1. Ciencia

CAPÍTULO IV
TECNOLOGÍA EN LA FABRICACIÓN DE PAPEL
J. Turrado, S. / A. Saucedo, C. / S. Pérez, R. /
G. Iñiguez, C. / F. López, D. / J. Villar, G. / P. Mutje, P.
La primer mención de papel es en China en el año 104 A.C. Este descubrimiento se atribuye a Ts’ai Lun quien trabajó con cáñamo, y otras plantas. Otra historia
del origen del papel se registra en Egipto 4000 A.C. De la planta cyperus papyrus
(ancvient egiptus papirus www. Mns.edu). Este proceso permanece como secreto
chino hasta el año 700 A.C., durante una invasión árabe estos dominan China y
con ello obtienen el secreto para producir papel, posteriormente, mediante la ocupación musulmana de la peninsula ibérica, la fabricación de papel llega a Europa.
En el siglo XVII los europeos producen papel a partir de trapos viejos de algodón y
lino, en el siglo XVIII aparece la imprenta y con ello se pone de manifiesto la poca
disponibilidad de papel tradicional y de su materia prima, en este siglo también se
inventa la primer máquina de papel por Nicholas Luis Robert, por lo que en este
siglo la humanidad dirige su atención a los árboles como fuente de material fibroso.
La primer máquina de papel se perfecciona por los hermanos Fourdrinier.
La producción masiva de papel en volumen y calidad de uso para los requerimientos actuales es, sin lugar a duda, una adaptación de este sector industrial al
incremento de la alfabetización y crecimiento de la humanidad a nivel mundial, la
producción de papel es un reto importante para producir volúmenes muy grandes
para escritura–impresión, libros, bolsas, papel Tissue, papel seguridad, ropa de hospital, filtros para café, etc., la demanda es muy alta y compleja por lo que se buscan
constantemente nuevas materias primas, etc.
El futuro del papel depende de su adaptabilidad a las nuevas tecnologías de
transmisión de datos, lo cual, será positivo. El invento del papel es un éxito de la
humanidad. Los adelantos de la humanidad hasta la fecha no hubieran sido posibles sin este medio.
El papel se acepta como lámina delgada de fibras orgánicas entretejidas (puede
o no contener productos químicos o cargas minerales), la unión entre fibras se
logra por tratamiento mecánico y su contacto se logra por filtración (acercando las
fibras) de la fase líquida y deposición de fibras sobre una malla, este material mantiene su equilibrio con la humedad del medio ambiente, lo que lo hace flexible. Su
empleo se encuentra como papel Tissue absorbente de líquidos, medio filtrante, soporte y superficie de escritura e impresión, empaque y embalaje de productos diferentes.
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
En términos generales cuando se habla de papel se acepta que este material
es flexible, durable y versátil, está constituido de una mezcla de fibras–productos
químicos y este concepto es correcto para la mayoría de papeles, ya que hay tipos
de papeles que no aceptan una combinación de fibras como: papel kraft y papeles
dieléctricos, estos son papeles en los cuales se demanda como características final
del producto determinadas propiedades físicas, especialmente de resistencia a la
tensión y para papel para sacos la porosidad es importante también.
El proceso de fabricación de papel desde sus inicios hasta la fecha, en sus aspectos
básicos, poco ha cambiado tecnológicamente hablando:
1. Dispersión de materias primas fibrosas en agua, en cuanto mayor sea el grado
de libertad de las fibras en la suspensión, mayor será la posibilidad de formar el
entretejido entre las fibras y con ello mejor papel.
2. Tratamiento mecánico de las fibras “refinación”, operación que implica la
aplicación de energía mecánica para romper de alguna forma la estructura de
la fibra y poner a disposición los grupos OH de las cadenas de α–celulosa
3. Aplicación de productos químicos específicos:
3.1. Operación de la máquina.
3.2. Propiedades estructurales, químicas–físicas del papel.
4. Eliminación gradual de agua: agua usada como transporte, agua adherida a las
fibras y retenida en la incipiente hoja de papel, agua absorbida por las fibras.
Las operaciones fundamentales para formar una hoja de papel a partir de una
suspensión fibrosa son:
4.1. Carga hidráulica.
4.2. Vacío creciente sin dañar la hoja de papel.
4.3. Presión.
4.4. Secado.
Así se puede diseñar, producir y utilizar un grupo de papeles especiales:
Cada uno de los papeles existentes en el mercado están diseñados para un fin
específico y estas exigencias han cambiado con el tiempo, por ejemplo, el papel
prensa, en el pasado demandaba menores propiedades de resistencia, ya que la
velocidad de impresión de las rotativas era relativamente lento, hoy en día las rotativas son capaces de imprimir a alta velocidad. El papel debe cumplir con especificaciones de estructura, resistencia mecánica, propiedades químicas, comportamiento
frente a los líquidos, propiedades ópticas, etc.
La estructuración de una hoja de papel que satisfaga las exigencias de uso
del papel requiere diferentes materias primas fibrosas y productos químicos, en
términos generales a nivel mundial los componentes principales del papel son:
pulpa química (35–39%), papel desperdicio (40–43%), pulpa mecánica (11–8%),
cargas minerales (11–8%) y productos químicos (3–2%); la fracción de productos
químicos está integrada por: productos especiales (0.8–1.1%), alumbre (0.2–0.6%)
y almidón (1.0–1.3%). La fusión de diferentes componentes para integrar la es-
Tecnología en la fabricación de papel
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tructura del papel permiten gran libertad para diseñar un papel que cumpla con las
especificaciones de uso final del producto.
La forma de vida actual “consumo” ha conducido a que la cantidad de basura
generada por habitante se incremente considerablemente, una fracción importante de los residuos urbanos es papel, esto genera contaminación visual y su origen
demandó árboles para la obtención de fibra, es por ello que el reciclado de papel
ayuda:
1. Manejo de una fracción de residuos sólidos urbanos.
2. Disminución de la demanda de recursos forestales para la obtención de fibra.
Sin embargo la utilización de papel desperdicio como materia prima para la
obtención de fibra conduce a enfrentar retos importantes:
1. Recolección.
2. Clasificación.
3. Limpieza.
4. Conocimientos científicos y tecnológicos:
4.1. Para optimizar el proceso de obtención de fibra útil a partir de papel recuperado.
4.2. Fabricar papel con aptitudes de uso a partir de fibra reciclada.
4.3. Transformar el papel fabricado con fibra reciclada en producto impreso o
empaque agroindustrial.
5. Trabajo social para cambiar la mentalidad en uso de papel de fibra reciclada.
Debido al alto volumen de producción de las fábricas de pulpa y papel y a la
actual concientización de la sociedad en aspectos ecológicos han conducido a un
equilibrio entre manejo de recursos forestales, de agua y la producción de pulpa y
papel, esto ha obligado al empleo de fibra reciclada. En la producción de pulpa y
papel los puntos de mayor atención se pueden mencionar:
• Regulación del consumo de agua y de los efluentes;
• Imagen de mercado;
• Pérdida de fibra.
La incorporación de fibra secundaria en el proceso de fabricación de papel ha
conducido al estudio y comprensión de los fenómenos físicos y químicos, tanto de
química orgánica como de química coloidal que rigen el proceso de estructuración
de la hoja de papel, el control microbiológico, y la eliminación de agua en las diferentes etapas del proceso. Así como la modificación estructural por tratamientos
superficiales del papel.
Los procesos de impresión y “tintas” han cambiado en los últimos años, poniendo de manifiesto el reto importante de actualización científica y tecnológica
que ha sufrido la industria papelera para adaptar el producto a las exigencias de
los adelantos de la industria electrónica en cuanto a la transferencia de datos, así
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
como el desarrollo de papeles especiales para ser utilizados en otros sectores como
horneado de pan, etc.
Sin embargo, el principio de fabricación de papel poco ha cambiado, los
cambios sustantivos se han registrado en ancho de máquina, en velocidad de producción, en sistemas controlados por las nuevas herramientas como: desarrollo
de sensores para analizar en línea diferentes propiedades y retroalimentar esta
información a las etapas del proceso en donde es útil y necesaria la información en
tiempo real.
El futuro del papel
El desarrollo de la industria del papel en el pasado y en la actualidad permite asegurar que el futuro del papel es una realidad.
En el pasado cercano, en los años 70’s en los umbrales de la computación se
escuchaban conceptos como:
• No habrá papel sobre los escritorios.
• El display de los sistemas electrónicos sustituirán al papel.
• Muchas operaciones se realizaran en forma electrónica.
Entre las razones que parece ser que influyeron en que las predicciones no se
cumplieran, se pueden mencionar:
• La calidad de la impresión en el papel es mejor que la imagen en el monitor.
• El costo del papel es menor que un monitor.
• Es cómodo llevar el impreso en papel al parque.
• Etc.
Preparación de pastas
PARTIENDO DE FIBRA VIRGEN
1. Si la fabricación de papel esta unida a la planta de pulpa, esta unidad no requiere un complejo sistema de limpieza de pasta para obtener las fibras limpias
que serán sometidas a las diferentes etapas posteriores del proceso. En cuanto
a contaminantes en función de la materia prima aparece el (pith), el cual es un
material adhesivo proveniente de la resina de los árboles.
2. Si la fabricación de papel adquiere fibra en el mercado internacional, la fibra al
salir de la planta de pulpa se seca hasta niveles aceptables de humedad y es necesario desintegrar el material en hidrapulper para lograr la individualización
de las fibras y estas puedan ser cometidas correctamente a las siguientes etapas
del proceso: refinación, encolado, etc.
3. Si la fabricación de papel integra en su formulación fibra reciclada: en este
punto deben considerarse por separado temas como hornificación de las fibras
(envejecimiento de fibras) y presencia de materiales de naturaleza adhesiva de
diferente origen (stickies) como: resinas de encolado, resinas empleadas en el
estucado del papel, resinas provenientes de las tintas, resinas empleadas como
Tecnología en la fabricación de papel
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lomos de libros y revistas y resinas empleadas en el uso del papel (sobres, etc.),
tintas de impresión, así como materiales externos al papel: “arena, grapas, plásticos, etc.”.
3.1. Fibra reciclada de color natural para la fabricación de bolsas para cemento,
papel liner o papel medium, estas instalaciones demandan alto control en la
fuente de materia prima fibrosa, ya que en este papel desperdicio se encuentran
infinidad de contaminantes no fibrosos de naturaleza diferente.
3.2. Fibra reciclada destintada. Para algunos usos, el papel impreso es una materia
prima excelente: aquí deben contemplarse los aspectos físicos y químicos para
el destintado de papel desperdicio. En esta parte deben de contemplarse los
aspectos importantes en los procesos de impresión clásicos y en los sistemas de
reciente desarrollo en la transferencia electrónica de datos, los cuales demanda
tecnología especial como:
PROCESOS DE IMPRESIÓN
• Tipografía
• Huecograbado
• Offset
• Flexografía
• Laser
• Fotocopia
• Chorro de tinta
• Indigo
• Papel autocopiante
• Impresiones térmicas
• Etc.
Contaminantes en el empleo de fibra reciclada
La búsqueda de un mundo limpio y en equilibrio es una necesidad que se ha
manifestado por la sociedad, tal como se registra en diferentes foros internacionales
desde la Reunión de Rio de Janeiro en 1992, en la cumbre de Sur África, el Tratado
de Kyoto hasta otros tratados más recientes.
En la fabricación de papel la estructuración de una hoja de papel que satisfaga
las exigencias de uso requiere de diferentes materias primas fibrosas y productos
químicos, en términos generales a nivel mundial los componentes principales del
papel son: pulpa química (35–39%), papel desperdicio (40–43%), pulpa mecánica
(11–8%), cargas minerales (11–8%) y productos químicos (3–2%); la fracción de
productos químicos está integrada por: productos especiales (0.8–1.1%), alumbre
(0.2–0.6%) y almidón (1.0–1.3%), La fusión de estos componentes para integrar
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
la estructura del papel permiten libertad para diseñar un papel que cumpla con las
especificaciones de uso final del producto. En función de la anterior descripción el
papel puede considerarse un material compuesto.
