aprovechamiento de rechazos de pulpas para disolver y

APROVECHAMIENTO DE RECHAZOS DE PULPAS PARA DISOLVER
Y ABSORBENTE (FLUFF) EN LA PRODUCCIÓN DE PAPELES Y
CARTONES.
USING OF DISSOLVING AND FLUFF PULPS IN THE PRODUCTION
OF PAPER AND BOARD
Diana R. Abril (1), Alejandro J. Abril (2)
1
Universidad Católica del Maule, Avenida San Miguel 3605, Talca, Chile. E-mail: dabril@ucm.cl.
(2)
Unión de Investigación-Producción de la Celulosa del Bagazo, Cuba-9 Apartado 8. Quivicán, ZP
33500. P. Habana, Cuba. Investc9@enet.cu
RESUMEN
La pulpa para disolver y la pulpa absorbente (fluff), se emplean respectivamente para la obtención de
celofán, rayón viscosa y fibrana y la producción de pañales y almohadillas sanitarias. En estos
procesos, se generan gran cantidad de residuos de pulpa, a los cuales es difícil encontrar un uso
adecuado.
En el este trabajo, se presentan los resultados de un proyecto a ciclo completo (laboratorio, piloto y
planta experimental) para aprovechar estas pulpas en la producción de diferentes tipos de papel y
cartón, mediante el empleo de aditivos químicos de bajo costo y alta disponibilidad, en la planta de
papel de la UIP Cuba-9. Los aditivos seleccionados fueron el silicato de sodio y la
carboximetilcelulosa de sodio.
El empleo de estos aditivos, permitió el aprovechamiento grandes cantidades de residuos de pulpas
absorbente y para disolver, de difícil utilización en otras aplicaciones, para la producción de papel
blanco de imprenta y escribir, cartulina de 160 g/m2, posavasos para el turismo y papel para la
confección de rollos de calculadoras y máquinas de puntos de venta, con propiedades semejantes a
los producidos tradicionalmente empleando pulpas vírgenes. Permitieron además lograr reducciones
significativas en el gasto de energía en la refinación e incrementos en las propiedades de estos
materiales, además de contribuir a la preservación del medio ambiente.
Estas producciones de papeles y cartones, contribuyeron a cubrir la gran demanda actual de papel
que existe en el país y representaron una considerable fuente de ingresos para cubrir las actividades
investigativas y de desarrollo de la UIP Cuba-9.
Palabras clave: Silicato de sodio, carboximetilcelulosa, pulpa para disolver, pulpa fluff, molida de
pulpas.
SUMMARY
Dissolving pulp and fluff pulp are using respectively in the production of cellophane, rayon viscose,
and disposable diapers and sanitary materials. In these processes a great quantity of pulp residuals
are generated and is difficult to find a proper utilization to them.
In this paper are presented the results at a whole cycle (laboratory, pilot plant and experimental plant)
in order to take advance of these pulps residuals in the production of several types of paper and board
through the use of chemical additives of low cost and high availability in the paper plant of the UIP
Cuba-9. The selected additives were sodium silicate and sodium carboxymethyl cellulose (CMC).
The using of these additives gave the possibility of utilization of great quantities of dissolving and fluff
pulps rejects, of difficult employ in other applications in the production of printing papers and boards
with physical properties like the produced with virgin pulps.
These additives gave also meaningful reductions in energy consumption during refining and
increments in the properties of these materials and represented a contribution to the environment
preservation.
These paper and board production contributed to cover the great current demands of paper and board
in the country and represented an important incoming source in order to cover the research and
development activities of the UIP Cuba-9.
1
Keywords: Sodium silicate, carboxymethyl cellulose, dissolving pulp, fluff pulp, pulp refining.
APROVECHAMIENTO DE RECHAZOS DE PULPAS PARA DISOLVER
Y ABSORBENTE (FLUFF) EN LA PRODUCCIÓN DE PAPELES Y
CARTONES
Diana R. Abril (1), Alejandro J. Abril (2)
Universidad Católica del Maule, Avenida San Miguel 3605, Talca, Chile. E-mail: dabril@ucm.cl.
