnets before its entrance to the drying process and a paper with
uniform induction remainder called “magnetic paper” was found.
By jeans of physical, mechanical and magnetic properties comparison of elaborated
papers as the best formulation option was taken the one showed by adding Tyler-serie
170-mesh 10%-ferrite paste. From this result, a magnet-adherent paper was found,
with a good ink acceptability.
Having in mind the formulated paper properties some applications were proposed, a
plant for its semi-industrial scale production was designed and its economic viability
was demonstrated.
*
**
Graduation Project
Physic-Chemical Engineering Faculty. Chemical Engineering. Director: Ramiro
Augusto Salazar Larota, Chemical Engineer, Ph.D.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN......................................................................................................1
1. CONCEPTOS TEÓRICOS..................................................................................3
1.1. MATERIALES MAGNÉTICOS.........................................................................3
1.1.1 Tipos de magnetismo.......................................... ........................................3
1.1.2 Clases de imanes..........................................................................................5
1.1.3 Propiedades de las ferritas de bario y estroncio.......................................7
1.2. ASPECTOS CARACTERÍSTICOS DE LA PULPA Y EL PAPEL...................9
1.2.1 Materias primas para la fabricación de papel..........................................11
1.2.2 Proceso de preparación de pulpa.............................................................14
1.2.3 Fabricación de la hoja de papel................................................................17
1.2.4 Procedimiento para preparar papel magnético.......................................17
1.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL PAPEL..............................18
1.3.1 Peso base o sustancia...............................................................................18
1.3.2 Humedad......................................................................................................18
1.3.3 Resistencia a la tensión.............................................................................18
1.3.4 Resistencia a la explosión.........................................................................18
1.3.5 Resistencia al rasgado...............................................................................19
1.3.6 Resistencia al doblez.................................................................................19
1.4. INFLUENCIA DE LAS CARGAS EN EL PAPEL...........................................19
1.4.1 Tamaño de partícula de las cargas...........................................................20
1.4.2 Retención de las cargas.............................................................................20
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL....................................................................21
2.1. PREPARACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO...................................................22
2.1.1 Elaboración de papel..................................................................................22
2.1.2 Selección y tratamiento del material magnético......................................26
2.1.3 Determinación del punto de incorporación de la carga..........................29
2.1.4 Polarización del papel...............................................................................32
2.1.5 Preparación de papel blanco.....................................................................33
2.2. PRUEBAS EN EL PAPEL..............................................................................33
2.2.1 Muestreo......................................................................................................34
2.2.2 Determinación de las características físicas de las hojas......................34
2.2.3 Determinación de las características mecánicas de las hojas...............35
2.2.4 Determinación de características magnéticas de las hojas...................38
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS.............................................................................41
3.1. TIEMPO DE CONTACTO PARA POLARIZAR EL PAPEL...........................41
3.2. ANÁLISIS DE PORCENTAJE DE RETENCIÓN...........................................43
3.3. ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS
EN EL PAPEL................................................................................................46
3.4. RESULTADO DE LA PRUEBA CUALITATIVA.............................................54
3.5. RESULTADO DE LA PRUEBA DE ESCRITURA E IMPRESIÓN.................55
3.6. APLICACIONES DEL PAPEL MAGNÉTICO.................................................55
3.7. DISEÑO Y ESTUDIO DE VIABILIDAD ECONÓMICA PARA EL
MONTAJE DE UNA PLANTA DE PAPEL MAGNÉTICO............................56
3.7.1 Diseño conceptual de la planta.................................................................56
3.7.2 Análisis económico....................................................................................59
4. CONCLUSIONES..............................................................................................62
5. RECOMENDACIONES......................................................................................63
BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................64
ANEXOS.................................................................................................................68
LISTA DE TABLAS
pág.
TABLA 1. Propiedades de las ferritas de bario y estroncio....................................8
TABLA 2. Algunos procesos de fabricación de pasta...........................................10
TABLA 3. Propiedades de la hoja de piña............................................................12
TABLA 4. Propiedades físicas y químicas de la fibra cruda de hoja de piña....... 12
TABLA 5. Relación Inducción Magnética / Costo, de ferritas...............................27
TABLA 6. Valores de Inducción Remanente en papel polarizado con
imanes de Neodimio............................................................................42
TABLA 7. Datos experimentales de retención para diferentes mallas,
utilizando 10 % de ferrita en la suspensión pastosa............................43
TABLA 8. Datos experimentales de retención para diferentes porcentajes
de carga en la suspensión pastosa utilizando cargas malla 250
de la serie Tyler...................................................................................44
TABLA 9.
Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir
de hoja de piña, con incorporación de diferentes porcentajes
de ferrita Malla 170 de la serie Tyler como carga..............................48
TABLA 10. Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir
de hoja de piña, con incorporación de diferentes porcentajes
de ferrita Malla 200 de la serie Tyler como carga.............................48
TABLA 11. Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir
de hoja de piña, con incorporación de diferentes porcentajes
de ferrita Malla 250 de la serie Tyler como carga............................. 48
LISTA DE FIGURAS
pág.
FIGURA 1. Dominios magnéticos en un material ferrimagnético...........................4
FIGURA 2. Imanes de ferritas de bario y estroncio................................................5
FIGURA 3. Hoja de piña variedad Cayena Lisa o Perolera..................................11
FIGURA 4. Diagrama de bloques de las etapas metodológicas
planificadas para el estudio....................................................................................21
FIGURA 5. Disposición de Imanes de Neodimio sobre papel húmedo con
ferrita incorporada...................................................................................................33
FIGURA 6. División de las hojas para pruebas mecánicas...................................36
FIGURA 7. Puntos de medición de Inducción Remanente en la
esquina polarizada de una hoja de papel magnético.............................................39
FIGURA 8. Gaussímetro utilizado para medir la inducción remanente
de muestras de papel magnético(Cortesía Instituto Colombiano de
Petróleos, ICP).......................................................................................................39
FIGURA 9. Gráfica de relación entre el porcentaje de retención de
carga en hojas de papel con 10% de ferrita incorporada a la pasta,
y el diámetro máximo de partícula de las cargas...................................................44
FIGURA 10. Gráfica de relación entre el porcentaje de ferrita retenido
en la hoja de papel y el porcentaje de ferrita malla 250 de la serie
Tyler incorporado a la pasta...................................................................................45
FIGURA 11. Relación entre el porcentaje de ferrita retenido en la hoja
de papel y el porcentaje de ferrita incorporado a la pasta, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
Serie Tyler).............................................................................................................47
FIGURA 12. Gráfica de relación entre la longitud de ruptura y el
porcentaje de ferrita presente en la hoja de papel, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
Serie Tyler).............................................................................................................49
FIGURA 13. Gráfica de relación entre el Factor de Explosión y el
porcentaje de ferrita presente en la hoja de papel, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
Serie Tyler).............................................................................................................50
FIGURA 14. Gráfica de relación entre el Factor de Rasgado y el
porcentaje de ferrita presente en la hoja de papel, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
Serie Tyler).............................................................................................................51
FIGURA 15. Gráfica de relación entre el Factor de Doblez y el
porcentaje de ferrita presente en la hoja de papel, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
de la Serie Tyler).....................................................................................................52
FIGURA 16. Gráfica de relación entre la Inducción Remanente y el
porcentaje de ferrita presente en la hoja de papel, para diferentes
tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170, 200 y 250
Serie Tyler).............................................................................................................53
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LOS PASOS SEGUIDOS
PARA FORMAR PAPEL ARTESANAL A PARTIR DE HOJA DE PIÑA.................68
ANEXO B. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS
PARA REDUCCIÓN DEL MATERIAL MAGNÉTICO ............................................69
ANEXO C. NORMAS UTILIZADAS PARA LA DETERMINACIÓN
DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LAS HOJAS Y
PORCENTAJE DE ERROR DE LOS APARATOS DE MEDICIÓN.......................70
ANEXO D. MODELO ESTADÍSTICO PARA PREDECIR EL
PORCENTAJE DE FERRITA EN LA PASTA.........................................................71
ANEXO E. PRUEBAS MAGNÉTICAS EN EL PAPEL...........................................74
ANEXO F. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO PARA
ELABORACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO POR EL MÉTODO NSSC,
A PARTIR DE HOJAS DE PIÑA.............................................................................75
ANEXO G. ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS.........................................76
ANEXO H. COSTOS DE CAPITAL TOTAL DE INVERSIÓN (CTI).......................82
ANEXO I. EVALUACIÓN DE LOS COSTOS TOTALES.......................................83
ANEXO J. EVALUACIÓN DE LOS COSTOS TOTALES......................................87
ANEXO K. EVALUACIÓN FINANCIERA..............................................................88
ANEXO L. DISTRIBUCIÓN EN PLANTA..............................................................90
ANEXO M. DIAGRAMA DEL PROCESO PROPUESTO PARA
ELABORACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO POR EL MÉTODO NSSC,
A PARTIR DE HOJAS DE PIÑA.............................................................................91
INTRODUCCIÓN
Los estudios que permitan aprovechar las propiedades magnéticas de la materia
tienen actualmente gran acogida en la industria por ser muchas sus aplicaciones y
poco lo investigado al respecto.
En la escuela de Ingeniería Química de la
Universidad Industrial de Santander se han obtenido en los últimos años
materiales tales como pinturas, pegamentos, cauchos, termoplásticos, resinas,
grafito y pavimentos magnéticos, “añadiéndoles propiedades” mediante la
incorporación de compuestos que las presentan.
En el presente trabajo se estudió la posibilidad de encontrar papel con
propiedades magnéticas, como una alternativa nueva, práctica y rentable para la
solución de diversos problemas en el campo industrial y en la vida cotidiana.
Antes de introducirse en el estudio mencionado se recomienda al lector verificar
algunos conceptos básicos presentados en la primera parte, para lograr una
mayor comprensión de cada paso seguido en la elaboración, evaluación y
formulación de papel magnético.
Para el estudio, se elaboró el papel de forma artesanal tomando como materia
prima la hoja de piña variedad Cayena Lisa y utilizando el método semiquímico al
sulfito neutro por la disponibilidad de equipos para este fin, en el taller de
fabricación de papel “Artes Gráficas con un Propósito”, adscrito a la organización
no gubernamental Paz y Cooperación. Además de la preparación de la pulpa y
formación del papel, se seleccionó el tipo de material magnético y su consecuente
tratamiento para incorporarlo como carga al papel, se determinó el punto de
incorporación en el proceso, su polarización y las técnicas de análisis empleadas
para determinar las propiedades físicas y mecánicas de las muestras obtenidas.
1
A partir de las determinaciones llevadas a cabo en muestras de papel con
diferentes concentraciones de carga magnética, se encontró un papel con
propiedades magnéticas que conservaba otras características como la resistencia;
para ello se determinó el tamaño de partícula y la cantidad de material magnético
a incorporarse en el proceso de preparación del papel. Teniendo en cuenta esta
formulación, se propone una serie de aplicaciones opcionales para este material y
se deja abierta la posibilidad de encontrar nuevas alternativas de uso.
Por último, se describe el diseño conceptual de una planta de papel magnético a
partir de 480 Kg de hojas de piña diarias, se hace el análisis para su montaje y
puesta en marcha, determinando un costo de cada hoja tal que la planta sea
viable económicamente.
Se espera que el presente trabajo sea del agrado de todos los lectores
interesados y un buen precedente para nuevas investigaciones.
2
1. CONCEPTOS TEÓRICOS
En este capítulo se presentan generalidades y propiedades importantes de los
materiales magnéticos, aspectos característicos en la elaboración de papel y una
breve descripción de sus propiedades físicas y mecánicas. Por último se da una
idea de las variaciones que se pueden presentar al incorporar cargas en el papel.
1.1. MATERIALES MAGNÉTICOS
Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el
hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan
sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita
(Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. En
un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos
se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos
geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural. [18]
En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al
movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina
un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados
en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta
propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como
un único imán y en ese caso se dice que la sustancia se ha magnetizado. [12]
1.1.1 Tipos de magnetismo. Los tipos de magnetismo incluyen diamagnetismo,
paramagnetismo y ferromagnetismo,
además, el antiferromagnetismo y el
ferrimagnetismo se consideran subclases del ferromagnetismo. Todos los
materiales exhiben al menos uno de estos tipos y el comportamiento depende de
3
la respuesta del electrón y los dipolos magnéticos atómicos a la aplicación de un
campo magnético externo. [26]
Los materiales que poseen un momento magnético permanente en ausencia de un
campo externo y manifiestan magnetizaciones muy largas son denominados
materiales ferromagnéticos, entre los que se cuentan el hierro, cobalto, níquel y
algunos elementos de tierras raras tales como el gadolinio (Gd).
El
Antiferromagnetismo ocurre cuando, en presencia de un campo magnético, los
dipolos magnéticos de los átomos de los materiales se alinean por sí mismos en
direcciones opuestas. [19]
El Ferrimagnetismo se presenta cuando iones diferentes poseen distinta magnitud
para sus momentos magnéticos y estos se alinean en forma antiparalela,
produciéndose un momento magnético neto en una dirección, como lo ilustra la
Figura 1. Los materiales ferrimagnéticos son cerámicos y al ser sometidos a la
acción de un campo magnético, lo intensifican. Los principales materiales de este
tipo son las llamadas ferritas, minerales de hierro, cuyo principal exponente es la
magnetita, que se constituye en el más abundante magneto natural. [22]
FIGURA 1. Dominios magnéticos en un material ferrimagnético.
4
Algunas ferritas comunes son la ferrita de Manganeso, Níquel, Zinc y las ferritas
de Bario (BaFe12O19) y de Estroncio (SrFe12O19). Todas las ferritas presentan una
estructura CCC para los aniones O
=
, mientras los cationes (Fe+++, Fe++, Ni++,
Zn++) ocupan intersticios tetraédricos u octaédricos de tal manera que unos
presentan sus momentos magnéticos paralelos al campo aplicado reforzándolo,
mientras que los otros los alinean en forma antiparalela, oponiéndose a él. Como
resultado se tiene que aunque algunos de estos momentos se neutralizan,
siempre resultan unos dipolos magnéticos que en presencia de un campo
magnético, lo intensifican. [27]
1.1.2 Clases de imanes. Además de la magnetita o imán natural existen imanes
fabricados con diferentes aleaciones tales como los imanes de tierras raras,
imanes flexibles, imanes de álnico e imanes cerámicos. [30]
∗
Imanes Cerámicos.
Se llaman así por sus propiedades físicas, tienen
apariencia lisa, color gris oscuro y aspecto parecido a la porcelana.
Se
encuentran en múltiples aplicaciones pero tienen el problema de ser muy frágiles,
pueden romperse si se caen o se acercan a otro imán sin el debido cuidado; en la
Figura 2 se puede observar un conjunto de imanes de ferrita utilizados
comúnmente.
FIGURA 2. Imanes de ferritas de bario y estroncio.
5
Los imanes cerámicos se fabrican a partir de partículas muy finas de material
ferromagnético (óxidos de hierro) que se transforman en un conglomerado por
medio de tratamientos térmicos a presión elevada, sin sobrepasar la temperatura
de fusión. Algunos imanes cerámicos están fabricados con una mezcla de bario y
estroncio, estos son resistentes a muchas sustancias químicas (disolventes y
ácidos) y pueden utilizarse a temperaturas comprendidas entre - 40 ºC y 260 ºC.
∗
Imanes de Alnico. En su composición llevan los elementos aluminio, níquel y
cobalto. Se fabrican por fusión de un 8 % de aluminio, 14 % de níquel, 24 % de
cobalto, 51 % de hierro y 3 % de cobre. Son los que presentan mejor
comportamiento a temperaturas elevadas.
Tienen la ventaja de poseer buen
precio, aunque no tienen mucha fuerza de atracción.
∗
Imanes de Tierras Raras. Son imanes pequeños, de apariencia metálica, con
una fuerza 6 a 10 veces superior a la de los materiales magnéticos tradicionales.
Los imanes de boro/neodimio están formados por hierro, neodimio y boro; tienen
alta resistencia a la desmagnetización, son lo bastante fuertes como para
magnetizar y desmagnetizar algunos imanes de Alnico y flexibles. Estos imanes
se oxidan fácilmente y son bastante frágiles, por eso van recubiertos con un baño
de cinc, níquel o un barniz epoxídico.
Los imanes de samario/cobalto no
presentan problemas de oxidación pero tienen el inconveniente de ser muy caros
por esto se están sustituyendo por los de boro/neodimio. Es importante manejar
estos imanes con cuidado para evitar daños corporales y daño a los imanes (los
dedos se pueden pellizcar seriamente).
Los imanes de NEODIMIO (NdFeB) son los que poseen mayor fuerza coercitiva y
se utilizan en los casos que requieran BH máximo y temperaturas de trabajo que
no superen los 80 ºC. [12 ]
6
∗
Imanes flexibles.
Se fabrican por aglomeración de partículas magnéticas
(hierro y estroncio) en un elastómero (caucho, PVC, etc.).