La humanidad produce alrededor de 350 x 106 t/año de papel, registrándose los
mayores impactos de producción en las regiones geográficas de mayor desarrollo
industrial como son: Norte América, Europa y Asia y, como consecuencia la menor
cantidad tanto en consumo como en producción de papel se registra en los países
ubicados en las zonas geográficas de menor desarrollo industrial: Latinoamérica y
África. Para lograr esta producción de acuerdo a las exigencias actuales se requiere
del orden de 150 x 106 t/año de papel postconsumo como fuente de materia prima
fibrosa.
De los datos anteriores se desprende que el postconsumo (papel recuperado)
es un tema importante como materia prima para la producción de papel “de color
natural y papel de escritura e impresión” así mismo, el satisfacer la demanda de materia prima fibrosa impacta al medio ambiente, mediante una menor demanda de
recursos forestales para obtener fibras nuevas, este hecho repercute en el hábitat de
especies menores que viven en los bosques y, en forma directa, el proceso de recuperación de papel postconsumo incide en el manejo de una de las fracciones sólidas
de los residuos urbanos; proceso que disminuye positivamente sobre el impacto
visual de los confinamientos de estos residuos.
La utilización de fibra reciclada en la fabricación de papel de escritura e impresión se desarrolla a partir de la década de los 70’s. En la década de los 90’s se
registran las instalaciones para destintado contratada por los usuarios a los siguientes fabricantes: Voith (13), Sulzer Escher Wyss (18), Lamort (9) y Beloit (5) y los
sectores en los cuales impactan estas futuras instalaciones. La fibra recuperada a
partir de papel postconsumo se emplea principalmente en la fabricación de papel
periódico, papel tissue y papel de escritura e impresión, la aplicación de tecnología
de destintado inicia prácticamente en la década de los 70´s, en la Figura 1 se muestra
el número de planta que la empresa Voith tiene instalado y comprometido hasta
1996 [1].
El papel postconsumo como fuente de materia prima fibrosa se manifiesta en
mayor proporción en los países que hasta la fecha no han desarrollado una política
forestal, que les permita disponer de recursos forestales con fines industriales para
desarrollar una fuerte industria forestal y de productos derivados del bosque (muebles, celulosa, papel, etc.) como es el caso de: Suecia, Noruega, Finlandia, Brasil,
Chile y recientemente Uruguay. Esta industria permite desarrollar empleos directos
en el campo, fomentar el hábitat de la fauna de la región, así como el desarrollo de
turismo de montaña, por mencionar solo algunos.
Los países que no han desarrollado una política forestal congruente con la vocación del suelo disponible y las exigencias de papel de su población, se enfrentan
a panoramas como abandono de suelos pobres, importación: de papel, de fibra
Tecnología en la fabricación de papel
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Capacidad de destintado vendido por Voith Sulzer
Millones de toneladas
25
20
15
FIGURA 1.
Capacidad industrial
instalada. L. Falzer.
10
5
0
1960
Capacidad
instalada.
1964
1968
1972
1976
1980
1984
1988
1992
1996
Años (capacidad instalada)
virgen o importación de papel desperdicio de países que han hecho una cultura y
un negocio en el manejo de residuos sólidos urbanos.
El obtener fibras a partir de papel postconsumo se enfrentan retos importantes
tales como:
1. Disponibilidad, calidad y costo de la fibra, así como el costo de flete.
2. Procesos de impresión.
3. Contaminantes no fibrosos (pigmentos de tinta, cargas minerales).
4. Contaminantes adhesivos (resinas de encolado, de estucado, en tintas, en lomos de libros y de uso).
El análisis de cada una de las variables de las etapas necesarias para disponer
de fibra limpia es el objetivo del presente capítulo, este es un reto importante que
incluye un gran número de variables, las cuales difícilmente se pueden tratar en la
profundidad necesaria, sin embargo se pretende presentar las variables más importantes en forma objetiva, de tal forma que se tengan las bases para plantear de ser
necesario un análisis más completo sobre el tema reciclado de papel.
1. Disponibilidad de fibra
Algunos países han desarrollado mecanismos claros para la recolección de
residuos urbanos, lo que les permite recuperar y clasificar los diferentes materiales
presentes: metal, vidrio, papel, etc., haciendo de esta actividad un proceso rentable.
De esta forma la industria papelera nacional cuenta con materia prima fibrosa y
eventualmente pueden exportar una buena fracción del papel desperdicio recuperado. Algunos datos comparativos del consumo, producción y recuperación de
papel desperdicio se muestra en la Tabla 1, en donde se observa la dependencia de
la industria papelera de varios países de la recuperación de papel en USA
De la Tabla 1 se desprende que los Estados Unidos de Norteamérica es el único
país que dispone de una cantidad superior a los 8 x 106 t de papel recuperado para
poner a disposición de los interesados en cualquier parte del mundo, sin embargo,
esta es una fuente finita, lo que indica que el crecimiento de la industria papelera
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
TABLA 1. Consumo de papel en diferentes países
Consumo de papel desperdicio en algunos países (1000 ton)
Papel desperdicio
País
Consumo per
capita de papel, kg
Producción
de papel
Recuperación de papel
Inglaterra
204
6476
5050
4655
Japón
237
29888
16211
15944
Corea
113
7750
3869
5832
México
41,6
2950
1700
2600
Brasil
28
5600
1630
1671
Chile
41,9
569
226
226
USA
336
85855
41103
34213
Canadá
232
18723
3057
4656
Consumo
a nivel mundial compite por el papel recuperado en la Unión Americana, este
fenómeno crea conflictos a corto, mediano y largo plazo en la industria papelera
de los diferentes países cuya industria es dependiente de la fibra recuperada (fibra
secundaria). Es muy importante no perder de vista el fenómeno de crecimiento
industrial que registran en los últimos años los países asiáticos, especialmente
China, país que en 1977 importaba solo el 13% del papel recuperado en USA,
mientras que México importaba el 16% y Canadá el 26%, Corea el 14%, Japón el
5% y Taiwan 5%, para el año 2001 el panorama se modificó considerablemente
por el crecimiento de la industria papelera de los países asiáticos, especialmente
de China, país que importo papel desperdicio de USA en 2001 31%, mientras que
México importo el 8% y Canadá el 21, Corea el 10%, Japón el 2% y Taiwan 3%;
al inicio de este año aparecieron nuevos países interesados en el papel desperdicio
de USA como la India, país que tiene contemplado importar el 5%, este crecimiento de la demanda de papel desperdicio por los países asiáticos representa un
gran reto para otros países cuya industria papelera crece tomando en cuenta el
papel postconsumo de USA.
2. Procesos de impresión
La tecnología de impresión y transferencia electrónica de datos ha evolucionado considerablemente en los últimos años, especialmente en velocidad de impresión y nitidez de la misma, modificándose con ello los requerimientos del papel y
tintas especialmente diseñados para algunos procesos específicos de transferencia
electrónica de datos y/o incrementando las exigencias de los procesos clásicos de
impresión como tipografía, offset, etc., ya que las exigencias en calidad del producto impreso son ahora mucho mayores y con ello la demanda de mejores propiedades de uso del papel [2].
El proceso de impresión empleado en los diferentes papeles es importante, ya
que cada proceso de impresión demanda características de tinta diferente y un proceso de secado particular. Esto repercute en el proceso de separación de los compo-
Tecnología en la fabricación de papel
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nentes de la tinta que se encuentran aunados a las fibras durante la impresión, por
lo que en el proceso de destintado (eliminar las tintas del papel) debe ser necesario
analizar el sistema para cada proceso de impresión.
Como ejemplo se pueden mencionar al proceso offset, este proceso demanda
tinta compuesta por pigmento cuyos elementos tienen un tamaño en el rango de
2 a 100 μm y una mezcla de aceite/resina, la fracción (mezcla de aceites) de aceite
es la fracción que regula la velocidad y forma de secado. El mecanismo de secado
de la tinta en este proceso se rige por el proceso de penetración y curado de los
aceites principalmente. En tanto el proceso tipográfico requiere de un componente
principal en la tinta que son los pigmentos cuyo tamaño de partícula varían entre
1–5 μm y una mezcla de resina/aceite, aquí el mecanismo principal de secado es por
penetración de la fase líquida en la estructura del papel.
El proceso de flexografía involucra componentes en las tintas con una relación
de pigmento/resina/agua, el pigmento posee un tamaño de partícula entre 0.3–2.0
μm, el mecanismo principal de secado es la penetración en el papel de la fase líquida. En tanto en el proceso laser y fotocopiadora se demanda una mezcla de partículas
muy finas de pigmento (5–25 μm)/resina+estearato de Zinc, el mecanismo de secado es por polimerización de monómeros mediante radiación térmica.
La industria grafica es una industria que evoluciona constantemente venciendo
los retos que demanda la sociedad actual. La diferencia en el proceso de secado se
relaciona directamente con la facilidad o dificultad para destruir la unión tinta–papel y la separación de los pigmentos de tinta, asimismo el diámetro medio del pigmento presente es un indicador importante en el mecanismo de separación de los
pigmentos de la tinta de la suspensión fibrosa, el mecanismo de separación pueden
ser mediante el sistema de Lavado, Flotación y Flotación/Lavado.
3. Contaminantes de mayor peso específico que las fibras
Los contaminantes (material no fibroso) en el papel postconsumo que se encuentran “normalmente” en una paca de papel desperdicio son diferentes, si la paca
está conformada por papel blanco o papel de color natural (kraft) (Figura 2). En
esta Figura se muestran pacas de papel OCC recuperado, se observa también parcialmente la mezcla de diferentes papeles presentes en la paca, asumiendo que solo
es papel, pero la presencia de humedad puede ser diferente, así como la presencia de
materiales como plásticos, etc. y arena, es por ello, que se requiere un control muy
rígido para determinar solo el porcentaje de fibra útil al sistema y la presencia de
material no apto que debe ser eliminado, este control puede llevarse a cabo mediante diferentes procedimientos: en forma manual y aleatoria en función de la cantidad
de pacas que llegan a la planta, pero también existe equipo que permite facilitar la
operación de muestreo y precisión en resultados (Figura 3).
La Figura 3 presenta un equipo para analizar pacas de papel sin destruirlas, tomando muestras uniformes de las pacas para determinar humedad, contaminantes
y cenizas.
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
FIGURA 2.
Placas de papel de
color natural “OCC”.
FIGURA 3.
Equipos para
muestrear pacas de
papel desarrollado por
el Ifp-THD.RFA.
El análisis anterior es recomendable, ya que solo las fibras presentes en el papel recuperado son útiles para la siguiente generación de papel u otros materiales
deben ser manejas correctamente o separados del sistema. Como material contaminante es común encontrar: grapas, adhesivos, arena gruesa, arena fina, vidrio y
tintas: base agua, aceite, toner, etc. La separación de los contaminantes se realiza en
función de sus propiedades físicas, demandando para ello infraestructura especial
para cada caso:
Partículas flexibles de gran tamaño se retiran formando trenzas en la zona del
vórtice del hidrapulper de baja consistencia (Figura 4) o en el equipo anexo a la
descarga del hidrapulper de alta consistencia “Pera”.
Tecnología en la fabricación de papel
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161
• Partículas pesadas de gran tamaño se eliminan por la parte baja del hidrapulper.
• Partículas de gran peso y tamaño en relación a las fibras se eliminan en los
depuradores de alta consistencia (Figura 5).
• Partículas plásticas de tamaño pequeño se eliminan en las cribas (ranuradas o
perforadas) (Figura 6).
• Las partículas de peso cercano al peso de fibras pero con centro de gravedad
localizado “área, vidrio, etc.” se eliminan en los hidrociclones de baja consistencia (Figura 7).
Una buena fracción desarticulas mas ligeras que las fibras se eliminan en los
hidrociclones reversos (Figura 7).
El mecanismo de comercialización del papel postconsumo es un acuerdo entre
proveedor y empresa, entre ellos se establece el porcentaje de agua (humedad) en el
papel que es aceptado y el porcentaje de contaminantes de igual manera que serán
aceptados, este procedimiento es valido también para papel blanco.
La presencia de contaminantes de mayor tamaño y peso con relación a las
fibras norma el criterio de los equipos de limpieza que deben ser instalados en las
etapas correspondientes, como son: hidrapulper, depuradores de alta y baja consistencia, cribas, etc. El no contar con un reglamento claro sobre la captación de
papel postconsumo obliga a las empresas a prepararse tecnológicamente para poder
separar todo tipo de contaminante (no fibroso).