(2)
Unión de Investigación-Producción de la Celulosa del Bagazo, Cuba-9 Apartado 8. Quivicán, ZP
33500. P. Habana, Cuba. Investc9@enet.cu
1
INTRODUCCIÓN
En el campo de la celulosa y el papel, se producen algunos tipos de pulpa, cuyo fin no es la
producción de papel o cartón, sino otros materiales para diferentes usos industriales, la salud pública
y otros.
Entre estas, se encuentra la pulpa para disolver, que se utiliza como materia prima en el proceso de
Xantación para la obtención de celofán, rayón viscosa y fibrana.
También está la pulpa absorbente o pulpa “fluff”, que se emplea para la confección de géneros
absorbentes como almohadillas sanitarias y pañales desechables.
La pulpa para disolver, posee un contenido de hemicelulosas muy bajo, por lo que desarrolla muy
pocas propiedades de resistencia en el proceso de molida.
En el caso de la pulpa absorbente, se busca el menor grado de enlazado posible en su proceso de
obtención y se añaden además aditivos antienlazantes del tipo imidazolina. Por estas características,
estas pulpas no son apropiadas para la producción de papel y cartón.
En la producción de almohadillas sanitarias y otros materiales, se generan residuos de pulpa
absorbente, tanto en el proceso, como por pulpa fuera de especificaciones, a la cual es difícil
encontrar un uso adecuado.
En Cuba, se generan cantidades considerables de residuos de pulpa para disolver y absorbente, que
no tienen una aplicación adecuada y que en ocasiones, constituyen un problema para las empresas
por su baja densidad, ocupan mucho espacio en almacenes y presentan peligros de incendio.
El silicato de sodio es un producto de uso tradicional en la industria del papel. Se reporta su uso (Vai,
1928) desde hace más de 80 años en múltiples aplicaciones. Se emplea fundamentalmente como
aditivo para el destintado, licor de peróxido, pegamento, encolado y tratamiento de agua (PQ Comp.
1994, Lefevre, 1999).
Su empleo como agente para incrementar la resistencia y como aditivo de molida es muy limitado en
la actualidad, por el empleo de los almidones modificados y el desarrollo de los polímeros sintéticos.
Entre sus ventajas se encuentra su gran disponibilidad, bajo costo y fácil preparación. Sus
desventajas son sus características alcalinas (lo que dificulta su empleo en el caso del encolado
ácido) y el aporte de aniones de silicato, que neutralizan el efecto de los aditivos catiónicos y elevan
la carga aniónica del sistema (“anionic trash”).
La Carboximetilcelulosa de sodio (CMC), es un aditivo ampliamente utilizado en la producción de
papel y cartón, tanto en masa, el tratamiento superficial y como adhesivo en las formulaciones de
estucado. En la superficie del papel, aumenta la imprimibilidad, la resistencia y disminuye el polvillo.
Se reporta su uso para favorecer y acelerar el proceso de molida (Abril, 2001b, 2002) con
reducciones del 30-40% del tiempo de molida. En combinación con resinas del tipo Poliamida amino
epoxy (PAE), incrementan de forma significativa la resistencia en húmedo (Neal 1988, Stratton
1989, Abril 2001a), al parecer por la formación en enlaces del tipo éster entre el anillo azetidínico de
las resinas PAE y los grupos carboxilo de las fibras (Wågberg 1993).
El CMC grado industrial se comercializa con diferentes grados de sustitución y de polimerización, de
acuerdo a su empleo en masa, superficial o en mezclas de estucado.
En el este trabajo, se presentan los resultados de un proyecto a ciclo completo (laboratorio, piloto y
planta experimental) para aprovechar estas pulpas en la producción de diferentes tipos de papel y
cartón, mediante el empleo de silicato de sodio y la carboximetilcelulosa de sodio, aditivos químicos
de bajo costo y alta disponibilidad, en la planta de papel de la UIP Cuba-9.
2
PARTE EXPERIMENTAL
Pulpa absorbente. Empleo de silicato de sodio.
Se utilizaron rechazos de pulpa absorbente (fluff) de coníferas, de diferentes instalaciones de
géneros sanitarios con adiciones de 2 y 4 % de silicato de sodio (b.s) a partir de una solución de 50
%, con una relación en peso de S1O2/Na2O de 2,44.
Pulpa para disolver. Empleo de la carboximetilcelulosa de sodio como auxiliar de molida y
agente de resistencia.