Su principal
característica es la flexibilidad, presentan forma de rollos o planchas con
posibilidad de una cara adhesiva. Se utilizan en publicidad, cierres para nevera,
llaves codificadas, etc. Consisten en una serie de bandas estrechas que alternan
los polos norte y sur, justo en la superficie su campo magnético es intenso pero se
anula a una distancia muy pequeña, dependiendo de la anchura de las bandas.
∗
Otros imanes.
También existen imanes de platino/cobalto, utilizados en
relojería, en dispositivos aeroespaciales y en odontología para mejorar la retención
de prótesis completas. Algunas aleaciones utilizadas son cobre/níquel/cobalto y
hierro/cobalto/vanadio.
1.1.3 Propiedades de las ferritas de bario y estroncio. La mayoría de imanes
cerámicos están compuestos por óxido de hierro, bario y estroncio. Estos imanes
poseen alta densidad de flujo magnético, alta fuerza coercitiva y alta resistencia a
la desmagnetización y oxidación. Comparados con los denominados de tierras
raras, la mayor ventaja de estos imanes es su bajo costo, y son denominados
ferritas por ser materiales ferrimagnéticos. [19]
Las ferritas tienen fórmula general MO⋅(Fe2O3)n donde M representa a un ión de
un metal divalente.
(SrFe12O19),
La ferrita de Bario (BaFe12O19) y la ferrita de Estroncio
están compuestas de óxido de hierro y carbonato de bario y
estroncio respectivamente.
Los imanes de ferrita de Bario y Estroncio son
componentes económicos y de alta calidad que se pueden encontrar en
aplicaciones tan diversas como automatización, control y medición. Peden ser
isótropos o anisótropos; para calidades anisotrópicas se aplica, durante proceso
de prensado, un campo magnético [10]. A través de la sinterización (tratamiento
térmico a altas presiones), se obtienen las piezas con su forma y solidez
definitivas [5]. En la Tabla 1 se exponen los valores magnéticos más importantes
7
de las ferritas de bario HF 8/22 isótropo y estroncio HF 28/26 según la norma DIN
17410 [30].
TABLA 1. Propiedades de las ferritas de bario y estroncio.
kJ / m3
Ferrita de
bario
HF 8/22
8,5
Ferrita de
estroncio
HF 28/26
3,0
Fuerza Coercitiva (Hc)
HcB
medio
HcB
mínimo
HcJ
medio
HcJ
mínimo
MGOe
kJ / m3
MGOe
mT
kG
mT
kG
kA / m
kOe
kA / m
kOe
kA / m
kOe
kA / m
kOe
1,1
8
1
220
2,200
215
2,150
140
1,760
135
1,700
230
2,890
220
2,760
3,8
28
3,5
395
3,950
385
3,850
265
3,330
250
3,140
275
3,450
260
3,270
Densidad
Aproxim
g / cm3
4,8
4,8
Temperatura de Curie
Aproxim
ºC
450
450
xten. Máxima de Trabajo
Aproxim
ºC
250
250
Dureza
Aproxim
Mohs
6–7
6–7
Módulo de Elasticidad
Aproxim
103 N / mm2
150
150
Resist. a la Compresión
Aproxim
N / mm2
700
700
Resist. a la Tracción
Aproxim
N / mm2
20
20
Resist. a la Flexión
Aproxim
N / mm2
55
55
Aproxim
10-6 / K
10
10
Aproxim
Ωm
> 104
> 104
PROPIEDAD
Energía Máxima de
Atracción (BH)máx
UNIDADES
Medio
Mínimo
Medio
xtensión Remanente (Br)
Mínimo
Coeficiente de xtensión
( xtensión)
Resistencia eléctrica
específica
Fuente: www. Ima.es
8
De las propiedades presentadas en la Tabla 1, cabe destacar la energía máxima
de atracción, la inducción remanente y la fuerza coercitiva.
-
Energía máxima de atracción. La energía máxima de atracción de un
material magnético es la mayor energía que el material puede suministrar
cuando se encuentra en un determinado punto de trabajo; su unidad de
medida es KJ / m3. [29]
-
Inducción remanente. La inducción remanente, es la fuerza de imantación
que está presente (debido al momento magnético total) o que permanece
en un material que ha sido imantado hasta la saturación en un circuito
cerrado. Las unidades de medida de la remanencia son Tesla (T) o Gauss
(G), los cuales se pueden determinar directamente en un Gaussímetro, en
un magnetómetro o en un osciloscopio, o indirectamente en un fluxómetro.
[5]
-
Fuerza coercitiva.
La fuerza coercitiva es la fuerza de desimanación
correspondiente a una inducción magnética nula. La fuerza coercitiva se
puede medir mediante métodos que utilizan el yugo magnetizante, donde
se encuentran equipos como los permeámetros. Su unidad de medida es el
Oersted o Amperios / metro. [29]
1.2. ASPECTOS CARACTERÍSTICOS DE LA PULPA Y EL PAPEL
Según la norma ICONTEC 1167, el papel es la hoja constituida esencialmente de
fibras (vegetales, animales, minerales o sintéticas) y mezcla de otros materiales,
formada en la máquina de papel o cartón.
9
En la fabricación de papel se consideran tres variables: las materias primas, la
pasta, y el papel. Una clasificación de los procesos de fabricación de pastas se
muestra en la Tabla 2. Según el método de fabricación escogido, se llega a la
obtención de diferentes pastas y se logran papeles con propiedades físicas
específicas.
TABLA 2. Algunos procesos de fabricación de pasta.
PASTAS
RENDIMIENTO
Mecánicas
90-98%
Semiquímicas
60 – 90%
PROCESOS
Alcalinas
A la sosa en frío
A la sosa en caliente
Kraft
Químicas
40-60%
Neutras
Sulfito Neutro
Ácidas
Bisulfito
Alcalinas
A la sosa
Al sulfato
Ácidas
Bisulfito cálcico
Bisulfito sódico
Bisulfito magnésico
Fuente: LIBBY, Earl. CIENCIA Y TECNOLOGÍA SOBRE PULPA Y PAPEL, Tomo 1: Pulpa.
La fabricación de un determinado tipo de papel debe ser consecuencia de un
estudio optimizado de las posibles variables a combinar; es muy difícil que dos
proyectos de fabricación sean iguales, aunque el producto final tenga
características iguales. [2]
En el presente trabajo se usa como materia prima para la elaboración de papel,
planta anual de fibra larga (hoja de piña). Para la fabricación de pasta se utiliza el
método semiquímico al sulfito neutro.
10
1.2.1
Materias primas para la fabricación de papel.
Las materias primas
consisten principalmente de pulpas vírgenes de celulosa, fibras secundarias,
encolantes y cargas [4].
∗
Fibras [8]. La fibra utilizada en la elaboración de papel en los talleres de “Artes
Gráficas Con un Propósito” es la hoja de piña variedad Cayena Lisa o Perolera,
que se puede observar en la Figura 3.
FIGURA 3. Hoja de piña variedad Cayena Lisa o Perolera.
En esta planta las hojas se encuentran distribuidas a lo largo del tallo, ocultándolo
totalmente, las que se encuentran en la parte inferior son de mayor tamaño
alcanzando una longitud entre 0.6 y 1.2 metros y una anchura entre 6 y 7 cm. Las
hojas van implantadas a lo largo del tallo, son largas, estrechas y duras, esta
variedad presenta hojas que carecen totalmente de espinas.
La mayor concentración de plantaciones de piña perolera se encuentra en el
departamento de Santander, específicamente en las poblaciones Lebrija y
Rionegro donde hay aproximadamente 15.000 hectáreas cultivadas con un
promedio de 40.000 matas por hectárea, que equivale al 60% de la producción
nacional.
11
-
Características de la hoja de piña. Al momento de la recolección, las
hojas presentan las características expuestas en la Tabla 3.
TABLA 3. Propiedades de la hoja de piña.
PROPIEDAD
RESULTADO
Humedad promedio
85 %
Peso promedio
73,1 g
Longitud promedio
104,1 cm
Ancho máximo
7,64 cm
Espesor promedio
2,2 mm
Color
Verde
Forma
Filiforme
Textura
Lisa, sin espinas
Fuente: DUARTE, Alejandra Marina. DISEÑO, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UN
TALLER DE FABRICACIÓN DE PAPEL ARTESANAL.
-
Características de la fibra cruda. La fibra cruda se obtiene luego del
desfibrado en seco, lavado y secado de las hojas de piña. En la Tabla 4 se
exponen las principales propiedades físicas y químicas de la fibra y las
normas TAPPI utilizadas para hacer estas determinaciones.
TABLA 4. Propiedades físicas y químicas de la fibra cruda de hoja de piña.
PROPIEDAD
% (base fibra seca: bfs)
NORMA
Humedad
9,1
T3 m 44
Solubilidad en H2O fría
8,04
T1 m 59
Solubilidad en H2O caliente
8,87
T1 m 59
Porcentaje de lignina
8,8
T13 m 54
Porcentaje de celulosa
57,3
K. Seifert
Porcentaje de holocelulosas
92,56
K. Seifert
2,7
T15 m 58
Porcentaje de cenizas
Fuente: DUARTE, Alejandra Marina. DISEÑO, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UN
TALLER DE FABRICACIÓN DE PAPEL ARTESANAL.
12
Como la fibra de piña tiene un alto contenido de holocelulosas, el rendimiento en
el proceso al sulfito neutro es alto; el porcentaje de lignina es bajo y por lo tanto el
contenido de reactivos en la digestión también lo es.
Los porcentajes de
extraíbles son relativamente altos pero no alcanzan para generar problemas de
espuma durante el proceso de digestión.
La fibra de piña aventaja como materia prima celulósica al bagazo de caña y al
fique en el alto contenido de celulosa y en el menor contenido de lignina, lo que
repercute en menor consumo de reactivos y altos rendimientos durante el proceso
de producción de pulpas. [20]
∗
Cargas. Las cargas son materias de relleno cuya función es la de ocluir los
huecos que de manera natural, se originan al momento de unirse las fibras de la
celulosa en la sección de formación del papel.
Dentro de las cargas más
usualmente empleadas se pueden citar los silicatos (caolín, talco y asbestinas), el
carbonato de calcio y de magnesio, el dióxido de titanio, las tierras diatomáceas y,
entre las más apreciadas el sulfuro de zinc y el litopón [3]. El término carga se
justifica porque se modifica el peso base del papel mediante la incorporación de 5
a 40% de material inorgánico de mayor peso específico, el cual sustituye el mismo
porcentaje de fibras celulósicas de menor peso específico. [21]
∗
Encolantes. La adición de los encolantes tiene como objetivos principales
otorgar al papel propiedades permeables, aumentar su resistencia a la tensión, al
doblez, a la explosión y, junto con las cargas, propiciar una superficie que sea
adecuada a la escritura e impresión.
encuentran
las
breas
de
Entre los encolantes más usuales se
colofina,
los
almidones
modificados,
la
carboximetilcelulosa, y, recientemente, las resinas sintéticas de urea-formaldehído
o de melamina-formaldehído. [24]
13
1.2.2 Proceso de preparación de pulpa. La preparación de pulpa o pasta por el
método semiquímico al sulfito neutro, NSSC (siglas en inglés de Neutral Sulphite
Semichemical), comprende una serie de etapas como son el desfibrado en seco,
la digestión, el batido y la homogeneización de la pulpa. El papel a partir de hoja
de piña se obtiene usando sulfito de sodio en la etapa de digestión [14]. Con
pulpas semiquímicas se usan menos productos químicos, y como el proceso de
cocción está seguido de un proceso de desintegración mecánica, finalmente se
obtienen rendimientos más altos [11].
El proceso de producción de pulpa semiquímica al sulfito, consiste en tratar la
materia prima con una solución de sulfito de sodio que contiene una pequeña
cantidad de agentes alcalinos como tampón (carbonato o bicarbonato de sodio).
El proceso NSSC produce deslignificación selectiva con un máximo de retención
de hemicelulosa [15].
La naturaleza de las reacciones químicas que se llevan a cabo entre el licor y la
materia prima y los mecanismos de la reacción son aún motivo de estudio. Se
conoce que el mecanismo de ataque del sulfito sobre las uniones de las fibras
implica primordialmente, la sulfonación en estado sólido de una parte de la lignina,
seguida de una hidrólisis parcial; debilitándose la unión entre las fibras [11].
∗
Etapa Química. Esta parte del proceso se refiere a la cocción, que ocurre en
un equipo denominado Digestor.
El agente químico más satisfactorio en el
proceso NSSC es una solución de sulfito de sodio (Na2SO3), con suficiente
tampón, como para mantener el pH sobre 7.0, en virtud de no pretenderse un alto
grado de deslignificación. [6]
En adición a la influencia que presenta la composición química y la constitución de
las diferentes materias primas, las principales variables que intervienen en la parte
química del proceso semiquímico al sulfito neutro son: composición del licor y
14
cantidad de reactivos, relación licor/fibra, regulador o tampón, temperatura de
cocción, tiempo de digestión y tamaño de astilla. [4]
-
Composición del licor y cantidad de reactivos. Generalmente se usa
Na2SO3, sulfito de sodio, en un rango de 8 – 20% (base fibra seca) [3].
Para pulpa blanqueable, el porcentaje de sulfito fluctúa entre 15 y 20 % en
base fibra seca, para rendimiento entre 65% y 72%. Se recomienda una
relación de 1.2 g de sulfito de sodio por cada gramo de lignina existente [8].
Para obtener una buena reacción entre los componentes de la hoja de piña
y el licor de digestión, éste debe estar en íntimo contacto con las hojas,
tanto en su parte externa como en su parte interna, es decir, debe existir
una total penetración. [23]
-
Relación licor/fibra. Se debe tener presente que la hoja de piña debe
quedar totalmente sumergida para obtener una buena impregnación.
Además es conveniente no usar relaciones muy elevadas, a fin de disminuir
los costos de calentamiento [24]. Se recomienda emplear relaciones entre
1,5 : 1 a 4 : 1 [3].
-
Regulador o tampón.
El regulador se usa para neutralizar los ácidos
orgánicos que se forman cuando la hoja de piña es calentada a más de 120
ºC. Manteniendo el pH en la zona alcalina se disminuye la corrosión; un
exceso de tampón que eleve demasiado el pH, no es conveniente, debido
al efecto de disolución de los carbohidratos a alta temperatura [14].
-
Temperatura de digestión. El rango de temperatura más usado está entre
160 y 190 ºC [3]. Dentro de este rango, una variación de temperatura tiene
significativo efecto sobre la velocidad de reacción. Se ha encontrado que
15
un aumento de 10 ºC en la temperatura de digestión, duplica la velocidad
de reacción [13].
-
Tiempo de digestión.
Esta variable está estrechamente ligada a la
temperatura de digestión , y al tipo de pulpa deseada [20]. El tiempo de
digestión determina el tipo de pulpa que resulte en una digestión a
determinadas condiciones de temperatura.
Para pulpa blanqueable, se
puede emplear tiempos, a temperatura máxima en un rango de 2 a 8 horas,
dependiendo de las otras condiciones de digestión [2].
-
Tamaño de astilla. En los procesos semiquímicos , se requieren astillas
más pequeñas que en el proceso químico por razones de penetración del
reactivo en la etapa química y uniformidad de alimentación al desfibrador en
la etapa mecánica [6]. Cuando la penetración en la etapa química no ha
sido completa, se obtienen pulpas con un cierto contenido de haces de fibra
a causa de una digestión incompleta y no uniforme [14].
∗
Etapa Mecánica. La pasta o material fibroso se prepara mediante Batido y
Refinación. La diferencia entre Batido y Refinación está en la máquina empleada
en cada caso las cuales son la “pila batidora” y el “jordan” respectivamente [15].
El batido y la refinación realizan dos objetivos: mezclar los diferentes materiales
de la fabricación del papel e impartirles tales propiedades que puedan formarse en
una hoja de papel o cartón que tenga las características deseadas. [11]
Los principales efectos del batido son físicos, y entre los más importantes están
los siguientes:
fractura y separación parcial de la pared primaria de la fibra,
disminución de la longitud de la fibra, aumento en flexibilidad, formación de fibrilas
(fibrilación), y aumento en la superficie específica externa de la fibra [16].
16
1.2.3 Fabricación de la hoja de papel. Una vez fabricada la pasta, se forma la
hoja de papel haciendo entrelazar las fibras extendidas en una capa delgada,
eliminando poco a poco el agua que contiene la pasta.
La formación de la hoja de papel puede hacerse a mano, con máquina continua
plana o con máquina redonda. Antiguamente todo el papel se fabricaba a mano,
hoy día todavía se fabrican a mano algunas clases escogidas de papel empleando
un sistema semejante al antiguo pero perfeccionado. La máquina continua es un
conjunto de mecanismos, por medio de los cuales la pasta húmeda se transforma
en papel seco, arrollado en bobinas y listo para su uso. [7]
1.2.4 Procedimiento para preparar papel magnético [33]
La preparación de papel magnético se puede llevar a cabo mediante la
magnetización de pulpa de papel en dos etapas, aprovechando características de
las fibras de celulosa que no son tenidas en cuenta en la industria actual.