En el depurador de baja consistencia, la presión de alimentación se transforma en velocidad al interior del cuerpo del hidrociclón, con esta fuerza se aceleran
FIGURA 4.
Sistema para eliminar
del hidrapulper
plásticos y material que
formen cuerdas.
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FIGURA 5 (Izq.).
Depurador de alta
consistencia.
FIGURA 6 (Der.).
Sistema de limpieza por
cribas.
las partículas pesadas del sistema y chocan contra la pared del cuerpo, en donde
pierden su energía y descienden hasta la parte inferior del hidrociclón, de donde
posteriormente se descargan (Figura 7).
4. Contaminantes de menor peso específico que las fibras
En este sector se encuentran principalmente las resinas que se incorporan en
diferentes estadios de la vida del papel: fabricación, transformación “estucado y
proceso de impresión” encuadernación y uso final (sobres, etiquetas, etc.). La manifestación del impacto del conjunto de resinas en el proceso de fabricación del papel y
en el papel mismo se le conoce como Stickie. La amplia gama de resinas (adhesivos)
empleados en las diferentes etapas de los procesos antes mencionados dificultan
establecer mecanismos de eliminación de stickies y estos deben ser controlados en
función de las propiedades físicas y químicas de los compuestos base (Figura 7).
Los materiales adhesivos se integran en la formulación del papel como
agentes de encolado (ya sea en un encolado ácido y/o alcalino), como resinas
empleadas: en la operación de estucado en las tintas de impresión y adhesivos en
los lomos de libros y revistas. Lo que genera partículas de diferentes tamaños, y
que han sido clasificadas como macro y micro stickies. Estos elementos contaminantes se clasifican y se caracterizaran por su tamaño y se pueden separar por
diferentes procedimientos (Figura 7), Hidrociclones reversos y como se muestran
en el diagrama anterior.
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163
HIDROCICLONES
NORMAL
DO >
90%
Flujo
60%
0,5% Consistencia 0,5%
85%
Fibra
15%
DC
Fibras
DO >
Ceras
Hot-melts
Poliuretano
DO
Consist.: 6%
LP: 20 PSI
REVERSO
I
Consist.: 1%
LP: 40 PSI
q
DI
Impurezas
Arena
Metales
Fibras
D
< DI
5%
Flujo
40%
2% Consistencia 2%
15%
Fibra
85%
FIGURA 7.
Hidrociclones de baja
consistencia y reversos.
5. Manifestación de Stickies
La manifestación de los stickies durante la fabricación de papel se observa en el
taponamiento de la tela de formación, lo cual inicia por depósito en los filamentos
de la tela de formación hasta registrar un depósito extremo. En donde se puede detectar el impacto de parámetros externos (Temperatura y presión) sobre la actividad
adhesiva de los stickies (Figura 8).
En tanto la cuantificación de los stickies es y ha sido tema de constantes comentarios, para lo cual se han desarrollado procedimientos por instituciones como
INGEDE, TAPPI y otras entidades dedicadas a la investigación sobre la cuantificación y control de micro stickies (Figura 10) [3].
6. Aspectos químicos y propiedades de los stickies
Las estructuras químicas de algunos de los compuestos adhesivos[4], generadores de stickies se presentan en las Figuras 10 y 11. Los productos de la Figura 10
son prácticamente insolubles en medio acuoso ácido o alcalino, pero son solubles
en solventes como la acetona, diclorometano y tolueno, mientras que en la Figura
11 se muestran los nuevos productos amigables con el medio ambiente que algunas
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
FIGURA 8.
Adherencia de Stickies
sobre tela de formación.
FIGURA 9.
Incremento de la
actividad superficial
de la tela por daño
mecánico.
FIGURA 10.
Estructura química
de polímeros solubles
utilizados como
adhesivos “En algunos
grupo se presenta
Oxígeno polar”.
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ENCOLANTES
Encolado ácido
Ácido abietico
Encolado alcalino
Dimero de Alquilceteno (AKD)
Anhidrido Alquenil Succinico
(ASA)
FIGURA 11.
Productos químicos
empleados en
encolado.
industrias fabricantes de adhesivos han desarrollado como apoyo a la solución de
este gran problema de la industria papelera.
El pH del sistema agua –fibras puede afectar la solubilidad de los polímeros que
contiene grupos carboxílicos (oxígeno polar) de monómeros como ácidos acrílicos
o meta–acrílicos o anhídridos maleicos [5].
En medio alcalino estos compuestos se hacen solubles en agua y en medio
ácido precipitan.
Con las reflexiones antes integradas del origen de los adhesivos, su estructura
química, su adhesividad en función de parámetros como temperatura, presión,
dilución, su solubilidad en agua y/o solventes, su comportamiento frente al pH,
etc., se utilizó para este trabajo el desarrollo de un procedimiento que permitiera
cuantificar microstickies en una suspensión fibrosa [6, 7].
6. Pasivación de stickies (talco, bentonita)
Uno de los grandes retos que enfrenta la industrial papelera que opera con papel
reciclado es la presencia de materiales adhesivos “Stickies”, estos materiales adhesivos
tienen diferentes fuentes, como son: resinas de encolado, resinas presentes en el estucado, resinas presentes en las tintas, resinas del armado de libros y revistas, además
de adhesivos empleados en la etapa final de uso del papel. La naturaleza diferente de
estas resinas y las condiciones de activación específica para cada una de ellas, en suma
presentan un esquema difícil para ser eliminadas, es por ello que la mejor alternativa
que se presenta es la pasivación de la capacidad adhesiva de los mismos.
Se ha encontrado que los materiales con propiedad adhesiva presente en la pasta de papel reciclado registran en su superficie eléctrica carga negativa, esto ha sido
demostrado mediante investigaciones que comparan el impacto de la pasivación de
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
stickies mediante la aplicación de bentonita, controlando los siguientes parámetros
de proceso: Consistencia (%); pH; Temperatura (°C); tiempo de reacción (min);
velocidad de agitación (rpm); y aplicación de agente pasivador (%).
Como parámetro de respuesta se evalúa [6] la capacidad adhesiva de los stickies sobre una película de polietileno de baja densidad (LDPE), y mediante Análisis
de Imagen (IA) se cuantifica la presencia y tamaño de los adhesivos adheridos a
esta película.
Los resultados reportan reducciones de activación de las partículas de 260 a 60,
en número considerando el tamaño de partículas y su poder cubriente, estas representan disminución en superficie cubierta de 350 cm2/Kg de pasta hasta 50 cm2/Kg
de pasta en función del producto empleado.
La creciente demanda de papel desperdicio como materia prima para la obtención de fibras aptas para ser integradas en la nueva formulación de papel, con
la expectativa de lograr el mínimo impacto en la calidad de uso del mismo como
producto terminado, esto aunado a la evolución constante de nuevos procesos de
impresión, especialmente en el sector de impresiones digitales Laser, chorro de tinta, indigo, etc., ha conducido al fabricante de papel a cumplir con especificaciones
de la calidad del papel que demandan los nuevos procesos de impresión, en este
proceso de fabricación de papel se incorporan agentes de encolado. Figura 13 “encolado ácido y alcalino según especificaciones” [8], estas resinas actúan en medios
de alta dilución pero con condiciones específicas.
Mientras que en un papel estucado se integran resinas para adherir los pigmentos de estucado sobre la superficie del papel en una o hasta cuatro capas de
recubrimiento, las resinas en esta función son de naturaleza diferente a las resinas
empleadas en el proceso de encolado, ya que generalmente estas resinas además de
su función primaria son auxiliares en la generación de brillo mediante la acción de
presión y temperatura. Entre las que se pueden mencionar: “Almidón, proteína de
soya, acrilatos y acetatos de polivinilo” actuando como adhesivos y ligantes.
En el proceso de impresión, las tintas y/o toner generalmente en su composición integran algún tipo de resina para dar brillo a las mismas, esta resina pasa a
formar parte del vehículo. Existen también ligantes y modificadores del comportamiento de la tinta, en algunos procesos de impresión la acción de la temperatura
sobre la resina de la tinta y/o toner es importante para su anclaje o adherencia sobre
la superficie del papel y brillo de la impresión [2].
En la operación de conjuntar varias páginas para integrar una revista se emplean adhesivos en los lomos de las mismas, estas resinas generalmente son adhesivas cuando la temperatura es alta.
Finalmente, el usuario final de papel requiere que se aplique resina en algunos
de los extremos de las hojas para adherirlas en alguna superficie que le permita
recordar los mensajes en ella impresos o plasmados.
Cuando el papel reciclado regresa a un molino como materia prima para la
fabricación de papel es difícil separarlo por pH, por proceso de impresión, por edad
Tecnología en la fabricación de papel
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de impresión, etc., cualquier variable es casi imposible, así, en grupos generales
como ONP, OWP u otras clasificaciones el papel ingresa al molino y con ello una
gama considerable de resinas en la estructura de los diferentes papeles que integran
el grupo especifico.
Los stickies se clasifican en forma general: hot–melts, adhesivos sensibles a
la presión y derivados de Látex. Existe también la clasificación de stickies por su
tamaño:
1. Macro–stickies: se retienen en malla 0.006 plg (0.15 mm) o 0.004 plg o (0.10
mm)
2. Micro–stickies: aceptados por la malla 0.006 plg o (0.15 mm) o 0.004 plg o
(0.10 mm)
La clasificación de stickies es importante para su eliminación y/o posible control.
Esta variedad en el origen de los materiales adhesivos que ingresan al sistema y su
comportamiento adhesivo según su origen se activa en función de dilución, presión, temperatura, etc. [9], en 1963 publica una tabla de las fuentes de material
adhesivo en el papel.
De acuerdo a lo publicado por Mahendra R. Doshi and Jeffry Dyer en donde
expresa que en virtud de lo desarrollado de la industria de los adhesivos se asume
que la teoría de la adhesividad es bien conocida, aceptada por los expertos, etc.[10].
Lamentablemente este no es el caso. La teoría de la adhesividad continúa siendo un
tema interesante y fascinante pero aun en desarrollo.
Sobre la adhesividad de los stickies hay varias teorías “la adhesión como fenómeno de adsorción” según [11] la unión interfacial ocurre en tres etapas:
1. Humectación: el adhesivo y el adherente son llevados al contacto molecular en
la interfase mediante un proceso de flujo.
2. Adsorción: la orientación del polímero en la interfase de tal forma que la unión
por adhesividad es posible a través de la interfase.
3. Difusión: si el adhesivo y el adherente son polímeros con parámetros similares
de adhesividad, la ínter difusión entre ellos puede formar una polimerización
física.
Por lo tanto para que los adhesivos actúen como elementos pegajosos, solo se
requiere el contacto íntimo con el adherente.
Bentonita: la bentonita, la cual es un aluminosilicato, tiene gran afinidad por
grupos activos con carga eléctrica negativa, lo que pone de manifiesto la existencia
de cargas eléctricas positivas en la superficie de las partículas de bentonita en función de su naturaleza, estas cargas se pueden incrementar mediante el tratamiento
a la bentonita.
La activación de la bentonita en medio ácido permite incrementar su superficie
específica del orden de 60 a >300 m2/g y el volumen de los microporos se reduce de
0.43 a 0.02 ml/g [12]. (Figura 12).
167
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
FIGURA 12.
Diagrama que muestra
el cambio de la
superficie específica de
la bentonita en función
de la actividad en
medio ácido.
7. Materiales y métodos
Sobre el tema de stickies se puede hablar mucho, ya que toda persona involucrada en la fabricación de papel, ya sea a partir de fibra virgen o a partir de fibra
reciclada se ha encontrado con manifestaciones de la presencia de materiales adhesivos, los cuales reciben diferente denominación en función de su origen: Pitch para
material adhesivo proveniente del material resinoso de la madera y Stickie para la
manifestación de la suma de materiales adhesivos presentes en el papel postconsumo. Los estadios del proceso de fabricación y uso del papel en donde se ha adicionado algún material adhesivo son: encolado, estucado, tintas de impresión, lomos de
libros y cejas de los sobres, etc. La presencia de stickies en una planta productora de
papel genera daños de gran impacto económico ya sea debido a: paro de máquina
para cambiar implementos como tela y/o fieltros, producto de baja calidad, etc.
