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