Primeramente se obtienen partículas de ferrita en presencia de las fibras (síntesis
in situ) mediante oxidación del M(OH)2 formado por coprecipitación. La presencia
de sustituyentes acídicos en las cadenas de celulosa les confiere la capacidad de
asociar cationes y favorece la formación de partículas muy pequeñas (diámetro
menor a 10 nm) incluidas en el seno de las fibras. La segunda contribución a la
magnetización de la pulpa se logra utilizando las partículas de ferrita que
precipitan en la fase líquida (30 nm < diámetro < 120 nm ), según M y n en la
fórmula de la ferrita (MO⋅(Fe2O3)n), forzándolas a entrar en el lumen de las fibras.
La carga del lumen ocurre a través de las aberturas que existen en las paredes de
las fibras y permite alcanzar altos niveles de carga inorgánica en el papel con un
mínimo daño a sus propiedades mecánicas. La sustitución de parte de los iones
Fe, por Co y Ni mejora las propiedades magnéticas del papel elaborado,
permitiendo alcanzar valores de fuerza coercitiva muy interesantes para registro
magnético y otras aplicaciones.
17
1.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DEL PAPEL
Aunque las hojas tienen un gran número de propiedades, que pueden ser objeto
de medición, las de mayor importancia son: peso por unidad de área, espesor,
resistencia a la tensión, resistencia a la explosión, resistencia al rasgado,
resistencia al doblez y humedad [4].
1.3.1 Peso base o sustancia. También llamado gramaje, se define como el peso
de la unidad de área del papel. Esta medición requiere una balanza de laboratorio
con precisión de 1 mg para obtener un buen grado de exactitud. Las unidades de
gramaje se dan en g / m2. [15]
1.3.2 Humedad. La humedad es el contenido de agua en porcentaje, existente
en la hoja de papel. Para llevar a cabo esta determinación es necesario contar
con una estufa y un desecador.
Al efectuar dicha medición lo que se quiere
encontrar en realidad es el peso seco por unidad de área del papel, valor
expresado en g / m2. [11]
1.3.3 Resistencia a la tensión. La resistencia a la tensión es la resistencia límite
de una muestra de papel, sometida a una fuerza creciente de tensión en cada
extremo.
Esta resistencia límite se denomina carga de ruptura.
Longitud de
ruptura es la longitud límite, calculada, de una tira de papel, de cualquier anchura
uniforme, por encima de la cual, si dicha tira se suspendiera por un extremo, se
rompería por su propio peso. La prueba de resistencia a la tensión mide la fuerza
de tensión necesaria para romper una tira de papel; para esto basta tener en
cuenta el instrumento Schopper-Leuning, que arroja resultados en Kg o libras. [15]
1.3.4 Resistencia a la explosión. La resistencia a la explosión es la presión
límite requerida, para producir la ruptura del material, cuando se aplica presión
perpendicularmente a su superficie a una velocidad creciente y controlada. El
18
factor de explosión es equivalente al número de metros cuadrados de papel, cuyo
peso, al ser aplicado a cada centímetro cuadrado de la hoja en ensayo, causaría
explosión.
Para calcular la resistencia a la explosión se utiliza un aparato
hidráulico llamado Mullen, el cual arroja resultados en Kg / cm2. El factor de
explosión se expresa como la resistencia a la explosión en g / cm2 sobre el peso
base en g / m2. [15]
1.3.5 Resistencia al rasgado. El factor de rasgado es equivalente a la fuerza en
gramos, que se debe aplicar a una hoja de papel, de peso base determinado, para
ocasionar su rasgado.
Elmendorf es el nombre del aparato más usual en la
medición de esta característica de la hoja de papel. El instrumento arroja valores
en gramos correspondientes al peso necesario para rasgar la hoja, este no es el
factor de rasgado, el cual es una relación entre el valor arrojado por el aparato y el
peso base del papel objeto de la medición, por tanto, las unidades del factor de
rasgado se dan en m2. [11]
1.3.6 Resistencia al doblez. A diferencia de las otras pruebas de resistencia
descritas, es una medida de los efectos combinados de formación y longitud de
fibra. El principio de la prueba consiste en el doblez continuo de una tira de papel
hasta que se rompe, siendo la resistencia al doblez el número de dobles dobleces
(es decir, hacia un lado y hacia otro) requeridos para producir la ruptura en el
aparato Schopper. [20]
1.4. INFLUENCIA DE LAS CARGAS EN EL PAPEL
Las cargas se añaden al papel para mejorar sus propiedades físicas. El objetivo
principal de la carga es aumentar la opacidad del papel; las siguen en importancia
la lisura, acabado e impresión del papel; sobre todo después del calandrado; otras
características comunicadas al papel por las cargas son el aumento de peso,
suavidad y propiedades de absorción [9].
19
El presente estudio incorpora materiales magnéticos, específicamente ferrita de
bario y de estroncio como material de relleno, con el fin de buscar un papel con
fuerza de atracción e inducción remanente significativas.
1.4.1 Tamaño de partícula de las cargas. Las cargas deben tener una finura
similar al polvo (por debajo de los 4 micrones); si las cargas que se adicionan al
papel están por encima de este valor (caso de las ferritas), es posible que la
retención sea muy baja. [2]
1.4.2 Retención de las cargas. Por retención de una carga se entiende el tanto
por ciento de la carga añadida que resulta en el papel acabado. Un grado alto de
retención es deseable desde el punto de vista económico, con el fin de reducir las
pérdidas de pigmentos, especialmente si se trata de sustancias caras [16].
La cantidad de carga retenida se puede calcular conociendo el contenido en
cenizas del papel, la clase de carga y la pérdida al fuego de la misma. Entre los
factores más destacados que influyen en la retención están el gramaje del papel,
naturaleza de las fibras, grado de refino, encolado, trabajo de la máquina de papel
y cantidad de carga añadida [14].
Los conceptos contemplados a lo largo de este capítulo son la base para entender
cada paso seguido en la elaboración, evaluación y formulación de papel
magnético.
Para una mayor profundización, se recomienda consultar la
bibliografía anotada como referencia.
20
2. DESARROLLO EXPERIMENTAL
En este capítulo se presenta una descripción de los métodos utilizados para
encontrar papel con propiedades magnéticas y las pruebas necesarias para su
evaluación.
En la Figura 4 se presenta un diagrama referente a la metodología
empleada en la búsqueda de este objetivo y posteriormente se describe cada
etapa.
FIGURA 4. Diagrama de bloques de las etapas metodológicas planificadas para el estudio.
21
2.1. PREPARACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO
2.1.1 Elaboración de papel. Para preparar la pasta y formar la hoja de papel, se
siguieron una serie de pasos en el taller de fabricación de “Artes Gráficas con un
Propósito” teniendo en cuenta las modificaciones implementadas por el taller a
través de sus cinco años de funcionamiento y las recomendaciones encontradas
en la bibliografía.
∗
Obtención de la pasta. La fibra empleada fue hoja de piña variedad Cayena
Lisa, se siguió el método semiquímico al sulfito neutro (NSSC); a continuación se
explican los pasos seguidos para la obtención de pulpa.
-
Recolección, Clasificación y Transporte. La recolección de hoja de piña
tuvo lugar en la zona piñera del municipio de Lebrija, departamento de Santander.
Se prefirieron hojas recién cortadas, frescas, de coloración verde oscura por su
buen contenido de humedad. Antes de transportarlas se clasificaron las hojas, se
desecharon aquéllas que presentaban ataque por hongos, resequedad y las que
estaban incompletas o muy cortas para evitar pérdida de tiempo en el taller. Se
empacaron las hojas teniendo cuidado de no maltratarlas; se transportaron
aproximadamente 1000 Kg de hojas.
-
Almacenamiento. Al llegar al taller, las hojas de piña se apilaron en un cuarto
para protegerlas de la intemperie.
Se cuidó que las hojas de piña apiladas
duraran un máximo de ocho días almacenadas para que no adquirieran
características
indeseables
como
resequedad,
decoloración,
ataque
por
microorganismos y olor a materia orgánica en descomposición.
-
Desfibrado en seco.
Se sometieron 120
Kg de hojas al proceso de
desfibrado en seco. Se utilizó una máquina desfibradora similar a una trilladora,
adaptada para la hoja de piña, con el fin de retirarles a las hojas el mayor
22
porcentaje posible de corteza. Se introdujeron a la máquina una por una, primero
por la punta, hasta la mitad, para que las aspas de la máquina golpearan la hoja y
ablandaran la parte de corteza y carnosidad.
-
Lavado de las Fibras. Las fibras obtenidas se lavaron una por una con agua,
a mano, para retirarles la mayor cantidad posible de corteza, azúcares, colorantes
y otras sustancias solubles en agua, de esta forma se obtuvo “fibra cruda”.
-
Preparación del licor de cocción.
Se preparó el licor de cocción a
condiciones ambientales mediante uso de sulfito de sodio comercial (Na2SO3),
carbonato de sodio anhidro como regulador (Na2CO3) y agua (H2O).
-
Digestión. Para deslignificar las fibras de hoja de piña se utilizó un Digestor
Cilíndrico Vertical de hierro, con revestimiento de acero inoxidable en su interior y
mecanismo de volteo. Se tuvo en cuenta lo siguiente:
¾
Materia Prima:
% de humedad de la fibra cruda: 9,1 %
Peso de fibra húmeda: 24,84 Kg
Peso de fibra seca: 22,58 Kg
¾
Condiciones de Digestión:
% sulfito de sodio: 20%
% carbonato de sodio: 5%
Temperatura de digestión: 165 ºC
Presión de digestión: 5 atm
Tiempo de digestión: 120 minutos
Tiempo de elevación (de 30ºC hasta temperatura de digestión): 90 minutos
Relación licor : fibra cruda (libre de humedad), 5 : 1
23
Teniendo en cuenta las condiciones anteriores, se hicieron los siguientes cálculos:
Masa de sulfito de sodio = 0,20 × 22,58 Kg = 4,516 Kg
Masa de carbonato de sodio = 0,05 × 22,58 Kg = 1,129 Kg
Masa del licor de cocción = 5 × 22,58 Kg = 112,9 Kg
El licor de cocción de preparó teniendo en cuenta el peso total de fibra libre de
humedad, utilizado en el proceso de digestión (22,58 Kg) y las condiciones de
trabajo para el proceso semiquímico al sulfito neutro. Se tomó un relación 4:1 de
sulfito de sodio - carbonato de sodio.
-
Lavado de la descarga. Se volteó el digestor a un tanque provisto de una
malla en la parte superior; para separar la fibra deslignificada del licor de cocción.
La fibra retenida se lavó sobre la malla al terminar la descarga con 1,2 m3 de agua
a temperatura ambiente.
-
Batido.
Se sometió la pulpa lavada a la acción mecánica de una Pila
Holandesa. Antes de poner a funcionar el equipo se adicionó 0,5% de dióxido de
titanio, 1% de resina tipo melamina formaldehído y 1,5% de bactericida. Para
contar con un proceso eficiente, se tuvieron en cuenta las siguientes variables:
¾
Temperatura en la zona de desfibración. Para aumentar la resistencia de
la pulpa y disminuir la energía de desfibración, el agua adicionada a la pila
se calentó previamente y se incorporó a 80 ºC.
¾
Consistencia. A una consistencia de 0,1 Kg de fibra por litro de agua, en
condiciones de alta acción fibra a fibra, se obtuvo un desfibrado
excepcional, con un consumo de energía relativamente bajo.
24
¾
Claro entre las placas.
Se trabajó en una pila de cuchillas afiladas,
separadas. Se esperaba obtener un papel de considerable resistencia al
rasgado, al doblez y a la tensión.
¾
Tiempo de batido. Se estimó en dos horas, teniendo en cuenta el tiempo
de carga y descarga.
Homogeneización.
-
La homogeneización se realizó en un tanque con
agitador, tal como venía la pasta de la pila holandesa, es decir, con una
consistencia del 10%.
Gracias a la agitación de la pasta durante un tiempo
moderado (2 horas), se imprimió mayor uniformidad a sus propiedades. A causa
de la capacidad del tanque de homogeneización (180 L), fueron necesarias dos
cargas, y un tiempo total de homogeneización de cuatro horas.
∗
Elaboración de la hoja de papel.
-
Formación de la hoja. Después de homogeneizada la pasta, con la misma
consistencia se llevó a una Tina de Formación, allí se procedió a darle forma de
hoja de papel con un molde rectangular de madera utilizado para elaborar papel
artesanal.
En este momento la película pastosa contaba con un porcentaje
aproximado de agua del 80%. (Ver Anexo A, Pasos seguidos para formar la hoja
de papel artesanal en el taller, Registro Fotográfico).
-
Prensado.
Cada grupo de diez hojas se llevó a la etapa de prensado.
Mediante la acción de una prensa hidráulica se les sometió a una presión
suficiente para hacer expulsar buena parte del agua contenida en la pasta. De
esta
forma,
al
terminar
la
etapa
aproximadamente un 60 % de agua.
25
de
prensado
las
hojas
contenían
-
Secado. En la etapa final de la elaboración de la hoja, el papel se llevó a
secadores a temperatura ambiente, ubicados en un sitio del taller protegido de las
corrientes de aire. La humedad del papel se eliminó casi por completo por espacio
de 72 horas.
∗
Acabado de la hoja
-
Calandreado. El calandreado del papel se efectuó para eliminar la excesiva
rugosidad, alisar y abrillantar la superficie del papel pasándolo ya seco por los
cilindros de una calandria.
-
Cortado. Como el papel se fabricó en hojas, se cortó uniformemente en una
cortadora transversal.
Para facilitar el estudio experimental, se le dieron las
dimensiones 16 cm de ancho × 12,5 cm de largo.
2.1.2 Selección y tratamiento del material magnético. Fue de gran importancia
seleccionar un material magnético que le confiriera al papel propiedades
magnetizantes importantes y adecuarlo para incorporarlo al papel como carga;
para esto, el material se llevó a un tamaño de partícula tal que lograra ser
retenido.
∗
Selección del material magnético. La selección del material magnético se
llevó a cabo teniendo en cuenta principalmente la variable calidad/precio, aunque
también se dio importancia a su disponibilidad comercial y facilidad de reducción
de tamaño.
Los imanes de tierras raras como los de samario/cobalto y boro/neodimio, así
como los de platino/cobalto, cobre/níquel/cobalto y hierro/cobalto/vanadio,
se
descartaron por su elevado precio a pesar de contar con muy buenas propiedades
magnéticas; un kilogramo de imán de boro/neodimio, que es el más económico de
los anteriores, posee 12000 Gauss y su precio aproximado es de 240000 pesos
26
[30]. Los imanes de Alnico a pesar de su buen precio, se descartaron por su baja
fuerza de atracción. La magnetita o imán natural no se tomó como una posibilidad
por la dificultad de consecución, además su fuerza de inducción promedio es de
650 Gauss, que es superada por los imanes de ferrita [10]. En este orden de
ideas, se estudió la posibilidad de incluir como material de carga la ferrita de bario
(BaFe12O19), la ferrita de estroncio (SrFe12O19) o una mezcla de las dos.
Mediante análisis instrumental de difracción de rayos X se encontró que los
imanes utilizados en los altavoces y parlantes de equipos de sonido son una
mezcla de 98% de ferrita de bario y estroncio y 2% de otros materiales. [17]
Como complemento al estudio mencionado, se midió la inducción remanente de
este material en el Laboratorio de Control Magnético de fluidos del Instituto
Colombiano de Petróleos (ICP), haciendo uso de un Gaussímetro.
El precio
promedio de este material magnético se cotizó en diferentes chatarrerías en la
ciudad de Bucaramanga y en talleres de reparación de equipos de sonido para
vehículos. Los valores de calidad y precio se reportan en la Tabla 5.
TABLA 5. Relación Inducción Magnética / Costo, de ferritas.
Material
Inducción
Costo
Remanente
[$/Kg]
[Gauss]
Ferrita de Estroncio
1500
47533 *
Ferrita de Bario
1200
37466 *
Mezcla de ferrita de bario y estroncio
900
500
FUENTE: (*) Datos suministrados por Dimetales Ltda. Santa Fe de Bogotá - Colombia
Teniendo en cuenta estos valores, se concluyó que no es aconsejable utilizar
ferritas en polvo comerciales ya que son muy costosas en comparación con los
materiales de ferritas de bario y estroncio mezcladas de los parlantes y altavoces,
27
además, el uso de un material cerámico es una ventaja importante teniendo en
cuenta la necesidad de reducir su tamaño para poderlo aplicar al papel y la
disponibilidad de equipos para este fin en el laboratorio de operaciones unitarias
de la Escuela de Ingeniería Química.
∗
Tratamiento
del
material
magnético.
Para
conferirle
propiedades
magnéticas al papel se emplearon los imanes de ferrita de bario y estroncio
contenidos en parlantes de sonido cotizados en talleres de venta y arreglo de
parlantes de sonido. Antes de reducir de tamaño el material, se libró de partes
metálicas como tornillos y armazones que le rodeaban. Para la reducción de
tamaño fue necesario someterlo a las operaciones de trituración, molienda y
tamizado en el laboratorio de operaciones unitarias de la Escuela de Ingeniería
Química de la Universidad Industrial de Santander.
-
Trituración.
Para la lograr reducción gruesa del material no se utilizó un
quebrantador ya que estos equipos son en su totalidad de hierro y ocurre una
fuerte adherencia entre los materiales magnéticos y dicho material. Se optó por
triturar el material de ferrita manualmente haciendo uso de un mortero y un yunque
de metal. El tiempo estimado para la trituración del material fue de dos horas por
kilogramo de ferrita. Al finalizar esta operación se obtuvieron partículas de un
tamaño máximo igual a 4,7 mm (Malla 4 serie Tyler).
-
Molienda. Se llevaron a cabo dos moliendas por cada kilogramo de material:
una en un molino de bolas metálicas para hacer más uniforme el tamaño de las
partículas y otra en un molino de bolas cerámicas para llevar el material a polvo.
¾
Molino metálico: Se llevó el material previamente triturado a un molino de
bolas metálicas. Se puso a funcionar el molino durante una hora, cargado
con 2 Kg de material, luego se paró la molienda durante 20 minutos para
reacomodar el material magnético en la parte central de molino por la
28
tendencia del material a adherirse a las paredes de la carcasa,
escapándose del contacto con las bolas. Esta parte de la molienda tuvo
una duración de 6 horas por kilogramo de ferrita incluyendo el tiempo
muerto, para obtener partículas con tamaño máximo de 0,104 mm (malla
150 de la serie Tyler).
¾
Molino cerámico: El material se sometió a una segunda molienda, llevada
a cabo en
un molino de bolas cerámicas.
Se buscó de esta forma
partículas muy finas que pudieran pasar por la malla 250 de la serie Tyler
(diámetro máximo de partícula, 0,061 mm). El tiempo de residencia para 1
Kg de ferrita fue de 5 horas.
-
Tamizado. El material proveniente del molino cerámico se tamizó hasta un
tamaño malla 250 de la serie Tyler. Se tamizaron 500 gramos de material durante
tres horas teniendo en cuenta el tiempo de carga y descarga del material, es decir,
seis horas por Kilogramo de ferrita. Se marcaron varios frascos con tapa para
guardar la ferrita en polvo y diferenciar la malla a la cual pertenecían.
(Ver Anexo B, Equipos utilizados en el tratamiento del material magnético,
Registro Fotográfico).
2.1.3 Determinación del punto de incorporación de la carga. La incorporación
de la carga al papel se realiza cuando está en estado de pasta y donde al efectuar
el encolado se facilita la retención [9]. Por esto, se descartó la aplicación del
material de relleno en cualquier punto anterior al proceso batido.
En este caso se aplicó 1% de resina tipo melamina formaldehído como encolante
a la pila holandesa, sin embargo, se encontró que no es recomendable aplicar la
carga de ferrita en este punto a causa de los problemas que este material, por ser
metálico, puede ocasionar a las partes móviles del equipo. Por lo anterior, fue
29
necesario encontrar otro punto de incorporación. Cabe anotar que estas pruebas
se hicieron utilizando ferrita con diámetro máximo de partícula 0,147 mm (malla
100 de la Serie Tyler), asumiendo que para las demás mallas se podía seguir el
mismo procedimiento.
Teniendo presente que la ferrita debía aplicarse en húmedo, es decir, en el estado
de pasta, se probaron algunos métodos para poder alcanzar el objetivo, entre los
que cabe destacar:
∗
Incorporación sobre la hoja formada.
Mediante el uso de una malla se
esparció el material magnético sobre hojas húmedas recién formadas, haciendo
movimiento de vaivén para procurar que se esparciera de la forma más
homogénea posible. Este método no arrojó un resultado muy alentador ya que el
polvo de ferrita no se pudo esparcir de forma uniforme.
Las hojas secas
sometidas a este procedimiento soltaron demasiado polvo y en general, no
presentaron buenas propiedades de hoja de papel.
∗
Incorporación antes de la entrada al homogeneizador. Se aplicó el material
magnético a la solución pastosa proveniente de la pila holandesa y depositada en
tinas de almacenamiento. Se vertió una cantidad de 12 litros de pasta a una
pequeña tina y se agregaron 150 gramos de ferrita, con la mano se homogeneizó
la solución pasta-ferrita durante media hora; luego se continuó con la formación y
secado de la hoja de papel.
En este caso la ferrita se esparció de forma mucho más homogénea en el papel,
pero aún mostró acumulaciones de ferrita notables a simple vista, además se
presentaba más carga a un lado de la hoja que al otro lo que supuso una mala
retención de la carga.
30
∗
Incorporación en el homogeneizador.
Para tratar de superar las
acumulaciones de ferrita presentadas en el papel usando el método anterior, se
incorporó el material magnético en el homogeneizador, no se utilizó el equipo del
taller, se dispuso un homogeneizador con capacidad de 30 litros para no
desperdiciar ferrita ni pulpa. Primero se cargó el homogeneizador con 12 litros de
pasta, se puso a funcionar el agitador e inmediatamente se incorporaron 150
gramos de ferrita. Se dejó homogeneizar durante una hora (tiempo establecido
para la agitación de la pasta); al cabo de esta operación se procedió a formar dos
hojas de papel y se llevaron a secar. De esta forma se obtuvieron hojas con una
coloración y esparcimiento de la ferrita uniformes.
El color gris oscuro del papel fue evidente, aunque presentaba no solo superficies
aptas para la escritura sino también para la impresión. Al comparar las dos caras
del papel se encontró que se había superado el problema de mayor concentración
de carga a un lado de la hoja que al otro.
Se pensó también dispersar la carga en agua antes de incorporarla al
homogeneizador, pero no se llevó a cabo este procedimiento, ya que al
suministrar más agua a la pasta se cambia su consistencia y por tanto las
propiedades del papel.
Este procedimiento sería recomendable si se pudiera
incorporar la carga a la pila de batido.
A partir de las pruebas anteriores se concluyó que el método de añadir la carga no
es muy complicado y que el punto más adecuado para la incorporación del
material de relleno, en este caso, mezcla de las ferritas de bario y estroncio, es en
la homogeneización.
Se encontró que para el caso de las ferritas, su
incorporación no es recomendable en la pila de batido o en el refinador, como
ocurre en los casos generales de incorporación de cargas al papel.
31
2.1.4 Polarización del papel. Se utilizó un Gaussímetro para detectar el campo
magnético axial de la hoja con el material magnético incorporado. Para diferentes
puntos del papel se registraron valores de Inducción Remanente muy distintos
entre sí, valores bajos, unos positivos y otros negativos (de ± 0,1 a ± 10 Gauss).
Esto llevó a la conclusión que además de incorporar la carga al papel es necesario
polarizarla. Para este propósito se utilizaron imanes de Neodimio (NdFeB) por ser
lo suficientemente fuertes para magnetizar y desmagnetizar imanes más débiles,
además porque son utilizados en casos que requieren BHmáximo y temperaturas
inferiores a 80 ºC [17]. Se probaron dos alternativas para polarizar el papel:
∗
Polarización en seco. A una hoja de papel seca, con ferrita incorporada, se le
cortó una tira de 3 cm × 1,5 cm. Se llevó la tira de papel a una mesa de madera y
se puso sobre ella un imán de Neodimio de aproximadamente las mismas
dimensiones de largo y ancho. Luego de dos días de contacto entre el imán y el
papel se llevó a cabo la medición de inducción remanente con un Gaussímetro en
diferentes puntos de la muestra pero no se notaron cambios importantes en los
valores arrojados por el instrumento, por tanto, no se cumplió con el objetivo de
polarizarla.
∗
Polarización en húmedo.
Se tomó una hoja recién formada con material
magnético incorporado y se puso sobre ella un fieltro. Se llevó la hoja húmeda a
una mesa de madera; se dispusieron sobre ella cinco imanes de Neodimio, en las
zonas mostradas en la Figura 5. El primer imán (zona A) fue retirado al cumplirse
media hora de contacto, el segundo (zona B) luego de una hora de contacto, el
tercero (zona C) luego de tres horas, el cuarto (zona D) después de cuatro horas y
el quinto (zona E), cumplidas ocho horas de contacto; paso seguido se llevó el
papel al proceso de secado.
32
FIGURA 5.
Disposición de Imanes de Neodimio sobre papel húmedo con ferrita
incorporada.
Se midió la inducción remanente en cada una de las zonas contactadas por los
imanes de Neodimio haciendo uso de un Gaussímetro en el laboratorio de control
magnético de fluidos del Instituto Colombiano de Petróleos (ICP). Se descartó la
posibilidad de mejorar la polarización por medio de una sinterización ya que el
papel no soporta las temperaturas necesarias para este tipo de procedimiento.
Los resultados se discuten más adelante.
2.1.5 Preparación de papel blanco. Se preparó papel blanco para encontrar
buenas propiedades de escritura e impresión . Para esto se puso una hoja de
papel magnético polarizado sobre una película de pasta formada; luego se puso
otra película pastosa sobre la hoja de papel magnético, se secó, prensó y calandró
el conjunto.
2.2. PRUEBAS EN EL PAPEL
Las pruebas que se describen a continuación para un solo tipo de hoja se llevaron
a cabo para todas las hojas con incorporación de ferritas. La prueba de retención
se omitió en el caso del papel sin incorporación de material magnético.
33
La concentración de ferritas en el papel y el tamaño máximo de las partículas
incorporadas (malla Tyler), fueron las variables más importantes analizadas en el
papel. Se evaluaron las características físicas, mecánicas y magnéticas de mayor
importancia para encontrar la formulación de un papel con buenas propiedades
magnéticas y de resistencia.
2.2.1
Muestreo.
Para efectuar las pruebas se sometieron las hojas a un
acondicionamiento en cámara a 23 ºC y 50% de humedad relativa, durante 24
horas. Las hojas se cortaron en forma rectangular con dimensiones de 16 cm ×
12,5cm para contar con un área de 200 cm2.
2.2.2 Determinación de las características físicas de las hojas
∗
Porcentaje de Retención.
Se determinó el porcentaje de cenizas en la
suspensión a partir de la solución diluida de pulpa y carga tomando una alícuota
de 100 mL. Se filtró la alícuota en un embudo buchner, luego se secó y pesó el
sólido resultante en una balanza analítica. Paso seguido se calcinó la muestra en
una mufla y finalmente se pesaron las cenizas y calculó el porcentaje de las
mismas respecto al peso del sólido obtenido en la filtración. Las cenizas en la
hoja se determinaron según la norma TAPPI, T 413 m – 58. No se tuvo en cuenta
la pérdida al fuego por no encontrarse este valor en la bibliografía para las ferritas.
El cálculo de la retención se llevó a cabo mediante la Ecuación 1.
% Re tención =
∗
% Cenizas de la hoja
× 100
% Cenizas en la suspensión
(1)
Peso por unidad de área o Peso Base. Se determinó el peso base promedio
de cinco hojas acondicionadas, sin pliegues, defectos de mala formación ni
marcas de agua; se pesaron juntas en una balanza de precisión, sensible a 0,01 g.
34
El peso por unidad de área, base acondicionada se calculó mediante la Ecuación
2.
Peso base, g / m 2 =
10000 × w 50 × w
=
n
200 × n
(2)
n = número de hojas
w = masa de n hojas, [g]
∗
Peso por unidad de área en base seca (Humedad). Se recogieron 2 gramos
de pedazos de las hojas ensayadas; se pesaron y anotaron los pesos respectivos
como y; se colocó la muestra en la estufa a 105 ºC, en un pesafiltros previamente
seco y tarado; se dejó secar hasta peso constante, se enfrió en un desecador, se
tapó el pesafiltros y pesó. Por último se anotó este peso como z. El peso seco
por unidad de área se calculó con la Ecuación 3.
Peso sec o, g / m 2 =
50 × w × z
n× y
(3)
2.2.3 Determinación de las características mecánicas de las hojas. Se cortó
una pila de cinco hojas en una prensa cortadora NAEF como se indica la Figura 6.
Se destinaron las diferentes secciones para:
Resistencia a la Explosión
Sección A
Resistencia a la tensión
Sección C
Resistencia al rasgado
Sección B
Resistencia al doblez
Sección C-1
35
FIGURA 6. División de las hojas para pruebas mecánicas
∗
Resistencia a la tensión o a la ruptura. Se usaron diez tiras de muestra de
15 mm de ancho cada una; las mandíbulas del dinamómetro se separaron 100
mm. Se sujetaron de un extremo todas las tiras en la mandíbula superior del
aparato e insertaron sucesivamente, en la mandíbula inferior, una a una.
Se
aplicó la carga uniformemente a una velocidad de 0,45 ± 0,15 Kg por segundo
hasta producir la ruptura.
La longitud de ruptura se determinó mediante la
Ecuación 4.
Longitud de ruptura, Km =
K × 1000
B× A
(4)
donde: K = Carga de ruptura en Kg (lectura del instrumento)
B = Peso base en g/m2, en base seca
A = Ancho de la tira en mm
∗
Resistencia a la explosión. Se efectuaron 10 determinaciones, dos por cada
segmento de hoja. Se colocó la muestra con el lado brillante hacia el diafragma y
se fijó con la palanca. Se aplicó la presión a velocidad creciente y controlada.
36
Cuando se produjo la explosión se anotó el valor indicado por la aguja del
manómetro. Se calculó el factor de explosión según la Ecuación 5.
Factorde exp losión =
F × 70,3
B
(5)
donde: F = Resistencia a la explosión, en lb/pul2 (lectura del aparato)
B = Peso base en g/m2, en base seca.
∗
Resistencia al rasgado. Se elevó el péndulo del instrumento a su punto más
alto. Se ajustaron entre las mandíbulas las cinco porciones juntas de muestra, con
la misma presión en ambos lados. Se hizo el corte inicial con un cuchillo, se
oprimió el freno del péndulo y se mantuvo así hasta que éste osciló una vez en
cada dirección y se completó el rasgado. Se cogió el péndulo en la oscilación de
regreso y se bajó suavemente contra el freno.
Se anotaron las lecturas indicadas por la aguja del aparato a partir de cuatro
determinaciones en cada muestra con una separación de aproximadamente 20
mm. Se descartaron los ensayos que estaban por fuera del 5% del promedio
aritmético.
Se Multiplicó por 16 y dividió por el número de hojas para obtener la
fuerza en gramos necesaria para una sola hoja. Los cálculos se llevaron a cabo
utilizando la ecuación 6.
Factor de Rasgado =
L × 16 × 100
n× B
donde: L = Promedio de las lecturas en el aparato
n = Número de hojas
B = Peso base en g/m2, en base seca
37
(6)
∗
Resistencia al doblez. Se giró la mandíbula inferior del Schopper hasta que
quedó en posición vertical. Se presionó el émbolo hacia abajo y se apretó el
tornillo asegurador de la varilla central cuando la aguja marcó 1 Kg. Se colocó la
tira de papel entre las mandíbulas y se aseguró en la parte superior con el tornillo
de ajuste; se aplicó una pequeña tensión a la muestra y se sujetó en la mandíbula
inferior. Se aflojó el tornillo sujetador de la varilla central, se puso el contador en
cero, se encendió el aparato y se esperó hasta que se produjera la ruptura. Se
registró como factor de resistencia al doblez del material el número de ciclos
registrados en el contador.
Las normas utilizadas para realizar las pruebas aparecen en el Anexo C, así
como los porcentajes de error de los aparatos utilizados para determinar las
propiedades mecánicas del papel.
2.2.4 Determinación de las características magnéticas de las hojas.
∗
Medición del Campo Magnético.
El instrumento utilizado para medir el
campo magnético emitido por el papel cargado con ferrita fue un Gaussímetro
manual portátil Serie 106994, propiedad del laboratorio de control magnético de
fluidos del Instituto Colombiano de Petróleos (ICP).
Más específicamente se midió la inducción remanente en tiras de papel de 3 cm
de largo × 1,5 cm de ancho. Por cada tipo de papel previamente polarizado se
cortaron cinco tiras para su posterior medición. Cada uno de estos papeles se
polarizó de la forma descrita en el numeral 2..1.4.; los cinco puntos de las
mediciones efectuadas en cada tira de papel se ilustran en la Figura 7.
38
FIGURA 7. Puntos de medición de Inducción Remanente en la esquina polarizada de una
hoja de papel magnético.
Con el Gaussímetro no solo se puede medir
el campo magnético axial sino
también transversal, gracias a una sensor ubicado en la parte superior del aparato
que se puede observar en la Figura 8, junto con algunas muestras de papel
analizadas. Para efectuar la medición tan solo fue preciso colocar la tira de papel
directamente sobre su sensor.
Además de la medición sobre los papeles
cargados con ferrita, también se registró la inducción remanente de los imanes de
Neodimio utilizados para polarizar el papel, la de imanes de ferrita del tipo utilizado
para cargar el papel y la de papel libre de cargas magnéticas.
FIGURA 8. Gaussímetro utilizado para medir la inducción remanente de muestras de papel
magnético.
Fuente: Cortesía Instituto Colombiano de Petróleos, ICP.
39
∗
Prueba cualitativa. Mediante una prueba sencilla se observó si la inducción
remanente de las muestras de papel cargado era suficiente como para adherirse a
la superficie de una barra de hierro. Se pusieron pequeños recortes de papel en
contacto con la barra y se anotaron las observaciones respectivas. La misma
prueba se llevó a cabo reemplazando la barra metálica por un imán de Neodimio y
por un imán de ferrita; se probó con diferentes tamaños de muestra para
establecer el área máxima de papel que podía ser adherido por estos tres
materiales.
∗
Prueba de escritura e impresión.
Se hizo una impresión sobre el papel
magnético finalmente formulado para evaluar la aceptabilidad de tinta en el papel,
también se probó su superficie con estilógrafo, marcador, lápices de color, lápiz
negro y crayones.
También se sometió a esta prueba una muestra de papel
magnético blanco.
Como se puede ver, la elaboración de pulpa al sulfito neutro a partir de hoja de
piña variedad perolera, es un proceso relativamente sencillo pero debe tenerse
cuidado con las condiciones de digestión y de batido, las proporciones de
reactivos presentes y la consistencia de la pasta. Para preparar papel magnético
es recomendable utilizar ferritas compuestas por bario y estroncio y llevarlas a un
tamaño tal que puedan ser incorporadas como cargas. Tanto la incorporación
como la polarización del papel son aconsejables mientras este aún se encuentra
en forma de pulpa. Para evaluar las propiedades físicas, mecánicas y magnéticas
del papel es necesario que este papel ya se encuentre totalmente acabado.
40
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos a partir de las pruebas
realizadas al papel magnético.
Mediante la discusión de estos resultados se
sacan conclusiones importantes que abren el camino para plantear posibles
aplicaciones y el diseño de una planta para su elaboración.
3.1. TIEMPO DE CONTACTO PARA POLARIZAR EL PAPEL
Teniendo en cuenta la disposición de imanes de Neodimio sobre papel húmedo
con ferrita incorporada, ilustrada en la Figura 5, y los puntos de medición en la
Figura 7, se registraron los valores de inducción remanente en las zonas A, B, C,
D y E; los resultados se encuentran en la Tabla 6.
En las zonas A y B, se encontraron valores positivos y negativos, esto quiere decir
que las partículas de ferrita incorporadas al papel en estos casos siguen sin
orientarse uniformemente después de una hora de contacto.
En las zonas C, D y E se notaron únicamente valores positivos de inducción
remanente, pero en la zona C, se registraron valores muy alejados unos de otros
por lo cual se descartó este tiempo de contacto.
En las zonas D y E, se
obtuvieron valores muy cercanos unos de otros por lo que se procedió a escoger
una de estas dos opciones.
Para determinar cuál respondía a una mejor polarización entre las zonas D y E, se
tomó el promedio de inducción remanente en cada zona. La inducción remanente
promedio medida en la zona D es igual a 36,4 Gauss, mientras que en la zona E
este valor corresponde a 36,32 Gauss.
41
TABLA 6. Valores de Inducción Remanente en papel polarizado con imanes de Neodimio.
(Datos experimentales)
ZONA
A
Tiempo de Contacto
PUNTOS DE
INDUCCIÓN REMANENTE
[horas]
MEDICIÓN
[Gauss]
1
- 15,2
2
18,7
0.5
B
C
D
E
1
2
3
4
3
20,3
4
-25,4
5
30,7
1
32,5
2
-38,2
3
37.2
4
35,6
5
-31,6
1
35,7
2
39,5
3
33,4
4
30,5
5
37,3
1
36,5
2
36,3
3
36,5
4
36,4
5
36,3
1
36,2
2
36,4
3
36,4
4
36,5
5
36,1
Se hizo un nuevo ensayo poniendo en contacto un imán de Neodimio durante 48
horas. Al hacer la medición de inducción remanente en la zona contactada se
encontró un valor promedio igual a 36,3 Gauss. La pequeña diferencia entre los
tres últimos valores encontrados puede deberse al error del instrumento de
medición (±1% del valor verdadero).
Se llegó a la conclusión que los imanes de Neodimio son aptos para la
polarización del papel en húmedo y no son necesarias más de dos horas de
42
contacto para polarizarlo, pero el tiempo de contacto mínimo para lograr una
inducción remanente aproximadamente uniforme en la superficie del papel, es de
tres horas.
3.2. ANÁLISIS DE PORCENTAJE DE RETENCIÓN
Se halló el porcentaje de retención para los papeles con incorporación de ferrita
mallas 100, 150, 170, 200 y 250. Los porcentajes de retención presentados en la
Tabla 7 se calcularon a partir de la Ecuación 1.
TABLA 7. Datos experimentales de retención para diferentes mallas, utilizando 10 % de
ferrita en la suspensión pastosa. (Datos experimentales)
Malla Serie
Carga en la
Cenizas en la
Cenizas en la
Tyler
suspensión [%]
Suspensión [%]
hoja [%]
100
10
33,96
8,48
24,97
150
10
34,22
8,63
25,22
170
10
34,16
8,76
25,64
200
10
34,12
8,78
25,73
250
10
34,18
8,87
25,95
Retención [%]
Como se puede observar en la Figura 9, al disminuir el tamaño de partícula de la
ferrita incorporada, el porcentaje de retención aumenta y por consiguiente se
pierde menor cantidad de ferrita en la elaboración del papel.
Los porcentajes de retención se calcularon, no solo con el objeto de establecer
una relación entre el diámetro de partícula y el porcentaje de retención, sino
también para descartar el análisis de papeles que presentaran los porcentajes de
retención más bajos. De esta forma, se descartó el análisis de papel cargado con
ferritas malla 100 y 150 de la serie Tyler por presentar porcentajes de retención de
23,07% y 24,36% respectivamente y se continuó con el análisis de los papeles
cargados con ferritas malla 170, 200 y 250 de la serie Tyler.
43
FIGURA 9. Gráfica de relación entre el porcentaje de retención de carga en hojas de papel
con 10% de ferrita incorporada a la pasta, y el diámetro máximo de partícula de las cargas.
% Retención en el papel
26
25,9
25,8
25,7
25,6
25,5
25,4
25,3
25,2
25,1
25
24,9
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
Malla serie Tyler de ferrita incorprada
El paso siguiente en el análisis de retención fue trabajar con una sola malla pero
variando esta vez el porcentaje de ferrita en la suspensión. Para esto se eligió la
ferrita malla 250 de la serie Tyler por presentar el mayor porcentaje de retención
en el papel entre las cargas analizadas. Los resultados se pueden observar en la
Tabla 8.
TABLA 8. Datos experimentales de retención para diferentes porcentajes de carga en la
suspensión pastosa utilizando cargas malla 250 de la serie Tyler.
Cenizas en la
Cenizas en la
Suspensión [%]
hoja [%]
5
30,25
5,61
18,54
10
34,18
8,87
25,95
15
46,12
13,21
28,64
20
54,36
17,25
31,73
22
59,21
18,72
31,61
24
61,32
19,42
31,67
% Carga
44
Retención [%]
En la Figura 10 se puede observar que existe una clara tendencia de aumento en
el porcentaje de retención al aumentar el porcentaje de ferrita en la suspensión
pastosa.
FIGURA 10. Gráfica de relación entre el porcentaje de ferrita retenido en la hoja de papel y el
porcentaje de ferrita malla 250 de la serie Tyler incorporado a la pasta.
% Retención en el papel
31,5
30,5
29,5
28,5
27,5
26,5
25,5
24,5
23,5
22,5
21,5
20,5
19,5
18,5
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
% Carga en la suspensión pastosa
Al aplicar a la pasta 22 % de carga, el porcentaje de retención disminuye
levemente; al incorporarle 24 % de carga, aumenta también levemente el
porcentaje de retención pero sigue estando por debajo del valor de retención
encontrado al aplicar 20% de ferrita.
A partir del 20% de ferrita incorporada
ocurre saturación de la carga en la pasta y por consiguiente no es recomendable
trabajar por encima de este porcentaje.
Los valores por encima del 20 % se descartaron ya que se presentó saturación de
carga en la pasta; el 5%
se descartó por presentar un bajo porcentaje de
retención, por lo tanto, se estableció un rango de trabajo del 10% al 20 % de
ferrita en la suspensión pastosa.
45
3.3. ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS EN EL PAPEL
Las propiedades evaluadas para el papel magnético con un rango de ferrita
incorporada a la pasta de 10% a 20% se pueden observar en las Tablas 9, 10 y
11. En la Tabla 9 se encuentran las propiedades físicas y mecánicas de hojas
cargadas con ferrita malla 170 de la serie Tyler al variar el porcentaje de carga
incorporada a la pasta. En la Tabla 10 se encuentran las propiedades para hojas
cargadas con ferrita malla 200 y en la Tabla 11, para hojas cargadas con ferrita
malla 250. Se hallaron las propiedades para papel sin carga de ferrita, solamente
como referencia, pero no se incluyó en el análisis.
El gramaje y el peso en base seca se determinaron para poder calcular las
propiedades mecánicas del papel; el análisis se centró en determinar un
porcentaje de ferrita en el homogeneizador, para conferir buenas propiedades
mecánicas y magnéticas al papel, dentro del rango de trabajo establecido.
Para llevar a cabo el análisis de datos se tuvo en cuenta la siguiente
nomenclatura:
Y = % Ferrita en la hoja de papel acabado
X = % Ferrita incorporado en la pasta
LR = Longitud de Ruptura [ Km]
E = Factor de Explosión
R = Factor de Rasgado
D = Factor de Doblez
IR = Inducción Remanente [Gauss]
Se utilizaron los números del uno al tres para identificar la malla a la que se hacía
referencia de la siguiente manera:
46
1 = Malla 170
2 = Malla 200
3 = Malla 250
En la Figura 11 se pueden observar las tendencias del porcentaje de ferrita
presente en la hoja de papel magnético al aumentar el porcentaje de ferrita en la
pasta utilizando mallas 250, 200 y 170.
% carga en la hoja de papel
FIGURA 11. Relación entre el porcentaje de ferrita retenido en la hoja de papel y el
porcentaje de ferrita incorporado a la pasta, para diferentes tamaños de partícula de la carga
aplicada (mallas 170, 200 y 250 Serie Tyler).
11
10,75
10,5
10,25
10
9,75
9,5
9,25
9
8,75
8,5
8,25
8
7,75
7,5
7,25
7
6,75
6,5
6,25
6
5,75
5,5
Malla 250
Malla 200
Malla 170
9,5
10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 19 19,5 20 20,5
% ferrita incorporada en la pasta
Al aumentar el porcentaje de ferrita en la pasta ocurre un aumento en el
porcentaje de ferrita en la hoja de papel para el caso de los tamaños de partícula
utilizados.
En este rango de trabajo, el porcentaje de retención aumenta al
incorporar mayor porcentaje de ferrita a la suspensión pastosa.
Por otro lado, se puede observar que a menor tamaño de partícula de la ferrita
incorporada, el porcentaje de ferrita aumenta en el papel, y su mayor porcentaje
47
TABLA 9. Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir de hoja de piña, con
incorporación de diferentes porcentajes de ferrita Malla 170 de la serie Tyler como carga.
(Datos experimentales)
Porcentaje de ferrita incorporado en la pasta
0
10
12,5
15
17,5
20
PROPIEDAD
UNIDADES
0
5,74
6,60
7,55
8,54
9,26
Gramaje
g/m
2
108,50
111,61
112,08
112,60
113,13
113,52
Peso Base Seca
g/m
2
106,80
109,38
109,84
110,34
110,87
111,25
Longitud de Ruptura
Km
5,564
5,194
4,881
4,608
4,398
4,106
Factor de Explosión
54,2
48,8
42,5
40,8
35,1
32,7
Factor de Rasgado
160,8
170,3
171,3
171,4
172,4
171,3
Factor de Doblez
215
201
198
194
192
188
0,0
41,2
41,3
41,3
41,4
41,4
Inducción Remanente
Gauss
Porcentaje de carga en la hoja de papel
TABLA 10. Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir de hoja de piña, con
incorporación de diferentes porcentajes de ferrita Malla 200 de la serie Tyler como carga.
(Datos experimentales)
Porcentaje de ferrita incorporado en la pasta
0
10
12,5
15
17,5
20
PROPIEDAD
UNIDADES
0
6,12
6,94
7,83
8,84
9,81
Gramaje
g/m
2
108,50
111,82
112,26
112,75
113,30
113,82
Peso Base Seca
g/m
2
106,80
109,58
110,02
110,49
111,03
111,55
Longitud de Ruptura
Km
5,564
5,218
5,046
4,632
4,469
4,126
Factor de Explosión
54,2
49,1
44,2
40,3
36,7
33,1
Factor de Rasgado
160,8
172,6
172,1
173,1
172,6
171,2
Factor de Doblez
215
192
187
184
180
178
0,0
39,6
39,6
39,7
39,8
39,8
Inducción Remanente
Gauss
Porcentaje de carga en la hoja de papel
TABLA 11. Propiedades físicas y mecánicas de hojas formadas a partir de hoja de piña, con
incorporación de diferentes porcentajes de ferrita Malla 250 de la serie Tyler como carga.
(Datos experimentales)
Porcentaje de ferrita incorporado en la pasta
PROPIEDAD
UNIDADES
Gramaje
g/m
2
Peso Base Seca
g/m
2
Longitud de Ruptura
Km
0
10
12,5
15
17,5
20
Porcentaje de carga en la hoja de papel
0
6,24
7,38
8,47
9,52
10,54
108,50
111,89
112,50
113,09
113,66
114,22
106,80
109,65
110,25
110,83
111,39
111,93
5,564
5,485
5,164
4,823
4,571
4,168
Factor de Explosión
54,2
50,6
45,4
42,4
38,5
36,8
Factor de Rasgado
160,8
173,6
174,6
173,8
172,6
173,4
Factor de Doblez
215
183
178
175
171
169
0,0
37,5
37,5
37,5
37,6
37,6
Inducción Remanente
Gauss
48
se encuentra al aplicar 20% de ferrita malla 250 en la pasta. Este por ahora es el
mejor dato encontrado, pero aún falta establecer la influencia de las cargas en la
resistencia del papel, y en la inducción remanente.
Siguiendo la nomenclatura preestablecida, se determinaron las ecuaciones que
mejor describieran el comportamiento de las curvas registradas en la Figura 11 y
de todas las curvas que aparecen de aquí en adelante haciendo uso de una
aproximación en Excel; de esta forma se obtuvieron tres ecuaciones polinómicas
por cada propiedad, que se presentan en el Anexo D, con el objeto de crear un
modelo estadístico que relaciona las propiedades de las hojas del papel y el
porcentaje de ferrita incorporado a la pasta.
∗
Longitud de Ruptura.
En la Figura 12 se encuentran las curvas que
describen el comportamiento de la longitud de ruptura al variar el porcentaje de
carga en la hoja de papel (que depende de la cantidad de ferrita incorporada a la
pasta).
Longitud de Ruptura [Km]
FIGURA 12. Gráfica de relación entre la longitud de ruptura y el porcentaje de ferrita
presente en la hoja de papel, para diferentes tamaños de partícula de la carga aplicada
(mallas 170, 200 y 250 Serie Tyler).
5,6
5,5
5,4
5,3
5,2
5,1
5
4,9
4,8
4,7
4,6
4,5
4,4
4,3
4,2
4,1
Malla 250
Malla 200
Malla 170
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
% ferrita en el papel
49
9,5
10,0 10,5 11,0
Se encontró para los tres casos que al aumentar el porcentaje de carga en la hoja
de papel, la longitud de ruptura disminuye, y que a mayor tamaño de partícula, la
longitud de ruptura tiene tendencia también a disminuir. En los tres casos se
encuentran algunos puntos que desvían las curvas de un comportamiento lineal,
especialmente al incorporar ferrita malla 200 de la serie Tyler, esto puede
atribuirse al porcentaje de error del aparato de medición el cual es ± 6% del
promedio verdadero.
Respecto a la resistencia a la tensión, es conveniente
trabajar con 10% de ferrita y utilizar la malla 250 de la serie Tyler.
∗
Factor de Explosión. En la Figura 13 se encuentran las curvas que describen
el comportamiento del factor de explosión al variar el porcentaje de carga en la
hoja de papel. Al igual que en el caso de la longitud de ruptura, se encontró para
los tres casos que al aumentar el porcentaje de carga en la hoja de papel, el factor
de explosión disminuye, y a menor tamaño de partícula, el factor de explosión
tiende a aumentar.
Factor de Explosión
FIGURA 13. Gráfica de relación entre el Factor de Explosión y el porcentaje de ferrita
presente en la hoja de papel, para diferentes tamaños de partícula de la carga aplicada
(mallas 170, 200 y 250 Serie Tyler).
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
Malla 250
Malla 200
Malla 170
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5 10,0 10,5 11,0
% ferrita en el papel
50
El porcentaje de error del aparato de medición utilizado es de ±5% que puede ser
causa de la desviación del punto que representa el factor de ruptura al aplicar 15%
de carga malla 170 de la serie Tyler, en el que se reporta un factor de explosión
igual a 40,8 pero que podría estar por debajo de 40.
En este caso también es conveniente trabajar con 10% de ferrita en el
homogeneizador y utilizar la malla 250.
∗
Factor de Rasgado. En la Figura 14 se encuentran las curvas que describen
el comportamiento del factor de rasgado al variar el porcentaje de ferrita en la hoja
de papel.