Lo más importante de cualquier problema es cuantificar la presencia de material que causa el daño. En este rubro ha habido un gran número de intentos por
establecer procedimientos estandarizados y se han conseguido establecer procedimientos específicos para cuantificar la presencia de macro stickies:
• INGEDE “Internationale Forschungsgemeinschaft Deinking Technik” Internacional Association of the Deinking Industry “Methode 4. “Bestimmung von
Macrostickys in deinkingstoffen”.
• TAPPI:
–T 274 sp–97, Laboratory screening of pulp (MasterScreen–type instrument).
–T277 pm–99, Macro stickies content in pulp: the –pick–up• method.
–T 278 sp–99, Pulp screening (Valley–type screening device).
–T 275 sp 02, Screening of pulp (Somerville–type equipment).
Para la cuantificación de micro stickies hay otros esfuerzos: uno de ellos es el
desarrollado por el Departamento de Madera, Celulosa y Papel “Ing. Karl Augustin
Grellmann” de la Universidad de Guadalajara y publicado [7].
Tecnología en la fabricación de papel
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No hay una respuesta única al problema de stickies, es por ello, que hasta ahora
se han invertido millones de dólares para controlar y eliminar los stickies de los
sistemas de producción de papel a partir de fibra reciclada. Estos procedimientos
se han basado en la disminución de la capacidad adhesiva, así como por el cambio
en su tamaño y forma, etc. Sin embargo, previo a cualquier desarrollo de control de
stickies es importante el procedimiento de cuantificación de stickies en el sistema.
En el procedimiento [6] se estudian parámetros como: fuente de contaminantes, temperatura, tiempo de contacto, consistencia, velocidad de operación
del sistema y superficie de la película de polietileno de baja densidad empleado
(LDPE). Se determinó que los mejores resultados se encontraron con 50°C, 2% de
Consistencia, 2340 rpm, 64 cm2 de superficie de película de polietileno, tiempo de
reacción de 20 min. Las partículas de stickies adheridas a la película de polietileno
se analizaron en función de su tamaño, color, forma con la ayuda de un analizador
de imágenes. El tiempo para efectuar el procedimiento es de aproximadamente 4
h. La desviación estándar en papel de sobres y papel recubierto es de 1.7 y 2.6 respectivamente.
EQUIPOS:
• Desintegrador de laboratorio “Karl Frank”.
• Sistema de mezclado para laboratorio “TIR pak”, rpm.
• Películas LDPE (2 cm x 2 cm) con un identificador negro cada uno, ver Figura 13.
• Recipientes de 2000 ml, y 250 ml.
• Plato caliente con regulador.
• Termómetro (100 °C).
• Porta muestras.
• Balanza analítica.
Analizador de imágenes (LEICA QWIN 550).
ANÁLISIS:
Coloque la película de LDPE entre el porta y cubre objeto Figura 13. Usando
el analizador de imágenes, inspeccione las tres zonas marcadas por ambos lados de
la película LDPE bajo el microscopio y cuantifique la cantidad de stickies en cada
una de ellas.
El análisis de imágenes se efectúa mediante el Software de Análisis y Procesamiento para microscopia cuantitativa LEICA QWIN 550. Con el programa es
posible determinar propiedades de los stickies tales como: tamaño, forma, color,
número, área parcial y total, redondez, etc. (Figura 14).
CÁLCULOS:
Área promedio de Stickies por kg de fibra (peso .seco base): Calcule el área promedio
de partícula (μm2) en un área de medición conocida. El área de medición dependerá del objetivo seleccionado y del lente magnificador acoplado a la cámara y el
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
FIGURA 13 (Izq.).
Marca de las películas
LDPE y punto de
medición.
FIGURA 14 (Der.).
Partículas de adhesivos
de distinta naturaleza
adheridos a la película
de LDPE.
microscopio, Por ejemplo, el objetivo 10x, y el lente magnificador 2/3 de CCD, por
lo que el área de medición será de 343,205.8 (μm2).
g
2 *
2 *
cm2 Yሺȝm ሻ 64ሺcm ሻ 1000 ൬Kg൰
ൌ
Kg
343205.8ሺȝm2 ሻ* 12ሺgሻ
Stickies área, ቆ
cm2
ቇ =0.01553975* yሺρm2 ሻ
Kg
Donde:
Y μm2= Información del Análisis de Imágenes “promedio”,
12 g= Peso de la muestra (base seca),
64 cm2= Superficie de la película LDPE,
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Resultados de evaluaciones de papel desperdicio: (Tabla 2 y Gráfica)
TABLA 2. Valores obtenidos al clasificar el tipo de material
Material
y, (μm2)
Area de Stickies,
cm2/Kg
OWP
1500
23.3
Papel recubierto
3900
60.6
Fibras de tetrapack
7700
119.6
En la Figura 15 se muestra la clasificación por tamaño que realiza el Analizador de Imágenes de las partículas adheridas a la película de LDPE, de esta forma se
puede determinar el tamaño de los adhesivos presentes.
Tecnología en la fabricación de papel
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171
Número de Partículas
80
60
40
FIGURA 15.
Grafica de distribución
del tamaño de
partículas adheridas a la
película de LDPE.
20
354
36 9
38 5
392
323
338
2 61
276
292
307
199
214
230
245
18 3
168
44
59.
4
74.
9
90.
4
106
121
137
152
13
28.
5
0
Tamaño de Partículas (μm)
APLICACIÓN
En base a los conceptos anteriores del potencial negativo de los materiales adhesivos en términos generales se denominan stickies, formando cuerpos con carga
eléctrica negativa que se adhieren a las cargas eléctricas positivas presente en la superficie de la bentonita, la intensidad de carga de la bentonita puede ser modificada
en función del tratamiento de la misma.
Para la evaluación del impacto de diferentes bentonitas modificadas sobre los
stickies se procedió a realizar un diagrama (Figura 16) de trabajo que permitiera
comparar la eficiencia de la pasivación de los stickies en una suspensión fibrosa
de un proceso industrial. Los parámetros empleados son: 1.2% de consistencia,
Temperatura de 40°C, tiempo de reacción 20 min, Superficie de Polietileno de baja
densidad 64 cm2. Estas condiciones se determinaron mediante un diseño experimental.
El diagrama de trabajo incluye la incorporación de bentonita con diferentes
tratamientos con el objeto de incrementar su eficiencia en la pasivación de stickies,
así como la dosificación de bentonita a la suspensión fibrosa proveniente de una
planta que destinta papel desperdicio para la obtención de fibra reciclada, en el
programa de trabajo se contemplo la evaluación del blanco o punto de referencia.
La evaluación de los microstickies activos se realizo mediante el procedimiento
mencionado [7].
Los resultados se muestran en las Figuras 17, 18 y 19 en las cuales se grafica
el rango de tamaño de partículas no pasivadas y captadas en la película de LDPE y
medidas con el AI en una superficie de 3.45 x 105 μm2, mientras que en la Tabla 2
se muestran la equivalencia de la suma de la superficie cubierta por el total de las
partículas evaluadas en cada punto de dosificación de aluminosilicato.
En la Figura 17, se muestra el impacto del aluminosilicato denominado como
“A” sobre los stickies En los resultados se observa que la adición de 0.4% de aluminosilicato “A” sobre fibra b.s.a. es la muestra que registra una disminución de
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
Fibra reciclada
“Procedencia industrial”
Blanco
Determinación de
Microstickies
FIGURA 16.
Diagrama de trabajo de
aplicación de tres tipos
de bentonita modificada
sobre la desactivación
de stickies.
No/0.343 mm2
cm2/Kg
Alumninosilicato
“A” (x, Kg/t)
Alumninosilicato
“B” (x, Kg/t)
Alumninosilicato
“C” (x, Kg/t)
Determinación de Microstickies
No/0.343 mm2
cm2/Kg
No/0.343 mm2
cm2/Kg
No/0.343 mm2
cm2/Kg
240 a 100 partículas adhesivas/m2, siendo este el resultado más impactante para
este producto, mientras que las adiciones de 0.2 y 0.6% prácticamente no registran
pasivación de stickies, lo que permite reflexionar en que la adición de 0.2% de
bentonita aporta poco material para pasivar los stickies, mientras que la adición de
0.6% aporta demasiada carga eléctrica positiva al medio y esto impide la pasivación
de los stickies.
En la Figura 18 se registran los resultados obtenidos al evaluar la muestra de
aluminosilicato “B” este producto es más activo que el anterior, sin embargo el
optimo resultado de pasivación de stickies se registra para la dosificación de 0.4%
de aluminosilicato “B” sobre la suspensión fibrosa. Los resultados reportados por
la dosificación de 0.2% ponen de manifiesto que esta cantidad no es suficiente para
pasivar los stickies, mientras que la dosificación de 0.6% registra un valor similar
al que registra la dosificación de 0.2%, esto pudría ser analizado en función de la
presencia excesiva de carga eléctrica positiva en el medio, lo que conduce a la activación nuevamente de stickies ya pasivados.
En la Figura 19 se registra la aplicación de aluminosilicato “C” bajo las mismas
condiciones de las dos muestras anteriores “A” y “B”. Aquí los valores más bajos de
stickies no pasivados se registran con 0.4 y 0.6% de aluminosilicato “C”.
Aquí es de suponer que la carga eléctrica del medio no afecto la reactivación
de stickies, esto muestra la mayor presencia de espacios en la bentonita generados
durante el proceso de modificación de la misma.
Al analizar el poder cubriente de los stickies activos residuales al tratamiento
con la dosificación específica del aluminosilicato seleccionado se muestra:
1. El valor relativamente alto de partículas adhesivas activas en la mezcla fibrosa
proveniente de una Empresa del sector.
Tecnología en la fabricación de papel
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Aluminosilicato “A”
250
N° de particulas / 0.343 mm2
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200
150
FIGURA 17.
Impacto del
Aluminosilicato A,
sobre la pasivación de
stickies.
100
50
Blanco
0.2%
0.4%
0.6%
0
13
168
323
Rango de tamaño de partículas, micras2
Aluminosilicato “B”
N° de particulas / 0.343 mm2
300
FIGURA 18.
Impacto del
Aluminosilicato B,
sobre la pasivación de
stickies.
250
200
150
Blanco
0.2%
0.4%
0.6%
100
50
0
13
168
323
Rango de tamaño de partículas, micras2
Aluminosilicato “C”
N° de particulas / 0.343 mm2
300
FIGURA 19.
Impacto del
Aluminosilicato C,
sobre la pasivación de
stickies.
250
200
Blanco
0.2%
0.4%
0.6%
150
100
50
0
13
168
Rango de tamaño de partículas, micras2
323
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
TABLA 2. Aplicación de Bentonita y su impacto en área cubierta por los stickies
Materia Prima
Blanco
Aluminosilicato “A”
Aluminosilicato “B”
Aluminosilicato “C”
Aplicación de bentonita (%) Stickies registrados (cm2/Kg)
0.0
351
0.2
320
0.4
180
0.6
230
0.2
182
0.4
100
0.6
148
0.2
143
0.4
108
0.6
98
2. El aluminosilicato “A” con dosificación de 0.2 y 0.6% aglutina las partículas
adhesivas pero no necesariamente las logra pasivar, es por ello que estas partículas de mayor tamaño registran un mayor poder cubriente.
3. El aluminosilicato “B” con adiciones de 0.2 y 0.4% disminuye considerablemente la presencia de stickies residuales activos en la suspensión fibrosa
tratada y con ello su poder cubriente, mientras que con dosificación de 0.6%
presumiblemente la alta presencia de cargas positivas altera la unión generada
entre partículas de bentonita y stickies (este es un tema de estudio actualmente).
4. El aluminosilicato “C”. Con los rangos de dosificación empleados en el presente estudio disminuye considerablemente la presencia de stickies activos
residuales en la suspensión fibrosa.
La bentonita en función de su nivel o grado de activación logra reducir el número de partículas adhesivas “stickies” presentes en la suspensión fibrosa hasta un
80% con dosificaciones de 0.4% para la materia prima de estudio, esto representa
una disminución de 351 cm2/Kg hasta 98 cm2/Kg. Al incrementar la dosificación de
bentonita se registra la reactivación de algunos stickies pasivados (proceso reversible en función de carga aplicada). Ya que los stickies es un gran problema en el
reciclado de papel, el cual parece problema sin solución a corto plazo, no resta más
que conocerles, cuantificarles y buscar su pasivación.