En el caso de la pulpa para disolver, se utilizaron los rechazos de pulpa para disolver de coníferas
(Bratz, Rusia) de la planta Rayonera de Matanzas, Provincia de Matanzas, Cuba.
Para la selección del tipo de CMC, se realizó un trabajo previo donde se estudiaron muestras de
CMC de diferente viscosidad, encontrándose los mejores resultados en este rango.
Se utilizó CMC grado técnico de las características siguientes:
Tabla 1. Características del CMC
Grado de sustitución
0,5 - 0,6
% CMC
65
Viscosidad (2 %)
20 - 100 mPa.s.
Método de ensayo
ASTM 1455
El estudio de molida se realizó en un molino Valley de laboratorio según la norma SCAN-C25-76,
adicionando el CMC en polvo, antes de comenzar la molida. Las propiedades del papel y cartón se
determinaron de acuerdo a las normas ISO correspondientes, en el Laboratorio de Pruebas Físicas
de papel y cartón, de la UIP Cuba-9, acreditado por las normas ISO/IEC 17025
Las producciones de papel y cartulina de 160 g/m2, se realizaron en la máquina 1 de la Unión de
Investigación-Producción de la Celulosa, Cuba-9 (UIP Cuba-9), la cual es de tipo Fourdrinier, Over
Mecánica, de Italia de 1979, cuenta con caja cabecera presurizada, mesa formadora con sistema de
vibración (shaker), elementos de desgote constituidos por foils y cajas de vacío y rodillo Dandy. Rolo
Pick up y tres prensas húmedas, primera y segunda combinadas y tercera. 36 secadores calentados
por vapor, con campana semicerrada en tres secciones, rolo enfriador, calandria, enrroladoda y
rebobinadora. Ancho útil de bobinas de 900 mm. Velocidad de trabajo de 450 m/min.
La producción de posavasos se realizó en la máquina 2 de la Unión de Investigación-Producción de
la Celulosa, Cuba-9 (UIP Cuba-9), Máquina de Papel No.2 de la UIP Cuba-9, la cual es de tipo
Fourdrinier, con caja cabecera abierta, ancho útil de 1 m, mesa formadora con vibración, dos
prensas y secadores calentados por vapor. Velocidad de trabajo 15 m/min.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Empleo de silicato de sodio como auxiliar de molida y agente de resistencia en
pulpa absorbente. Escala de Laboratorio.
En la Figura 1, se muestra la variación del grado de molida con el tiempo. En la misma se observa
que el grado de molida se incrementa muy poco con el tiempo en el caso de la pulpa absorbente sin
adición de silicato de sodio. Esto parece deberse al agente antienlazante que tiene la pulpa, que
disminuye las propiedades de drenaje de la pulpa. Con el empleo del silicato de sodio, sin embargo,
en dosis del 2 y el 4 %, se produce un incremento del grado de molida semejante al obtenido para
una pulpa papelera. Al parecer el silicato de sodio neutraliza el efecto del agente antienlazante de
carácter catiónico (imidazolina) y favorece el hinchamiento de las fibras y el efecto de “engrase” en la
molida, con una mayor fibrilación y por lo tanto un mayor desarrollo de propiedades de enlace y de
resistencia.
Las curvas de molida y las propiedades de resistencia, se muestran en la Figura 1.
3
60
Sin aditivo
50
2% Na2SiO3
oSR
40
4% Na2SiO3
30
20
10
0
0
20
40
60
80
t (seg.)
Figura
1. Efecto del Na2SiO3 de sodio en la molida de pulpa absorbente
En la Tabla 2, (Figuras 2 y 3) se muestran las propiedades de resistencia y la porosidad de hojas de
laboratorio (70 g/m2) de muestras de pulpa absorbente, con adiciones de 2 y 4% de silicato de sodio. Como
puede observarse, el empleo del silicato de sodio, incrementa de forma significativa los índices de tensión y
estallido, comparado con la pulpa sin aditivo. El rasgado presenta un comportamiento normal.
El empleo del silicato de sodio también incrementa la densidad y disminuye la porosidad de las hojas, lo cual
confirma el efecto favorable sobre la molida y las propiedades de resistencia comparables a las de cualquier
pulpa química papelera comercial.
Tabla 2. