FABRICACIÓN DE PAPEL KRAFT LINER A PARTIR DE FIBRAS RECICLADAS SIN REFINO MECÁNICO A. R. Saucedo (1), J. Turrado(1), M. Alcalà(2), E. Franco-Marquès(3), I. González(3), M. A. Pèlach(3), F. Vilaseca(3) y P. Mutjé(3) (1) Departamento de Madera, Celulosa y Papel “Ing. Karl Augustin Grellmann”. Universidad de Guadalajara, 45020 Zapopan, Jalisco, México. (2) Design, Development and Product Innovation, Dept. of Organization, Business, Universitat de Girona, 17071, Spain (3) Grupo de investigación LEPAMAP. Departamento de ingeniería química, Universitat de Girona, c/ M.Aurèlia Capmany, 61, 17071 Girona-Spain Correo Electrónico (José Turrado): [email protected] RESUMEN Uno de los papeles que se utilizan para embalaje es el kraft liner, compuesto fundamentalmente de fibras recicladas. El refino que se aplica a estas fibras recicladas para mejorar sus propiedades las deteriora progresivamente, agravando el fenómeno de la hornificación. En este trabajo se plantean tres alternativas para evitar este fenómeno, el primero mediante un refinado suave en un molino PFI, el segundo con tratamiento enzimático y el tercero mediante la incorporación de nanofibras de celulosa. Los resultados demuestran que es posible mejorar sensiblemente las propiedades mecánicas del papel Kraft liner a través de métodos alternativos al refino. Palabras clave: papel reciclado, kraft liner, biorefino, celulosa nanofibrilada ABSTRACT One of the most popular papers used in packaging is kraft liner, composed mainly of recycled fibers. Refining applied to these recycled fibers to improve their properties progressively deteriorates them, exacerbating the phenomenon of hornification. In this paper we discuss three alternatives to avoid this phenomenon, the first by a mild refining in a PFI-mill, the second by enzymatic treatment, and the third one by incorporating cellulose nanofibers. The results demonstrate that it is possible to improve mechanical properties of Kraft liner papers through methods alternative to refining. Keywords: Recycled paper, kraft liner, biobeating, nanofibrilis of cellulose (NFC). 1. INTRODUCCIÓN Gran parte del papel que se fabrica en la actualidad se utiliza como embalaje o componente de embalaje [1]. Uno de los papeles más típicos en el mercado es el Kraft liner cuyo principal destino es la fabricación de cajas de cartón ondulado. Su composición fibrosa mayoritaria son las fibras recicladas con un pequeño porcentaje de fibra virgen, cuya finalidad es recomponer las propiedades originales, deterioradas como consecuencia de los sucesivos ciclos de reciclado. El refino mecánico que se aplica a las fibras recicladas intenta restablecer las propiedades de resistencia de estos papeles [2]. Sin embargo, la disminución de la calidad del papel recuperado, auspiciado por la increíble demanda de esta materia prima, conlleva una pérdida de rendimiento en términos de eliminación de impurezas y peor calidad de las fibras obtenidas. La aplicación de un refinado clásico a la suspensión, incrementa los problemas en el sentido de deteriorar la fibra, todo ello agravado por el fenómeno de la hornificación de éstas [3]. Otra forma de alcanzar las propiedades físico-mecánicas deseadas, aparte del refinado mecánico, es añadir almidón en masa, con escasa capacidad de retención y coste medio, pero con resultados muy ventajosos [4]. Para evitar los problemas de retención asociados y lograr un buen acabado superficial este almidón puede añadirse en superficie (size press) evitando problemas de retención y logrando incrementos en la longitud de rotura del 10 al 12 %. La situación ideal para el reciclado pasa por poder obtener las propiedades técnicamente necesarias sin el deterioro de las fibras, principalmente, disminución de su longitud, aumento de finos e hidratación de las mismas. En este trabajo se plantean tres alternativas de tratamiento para la pulpa Kraft liner que pueden hacer viable el supuesto anterior. En primer lugar, un refino moderado en un molino PFI, el cual representa uno de los métodos tradicionales de mejora