Al igual que en el caso de la longitud de ruptura y del factor de
explosión, se encontró para los tres casos que al disminuir el diámetro de partícula
se obtiene mayor resistencia al rasgado.
FIGURA 14. Gráfica de relación entre el Factor de Rasgado y el porcentaje de ferrita
presente en la hoja de papel, para diferentes tamaños de partícula de la carga aplicada
(mallas 170, 200 y 250 Serie Tyler).
175,5
175
Malla 250
Malla 200
Malla 170
Factor de Rasgado
174,5
174
173,5
173
172,5
172
171,5
171
170,5
170
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
% ferrita en el papel
51
10,0 10,5 11,0
La variación del factor de rasgado con el porcentaje de carga en la hoja no
es muy claro, las curvas muestran un comportamiento desordenado; solo
se puede recomendar utilizar la malla 250 de la serie Tyler. En este caso el
porcentaje de error del aparato de medición es muy alto (±7%) respecto a
los demás instrumentos de medición; en el rango de trabajo, no es posible
establecer claramente el comportamiento del factor de rasgado al variar el
porcentaje de ferrita en la pasta.
∗
Factor de Doblez. En la Figura 15 se encuentran las curvas que describen el
comportamiento del factor de doblez al variar el porcentaje de ferrita en la hoja de
papel.
Factor de Doblez
FIGURA 15. Gráfica de relación entre el Factor de Doblez y el porcentaje de ferrita presente
en la hoja de papel, para diferentes tamaños de partícula de la carga aplicada (mallas 170,
200 y 250 de la Serie Tyler).
202
200
198
196
194
192
190
188
186
184
182
180
178
176
174
172
170
168
Malla 250
Malla 200
Malla 170
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5 10,0 10,5 11,0
% ferrita en el papel
Aunque el porcentaje de error del aparato de medición es de ±4%, en este caso se
encontraron curvas con una clara tendencia de disminución en el factor de doblez
al aumentar el porcentaje de carga tal como ocurre para la longitud de ruptura y
52
para el factor de explosión.
Pero a diferencia de estas dos propiedades,
al
aumentar el tamaño de partícula aumente el factor de doblez.
Según la tendencia de las curvas, es recomendable utilizar partículas malla 170 de
la serie Tyler y 10 % de ferrita en la suspensión para encontrar buenas
propiedades de resistencia al doblez.
∗
Inducción Remanente. Esta es sin duda la propiedad más importante de este
tipo de papel precisamente por ser magnético. La Figura 16 muestra una gráfica
del comportamiento de las ferritas aplicadas al papel en relación a la inducción
remanente medida.
Inducción Remanente [Gauss]
FIGURA 16. Gráfica de relación entre la Inducción Remanente y el porcentaje de ferrita
presente en la hoja de papel, para diferentes tamaños de partícula de la carga aplicada
(mallas 170, 200 y 250 Serie Tyler).
40,5
40,4
40,3
40,2
40,1
40
39,9
39,8
39,7
39,6
39,5
39,4
39,3
39,2
39,1
39
38,9
38,8
38,7
38,6
Malla 250
Malla 200
Malla 170
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5 10,0 10,5 11,0
% ferrita en el papel
Se puede observar que a mayor porcentaje de carga hay un leve aumento en la
inducción remanente
Gaussímetro.
detectada en las hojas de papel haciendo uso del
Este aumento de inducción no es en realidad muy importante y si
53
se tiene en cuenta que el instrumento tiene errores de medida (±1% del valor
verdadero), no se puede considerar el aumento del porcentaje de ferrita en la
pasta como una variable importante para este rango de trabajo. En cambio, el
tamaño de partícula sí es muy importante, se nota un aumento significativo al
aumentar el tamaño de las cargas en la hoja de papel; esto puede deberse a que
la polarización mejora con partículas más grandes, en las que tal vez se pueden
definir más fácilmente los polos magnéticos. Para encontrar un mayor valor de
inducción remanente en el papel magnético, es recomendable utilizar partículas de
ferrita malla 170 de la serie Tyler.
En conclusión, el papel magnético presenta su mayor valor de inducción
remanente y de factor de doblez al aplicar ferrita malla 170 de la serie Tyler a la
pasta, en el homogeneizador. Aunque para lograr las mejores resistencias a la
ruptura, explosión y rasgado es recomendable utilizar la malla 250, se debe tener
en cuenta que para tratar grandes cantidades de ferrita que pasen por esta malla
se necesita mucha energía y tiempo en la etapa de tamizado. Por otra parte, las
propiedades de resistencia mejoran considerablemente al disminuir el porcentaje
de ferrita incorporado, mientras la inducción remanente no se ve afectada
considerablemente por esta variable.
A partir de estas consideraciones, se recomienda aplicar 10% de ferrita malla 170
de la serie Tyler a la pasta; esto, además de favorecer las propiedades del papel
magnético, economiza tiempo y energía en todas las etapas de tratamiento de la
ferrita. Siguiendo el método TAPPI T 411 m-44, se determinó el espesor de este
papel, el cual correspondió a 0,185 mm, valor aceptado en el rango de los
papeles.
3.4. RESULTADO DE LA PRUEBA CUALITATIVA
Mediante esta prueba se encontró que el papel magnético desarrollado no
presenta la propiedad de adherirse a metales o aleaciones de comportamiento
54
paramagnético o diamagnético, ninguna muestra de papel fue atraída por las
barras de hierro. Por otro lado, todas las muestras presentaron atracción por los
imanes de Neodimio y por imanes de ferrita; el papel magnético desarrollado
mostró una inducción remanente útil en aplicaciones que requieran un campo
magnético máximo de 41,2 Gauss. En el Anexo E se puede observar el registro
fotográfico de esta prueba.
3.5. RESULTADO DE LA PRUEBA DE ESCRITURA E IMPRESIÓN
Se encontró buena aceptabilidad de tinta en el papel magnético elaborado con
10% de ferrita en el homogeneizador y malla 170 de la serie Tyler. Al rayar con
estilógrafo, marcador, lápiz de color, lápiz negro y crayón, no se observó problema
alguno.
La tinta de impresora y marcador, no pasaron al otro lado de la hoja y
mostraron una buena estabilidad dimensional.
Al papel blanco no fue posible
pasarlo por la prueba de impresión debido a su grosor, pero registró buenas
propiedades de escritura. En el Anexo E se puede observar el registro fotográfico
de esta prueba.
3.6. APLICACIONES DEL PAPEL MAGNÉTICO
Partiendo del hecho que las ferritas de bario y estroncio son materiales con
buenas propiedades de inducción remanente, fuerza coercitiva y energía de
atracción, se pensó en desarrollar el papel magnético para aplicarlo en sistemas
papel - imán, posibilidad que lo haría apto para fines decorativos, didácticos y para
un sinnúmero de usos adaptados a la vida cotidiana. Al llevar a cabo este estudio
se encontró que el papel magnético, a pesar de no poseer un campo suficiente
para adherirse a metales, tiene buenas propiedades para adherirse a imanes con
inducciones remanentes de 900 Gauss o más, lo cual deja abierta la posibilidad de
trabajar con estos materiales en aplicaciones que así lo requieran.
55
Lo más importante de este estudio es que al polarizar el papel se encontró una
inducción remanente significativa en comparación con el papel sin incorporación
de ferritas. Se puede pensar en aplicaciones que requieran un campo magnético
en el rango de 37,5 a 41,4 Gauss. Se propone su uso como papel de seguridad
en contratos, escrituras, papel moneda, etc.; como un medio de registro
magnético, en tickets de metro y pases de embarque aéreo; en situaciones que
precisen pegar el papel a una superficie vertical sin necesidad de cintas, pegantes,
adhesivos o clavos los cuales, además de ser antiestéticos, pueden causar daños
a las superficies de la pared y del mismo papel. Se puede también aprovechar la
propiedad del campo magnético de ejercer fuerza sobre una corriente eléctrica
que atraviese un conductor en sentido perpendicular a dicho campo, principio en el
que se basan los cañones electromagnéticos; además puede ser de utilidad para
crear un selector de velocidades.
3.7. DISEÑO Y ESTUDIO DE VIABILIDAD ECONÓMICA PARA EL MONTAJE
DE UNA PLANTA DE PAPEL MAGNÉTICO
En esta parte se estudia la posibilidad de montar una planta de producción de
papel magnético a partir de hoja de piña, mediante el diseño conceptual del
proceso y su respectiva evaluación económica.
3.7.1 Diseño conceptual de la planta.
∗
Localización de la Planta. La ubicación de una planta de papel magnético a
partir de hoja de piña es conveniente en el parque industrial de Girón (Santander)
por el fácil acceso a las fincas de piña variedad cayena lisa o perolera,
encontradas en el municipio de Lebrija, a escasos 8 Km de este lugar, así como a
la cercanía con
Bucaramanga, ciudad ubicada aproximadamente a 7 Km de
Girón, en la que se pueden encontrar grandes cantidades de ferrita.
56
Esta
localización también es favorable por la disponibilidad de servicios industriales
como vapor y agua de proceso.
∗
Producción diaria de papel. En este momento no se tiene una idea clara
sobre la posible demanda del papel magnético ya que es un producto nuevo.
Teniendo en cuenta este
factor y las dificultades para conseguir volúmenes
grandes de hojas de piña de alta calidad, se estimó una producción diaria de papel
a partir de 480 Kg de hojas de piña (84,68 Kg fibra seca). Se seleccionó para este
fin un sistema intermitente de producción y se estimaron los costos requeridos al
reemplazar la formación manual de la hoja por una máquina Fourdrinier.
∗
Requerimientos del proceso. En el numeral 2.1 se explicó el método de
elaboración de papel magnético al sulfito neutro; un esquema generalizado del
proceso se puede observar en el Anexo F. Los requerimientos más importantes
tenidos en cuenta para este diseño son los siguientes:
-
Consumo de agua. Se estima que a partir de 480 Kg de hojas se necesita un
volumen total de agua de 10,84 m3 con base en el proceso seguido para obtener
el papel en el Taller de Fabricación de “Artes Gráficas con un Propósito”; esta
cantidad de agua se distribuye de la siguiente manera:
-
¾
Agua para lavar las hojas de piña desfibradas : 4,8 m3
¾
Agua en el digestor: 0,43 m3
¾
Agua para la lavar la descarga del digestor: 4,8 m3
¾
Agua en las pilas de batido: 0,783 m3
Consumo de reactivos. Los reactivos utilizados en este proceso son el sulfito
de sodio anhidro y el carbonato de sodio comercial; para deslignificar de forma
eficaz 480 Kg de hoja de piña se deben utilizar 18,064 Kg de Na2SO3 y 4,516 Kg
de Na2CO3.
57
-
Aditivos. El gasto de aditivos agregados a las pilas de batido por día de
producción se calculó tomando como base las cantidades incorporadas al papel
elaborado en el taller. Mediante un simple balance de masa, se determinaron las
siguientes cantidades de aditivos por día de producción:
-
¾
0,5 % Dióxido de Titanio = 0,423 Kg
¾
1 % Resina = 0,847 Kg
¾
1,5 % Bactericida = 1,27 Kg
Ferrita incorporada. Con base en el análisis experimental se determinó un
10% de ferrita malla 170 de la Serie Tyler en al homogeneizador, lo que
corresponde en este caso a 8,47 Kg diarios de ferrita de bario y estroncio.
-
Servicios Industriales. Los más importantes son los siguientes:
¾
Consumo de vapor: Es necesario comprar vapor de caldera para lograr la
cocción de las fibras en el digestor y para el proceso de secado del papel
que ocurre en la máquina Fourdrinier. El consumo diario de vapor es de
13,5 Kg.
¾
Energía Eléctrica: El consumo de energía eléctrica diario para los equipos
de proceso en la planta de papel magnético asciende a 4,05 KWh.
∗
Especificaciones de los equipos necesarios. Para el diseño de una planta a
escala semiindustrial es necesario reemplazar la etapa de formación manual del
papel por una formadora de papel conocida como Máquina Fourdrinier.
Entre
otros cambios se encuentran el uso de vapor en la etapa de Digestión de las hojas
de piña y en el secado del papel; el uso de un digestor del volumen preciso para
cargarlo con la fibra procesada; bombas para pasta y para transportar el licor de
58
cocción; bandas transportadoras para la ferrita y un inductor magnético para
polarizar el papel. En el Anexo M se presenta un esquema de la planta propuesta
para convertir 480 Kg de hojas de piña diarios en papel magnético. En el Anexo
G se presentan las especificaciones de los equipos necesarios para llevar a cabo
este proceso.
3.7.2 Análisis económico. El análisis de viabilidad económica se llevó a cabo
teniendo en cuenta las siguientes condiciones:
-
El tiempo de evaluación del proyecto es de 8 años. El año cero (2004), es el
año en que se realiza el desembolso de inversión y se construye la planta. El año
1 correspondiente al primer año de funcionamiento de la planta de papel
magnético.
-
La capacidad instalada de la planta de papel magnético es de 46,2 Ton / año.
Se ha supuesto que la producción no cambia y está a un nivel muy por debajo de
la capacidad instalada, en este caso 60%. Así la producción anual es de 27,72
Ton / año.
-
La planta opera seis días a la semana , durante 12 horas diarias. Un total de
300 días al año.
-
Todos los valores presentados se encuentran en dólares constantes, por lo
cual no se tendrá en cuenta la variación por inflación.
Las conversiones realizadas de pesos a dólares se hicieron tomando como
referencia una tasa de cambio de $2.560 (Octubre 11 de 2004),en el caso de los
valores del componente colombiano, como salarios y servicios industriales.
∗
Determinación de los costos de Capital Total de Inversión. La inversión
de capital está formada por dos rubros principales: la inversión fija y la inversión
de trabajo.
59
En el Anexo H, se presenta el costo total de los equipos, los cuales tienen un
valor de US$ 82.000 , precios FOB( Sin instalación), además los precios de los
equipos instalados en la planta de papel magnético cuyo valor total es de US$
260.987.
En el año de instalación de la planta, debe contarse con una suma de dinero
destinada a la inversión de trabajo que se estima como un porcentaje del Capital
Permanente de Inversión (C
TPI).
Este valor es de 15%. Los costos de Capital
Total de Inversión se presentan en este mismo anexo.
∗
Evaluación de los Costos Totales.
Los costos totales anuales para la
operación de la planta de papel magnético incluyen: costos de producción, costos
de administración, costos de comercialización de los productos y los costos de
depreciación de activos, y son presentados en el Anexo I. Los costos anuales
para producir 27,72 Ton / año de papel magnético se calcularon en 463.648,4 US$
y se presentan en el Anexo J.
∗
Determinación del Precio de Venta. En este caso, dado que no se cuenta
con un precio de venta establecido en el mercado para el papel magnético, se
hace necesario asignar un precio de venta a dicho producto. Cada hoja de papel
magnético producida pesa 26,2 g, con unas dimensiones 420 Χ 594 mm
(designación, A2); 0,25 m2. Con estas especificaciones, el precio de venta de
cada hoja es de US$ 1,09. ($ 2790 pesos colombianos).
En la asignación del precio a un producto influyen factores tales como la
aceptabilidad del mismo, competitividad en el mercado, flexibilidad de la demanda
y rentabilidad mínima esperada del capital invertido. En este caso se inició dicho
estimativo calculando el precio de equilibrio, o precio que no produce pérdidas ni
ganancias.
Se encontró un precio de equilibrio PEQU de US$ 34,71./ Kg.
60
Considerando utilidades del 20%, se determinó el precio de venta igual a US$
41,65 / Kg.
∗
Viabilidad económica. Finalmente se concluye, que basados en este precio
de venta, es viable invertir en la planta de papel magnético; es decir, la ganancia
en términos del valor del dinero en este momento (año de instalación de la planta),
después de haber recuperado la inversión a una tasa igual a la TMAR es de US$
1.889.134,5 . Además, la Tasa Mínima Aceptable de Rendimiento (TMAR) es
superior al valor ofrecido en el mercado en este momento, el cual es de 7,61 %
efectivo anual.
Para llegar a esta conclusión se llevó a cabo una evaluación
financiera presentada en el Anexo K.
Es posible elaborar papel magnético con buenas propiedades físicas y mecánicas
al aplicar 10% de ferrita malla 170 de la serie Tyler a la pasta en el
homogeneizador; aunque el porcentaje de retención es bajo respecto a otras
cargas comúnmente incorporadas al papel, mediante esta formulación se
economiza material magnético y energía en la etapa de tamizado; la polarización
del papel se puede lograr utilizando imanes de Neodimio por contacto sobre la
pasta formada. Se encontraron propiedades importantes en el papel magnético,
como su aceptabilidad a la escritura e impresión, y la adherencia a imanes con
inducciones remanentes de 900 Gauss o más. A partir de las propiedades de este
papel se abre la posibilidad de incluirlo en aplicaciones de la vida diaria. Es viable
invertir en una planta de papel magnético teniendo en cuenta un precio de venta
de cada hoja igual a US$ 1,09 ($ 2.790 pesos colombianos).
61
4. CONCLUSIONES
-
Se consiguió obtener papel con propiedades magnéticas, “papel magnético”,
incorporando a la suspensión pastosa ferritas de bario y estroncio como carga.
-
Se encontró que una de las mejores opciones de formulación de papel
magnético es la presentada al incorporar a la pulpa 10% de ferrita malla 170 de
la serie Tyler, debido a que prácticamente se mantienen las propiedades
mecánicas y físicas de las hoja e incorpora la propiedad magnética al papel con
una magnitud similar respecto a mayores porcentajes de ferrita utilizados en
otras formulaciones.
-
Se vislumbraron algunos usos o aplicaciones del papel magnético en la vida
cotidiana teniendo en cuenta su inducción remanente, adherencia a imanes y
buenas propiedades de resistencia, escritura e impresión.
-
Se logró proponer el diseño de una planta para la producción de papel
magnético y se demostró su viabilidad económica a partir de un precio
alternativo de venta.
62
5. RECOMENDACIONES
-
Continuar el estudio para elaborar papel magnético, a partir de otras materias
primas y utilizando métodos diferentes de producción de pulpa.
-
Implementar la incorporación de ferritas al papel para su producción en
fábricas papeleras ya constituidas.
-
Estudiar el uso de diferentes encolantes para mejorar el porcentaje de
retención de las ferritas incorporadas al papel.
-
Crear un sistema de recuperación de las ferritas que se pierden entre las
etapas de homogeneización de la pulpa y formación de la hoja de papel
magnético principalmente.
63
BIBLIOGRAFIA
[1]
BACA, Gabriel. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA ECONÓMICA. México,
2003. Tercera Edición. 2003.
[2] BARBADILLO GOMEZ, Pedro. EL PAPEL. PREPARACIÓN DE PASTAS Y
FABRICACIÓN DEL PAPEL. España, Asociación de Investigación Técnica de la
Industria Papelera. p.p. I – IV, 3 - I – IV, 55
[3] BRITT, K.W. HANDBOOK OF PULP AND PAPER TECHNOLOGY. 2da. Ed.
208. Reinhol Publishing Co. 1970 (N.Y.).
[4] CÁCERES, Hernán y DELFEDERICO, Luis. EVALUACIÓN DE LAS PULPAS
SEMIQUÍMICAS AL SULFITO NEUTRO, OBTENIDAS A PARTIR DE LA MEZCLA
DE MADERAS PROCEDENTES DE LA ZONA FORESTAL DEL CAQUETÁ,
COLOMBIA. División de Investigaciones Científicas, UIS. 1975.
[5] CABRERA, Blas. EL MAGNETISMO DE LA MATERIA, Institución Cultural
Española, Buenos Aires, 1974.
[6]
CASEY, J.P. PULP AND PAPER.
Vol 1. 2da. Ed., 337.
Interscience
Publisher Inc. N.Y. 1966.
[7] CHRISTIANSEN, C.B. TAPPI 43 Nº 6, 590 (June 1960)
[8] DUARTE, Alejandra Marina. Diseño, montaje y puesta en marcha de un taller
de fabricación de papel artesanal. Escuela de Química, UIS. 1999
64
[9] FREUND, Enrique. UTILIZACIÓN DEL SULFATO DE CALCIO (YESO) COMO
CARGA DEL PAPEL. Tesis de Grado. Universidad Industrial de Santander.1989
[10] HADFIELD, B. Editor, PERMANENT MAGNETS AND MAGNETISM, Wiley,
New Vork, 1962.
[11] JULIUS, Grant. Manual sobre la fabricación de pulpa y papel (Laboratorio).
Segunda Edición. México. Compañía Editorial Continental (1966) pp 351 – 395
[12]
KRYDER M. y BORTZ A.MAGNETIC INFORMATION TECHNOLOGY,
Physics Today 37, 30 (1984).
[13] KELLER, E.L. and MC. GOVERN. J. TAPPI 38 Nº 9. 568. Sep 1955
[14] LIBBY, Earl. CIENCIA Y TECNOLOGÍA SOBRE PULPA Y PAPEL, Tomo 1:
Pulpa. Segunda impresión en español. México. Compañía Editorial Continental
(1969).
[15] LIBBY, Earl. CIENCIA Y TECNOLOGÍA SOBRE PULPA Y PAPEL, Tomo 2:
Papel. Segunda impresión en español. México. Compañía Editorial Continental
(1969).
[16] MAC DONALD, R.G. PULP AND PAPER MANUFACTURE. Vol. 1, The
pulping of wood. 2da. Ed. 223, Mc Graw Hill Book. Co. 1969.
[17] MARRUGO, Franchesco. FORMULACIÓN, EVALUACIÓN Y APLICACIÓN
DEL GRAFITO MAGNÉTICO.
Tesis de Grado.
Universidad Industrial de
Santander (2004)
[18] MATTIS D., THE THEORY OF MAGNETISM, Harper Row, New York, 1965.
65
[19] PURCELL, E. ELECTRICITY AND MAGNETISM, Berkeley Physics Course,
vol. 2, Mc Graw , Hill, 1965.
[20]
RODRÍGUEZ, Lilia.
MÉTODOS DE ANÁLISIS EMPLEADOS EN LA
INDUSTRIA PAPELERA. CICELPA, Impreso en los talleres litográficos de la UIS.
Bucaramanga, 1978 pp 80 – 87.
[21] RODRIGUEZ JIMÉNEZ, Juan. REVISTA INGENIERÍA QUÍMICA. ABRIL,
1985. Pág. 39 –45
[22] ROSENZWEI, R. MAGNETIC FLUID, Scientific American 246, 1215 (1982).
[23] RYDHOLM S.A. PULPING PROCESSES, 423, 2da. Ed., 337, Interscience
Publisher. New York 1965
[24] SCHIED L.J. PAPER TRADE JOURNAL 139, Nº 5, 28 – 30 Nov. 7/55.
[25] SEIDER, Warren y Otros. PROCESS DESIGN PRINCIPLES, SÍNTESIS,
ANALISIS, AND EVALUATION. New YorK.1999. John Wiley & Sons, Inc.
[26] STONER, E. C. MAGNETISM AND MATTER, Methuen, Londres, 1934.
[27] VAN VLECK J. THE THEORY OF ELECTRIC AND MAGNETIC
SUSCEPTIBILITIES, Oxford University Press, Oxford, 1932.
[28] www.cnicp.ar
[29] www.histeresis.htm
66
[30] www. ima.es
[31] www.matche.com
[32] www.papelnet.cl
[33] www.usc.es/spubl/t97c44.html
67
ANEXOS
68
ANEXO A. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LOS PASOS SEGUIDOS PARA
FORMAR PAPEL ARTESANAL A PARTIR DE HOJA DE PIÑA
1
4
2
5
69
3
6
Formación de hojas con ferrita incorporada
ANEXO B. REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS PARA
REDUCCIÓN DEL MATERIAL MAGNÉTICO
Molino de bolas cerámicas.
Molino de bolas de acero.
Juego de tamices serie Tyler
70
ANEXO C. NORMAS UTILIZADAS PARA LA DETERMINACIÓN DE
PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LAS HOJAS Y PORCENTAJE DE
ERROR DE LOS APARATOS DE MEDICIÓN
Prueba
Norma
Acondicionamiento*
TAPPI, T 402 m – 49
Porcentaje de Retención
TAPPI, T 413 m – 58
Peso Base
TAPPI, T 410 m – 45
Peso Base Seca (Humedad)
TAPPI, T 412 m – 45
Resistencia a la Tensión
TAPPI, T 404 m – 50
Resistencia a la Explosión
TAPPI, T 403 m – 53
Resistencia al Rasgado
TAPPI, T 414 m – 49
Resistencia al Doblez
TAPPI, T 423 m – 50
Normas utilizadas para las pruebas mecánicas y físicas en el papel
Prueba
Instrumento
Porcentaje
de error
Resistencia a la Tensión
Schopper-Leuning
± 6%
Resistencia a la Explosión
Mullen (hidráulico)
±5%
Resistencia al Rasgado
Elmendorf
±7%
Resistencia al Doblez
Schopper
±4%,
Porcentaje de error de los instrumentos de medición utilizados para determinar
las propiedades mecánicas del papel magnético.
71
ANEXO D. MODELO ESTADÍSTICO PARA PREDECIR EL PORCENTAJE DE
FERRITA EN LA PASTA
Las ecuaciones que se presentan a continuación son las que mejor se acoplan a
las curvas mostradas en el capítulo tres sobre propiedades del papel, siguiendo la
nomenclatura dispuesta en la sección 3.3.
Y1 = -0,0019X3 + 0,0837X2 - 0,8137X + 7,4351
3
(7)
2
Y2 = -0,0006X + 0,0312X - 0,1563X + 5,153
3
(8)
2
Y3 = 0,0001X - 0,008X + 0,5953X + 0,98
(9)
LR1 = -0,0273Y13 + 0,6182Y12 - 4,8946Y1 + 18,083
(10)
3
2
(11)
3
2
LR3 = -0,0084Y3 + 0,2009Y3 - 1,8732Y3 + 11,387
(12)
E1 = -0,3673Y13 + 8,4951Y12 - 68,908Y1 + 233,67
(13)
LR2 = -0,0006Y2 + 0,0174Y2 - 0,4623Y2 + 7,546
3
2
E2 = -0,1796Y2 + 4,6767Y2 - 44,047Y2 + 184,67
3
2
(14)
E3 = 0,0088Y3 + 0,0987Y3 - 6,7766Y3 + 86,818
(15)
R1 = -0,1411Y13 + 2,8858Y12 - 18,741Y1+ 209,57
(16)
3
2
R2 = -0,2271Y2 + 5,1376Y2 - 38,214Y2 + 266,04
(17)
R3= 0,2524Y33 - 6,4177Y32 + 53,166Y3 + 30,379
(18)
D1 = -0,4105Y13 + 8,9934Y12 - 68,32Y1 + 374,63
(19)
3
2
D2 = -0,0579Y2 + 1,9343Y2 - 23,387Y2 + 275,84
3
2
(20)
D3 = 0,0067Y3 + 0,083Y3 - 6,1052Y3 + 216,15
(21)
IR1 = 0,0027Y13 - 0,0687Y12 + 0,6186Y1 + 38,401
(22)
3
2
(23)
3
2
(24)
IR2 = -0,0201Y2 + 0,4772Y2 - 3,6482Y2 + 48,667
IR3 = -0,0135Y1 + 0,3404Y1 - 2,7604Y1 + 46,041
72
Haciendo uso del programa ASPEN IQ versión 2.0 se puede encontrar un modelo
estadístico que relacione las diferentes propiedades de resistencia del papel, la
inducción remanente y el porcentaje de ferrita incorporado en la suspensión
pastosa; este programa busca modelos estadísticos multivariable.
Al entrar al programa aparece una ventana que muestra las posibilidades para
ingresar los datos. El primer paso es seleccionar la opción “Build Mode” o modo
construir. El paso siguiente es activar la opción “Specify Data” en esta misma
ventana
para especificar los datos a partir de los que se quiere encontrar el
modelo.
Luego se eligen las variables dependientes e independientes con la
opción “Condition Data”; en este caso el porcentaje de ferrita en la suspensión se
toma como variable dependiente, mientras las propiedades de resistencia del
papel y la inducción remanente se ingresan como variables independientes.
Ventana de opciones del programa aspen IQmodel para construir
un modelo estadístico multivariable.
Después de distinguir las variables dependientes y las independientes se fuerza
todas las variables a activas con “Select Variables”.
73
En “Build Interferential
Sensor” se determina el tipo de modelo que se quiere; en este caso se puede
elegir un modelo lineal, en la casilla “Model Type”.
Por último se pide el modelo estadístico; eligiendo el triángulo que le sigue a “Build
Interferential Sensor”.
Una ventana que muestra los datos necesarios para
construir el modelo. Las ecuaciones construidas haciendo uso el programa son
las siguientes:
Malla 170:
X1 = 1,22528 * Y1 – 1,99805 * LR1 – 0,0359319 * E1 +
0,0934361 * R1 – 0,262731 * D1 –2,871117 * IR1 + 170,287
(25)
Malla 200:
X2 = 0,507724 * Y2 – 1,39972 * LR2 – 0,143544 * E2 0.462352 * R2 – 0,181675 * D2 + 5,55278 * IR2 – 83,9622
(26)
Malla 250:
X3 = 0,437445 * Y3 – 1,45656 * LR3 – 0,156231 * E3 +
1,15458 * R3 – 0,149154 * D3 + 18,3007 * IR3 – 835,594
(27)
Estas ecuaciones pueden ingresarse a una hoja de cálculo de Excel para
determinar el porcentaje de ferrita de tamaño escogido que se debe incorporar a la
pasta para obtener papel magnético con propiedades de inducción remanente y
resistencia dadas. Se debe tener en cuenta un R2 = 0,999062 en el modelo.
74
ANEXO E. PRUEBAS MAGNÉTICAS EN EL PAPEL
Registro fotográfico de las pruebas de adherencia del papel magnético a imanes de
Neodimio y de ferrita
Registro fotográfico de las pruebas de impresión y escritura en el papel
magnético.
75
ANEXO F. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO PARA ELABORACIÓN
DE PAPEL MAGNÉTICO POR EL MÉTODO NSSC, A PARTIR DE HOJAS DE
PIÑA
76
ANEXO G. ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS
Planta para producción de papel magnético
EQUIPOS PARA PRODUCCIÓN DE PASTA
EQUIPO: DESFIBRADOR
NOMBRE DEL EQUIPO: DES -101, 102, 103
MATERIAL: HIERRO
SUSTANCIA: HOJAS DE PIÑA
FLUJO: 80 Kg/h
DIMENSIONES DEL EQUIPO
ALTO
1,13 m
ANCHO
0,5 m
LARGO
1,26 m
POTENCIA
3 hp
COSTO EQUIPO
US$ 1000
EQUIPO: TANQUE LAVADOR
NOMBRE DEL EQUIPO: TKL-101, 102
MATERIAL: PLÁSTICO
SUSTANCIA: HOJAS DE PIÑA DESFIBRADAS Y AGUA.
DIMENSIONES DEL EQUIPO
CAPACIDAD
1,5 m3
ALTO
0,8 m
LARGO
1,4 m
ANCHO
1,34 m
COSTO EQUIPO
US$ 750
EQUIPO: TANQUE MEZCLADOR
NOMBRE DEL EQUIPO: TK-101
SUSTANCIAS: Agua, Na2CO3, Na2SO3
MATERIAL: ACERO AL CARBONO
DIMENSIONES DEL EQUIPO
CAPACIDAD
0,24 m3
ALTURA
0,85 m
DIÁMETRO
0,6 m
POTENCIA DEL AGITADOR: 0,7 hp
COSTO EQUIPO
US$ 2100
EQUIPO: DIGESTOR
77
NOMBRE DEL EQUIPO: DIG-101
MATERIAL: ACERO DULCE CON REVESTIMIENTO INTERIOR EN ACERO INOXIDABLE
SUSTANCIAS: Fibra, agua, Na2CO3,
CARGA: 542,54 Kg
Na2SO3
Temperatura: 165 º C
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Presión: 5 atm
Tiempo de digestión: 2 horas
DIMENSIONES DEL EQUIPO
CAPACIDAD
2 m3
DIÁMETRO
1,2 m
ALTURA
1,8 m
COSTO EQUIPO
US$ 9700
EQUIPO: PILA DE BATIDO
NOMBRE DEL EQUIPO: PH-101, 102
MATERIAL: Acero Inoxidable 304
SUSTANCIA: FIBRA DIGERIDA,
CARGA: 513 Kg
ADITIVOS Y AGUA
DIMENSIONES DEL EQUIPO
1,3 m3
CAPACIDAD
VELOCIDAD
60 rpm
POTENCIA Motor
1,2 hp
COSTO EQUIPO
US$ 2800
EQUIPO: HOMOGENEIZADOR
NOMBRE DEL EQUIPO: MIX - 101
MATERIAL: ACERO AL CARBONO
SUSTANCIA: PASTA CON FERRITA
CARGA: 1040 Kg
DIMENSIONES
DIÁMETRO: 2 m
VOLUMEN: 2,3 m3
ALTURA: 0,73 m
POTENCIA AGITADOR
1,5 hp
COSTO EQUIPO: US$ 7000
EQUIPO: BOMBA
NOMBRE DEL EQUIPO: BP-101
TIPO: BOMBA CENTRIFUGA DINAMICA DE FLUJO AXIAL
78
MATERIAL: CARCASA :HIERRO DÚCTIL, SELLO MECÁNICO: ACERO INOXIDABLE
CUERPO- IMPULSOR: PLÁSTICO DE ALTA RESISTENCIA
CAPACIDAD: 1,6 m3 / h
SUSTANCIA: FIBRA DESLIGNIFICADA
POTENCIA
0,4Kw
VELOCIDAD
3450 RPM
COSTO EQUIPO
US $ 700
EQUIPO: BOMBA
NOMBRE DEL EQUIPO: BP-104
TIPO: BOMBA CENTRIFUGA DINAMICA DE FLUJO AXIAL
MATERIAL: CARCASA :HIERRO DÚCTIL, SELLO MECÁNICO: ACERO INOXIDABLE
CUERPO- IMPULSOR: PLÁSTICO DE ALTA RESISTENCIA
CAPACIDAD: 2,1 m3 / h
SUSTANCIA: PASTA + CARGA
POTENCIA
0,8Kw
VELOCIDAD
COSTO EQUIPO
3450 RPM
US $ 1200
EQUIPO: BOMBA
NOMBRE DEL EQUIPO: BP-102, BP-103
TIPO: BOMBA CENTRIFUGA DINAMICA DE FLUJO AXIAL
MATERIAL: CARCASA :HIERRO DÚCTIL, SELLO MECÁNICO: ACERO INOXIDABLE
CUERPO- IMPULSOR: PLÁSTICO DE ALTA RESISTENCIA
SUSTANCIA: PASTA
POTENCIA
CAPACIDAD: 1,05 m3/ h
0,4 Kw
VELOCIDAD
COSTO EQUIPO
3450 R.P.M
US $ 500
EQUIPO: BOMBA
NOMBRE DEL EQUIPO: B-101
TIPO: BOMBA CENTRIFUGA DINAMICA DE FLUJO AXIAL
MATERIAL: CARCASA :HIERRO DÚCTIL, SELLO MECÁNICO: ACERO INOXIDABLE
CUERPO- IMPULSOR: PLÁSTICO DE ALTA RESISTENCIA
CAPACIDAD: 0,17 m3 / h
SUSTANCIA: LICOR
POTENCIA
0,2 Kw
VELOCIDAD
COSTO EQUIPO
3450 RPM
US $ 500
EQUIPOS PARA TRATAMIENTO DE FERRITA
EQUIPO: MOLINO DE BOLAS
NOMBRE DEL EQUIPO: MB-101
MATERIAL: CARCASA DE ACERO CON RECUBRIMIENTO DE CAUCHO
79
MATERIAL DE LAS BOLAS: ACERO AL CARBONO
SUSTANCIA: MATERIAL MAGNETICO
FLUJO: 20 Kg / h
ALIMENTO : DP = 4.7mm
PRODUCTO: DP = 0.246 mm
DIMENSIONES DEL EQUIPO
DIAMETRO
0.593 m
LONGITUD
1.5 m
CAPACIDAD
0.41 m3
VELOCIDAD
38.5 RPM
POTENCIA TOTAL
Kw.
TIEMPO DE MOLIENDA
1h
COSTO EQUIPO
US $ 1300
EQUIPO: MOLINO DE BOLAS
NOMBRE DEL EQUIPO: MB-102
MATERIAL: CARCASA DE ACERO CON RECUBRIMIENTO DE PORCELANA
MATERIAL DE LAS BOLAS: CERÁMICO
SUSTANCIA: MATERIAL MAGNETICO
FLUJO: 20 Kg / h
ALIMENTO : DP = 0.246mm
PRODUCTO: DP = 0.074 mm
DIMENSIONES DEL EQUIPO
DIAMETRO
0.34 m
3
CAPACIDAD
0.08 m
LONGITUD
0.85 m
VELOCIDAD
50.56 RPM
NUMERO DE BOLAS
60
POTENCIA TOTAL
0,3 Kw
TIEMPO DE MOLIENDA
1/2 h
COSTO EQUIPO
US $ 1500
EQUIPO: TRITURADORA DE MANDIBULA TIPO BLAKE
NOMBRE DEL EQUIPO: TRIT-101
MATERIAL: ACERO INOXIDABLE
SUSTANCIA: MATERIAL MAGNETICO
FLUJO: 20 Kg/h
ALIMENTO : DP = 50.8mm
PRODUCTO: DP = 4.7 mm
DIMENSIONES DEL EQUIPO
TAMAÑO DE ABERTURA
1.7 m
POTENCIA TOTAL
5.22 Kw
COSTO EQUIPO
US $ 1200
80
EQUIPO: BANDAS TRANSPORTADORAS
NOMBRE DEL EQUIPO: BT-101, BT-102, BT-103, BT-104
NUMERO DE CARAS: 3
SUSTANCIA: MATERIAL MAGNETICO
FLUJO: 20 Kg /h
DIMENSIONES DEL EQUIPO
AREA CARGA
0,01 m2
LONGITUD
15 m
ANCHO BANDA
0,35 m
VELOCIDAD
2 m/s
POTENCIA CADA BANDA
0,3 Kw
COSTO CADA BANDA
US$ 375
EQUIPO: TAMIZ
NOMBRE DEL EQUIPO: TM-101,TM-102
TIPO: MESA VIBRATORIA CON MALLAS DE LA SERIE TYLER
MATERIAL: COBRE
SUSTANCIA: MATERIAL MAGNÉTICO
FLUJO: 8 Kg /h
DIMENSIONES DEL EQUIPO
DIAMETRO
0,501 m
AREA
0,2 m2
COSTO EQUIPO
US $ 350
TIEMPO DE TAMIZADO
1/2 h
COSTO EQUIPO
US $ 350
EQUIPOS PARA FORMACIÓN DE LA HOJA DE PAPEL
EQUIPO: MAQUINA FORMADORA DE PAPEL
NOMBRE DEL EQUIPO: MF-101
DISTRIBUIDOR DE PASTA: TIPO DUCTO DIVERGENTE APLANADO. ANGULO ENTRE
ÁLABES DISTRIBUIDORES: 5º
CAJA DE ENTRADA DE TIPO ABIERTO
REGLA DE LA CAJA DE ENTRADA DE TIPO DOBLE REGLA RECTA
PRENSADO (PRENSA PLANA)
DOS CILINDROS DE ACERO:
INTERIOR DE LA CAJA DE SUCCIÓN: 5-10 Plg. ANCHO
P= 100-500 lbf / Plg. LINEAL
SECADO
81
CILINDROS (48,6 Plg. Diámetro)
HUMEDAD EN PAPEL: 65-68%
CALENTADOS A VAPOR
HUMEDAD FINAL : 6%
CALANDRADO
CALANDRIA ALISADORA: 2-3 RODILLOS DE HIERRO
ENROLLADOR DE SUPERFICIE TIPO POPE
TAMBOR
2 BRAZOS DE ACERO A CADA EXTREMO
COSTO EQUIPO
US $ 45000
82
ANEXO H. COSTOS DE CAPITAL TOTAL DE INVERSIÓN (CTI)
VALOR TOTAL
COSTOS DIRECTOS
US$
EQUIPO
(US$)
Desfibradores
3000
Materiales Directos Cp,Precios de
82100
Equipos (FOB)
Tanques de lavado
1500
Cm,Materiales para Instalación
58291
Mezclador (Licor)
2100
Mano de Obra Directa, Cl
51945
Digestor
8700
Total Costos Directos
192336
Pilas de batido
5100
COSTOS
INDIRECTOS
Bombas
3400
Homogenizador
6500
Cfit,Transporte, Seguros, Impuestos 11231,3
Trituradora
1200
Co, Construcción Overhead
36361,3
Molino de Bolas
2800
Ce,
Costos
Ingeniero
Contratista
21058,7
Tamiz
700
Total Costos Indirectos
68651,2
Bandas Transportadoras
2000
Fourdrinier
43000
TOTAL COSTOS DE INSTALACION 260986,9
Inductor Magnético
2000
Costos de instalación para la planta de papel
Cp, Costo Total
82000
de papel magnético (US$)
Costo de Equipos para la planta de papel
magnético (US$)
CONCEPTO
Total Costos de Instalación
Csite+Cserv, Costos de Preparación del
Lugar e Instalaciones de Servicios
CDPI Total Inversión Permanente Directa
Ccont, Costos de Contingencias
CTDC, Capital Total Depreciable,(CDPI+
Ccont)
Cland, Costo de adquisición Terrenos
Cstart-up, Costo de Arranque de la planta
CTPI, Inversión Permanente Total
CWC, Inversión de Trabajo
CCTI, Capital Total de Inversión, CTPI+
CWC
US$
260986,9
26098,7
287085,6
100479,9
387565,5
7751,3
38756,6
434073,4
65111,0
499184,4
Costos de Capital Total de Inversión (CTI)
83
ANEXO I. EVALUACIÓN DE LOS COSTOS TOTALES
La producción de la planta es del 60% de la capacidad instalada, es decir, 27,72
Ton / año. Se evaluaron los costos unitarios de materias primas para producir un
kilogramo de papel magnético.
CONSUMO
CUMP
COSTO
DIARIO (MP / Kg
(US$/Kg
ANUAL (US$)
PAPEL)
PAPEL)
0,34
0,0701
0,024
660,96
Agua (US$/m3)
2,35
0,0293
0,069
1910,268
Na2CO3(US$/Kg)
1,7
0,1173
0,199
5527,584
Na2SO3(US$/Kg)
0,195
0,0997
0,019
539,136
Ferrita (US$/Kg)
7,15
0,0334
0,239
6625,476
Ti2O (US$/Kg)
5
0,0665
0,332
9216
Resina (US$/Kg)
3,4
0,0997
0,339
9400,32
Bactericida (US$/Kg)
CUMP TOTAL
1,222
33879,744
Costo Total Anual de Materias Primas para la producción de papel magnético (27,72
Ton /Año).
MATERIAS PRIMAS
(MP)
SERVICIOS
INDUSTRIALES
(Sind.)
Energía Eléctrica
(US$/KWh)
Vapor (US$/Kg. Vapor)
COSTO
UNITARIO
CONSUMO
COSTO
DIARIO (SIND. CUS (US$/Kg)
UNITARIO
/ Kg PAPEL)
0,11
4,05 KWh
0,45
COSTO
TOTAL
ANUAL
(US$)
12355,2
0,015
13,51Kg
0,20
5616
CUS TOTAL
0,65
17971,2
(US$/Kg)
Costo Total Anual de Servicios Industriales para la producción de papel
magnético (27,72 Ton / año).
El Costo Unitario de Mantenimiento (CUMA) es evaluado como el 4% de los
Costos Totales de Instalación de los equipos de proceso. Este valor es de 0.38
US$ / Kg papel.
84
El Costo Unitario de Mano de Obra es de 6 US$ / Kg. Papel. Incluye los costos
directos e indirectos. La mano de obra directa, está conformada básicamente por
los ingenieros y los operarios de la planta; cuyos sueldos ascenderían a US$
61824 / año. La mano de obra indirecta, por su parte, estaría conformada por el
Director del departamento, el personal del área de mantenimiento, control de
calidad y seguridad industrial, con un costo total de US$ 104280 /año.
Cantidad
De
Personas
Descripción
Sueldo
/mensual
US $
Total
Anual
/cargo
826
350
19824
42000
61824
Mano de Obra Directa
Ingeniero de procesos
2
Operadores de planta
10
Total Mano de Obra Directa
Mano de Obra Indirecta
Director
del
departamento
de
1
1700
producción
Jefe de mantenimiento
1
800
Técnicos de mantenimiento
2
470
Jefe de almacenamiento
1
700
Operarios de almacenamiento
2
355
Jefe de control de calidad
1
840
Operarios de control de calidad
2
380
Jefe de seguridad industrial
1
800
Personal de seguridad
4
360
Total Mano de Obra Indirecta
Costo de Mano de Obra Directa e Indirecta
CUPT = CUMP + CUS + CUMA + CUMO
Donde:
CUPT: Costo Unitario de Producto Terminado (US$ / Kg. papel)
CUMP: Costo Unitario de Materia Prima (US$ / Kg. papel)
CUS: Costo Unitario de Servicios Industriales (US$ / Kg. papel)
CUMA: Costo Unitario de Mantenimiento, (US$ / Kg. papel)
CUMO: Costo Unitario de Mano de Obra (US$ / Kg. papel)
85
20400
9600
11280
8400
8520
10080
9120
9600
17280
104280
(28)
Para la determinación de estos gastos se tienen en cuenta las asignaciones
salariales integrales actuales para los cargos requeridos. el Costo Unitario de
Administración y Venta es de 6,74 US$ / Kg. papel.
Cantidad
De
personas
Descripción
Sueldo /
Mensual
US $
Total
Anual /
Cargo
1
1
2000
370
24000
4440
1
900
10800
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
1
2
1
1
1
1
1
260
815
750
1050
260
650
360
255
255
165
250
165
850
650
850
255
1100
650
650
3120
9780
9000
12600
3120
7800
4320
3060
3060
5940
3000
1980
10200
15600
10200
3060
13200
7800
7800
Gastos en Personal
Gerente general
Secretaria de gerencia
Director
del
departamento
de
contabilidad
Auxiliar contable
Contador público
Tesorero
Director de recursos humanos
Secretaria de departamentos
Jefe de selección y contratación
Director de bienestar social
Auxiliar de enfermería
Jefe de servicios generales
Personal de servicios generales
Mensajero
Recepcionista
Director del departamento de ventas
Vendedores
Director de compras
Auxiliar de compras
Auditor general
Asistente de auditoria
Director de sistemas
Otros Gastos
Gastos de oficina
5000
Viáticos y representaciones
5000
Otros
3000
Total
186880
Costos de Administración y Ventas para la planta de papel magnético
Para evaluar la depreciación se utiliza el Método de Línea Recta; este método
consiste en recuperar el valor del activo en una cantidad que es igual a lo largo de
cada uno de los años de vida fiscal, en este caso 8 años. El valor de salvamento o
valor de venta estimado del activo al final de su vida útil se considera nulo. En este
86
orden de ideas, este valor es de
48455,7 US$ /año o 1,75 US$ / Kg papel
magnético.
87
ANEXO J. EVALUACIÓN DE LOS COSTOS TOTALES
El Costo Unitario Total es evaluado como:
CUT = CUPT + CUAV + CUDEP
(29)
Donde:
CUAV: Costo Unitario de Administración y Ventas (US$ / Kg. papel)
CUDEP: Costo Unitario de Depreciación (US$ / Kg. papel).
COSTO UNITARIO
CUMP (Materias Primas)
CUS (Servicios Industriales)
CUMA (Mantenimiento)
CUMO (Mano de Obra)
CUPT (Producto Terminado
CUAV (Administración y
Ventas)
CUDEP (Depreciación)
CUT (TOTAL)
US$ / Kg. Papel
magnético
1,22
0,65
0.38
6
8,24
6,74
COSTOS TOTALES
ANUA LES
33879,7
17971,2
10426,8
166104
228381,7
186880
1,75
16,73
48386,7
463648,4
Costos Totales involucrados en la producción de papel magnético (Producción:
27, 72 Ton / año).
88
ANEXO K. EVALUACIÓN FINANCIERA
Conviene invertir en este proyecto dadas las expectativas de ganancia e
inversión?
Para responder a esta pregunta se puede utilizar el VPN (Valor Presente Neto)
como criterio de selección. Para calcularlo, se trasladaron los flujos de los años
futuros al tiempo presente y se restó la inversión inicial. Los flujos se descuentan
a una tasa que corresponde a la TMAR, de acuerdo con la siguiente fórmula: [1]
VPN = −CTI +
FNE1 FNE2
FNEn
+
+ ..... +
1
2
(1 + i ) (1 + i )
(1 + i )n
(31)
FNEn: Flujo Neto de Efectivo del año n, que corresponde a la ganancia
neta después de impuestos en el año n (US$).
CTI: Capital Total de Inversión, año cero (US$).
i: Tasa de referencia que corresponde a la TMAR,(inflación + premio al
riesgo)
En este caso como se mencionó al comienzo de este capítulo, todos los valores
de ingresos y egresos del proyecto durante el tiempo de evaluación serán
considerados constantes. Por ello, la tasa de inflación es de cero.
El premio al riesgo significa el verdadero crecimiento del dinero y se le llama así,
porque el inversionista siempre arriesga su dinero (siempre que no invierta en el
banco) y por arriesgarlo merece una ganancia adicional sobre la inflación. En este
caso la tasa de rendimiento fijada por el inversionista es de 15%.
El criterio de decisión al emplear el método del VPN es el siguiente:
89
Si VPN>=0 Acéptese la Inversión
Si VPN< 0
Rechácese la Inversión
El Estado de Resultados del proyecto, se presenta de manera general en las
Tablas siguientes:
Años1 a 8
TOTAL US$
INGRESOS TOTALES, US$
- COSTOS TOTALES, US$
= UTILIDAD ANTES IMPUESTOS, US$
- PAGO DE IMPUESTOS (30%),US$
= UTILIDAD DESPUES IMPUESTOS, US$
+ DEPRECIACION, US$
= FLUJO NETO DE EFECTIVO, US$
1154669,7
463648,4
691021,3
207306,4
483714,9
48386,7
532101,6
Estado de Resultados, Planta de Papel magnético.
EVALUACION FINANCIERA.
TMAR
Traslado de Flujos Netos de Efectivos al Presente,
VPN(Valor Presente Neto)
Evaluación Financiera, Planta de Papel magnético.
90
15%
2387710,9
1889134,5
ANEXO L. DISTRIBUCIÓN EN PLANTA
Diagrama de Distribución en Planta
91
ANEXO M. DIAGRAMA DEL PROCESO PROPUESTO PARA ELABORACIÓN DE PAPEL MAGNÉTICO
POR EL MÉTODO NSSC, A PARTIR DE HOJAS DE PIÑA
92