8. Procesos de destintado
El desarrollo industrial, el incremento en el grado de alfabetización de la población y la creciente explosión demográfica en el mundo repercuten en un mayor
consumo de papel y en consecuencia una mayor demanda de material celulósico;
así por ejemplo, para el periodo 1997–1998 se registró un incremento en la producción mundial de papeles y cartones del 5.1% [13]. Opuesto a esta tendencia se pre-
Tecnología en la fabricación de papel
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senta en algunas regiones del mundo la escasez de recursos forestales como fuente
de fibra con fines industriales, fenómeno que se origina en algunos casos debido a
la escasa o nula política forestal de varios países. Este panorama aunado a las exigencias ecológicas y retos económicos del mundo actual ha obligado a la industria
papelera a incorporar el papel desperdicio como fuentes de fibras. Sin embargo, el
manejar fibras recicladas como materia prima exige enfrentar nuevos retos como:
tecnología cambiante de tintas / procesos de impresión, resinas presentes “stickies”,
alto contenido de cargas en el papel, papel estucado, envejecimiento normal de las
fibras “hornificacion”, etc. En términos generales debe enfrentarse al éxito del papel
en la generación anterior.
El único camino viable para enfrentar estos retos hasta ahora en el sector
de papeles blancos, es la tecnología del destintado, obligando ello a realizar más
investigación en este aspecto para hacer eficiente el proceso en cuanto blancura
y limpieza del producto final; de la misma manera, el proceso debe ser sensible a
las necesidades cambiantes de la industria del papel, sobre todo de los papeles con
mayor contenido de carga mineral y estucado.
Los efectos de muchos parámetros importantes sobre el proceso de destintado
por flotación de las tintas y distribución de los productos químicos de flotación
sobre las fibras y la espuma fueron investigados a partir de los 80`s. Sin embargo,
aunque las partículas de cargas y pigmentos del estucado representan una fracción
significativa del material coloidal en el papel desperdicio, las investigaciones en
cuanto al rol de estos materiales en el proceso de destintado por flotación fueron y
son aun relativamente limitadas, aunque se reconoce beneficio durante el destintado de papel desperdicio conteniendo estos elementos. Las cargas se definen como
aquellos minerales no metálicos usados como relleno en la estructura del papel
durante su fabricación, mientras que los minerales que se emplean en el recubrimiento o estucado del papel se conocen como pigmentos del estucado.
MATERIAS PRIMAS
En todo proceso de destintado de papel desperdicio se combinan procesos
físicos y químicos, con el objetivo de obtener fibra conteniendo un mínimo de impurezas, teniendo como materia prima una mezcla heterogénea de papel impreso
(revistas, libros, periódicos, etc.). Sin embargo, en este papel desperdicio se encuentran un gran número de materiales no celulósicos, considerándose a la tinta como
el principal contaminante. Entre los contaminantes más comunes tenemos [14]:
• Resinas naturales y sintéticas, ceras.
• Alúmina.
• Almidones y gomas.
• Materiales recubrientes: rellenos, almidón, caseína, látex, estearatos.
• Arcilla, dióxido de titanio, carbonatos y demás rellenos.
• Tintas, los cuales están compuestos de vehículos, pigmentos secadores, resinas
y otros.
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
• Cubrientes plásticos, acetato de polivinilo, cloruro de polivinilo, nitrocelulosa,
poliestireno, etc.
Es esta complejidad la que ha impedido hasta el momento una generalización
de métodos y prácticas aplicables a todos los grados de papel desperdicio.
El proceso de destintado permite primeramente la separación de los componentes de la tinta – la fibra y/o estructura del papel, lo cual se logra por medios
mecánicos, químicos y corrientes hidráulicas. Posteriormente se deben separar los
pigmentos o corpúsculos causantes del color de la suspensión fibrosa, operación
que puede realizarse ya sea por lavado o flotación.
El presente trabajo pretende coadyuvar en el proceso de comprender el impacto de estas cargas y pigmentos del estucado sobre el proceso de destintado por flotación, para ello se utiliza una combinación de diferentes tipos de papel desperdicio,
los cuales a su vez son fuente de cargas y pigmentos del estucado.
Los materiales utilizados como relleno en la fabricación de papel y los pigmentos utilizados en el estucado, poseen propiedades tales como forma, tamaño, carga
eléctrica en función de los átomos componentes de su estructura (Al, Si, etc.). Estas
propiedades tienen un comportamiento diferente de acuerdo a la concentración
iónica del medio acuoso.
La incorporación de nuevas y complejas técnicas de impresión y revolucionarias formulaciones de tintas en uso son hoy en día un reto, ya que si bien es cierto
se obtienen papeles o revistas con excelente impresión, estos mismos, después de
cumplir su función son reciclados y es allí, en el proceso de destintado, donde se
presenta inconvenientes para obtener una fibra limpia
En esta última etapa “se modifica la actividad superficial y el comportamiento
hidrofílico/hidrofóbico de las partículas a eliminar, así mismo se generan burbujas
de aire/espuma, los cuales arrastran la tinta a la superficie de la suspensión” [15].
Es importante tomar en cuenta la estabilidad de la dispersión, donde un fenómeno
característico de los surfactantes es la autoasociación que se manifiesta como la tendencia a formar micelas o asociaciones espontáneamente por encima de determinada concentración (concentración micelar crítica). Esto se debe a que las moléculas
requieren satisfacer su doble afinidad [16, 17, 18].
Mediante un control de respuesta basado en la medición de la distribución del
tamaño de partículas de tinta que permanecen en la hoja, elaborada con material
fibroso destintado, se evalúa la eficiencia del proceso de destintado por flotación,
esperándose registrar algún impacto en el proceso, de la forma, naturaleza, superficie específica y carga superficial de las cargas minerales y pigmentos utilizados en
el recubrimiento del papel (estucado), los cuales serán analizados en la ceniza del
rechazo del proceso. Se mantienen constantes los demás parámetros del proceso
como son: consistencia, temperatura, tiempo de flotación, pH, flujo de aire, aplicación de reactivos químicos, etc.
Tecnología en la fabricación de papel
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Diversos parámetros pueden influir en la separación de la tinta, así tenemos
la relación de tamaño burbuja–tinta, ya que si las partículas son muy grandes con
relación a la burbuja la unión se romperá por efecto de la turbulencia, mientras que
partículas pequeñas son dominadas por el movimiento browniano y efectos coloidales [19], que tienen una influencia importante en el proceso químico coloidal de
flotación, se considera necesario su estudio.
Agentes químicos
El proceso de destintado es un proceso químico–mecánico para separar los
componentes de la tinta y eliminar los pigmentos de tinta de la suspensión fibrosa.
La sosa, el silicato y los surfactantes actúan permitiendo la humectación o mojado
de las partículas de tinta impartiéndoles cierta hidrofilicidad, evitando así la sedimentación o la redeposición sobre las fibras. Una vez que las partículas de tinta adquieren una cubierta hidrofílica, por la adsorción de una capa mono–molecular de
surfactante y formen una suspensión estable, es necesaria su separación de la suspensión fibrosa, con la mínima pérdida de material fibroso. Para lograr esto se debe
revertir la humectación de las partículas permitiendo que adquieran nuevamente
naturaleza hidrófoba, para forzar de esta manera la unión entre tinta y burbuja de
aire. Si el surfactante es un ácido graso, basta con la adición de iones de calcio, con
lo que se forma un puente entre los radicales aniónicos de la burbuja y la partícula
de tinta, mientras que si se usa tensoactivo no iónico, estos son independientes de
la naturaleza iónica de la suspensión, [15].
Existen muchas teorías que tratan de explicar la manera de actuar de los surfactantes en el proceso de flotación, en algunos de ellos se considera que debido a
la alcalinidad existente en la celda de flotación, las partículas de tinta son cargadas
negativamente debido a la ionización de los ácidos orgánicos sobre sus capas superficiales.
Los iones Ca++ pueden interactuar con las partículas cargadas negativamente
a través de mecanismos de enlaces carboxílicos y reducen la carga superficial permitiendo un enlace entre los iones Ca++ y los ácidos grasos aniónicos. Otra posibilidad (b) es la precipitación voluminosa de jabón de calcio que puede causar una
heterocoagulación de las partículas de tinta y jabón de calcio y resulta por lo tanto
en la acumulación del jabón de calcio sobre las partículas de tinta mediante un mecanismo de micro encapsulamiento. Las partículas de tinta vienen a ser hidrofóbicas y así son fácilmente flotables. El tercer mecanismo (c) involucra la reducción de
la carga negativa de las partículas de tinta por el ión Ca++, resultando en menores
fuerzas repulsivas entre las partículas de tinta y una mayor facilidad de agregación.
Estos agregados adquieren propiedades hidrofóbicas bajo la adsorción de los ácidos
grasos y son mas fácilmente flotados a la superficie [20, 21]. Estos mecanismos
propuestos son esquematizados en la Figura 20 (a, b y c).
En resumen, de la información anterior se desprende que la participación de
las cargas minerales en el proceso de destintado depende de su fuente: material de
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
relleno en el papel o material de estucado del papel, lo cual pudiera estar afectado
por el tamaño de la partícula, ya que se supone que durante la formación de la hoja
de papel el material de relleno se retiene por filtración; en este fenómeno, el tamaño
de la partícula es determinante, mientras que en el estucado puede ser que el tamaño de la partícula sea menor.
Es toda esta teoría del Potencial Zeta y los fenómenos coloidales, la que autores como [22] han aplicado en el proceso de destintado de papeles impresos con
tintas convencionales (base aceite), tintas flexográficas y para la flotación de cargas
minerales. Estos ligantes de las tintas estabilizan no solo la tinta de impresión en
sí misma, sino también estabilizan la dispersión acuosa diluida resultado del proceso de destintado. Esto puede ser debido a una repulsión electrostérica, la cual
es bien conocido en polímeros que estabilizan coloides acuosos. El efecto estérico
está dado por la absorción de una capa superficial del ligante en la superficie de la
partícula, lo cual hace que se incremente la capa superficial resultando en fuerzas
FIGURA 20.
Representación
esquemática de los
mecanismos posibles
de la interacción entre
calcio y ácido graso
en el destintado por
flotación.
a, Arriba:
enlace directo Ca2+
b, Abajo izquierda:
precipitación de jabón
de calcio.
c, Abajo derecha:
mecanismos de
desestabilización del
ion Calcio.
Tecnología en la fabricación de papel
|
179
repulsivas (efecto estérico). Ya que estos ligantes son polielectrolitos aniónicos,
estos se encuentran cargados y por lo tanto aumentaran la carga negativa de la
superficie, incrementándose así el espesor de la doble capa eléctrica. Si esas dobles
capas se aproximan habrá una repulsión significativa (efecto electrostático). Una
combinación de estos dos efectos contrarresta a las fuerzas de atracción de Van der
Waals. Estas cargas superficiales y sus cambios pueden ser medidos por medio del
Potencial Zeta. Así, los autores observaron que el incremento del Potencial Zeta
negativo es debido a que el ligante absorbido contiene grupos carboxílicos. Esta
característica permitirá que se puedan usar polímeros catiónicos para poder aglomerar tintas base agua.
Los aspectos que se mencionan a continuación son los que se han tenido en la
realización del estudio, lo cual permitirá cumplir con las expectativas;
• Determinación de la materia prima.
• Diseño experimental.
• Experimentación.
• Análisis de los resultados.
En la Figura 21 se puede apreciar el procedimiento experimental seguido en el
desarrollo del presente trabajo.
Selección y homogenización de
Papel desperdicio Impreso
Caracterización
Toma de muestras,
12 g s.e
Reactivos Químicos
Desintegración I
5 min, 4.6 % C, 40
Tiempo de reacción
90 min, 3.5% C, 40°C
Acidificación
Desintegración II
5 min, 3.5% C, 40°
Formación de Hojas
Flotación
10 min, 0.8 % C, 40°C
Evaluación de:
Puntos residuales, L*,a*,b*.
FIGURA 21.
Procedimiento
Experimental del
proceso de Flotación
de acuerdo a PTS-RH
010/80.
180
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
MATERIA PRIMA
Para este caso se ha escogido cuatro tipos diferentes de materias primas (Figura
22), las cuales son utilizadas frecuentemente en los procesos industriales.
• Papel periódico: usualmente impresos en flexografía, offsett o tipografía. Las
tintas flexográficas tienen al agua como vehículo de la tinta, lo cual las hace
favorables al medio ambiente. Normalmente estos papeles pueden contener
hasta un 9% de cargas. En este caso se usó periódico.
• Revistas: a menudo son impresos usando el proceso de gravado, donde la tinta
se compone de: pigmento (27%), solvente de tolueno (51%), resinato de Zinc
(22%). En algunos casos se usan impresión flexográfica y tintas que se secan
por oxidación. Estos papeles pueden estar cargados y estucados hasta un 30%
aproximadamente. En este caso se utilizó revista comercial.
• Papel de oficina: aquí ubicamos a los papeles impresos con tintas láser y fotocopia, las cuales son llamadas tintas electrostáticas, el alto entrecruzamiento de
las tintas las hace realmente difíciles para destintar. Estos papeles normalmente
contienen cargas hasta en un 30%. Se usaron papeles impresos con tintas láser
y fotocopia en una proporción de 50/50.
• LWC, (Light Weight Coated), este tipo de papel contiene un alto porcentaje
de pulpa mecánica y normalmente se encuentran estucados con caolín delaminado debido a su característica de formar capas de estucado muy delgadas. Se
usaron “volantes” de ofertas de un supermercado de la ciudad.
FIGURA 22.
Materias primas
usadas:
1) Revista,
2) LWC,
3) Periódico,
4) Bond.
Tecnología en la fabricación de papel
|
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA
Para lo cual se hicieron las siguientes evaluaciones:
• Contenido de humedad (TAPPI T412 om – 98)
• Contenido de cenizas (TAPPI T211 om – 93 y T413 om – 93)
• Clasificación de fibras (TAPPI T233 cm – 95)
• Caracterización de las cargas y pigmentos con el Microscopio Electrónico de
barrido (microdispersión de Rayos – X ).
Los reactivos químicos que se emplean en el proceso de destintado se mencionan a continuación, además de sus respectivas proporciones. Cabe mencionar que
estos reactivos se mantendrán constantes durante los experimentos. Están expresadas en% del peso seco del papel:
•
•
•
•
•
NaOH:....................................... 1.0%
Si2NaO3:..................................... 1.5%
Tensoactivo DI 600: ................. 0.5%
H2O2: ......................................... 1.0%
DTPA: ....................................... 0.3%
El diseño seleccionado para la experimentación es el Diseño Rotacional Compuesto con repetición, con cuatro variables y cinco niveles para cada variable. Obteniéndose un total de 31 experimentos (un solo bloque) [23]. Las cuatro variables
independientes son las diferentes materias primas a utilizar y se tiene una variable
dependiente que es la limpieza de la pulpa destintada, evaluada mediante el conteo
de puntos negros que permanecen en dicha pulpa y del área que ocupan dichos
puntos. Tabla 3.
PROCESO DE DESTINTADO
MÉTODO PTS–RH 010/87. DESTINTADO POR FLOTACIÓN
El procedimiento de destintado por flotación ha utilizar corresponde a la técnica PTS 010/87 desarrollado por el Papiertechnische Stiftung (Asociación Técnica
de Papel, Alemania Federal).
El parámetro de respuesta que se utilizará en este experimento será la determinación del área sucia residual y la distribución del tamaño de estas partículas
mediante la utilización del DOT–Counter COCAP 2.0, esto en cuanto al análisis
del mismo proceso de flotación, Además, se analizaran las cenizas del rechazo de
la flotación mediante la observación en el microscopio electrónico de barrido y su
identificación con un análisis dispersivo de Rayos X. De la misma manera se obtendrán las cenizas de la hoja destintada para su evaluación. La medición de la carga
eléctrica se realizó en el MUTEK–PCD 03, [24,25] se tomó una muestra de 100 ml
de la suspensión antes del proceso de flotación.
181
182
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
TABLA 3. Valores codificados y reales de las corridas a realizar
Corrida N°
Valores Codificados
Valores Reales (g.b.s.)
Revista
Periódico
Bond
LWC
Revista
Periódico
Bond
1
-1
1
-1
-1
2
6
2
LWC
2
2
1
1
-1
1
3.6
3.6
1.2
3.6
3
0
2
0
0
2.4
4.8
2.4
2.4
4
0
0
-2
0
4
4
0
4
5
0
0
2
0
2.4
2.4
4.8
2.4
6
0
-2
0
0
4
0
4
4
7
-1
1
-1
1
1.5
4.5
1.5
4.5
8
-1
-1
1
-1
2
2
6
2
9
0
0
0
-2
4
4
4
0
10
1
-1
1
-1
4.5
1.5
4.5
1.5
11
1
-1
-1
1
4.5
1.5
1.5
4.5
12
0
0
0
2
2.4
2.4
2.4
4.8
13
1
1
-1
-1
4.5
4.5
1.5
1.5
14
-1
1
1
1
1.2
3.6
3.6
3.6
15
1
-1
-1
-1
6
2
2
2
16
1
-1
1
1
3.6
1.2
3.6
3.6
1.2
17
1
1
1
-1
3.6
3.6
3.6
18
-1
-1
-1
1
2
2
2
6
19
1
1
1
1
3
3
3
3
20
2
0
0
0
4.8
2.4
2.4
2.4
21
-1
-1
1
1
1.5
1.5
4.5
4.5
4
22
-2
0
0
0
0
4
4
23
-1
-1
-1
-1
3
3
3
3
24
-1
1
1
-1
1.5
4.5
4.5
1.5
25
0
0
0
0
3
3
3
3
26
0
0
0
0
3
3
3
3
27
0
0
0
0
3
3
3
3
28
0
0
0
0
3
3
3
3
29
0
0
0
0
3
3
3
3
30
0
0
0
0
3
3
3
3
31
0
0
0
0
3
3
3
3
CARACTERIZACIÓN DE LA MATERIA PRIMA
Toda materia prima debe ser caracterizada para la identificación de la calidad
y propiedades del material previamente a su preparación.
TABLA 4. Análisis de materias primas
Material
Humedad
Cenizas
Revista
2.78
29.79
Bond
2.22
24.66
LWC
3.55
14.27
Periódico
5.04
8.82
Tecnología en la fabricación de papel
|
183
FIGURA 23.
Celda de Flotación.
TABLA 5. Clasificación de fibras.
Clasificación de Fibras (%)
Materia Prima
Revista
Malla 30
Malla 50
Malla 100
Malla 200
Finos
16.62
11.40
15.63
6.28
50.07
Bond
20.92
14.08
16.87
7.87
40.26
LWC
32.61
7.96
11.32
8.41
39.70
Periódico
7.82
23.45
22.50
9.88
36.35
Contendido de cargas o pigmentos en las cenizas presentes en cada una de las
materias primas (Dispersión por rayos X).
TABLA 6. Dispersión por rayos X, correspondientes a las cenizas de las materias primas
Materia Prima
Carga o pigmento (%)
CaCO3
Caolín
Talco
TiO2
Revista
46.28
38.57
7.24
7.91
Periódico
21.69
59.54
14.04
4.72
Bond
54.12
39.68
4.44
1.76
LWC
2.84
93.94
–
3.68
El mismo proceso de flotación se sometieron a un análisis con el programa
estadístico “Stat Graphics” con el fin de rescatar la información que permite detectar la tendencia que muestran los parámetros o variables independientes sobre las
dos principales respuestas obtenidas del proceso de flotación (área de partícula y
cantidad de partículas negras que están presentes en la hoja de pulpa destintada); se
obtuvieron R–cuadrados de 88.8468% y 92.4841% respectivamente, dichos valores
son aceptables para realizar un análisis estadístico.
184
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
En la Figura 24 se puede observar los diagramas de Pareto, en ellas se nota la
influencia de la cantidad y tipo de materia prima (revista, periódico, LWC, bond) y
sus interacciones en el experimento con respecto a los dos parámetros de respuestas
evaluados “puntos negros y área total ocupada por estos”.
En ambos caso se puede apreciar que la materia prima que más afecta sobre el
destintado es el LWC debido a que se registra un mayor número de puntos negros
residuales y una mayor área sucia ocasionada por estas partículas.
Estos papeles se encuentran completamente impresos en casi toda la superficie
de la hoja, son papeles usados mayormente para publicidad con una gran gama de
colores en su impresión. También se encuentran altamente estucados con caolín
delaminado, calcinado en su mayoría, lo cual proporciona un buen recubrimiento
de las fibras manteniendo un bajo peso base para el papel.
El periódico también afecta el proceso de manera considerable. El periódico
puede estar impreso con tinta base agua, por lo cual los pigmentos de la tinta se
dispersan en partículas muy pequeñas, dificultando su eliminación mediante el
proceso de flotación.
FIGURA 24.
Diagramas de Pareto
para el total del número
de puntos negros
(arriba) y el área total
ocupada por éstos
(abajo).
D: LWC
B: PERIOD
BD
A: REVISTA
AA
BB
AB
AD
CD
C: BOND
DD
CC
BC
AC
A
0
2
4
6
Efecto estandarizado
8
10
D: LWC
B: PERIOD
A: REVISTA
BD
AA
AB
C: BOND
AD
BB
B
DD
CD
CC
BC
AC
0
2
4
6
8
Efecto estandarizado
10
12
Tecnología en la fabricación de papel
|
185
La revista tiene también cierto efecto sobre los resultados evaluados, su presencia también significa un incremento en el número de puntos negros residuales en la
hoja de pulpa destintada, pero en menor grado que el LWC.
El papel bond no tiene un efecto marcado en este caso, este papel tiene un menor contenido de tinta en su superficie que los demás papeles, así que no se registró
gran cantidad de puntos negros residuales, además son fácilmente desintegrables
en el proceso de pulpeo.
En las Figura 25 se puede apreciar el efecto negativo del contenido de LWC en
la mezcla. Se puede señalar que éste es el principal contaminante de todas las cuatro
materias primas empleadas. Existen también diferencias del impacto en el proceso
de las otras tres materias primas, lo cual se puede apreciar en la pendiente de las
curvas respectivas.
En el proceso de flotación se eliminan contaminantes especialmente los pigmentos componentes de las tintas, La cantidad de pigmentos no eliminados se evalúa registrando su presencia en el material obtenido como aceptado del proceso de destintado. El grado de eliminación de estos contaminantes se puede observar en las Figuras
26 y 27. Aquí se pueden comparar los distintos niveles de eficiencia con respecto
a cada materia prima. Al aumentar el contenido de Revista por ejemplo, se logran
mejores niveles de eliminación de las tintas; se alcanza casi un 98% de eliminación
de tintas usando 100% revista. Usando 100% de periódico la eliminación de tintas
alcanza un 95%, 100% de papel bond un 90% y un 88.98% con 100% de LWC.
Las mayores ganancias en la eficiencia del destintado se lograron con mayores
contenidos de revista. El papel LWC no favorece en la eliminación de las partículas
Puntos negros (N°)
(X 10000)
34
FIGURA 25.
Principales efectos de
ploteo para el total
del número de puntos
(izquierda) y el área que
ocupan las partículas
(derecha).
30
26
22
18
12
Revista
Period
Bond
LWC
Revista
Period
Bond
LWC
Área (mm2/m2)
3000
2700
2400
2100
1800
1500
1200
186
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
(X 10000)
Puntos negros (N°)
44
39
34
29
24
19
14
-1
-0.6
-0.2
0.2
Revista
0.6
-1
1
-0.6
0.2
-0.2
0.6
1
LWC
(X 100000)
Puntos negros (N°)
4
FIGURA 26
Superficie de respuesta
estimada para el total
del número de puntos
residuales.
3.2
2.8
2.4
2
-1
-0.6
-0.2
0.2
Revista
0.6
1
-1 -0.6
-0.2
1
0.6
0.2
Periódico
3600
Área (mm2/m2)
3200
2800
2400
2000
1600
1200
-1
-0.6
-0.2
0.2
Revista
0.6
1
-1
-0.6
-0.2
0.2
0.6
1
LWC
3400
3100
Área (mm2/m2)
FIGURA 27.
Superficie de respuesta
estimada para el área
ocupada por el total de
puntos.
3.6
2800
2500
2200
1
0.6
0.2
-0.2 Periódico
-0.6
1900
1600
-1
-0.6
-0.2
Revista
0.2
0.6
1
-1
Tecnología en la fabricación de papel
|
187
negras, esto se puede ver por el alto porcentaje de eliminación de tintas cuando este
tipo de papel no es usado, además no se logran los mismos niveles de eliminación
que con las otras tres materias primas al usar solamente una de ellas.
El papel bond y el LWC disminuyen la eficiencia en la eliminación de tintas al
usarse en combinación con las demás materias primas, mientras que con el periódico y la revista ocurre lo contrario.
De las Figuras 7 y 8 se rescata el efecto de las materias primas sobre el contenido de partículas negras en la hoja destintada. Estos gráficos muestran distintas
superficies estimadas tanto para el número de partículas como para el área de las
mismas.
Después del proceso de flotación, la hoja destintada resultante mostró puntos oscuros sobre su superficie, las cuales fueron contabilizadas mediante el Dot
Counter. Todas las muestras mostraron una distribución de tamaño de partículas
muy semejantes, independientemente de la combinación de materias primas.
Las partículas que más abundan en el papel luego del destintado son aquellas
menores a 50 μm, las cuales representan casi el 53% de las partículas totales. Este
rango de tamaño es el que tiene menos probabilidades para ser eliminado por
un proceso de flotación. El segundo rango más abundante es el de 50 a 100 μm,
representando casi el 32%. Las partículas mayores a 100 μm están por debajo del
10% (Figura 28).
En el área ocupada por las partículas residuales se encuentran partículas en el
rango de 50 a 100 μm, estas ocupan casi el 27% de toda el área manchada de la hoja
destintada, las cuales sumadas a las partículas menores a 50 μm llegan a abarcar
casi la mitad de toda el área sucia. Las partículas grandes (>200μm), como era de
esperarse, representa un alto porcentaje (24%) de área sucia a pesar de estar en una
cantidad reducida (Figura 29). Esta área sucia afecta directamente a la blancura,
sobre todo aquellas de menor tamaño que proporcionan una mayor área superficial
y por lo tanto absorben mayor cantidad de luz.
Proporción del total de
puntos residuales (%)
60
FIGURA 28.
Proporción (%) que
representa el número
de partículas de cada
uno de los rangos de
tamaños.
50
40
30
20
10
0
<50
50-100
100-150
150-200
Rango de tamaño (micras)
>200
188
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
Proporción del total de
puntos residuales (%)
30
FIGURA 29.
Proporción (%) que
representan las áreas
(mm2/m2) de las
partículas de cada
uno de los rangos de
tamaño.
25
20
15
10
5
0
<50
50-100
100-150
150-200
>200
Rango de tamaño (micras)
CALIDAD DE LA FIBRA
La calidad de la fibra obtenida en el reciclado de papel se muestra en la Tabla
6 en donde se analiza la presencia de finos y la longitud promedio en las fracciones
correspondientes de acuerdo a Clasificador de fibras Bauer McNett o FQA.
TABLA 6. Datos comparativos entre diferentes tipos de fibras existentes en el mercado
Malla
Fibra virgen
Bagazo, Mex. Arg.
Fibra reciclada (OCC)
E. Globullus
Pino
Americano
Nacional
Asiático
30
0.5
13,7
12.93
78.3
59.91
40.21
28.99
50
26.9
27.6
12.29
5.1
4.30
4.26
11.16
100
30.6
31.4
47.83
5.3
10.74
8.72
14.77
200
19.7
17.3
19.15
6.1
6.29
13.72
13.89
Finos
22.4
10.0
7.79
5.2
18.76
35.09
31.19
Para fibra obtenida a partir del proceso de destintado de papel recuperado se
emplean determinaciones de largo de fibra, histograma de la población de fibra
obtenida, FR a 457 nm, “blancura”, componentes cromáticas L*,a*, b*, limpieza de
la fibra o presencia de residuos de componentes de la tinta en la fibra.
AUXILIARES PARA LA INDUSTRIA
La Empresa finlandesa POM Technology Oy ha desarrollado una bomba
(bomba y centrífuga) que permite eliminar el aire del sistema de pasta.
TECNOLOGÍA DE PREPARACIÓN DE PASTAS
Fabricantes, Voith, Metso y POM.
FABRICACIÓN DE PAPEL
Operaciones básicas:
El diseño y estructuración de una hoja de papel requiere de etapas muy específicas para lograr los objetivos de fabricar una hoja de papel a partir de una
suspensión fibrosa. En donde el concepto de formación integra orientación de
Tecnología en la fabricación de papel
|
189
fibras, distribución uniforme de fibras a lo ancho de la máquina, perfil de espesor y
humedad, la doble cara del papel, diferencia que pretende eliminarse. La Figura 30
no es el mejor modelo de formación, sin embargo esta imagen permite detectar lo
que no se persigue como meta.
Entre las etapas del proceso de fabricación más impactantes se pueden mencionar las etapas de:
• Formación de la hoja (eliminación de agua por drenado y vacío),
• Eliminación de agua por presión y
• Eliminación de agua por evaporación.
En donde cada una de las etapas antes mencionadas se pueden desglosar en
operaciones internas.
Especialmente lo que se persigue en la etapa de formación es mantener las
fibras en suspensión acuosa el mayor tiempo posible sin disminuir o inclusive incrementar la velocidad de la máquina.
El proceso de consolidación de la hoja de papel es principalmente por filtración
mecánica “fibras y cargas minerales” en el rango de 1500 a 3500 micras, en segundo
lugar la retención de finos orgánicos y pigmentos de 1 a 200 micras se genera por
efectos “químicos y mecánicos” mientras, que partículas menores de una micra se
retienen por efectos de “química coloidal”.
Para uso del papel en impresión se requiere que este satisfaga determinadas
propiedades estructurales como: composición fibrosa, lisura, solidez superficial,
porosidad, etc., propiedades químicas como: pH, absorción de agua y propiedades
físicas como resistencias mecánicas, y propiedades ópticas como: color, opacidad,
FR 457 nm.
La mesa plana se emplea principalmente en la fabricación de papel de escritura
e impresión, papel para sacos de productos industriales, papeles componentes del
cartón corrugado, papel seguridad, etc. Papeles de envoltura especial, papel moneda, etc.
FIGURA 30.
Distribución no
uniforme de fibras.
190
|
Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
Así en la tradicional mesa plana se han incorporado diferentes implementos
auxiliares como: “forming table”, los foils de bajo vacío y extendido etc. En la Figura 31 se muestran algunos de los implementos de una mesa plana y su impacto
sobre el volumen de agua eliminada, así como su impacto sobre la consistencia del
material sobre la tela de formación.
Ángulo de contacto del chorro de suspensión con la tela de formación
Forming table.
• Drenado por carga hidráulica.
• Vacío.
• Foils.
• Cajas de vacío
• Rodillo de succión (Couch).
Como es de suponerse al drenar el agua por un solo lado de la hoja de papel,
esta presenta DOS caras, una en la cual predominan las fibras largas con menor
cantidad de finos orgánicos e inorgánicos y otra en la cual predominan las fibras
cortas y finos orgánicos e inorgánicos y con ello la presencia de productos químicos
presentan una distribución de similar a la de los finos. Esta característica de la doble cara es deseable para algunos tipos de papel pero para otros es no deseable. En
términos generales los papeles comodity escritura e impresión prefieren los papeles
con menor diferencia en cada una de las caras para lograr una mejor calidad en la
impresión.
Así para estos tipos de papel se desarrolló el nuevo concepto para fabricación
de papel en las máquinas de doble tela (Figura 32), en esta temática al igual que en
la tecnología anterior se desarrollaron diferentes modelos por los fabricantes de
equipos y hay una gran variedad de equipos para fabricar papel en doble tela, todos
tiene alguna ventaja, pero en términos generales lo que se persigue es la estructuraGráfica de consistencia vs. drenado
Zona de eliminación de agua por vacio
Zona de carga hidráulica
1500
1000
500
n
su
cc
Va
de
il B
Ca
ja
Fo
ve
ra
il g
Fo
ió
ci
o
d
da
d
il g
Fo
in
g
ra
ve
bo
ar
da
d
0
Elementos
Consistencia (%)
2000
rm
Drenado GPM
Drenado, GPM.
Consistencia, %.
2500
Fo
FIGURA 31.
Elementos de la mesa
plana (Fourdrinier).
Tecnología en la fabricación de papel
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191
Hoja de papel
Fieltro
FIGURA 32.
Maquina doble tela.
ción de la hoja de papel “formación” disminuyendo las desventajas de la tecnología
anterior.
FORMADORES
Esta tecnología para fabricación de papel, especifica esta diseñada para producir cartulinas, esta tecnología permite formar una hoja de papel y en estado húmedo
unirla a una nueva hoja en forma continua, de tal forma que se pueda forma un una
lamina de papel con varias hojas de menor gramaje del mismo papel, lo que permite
formar cartulinas con doble cara y pressboard.
La unidad fundamental de esta tecnología es un formador tal como se describe
en la Figura 33, en donde el diámetro y velocidad de la máquina tienen una gran
influencia sobre la productividad del mismo, así como su límite de operación, ya
que la fuerza centrífuga obliga a la suspensión fibrosa a desprenderse del rodillo de
F=
A=
81
84
Alimentación
F=
A=
h
Agua de
regadera
Derrame
Recirculación
F=
A=
F=
A=
Recorte
F=
A=
FIGURA 33.
Diagrama esquemático
de un formador de tina.
192
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
formación. Para vencer este límite se desarrollaron los sistemas de alimentación
al rodillo formador por una caja de alimentación (Figura 34) y se incrementar la
velocidad de las máquinas.
TELAS DE FORMACIÓN
Hasta ahora todos los procesos de fabricación de papel utilizan como soporte
fundamental para la filtración de la suspensión fibrosa y formación de la hoja de
papel una malla. Este implemento en el proceso de desarrollo de la tecnología de
fabricación de papel también se ha modificado considerablemente, de tal forma que
al inicio fueron muy útiles las telas metálicas y en los 70’s aparecen las telas sintéticas, este nuevo material sintético incorporado como auxiliar en la fabricación de
papel ha permitido desarrollos importantes especialmente tendientes a disminuir
el marcado del proceso de filtración y con ello incrementado la lisura del papel por
ambos lados del mismo (Figura 35).
FIGURA 34.
Batería de formadores
con caja de
alimentación.
FORMADORES
Fieltro
Reverso
Relleno
Papel
Cara
Fieltro
h
FIGURA 35.
Desarrollo del mercado
de telas de formación.
Wangner, wfp, 129.
Cantidad
Telas metálicas
Monoply
Duoply
Trioply +
Megaply +
Optiply +
Speedmaster
Inicio del empleo de
telas sintéticas
1850
1970
2000
Tecnología en la fabricación de papel
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193
La consistencia de la hoja de papel al finalizar la zona de formación es del orden
de 20–22.
PRENSAS
Eliminación de agua por efectos de presión (Prensas). Una fracción del agua
residual después de que la hoja de papel húmeda abandona la etapa de formación
y consolidación de la hoja de papel, se elimina aplicando presión en forma gradual
y protegiendo la hoja de papel con un fieltro “zona de presión”. Esta también es
una zona fundamental en el proceso de eliminación de agua protegiendo la hoja de
papel, esta etapa permite eliminar en forma uniforme el agua a lo ancho de la hoja
de papel.
Este proceso es un reto importante no solo por la aplicación de presión, sino
por el comportamiento de los material constitutivos de las prensas, ya que los rodillos componentes de las prensas para máquinas de baja velocidad son cuerpos
pesados y la deformación es un parámetro importante que debe ser considerado y
estudiado por ello el coronamiento de rodillos es importante, Figura 36.
Así mismo la aplicación de presión en prensas es un reto importante, tanto por
los cuerpos como por el buen estado de los manómetros que indican su presión de
operación.
La tecnología de prensas actual ha permitido dominar el proceso de eliminación de agua en máquinas lentas y con nuevos desarrollos han dominado el proceso de eliminación de agua en máquinas de alta velocidad extendiendo la zona de
presión (shoe press) entre ambos rodillos e integrando pistones en el interior de los
rodillos para evitar la deformación de los rodillos por su peso (Prensa con coronamiento distribuido). Figuras 37 y 38.
El desarrollo y empleo de las prensas shoe–pres se ha extendido en el mundo,
así solo Voth–Sulzer desde 1984 a 1999 ha instalado del orden de 100 unidades en
diferentes partes del mundo, Sur América (1), USA (22), Europa Occidental (46)
África del Sur (1) Japón y China (22) y Australia (6) [2].
Carga de trabajo
Kg/cm2
Carga de trabajo
Kg/cm2
FIGURA 36.
Sistema de Prensas.
Peso del rodillo, Kg
Ancho del
papel
Papel
Fieltro
Peso del rodillo, Kg
Presión en el NIP
Kg/cm2
Función del sistema:
a- eliminación uniforme
del agua en el papel sin
destruir la formación.
b- incrementar la
densidad de la hoja.
c- de existir más de una
prensa, la presión en
1<2<3, etc.
194
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
y
P
x
x
FIGURA 37.
Deformación de
un rodillo prensa
soportado en los
extremos.
L/2
L/2
p/2
p/2
Toda posición retrazada ind el
efecto de mayor presión
Posición correcta
FIGURA 38.
Desplazamiento del
fieltro en función de la
presión en el NIP de la
Prensa.
Toda posición adelantada ind
el efecto de menor presión
1. Aplicación no uniforme de presión.
2. Coronamiento incorrecto de los rodillos.
FIELTRO
El diseño y fabricación de fieltros es todo un proceso de ingeniería, ya que los
fieltros deben proteger al papel en la zona de presión (Figura 39), absorber parcialmente el agua que se libera por presión de la estructura del papel.
Al final de la zona de presión la Humedad en el papel del orden del 56% y 44%
de sólidos, para disminuir el contenido de humedad del 56% al 7–8% se requiere de
la aplicación de energía térmica “secado”.
PAPEL TISSUE
Papel Tissue es un tejido de fibras “papel” crepado, el crepado le confiere a la
red fibrosa: suavidad, elasticidad y capacidad para absorber agua, este papel tiene
alta capacidad de absorción de líquidos y es de bajo peso por metro cuadrado y
cuyo uso es especialmente domestico y sanitario, Figura 40.
Este papel se desarrolla en 1857 en USA “Papel medicado Gallety” y en Inglaterra por Walter Alcock sin éxito en ambos casos, posteriormente los hermanos
Edward y Clarence Scott desarrollaron un producto cuya marca aun se vende exitosamente [26].
Tecnología en la fabricación de papel
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195
FIGURA 39. (Izq.).
Estructuración de un
fieltro.
FIGURA 40. (Der.).
Formación de papel
Tissue.
El consumo per cápita mundial de Papel Tissue en promedio es de 3.4. kg/
persona/año, con un crecimiento anual del orden de 3.2.%.
Este tipo de papel se manifiesta en dos sectores:
1. Productos al consumidor (AH–At Home).
2. Productos comerciales (AFH Fuera de casa).
•
•
•
•
•
Los principales fabricantes a nivel mundial son:
Procter & Gamble.
Kimberly–Clark.
Georgia–Pacific.
Svenska Cellulosa Aktiebolaget, SCA.
Otros fabricantes no pequeños.
Los usuarios demandan papel Tissue y toalla con absorción superior, volumen
específico mayor y mayores resistencias.
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE PAPEL TISSUE
La fabricación de papel tissue se derivó de la fabricación de papel normal, lo
que implica mesa plana, prensa y secador “Yankee”, Figura 41, actualmente se encuentran en el mercado diferentes sistemas que permiten alcanzar mayor velocidad
y características diferentes en la consolidación la estructura del papel como la tecnología Cressent former. Figura 42.
La amplitud de la forma del crepado es determinante para el desempeño de
este tipo de papel.
Periformer Crescent: es el concepto más común para la producción de papel
tissue crepado en seco.
La hoja se forma entre una tela de formación y un fieltro que envuelve a un
rodillo formador sólido. Cuando concluye el drenado la hoja está sobre el fieltro. El
fieltro transporta la hoja directamente a la zona de presión contra el Yankee. De esta
forma se evita a la prensa pick up tan necesaria en los sistemas convencionales.
En este sistema el chorro de pasta de la caja de alimentación pasa directamente
a la doble tela. Las telas son de Polytetrafluoruro de etileno PTFE, diseñadas espe-
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
Crepado
Secador
Yankee
Calandra
Mesa
FIGURA 41.
Sistema clásico de
formación de papel
Tissue.
Prensas
Alimentación
Tela de
formación
Fieltro
FIGURA 42.
Tecnología Cressent
former para fabricación
de papel Tissue.
Papel
cialmente para facilitar la eliminación de agua por ambos lados. La velocidad de eliminación de agua se incrementa por la doble tela entre rodillos y por la aplicación
de aire caliente.
THROUGH AIR TECHNOLOGY
El método de secado por (TAD) desarrollado en 1970 en USA se acepta comúnmente como el método más efectivo para incrementar volumen específico y
suavidad en papel sanitario comercial. Este método elimina agua haciendo pasar
aire a alta temperatura por la hoja de papel. La compactación de la hoja se reduce
al evitar la presión en húmedo y esto incrementa el volumen específico de la hoja
en un 75% en corporación con papel fabricado convencionalmente y crepado posteriormente.
Through Air Technology (TAD) es de las últimas tecnologías desarrolladas en
los 70‘s. El producto tiende a ser más voluminoso mas absorbente y mas resistente
a la humedad, inicio su producción en USA y recientemente en Europa. Esta tecnología requiere máquinaria especial, los fabricantes son [27]:
Tecnología en la fabricación de papel
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Metso (Finlandia)
Tosechi, (Italia)
Voith/Andritz, (Alemania)
Voith/Andritz ha desarrollado la tecnología shoe press “TissueFlex” cuyo producto presenta características intermedias entre TAD y el proceso convencional.
Toscotec “Mecaniche Toschi of Lucca, Italy” especialmente para P&G.
Las ventajas:
Se incrementa la eficiencia en el uso de fibra.
Se incrementa la absorción con menor gramaje.
Se incrementa el volumen específico y la suavidad.
El papel convencional tissue puede retener 5 veces su peso en agua mientras
que un papel con tecnología TAD puede retener veces us peso
La combinación de tecnología especialmente lo desarrollado por PremiAir’s
“Yankee hood design” la cual genera una alta capacidad de secado sin precedente,
lo cual permite alcanzar prácticamente el intercambio teórico de calor y con ello
mayor producción.
SECADO DE PAPEL
La hoja de papel llega a la zona de secado con 50% de Humedad y debe reducirse la humedad en el secador hasta un valor <10%, los sistemas actuales de secado
incluyen:
• Secado convencional por rodillos secadores (Vapor), papel y liner–médium.
• Secado por aire sistema empleado para Papel Tissue y Pulpa,
• Secado por IR (usado especialmente en secado del estucado de papel) o secadores sin contacto (Figura 43).
En esta etapa del papel se retira aproximadamente 1.3 kg de agua por kg de
papel a producir, lo cual implica un alto consumo de energía para poder calentar
y evaporar el agua presente solo por contacto del papel con el secador o cuerpo
caliente. El sistema clásico implica el uso de secadores en gran numero para, desarrollar eficientemente las tres etapas.
El secado del papel normalmente se efectúa en tres etapas, Figura 44:
• Zona de calentamiento de 30°C – 90°C (normalmente los primeros 4–6 secadores).
• Zona de relación constante (Alimentación –vs– eliminación de vapor). La mayor cantidad de agua del papel se elimina en esta zona de secado.
• Zona de secado fino no sobre seca.
197
198
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
Tecnología de secado
60
50
40
30
20
10
FIGURA 43.
Velocidad de Secado.
0
1,6
Rodillos
Yankee
Gas IR conv
Gas IR presión
Precalentamiento
Lb agua / Lb fibra
1,4
FIGURA 44.
Zona de secado de una
sección de secado.
1,2
Secado
1
0,8
0,6
0,4
0,2
Enfriamiento
0
1
2
3
4
Zonas de secado
El secado de papel maneja mucho aire para poder retirar el agua que se ha
eliminado del papel justo en la interfase de vapor de agua, las condiciones atmosféricas del entorno inciden sobre las propiedades del aire como medio de transporte
de vapor de agua, es por ello que todo esfuerzo por optimizar el manejo de energía
empleada es bien aceptado, así, se han incorporado sistemas de IR (eléctrico y por
gas) con el fin de disminuir costos de operación del proceso.
El agua evaporada del papel en todos los casos se encuentra justo en la interfase
agua–vapor por ello es importante retirar el vapor del entorno, ya que cualquier
cambio de temperatura puede conducir a la condensación del agua y con ello formar gotas de agua que pudieran caer sobre el papel,
Tecnología en la fabricación de papel
|
199
1. El agua desprendida del papel en forma de vapor puede retirarse utilizando aire
caliente y seco como medio de transporte, para auxiliar esta etapa se pueden
emplear en la sección de secado Figura 45:
1.1. Campanas abiertas para utilizar el aire caliente de la sala, en la Figura 45 este
arreglo se muestra con flechas a la altura del piso mostrando el ingreso del aire
de la sala.
1.2. Campana cerrada para calentar aire a las condiciones necesarias y de esta forma
controlar la velocidad de transporte al exterior de la sala del vapor generado.
En la Figura 45 se muestra el ingreso de aire caliente por la parte inferior de la
campana.
2. El secado de papel puede auxiliares con tecnología IR (eléctrico o gas) para
incidir sobre el papel o precalentar aire del exterior, el aire caliente se somete
a una operación de secado, a fin de disponer de aire caliente y seco, bajo estas
condiciones el aire incrementa su capacidad de absorción de agua.
La operación de secado de papel se puede llevar a cabo:
1. Por contacto directo con cuerpos calientes.
2. Si es pulpa para salir al mercado el secado se realiza con aire caliente para evitar
al máximo la compactación del material fibroso, de la misma forma en el caso
de papel en donde se busca que el producto conserve su mayor volumen específico.
En la sección de secado se pueden realizar operaciones auxiliares como
–Aplicación de Size Press (para un tratamiento superficial del papel).
FIGURA 45.
Sistema de campana
cerrada y/o abierta.
Aire del exterior
Intercambio
de calor
Vapor
eliminado
Aire saturado
Vapor
Aire de
la sala
Rodillo secador
Rodillo secador
Aire del
exterior
Flujo de
aire seco
y caliente
Secador
de aire
200
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Panorama de la industria de celulosa y papel en Iberoamérica 2008
–Aplicación de unidad decretado (Para generar un microcrepado en el papel,
especialmente en papel para sacos a partir de fibra reciclada.
Mediante ambas operaciones se incrementan las propiedades deseadas en el
papel
CALANDREADO
Esta operación permite regular por presión el espesor del papel, sin embargo,
esta propiedad depende de la alimentación de la suspensión fibrosa de material
alimentado a la zona de formación.
CARACTERIZACIÓN DEL PAPEL
Las propiedades básicas de un papel que deben evaluarse especialmente a lo
ancho de la máquina de acuerdo a normas establecidas y aceptadas internacionalmente independientemente de su uso son:
• Gramaje, g/m2.
• Espesor, mm.
• Humedad, %.
• Cenizas, %.
En la Figura 46, se muestran los resultados obtenidos al evaluar la distribución
de material a lo ancho de la máquina y la humedad, la imagen no muestra un papel
perfecto, pero si un papel que muestra una realidad en el momento determinado de
operación de una máquina de papel
El papel en función de su uso debe cumplir con:
• Especificaciones estructurales.
FIGURA 46.
Comportamiento del
perfil de humedad y
distribución de masa.
70
65
Peso base g/m2
Humedad %
Peso base
Papel Acondicionado
Media= 59.5
S=1.1
±=5.5%
Humedad
Media= 7.1
S=0.65
±=27%
65
60
60
55
50
70
55
Peso base
Papel Seco
Media= 55.3
S=1.1
±=6%
Lado frente
Perfil de una maquina de papel
Lado posterior
50
Tecnología en la fabricación de papel
•
•
•
•
•
•
|
Propiedades de resistencia mecánica.
Propiedades químicas.
Propiedades de comportamiento frente a líquidos, grasa, etc.
Propiedades superficiales.
Propiedades ópticas.
Propiedades. Especiales en función de su uso (diámetro de poro, propiedades.
dieléctrica, etc.).
SUPERCALANDRADO
Si el papel se empleara como soporte de impresiones de alta calidad, el papel
debe ser tratado superficialmente (estucado), este papel se conoce como papel
couche, las propiedades fundamentales son su lisura superficial, brillo y microporosidad, características que después de seleccionar y aplicar el material para el recubrimiento se hace pasar el papel entre rodillos duros y blandos para generar brillo.
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