de las propiedades mecánicas de cualquier fibra papelera; como segunda alternativa se realizó un tratamiento enzimático de las fibras mediante la acción de acción de celulasas, las cuales provocan, en las debidas condiciones de concentración, pH, temperatura y tiempo de actuación, microfibrilaciones en la superficie de las fibras que producen incrementos en la longitud de ruptura del papel muy significativos, recomponiendo las propiedades técnicas [5-7]. En tercer lugar, la incorporación de nanofibras de celulosa (NFC), están caracterizadas por su elevada superficie específica, que generan una gran capacidad de enlace vía puentes de hidrogeno y fuerzas de Van der Waals capaces de restituir también las propiedades necesarias. La aplicación de NFC a pulpas papeleras ya ha sido estudiada recientemente por otros autores [8-10]. Esta alternativa, que incrementa las dificultades de drenaje de la suspensión, tiene pendiente una solución físico-química sobre la retención y drenaje de la suspensión mediante agentes de retención y drenaje. Todas estas alternativas generan nuevos puentes de enlace sin hidratación ni fibrilación adicional de las fibras lo cual puede aliviar el fenómeno de la hornificación. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL / METODOLOGÍA 2.1 Materiales El material utilizado es papel liner kraft de 180 g/m 2 adquirido a la empresa SAICA. Este material fue pulpeado previamente a una consistencia del 10% en una solución al 1% de NaOH durante 10 minutos a 50ºC. La enzima aplicada es una endo-1,4-β-D-glucanasa, con una actividad de 84000 CMU/g sobre un substrato de CMC a pH 4.8. Para la fabricación de la NFC se utilizó pulpa de eucalipto blanqueada seca como materia prima, adquirida de La Montañesa (Grupo Torraspapel S.A., Zaragoza, España). Para el proceso de oxidación de la celulosa se utilizaron los reactivos 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxi-radical (TEMPO), solución de hipoclorito de sodio al 15% (NaClO) y bromuro de sodio (NaBr). Los reactivos fueron adquiridos de Sigma-Aldrich y se utilizaron tal como se recibieron. 2.2 Tratamiento enzimático En un experimento típico se dispersaron 75 gr de pulpa reciclada en 1500 mL de agua destilada (consistencia del 5%). La suspensión se agitó y calentó a 65ºC. Se realizaron experimentos para determinar el efecto del pH sobre las propiedades mecánicas de la pulpa. De este modo se prepararon suspensiones a pH 4.5, 4.8, 5.5, 6.5 y 7.5. El pH se ajustó mediante adición de una solución de HCl al 3%. En este punto se adicionó la enzima en una proporción de 0.3 gr por kg de pulpa seca, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. Toda la mezcla se mantuvo en agitación durante 30 minutos. La reacción se detuvo por adición de una solución de NaOH al 5% hasta obtener un pH de 11. La pulpa tratada de esta manera fue lavada a continuación para eliminar los restos de la enzima y almacenada a 4ºC para su uso posterior. 2.3 Preparación de NFC La pulpa de eucalipto fue primero desintegrada en agua y refinada a 4000 revoluciones en un molino PFI (NPFI 02 Metrotec S.A.); esto permite incrementar la superficie específica disponible para el tratamiento químico. A continuación la pulpa fue tratada mediante la oxidación controlada por TEMPO a pH 10 y temperatura ambiente, según una metodología publicada anteriormente. En un experimento típico se dispersaron 10 gr de pulpa de eucaliptus en 1 litro de agua destilada que contenía, por cada gramo de celulosa, 0.016 gr de TEMPO y 0.1 gr de NaBr. La suspensión formada se mantuvo en agitación por 30 minutos. A continuación se agregó, gota a gota, una solución de NaClO al 15% con pH ajustado a 10, equivalente a 4 mmoles de NaClO. Una vez agotada la solución de NaClO, se adicionó gota a gota una solución de NaOH 0.1 M para mantener el pH constante a 10. La reacción se da por terminada cuando el pH ya no varía. A continuación la suspensión es filtrada y lavada con agua destilada. Las fibras recuperadas son dispersadas en agua destilada para formar una suspensión al 1-2% y almacenadas a 4ºC antes de proceder al tratamiento mecánico. El proceso de desfibrilación se lleva a cabo en un homogeneizador a alta presión modelo NS1001L 2K GEA. La presión de trabajo fue de 600 bares y la temperatura 60-70ºC. La suspensión fue pasada 10 veces hasta obtener un gel transparente. El producto fue finalmente almacenado a 4ºC para su posterior uso. 2.4 Preparación de hojas de papel para ensayos físico-mecánicos. Previo a la fabricación de las hojas de papel, la pulp tratada fue dispersada en agua a 500 rpm durante 30 minutos. Las hojas se fabricaron en un formador de hojas tipo Rapid Köthen (ISP modelo 786FH) y secadas al vacío de acuerdo a la norma ISO 5269-2:2004, presentando un gramaje promedio de 75 gr/m2. En el caso de las hojas de papel adicionadas con NFC, la pulpa tratada fue desintegrada juntamente con la NFC en un desintegrador a 180000 revoluciones para asegurar una buena dispersión de las fibras. A continuación la suspensión fue agitada a 500 rpm y adicionada con almidón catiónico y sílice coloidal como agentes de retención. Las hojas se fabricaron siguiendo el mismo proceso que aquellas sin NFC. Finalmente las hojas fueron acondicionadas en una cámara climática según la norma ISO 187:1990. 2.5 Determinación de propiedades mecánicas y físicas Las pruebas mecánicas a tracción se realizaron en una máquina de ensayos universales Hounsfield dotada con una célula de carga de 2.5kN. Las condiciones de los ensayos se ajustaron de acuerdo a las normas ISO 1924-1:1983 y 1924-1994. Los resultados obtenidos son el promedio de al menos 5 muestras ensayadas. La resistencia en el plano Z (Scott bond) fue determinada mediante un equipo de medición de la cohesión interna IDM modelo IBT 10A, las condiciones de los ensayos se ajustaron a la norma ISO 2758:2004. Los ensayos de reventamiento se realizaron en un probador Mullen IDM modelo EM-50 y las condiciones de ensayo se ajustaron a la norma ISO2758:2004. El grosor del nanopapel fue medido en un micrómetro. La densidad de las muestras fue determinada mediante el peso y las dimensiones del papel. La opacidad fue medida con un equipo Technibrite ERIC 950 TB-1C/IR, Technidyne Corporation) de acuerdo con la norma TAPPI 425M-60. La porosidad se obtuvo mediante un porosímetro Gurley de acuerdo a la norma ISO 5636/5. La capacidad de drenaje o goteo se obtuve mediante un equipo Schopper-Riegler PTI modelo 95587 de acuerdo a la norma ISO 5267-1:1999. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Propiedades del papel Kraft liner En primer término se ha procedido a la caracterización del papel Kraft liner de tipo industrial presente en el mercado papelero español. El papel presentaba un gramaje de 168 g/m 2 y una densidad de 0.645 g/cm3 lo que comporta una mano de 1.55 cm3/g. En la tabla 1 se reflejan las demás propiedades físicomecánicas de este tipo de papel, diferenciándose la propiedad en sentido máquina y sentido transversal de las fibras. Tabla 1. Propiedades físico-mecánicas del papel Kraft liner según el sentido de las fibras. T.I.=índice a tracción, LR = longitud a ruptura, I. Mullen = índice Mullen, P = porosidad Sentido de la fibra Máquina Contra máquina I.T. LR I. Mullen Scott Bond Grosor Densidad P. Gurley (N·m/gr) (m.) (kPa·m2/gr) (J/m2) (μm) gr/cm3 (s) 54.29±1.71 5534±175 4822.58±66.76 244.90±18.60 260.8±5.40 0.6442±0.012 25.70±1.90 24.10±0.74 2457±760 2056.24±57.22 255.00±20.10 260.8±5.40 0.6442±0.012 25.70±1.90 Como se puede constatar la anisotropía del papel industrial en algunas propiedades es muy evidente. Así por ejemplo la longitud de ruptura en sentido máquina es de 2.25 veces mayor que la longitud de ruptura en sentido transversal, resultando una media de prácticamente 4000 m. A efectos de evaluar el papel a nivel de laboratorio se ha considerado que el incremento debido al tratamiento superficial con almidón aporta un incremento de la longitud de ruptura del 12 % y que debido a la anisotropía, orientación de las fibras en sentido máquina el incremento es del 30 %. Con ello el objetivo a nivel de laboratorio, papel isotrópico se situaría en 3800 m. como mínimo. La desintegración de esta pulpa Kraft liner y posterior formación de la hoja en un formador isotrópico conduce a una resistencia de tracción de 3400 m., inferior al mínimo requerido. Para alcanzar de nuevo el objetivo de 3800 m de longitud de ruptura se requiere un refinado PFI de laboratorio de 1100 revoluciones con un grado Schopper-Riegler de 57, sensiblemente superior a los 41 de la suspensión sin refinar. Ello da una idea de lo difícil que resulta rehidratar la fibra y aumentar su capacidad de enlace sin reducir su capacidad de drenaje. 3.2 Papel Kraft liner + refino En la tabla 2 se presentan las propiedades del papel Kraft liner refinado obtenido a partir de la desintegración del Kraft liner industrial. Se observa que, mediante un ligero refino (1000 revoluciones) en un molino PFI es posible incrementar las propiedades mecánicas de la pulpa. Sin embargo, a 1000 revoluciones todavía no se consigue una longitud a ruptura mínima de 3800 m. Tabla 2. Propiedades de drenaje, mecánicas y físicas del papel Kraft liner refinado. T.I.=índice a tracción, LR = longitud a ruptura, I. Mullen = índice Mullen, P = porosidad Refinado I.T. LR I. Mullen Scott Bond Grosor Densidad P. Gurley ºSR (rev.) (N·m/gr) (m) kPa·m2/gr (J/m2) (μm) g/cm3 (s) 41±0.20 33.39±2.58 3404±263 1.98±0.16 155.91±10.71 125.40±6.19 0.5991±0.034 9.98±1.08 0 57±0.60 35.85±3.96 3655±403 2.64±0.15 150.96±31.59 122.20±2.28 0.6216±0.014 35.06±1.15 1000 59±0.20 43.86±3.55 4402±426 2.52±0.11 338.40±22.40 111.33±1.92 0.6360±0.030 44.96±2.00 1250 No es sino a las 1250 revoluciones que la pulpa presenta una longitud a ruptura superior a la deseada. Los papeles fabricados a partir de pulpas refinadas resultaron más delgados, más densos y menos porosos. El incremento en la superficie específica de las fibras debido al refino aumenta la disponibilidad de grupos –OH de la pulpa, promoviendo la formación de puentes de hidrógeno entre fibras, lo que produce el incremento de las propiedades mecánicas. No obstante dicho incremento en la superficie específica dificulta la extracción del agua, lo cual queda demostrado en el mayor grado Schopper-Riegler de la pulpa refinada con respecto a la no refinada. Debido a estas dificultades se optó por una segunda opción para conseguir la longitud a ruptura deseada. 3.3 Papel Kraft liner + enzimas La aplicación de enzimas dentro del proceso de fabricación de papel ya ha sido explorada con anterioridad [11]. Es bien conocido que las enzimas requieren de unas condiciones óptimas para obtener los resultados deseados. En la tabla 3, se presentan las propiedades físico –mecánicas de las hojas obtenidas a partir de la suspensión desintegrada, tratada con la carga máxima de enzima, 65ºC, durante ½ hora en función del pH del medio. Tabla 3. Propiedades mecánicas y físicas de la pulpa Kraft liner tratada con enzimas a diferente pH; P.S.T. = pulpa sin tratar, T.I.=índice a tracción, LR = longitud a ruptura, I. Mullen = índice Mullen, P = porosidad. I.T. (N·m/gr) LR (m) I. Mullen kPa·m2/gr Scott Bond (J/m2) Grosor (μm) Densidad g/cm3 P. Gurley (s) pH ºSR P.S.T. 4,5 4,8 5,5 6,5 7,5 41±0.20 33.39±2.58 3404±263 1.98±0.16 155.91±10.71 125.40±6.19 0.5991±0.034 9.98±1.08 57±0.40 60±0.60 60±0.20 64±0.71 62±0.50 43.74±7.15 46.28±3.17 42.33±3.06 43.54±7.26 42.42±1.64 4459±729 4717±323 4315±312 4439±740 4324±168 3.12±0.09 2.84±0.08 2.75±0.16 2.64±0.06 2.74±0.16 254.65±19.94 334.02±16.93 310.20±15.03 468.05±16.56 204.17±26.53 118.60±4.72 123.29±3.45 117.75±4.35 121.43±0.98 121.33±1.51 0.6388±0.025 0.6224±0.016 0.6445±0.028 0.6170±0.006 0.6173±0.010 44.96±2.06 42.35±1.02 39.33±2.45 38.63±3.22 42.91±3.19 Se constata que en las diferentes condiciones estudiadas el papel alcanza y supera con creces el objetivo establecido de 3800 m. sobre todo a pH=4.8 donde se supera el objetivo en un 25%. Se constata también que el pH próximo al neutro, también supera el objetivo de longitud de ruptura en un 15%. Ello debe permitir un ajuste en cuanto al % de enzima, tiempo de actuación o temperatura que permitirá alcanzar el objetivo con un mínimo coste y en las condiciones de trabajo más favorables para el proceso industrial. Por lo que respecta a las demás propiedades físico mecánicas como la porosidad, el reventamiento y cohesión interna alcanzan valores óptimos para la industria papelera. Estas dos últimas superiores a las requeridas, acorde por otra parte con las mayores prestaciones del papel isotrópico producido. Asimismo los papeles tratados enzimáticamente fueron más densos y menos porosos que aquellos sin tratar. La disminución en la capacidad de drenaje fue similar a la observada en las pulpas refinadas. 3.3 Papel Kraft liner + NFC Otra forma de alcanzar los objetivos requeridos es la utilización de nanofibras de celulosa (NFC) como aditivo para mejorar la capacidad de enlace de la hoja de papel. Las hojas de Kraft liner reforzadas con NFC presentan las características que se reflejan en la tabla 3. Tabla 4. Propiedades físicas y mecánicas de los papeles fabricados a partir de pulpa Kraft liner reforzada con NFC; P.S.T. = pulpa sin tratar, T.I.=índice a tracción, LR = longitud a ruptura, I. Mullen = índice Mullen, P = porosidad. Contenido NFC (%) P.S.T. 1.5 3.0 4.5 ºSR I.T. (N·m/gr) LR (m) I. Mullen kPa·m2/gr Scott Bond (J/m2) Grosor (μm) Densidad g/cm3 P. Gurley (s) 9.98±1.08 61±0.14 39.55±2.71 4032±277 2.68±0.15 260.76±21.14 123.60±2.97 0.6208±0.013 46.33±3.22 74±0.00 40.05±1.86 4083±190 2.56±0.33 354.56±34.81 115.80±2.59 0.6391±0.016 73.37±7.72 76±2.12 48.47±3.50 4941±356 2.88±0.09 340.09±24.22 117.00±5.10 0.6601±0.016 125.74±21.05 41±0.20 33.39±2.58 3404±263 1.98±0.16 155.91±10.71 125.40±6.19 0.5991±0.034 La adición de NFC a la suspensión de fibras incrementa sustancialmente la resistencia del papel; incluso la adición de tan solo 1.5% en peso de NFC produce incrementos del 18% en longitud a ruptura, superando el mínimo de 3800 m establecido para este tipo de pulpas. Por otro lado el aumento en la cantidad de NFC produjo hojas de papel de menor grosor y más densas. La porosidad se redujo también sensiblemente. El efecto refuerzo de la NFC ha sido explicado como consecuencia de la formación de una red nanométrica de NFC que sirve de agente de enlace entre las fibras más grandes, ayudando a una mejor transmisión del esfuerzo mecánico e incrementando la resistencia del papel fabricado [12]. No obstante, la mejora en las propiedades mecánicas viene acompañada por una importante reducción de la capacidad de drenaje de la pulpa. Este fenómeno ya había sido observado por otros autores [9][10] y está relacionado con la gran superficie específica de la NFC y su capacidad de retener agua. Si bien las pulpas reforzadas con 4.5% en peso de NFC son las que presentan las mejores propiedades mecánicas de las estudiadas en este trabajo, es también la que presenta el grado Schopper-Riegler más alto. Es de resaltar que las pulpas reforzadas con 1.5% en peso de NFC presentan ºSR muy similares a los observados en las pulpas refinadas del presente estudio. 4. CONCLUSIONES Se fabricaron hojas de papel a base de pulpa kraft liner. Las hojas fabricadas fueron de tres tipos: pulpa refinada en molino PFI, pulpa tratada enzimáticamente (biorefino) y pulpa reforzada con NFC. Los resultados mostraron que el tratamiento enzimático provoca una mejora de las propiedades mecánicas de la pulpa pero sin reducir significativamente la capacidad de drenaje de la misma. Por otro lado, las pulpas reforzadas con NFC mostraron importantes aumentos en las propiedades mecánicas así como una reducción en la porosidad; sin embargo, la mejora en la resistencia fue acompañada por una notable reducción de la capacidad de drenaje. Los resultados indican que es posible mejorar las propiedades mecánicas del papel fabricado a partir de pulpas recicladas mediante metodologías distintas al del refino mecánico, permitiendo así preservar en gran medida las propiedades originales de las fibras del papel reciclado y alargar así su vida útil. REFERENCIAS 1. 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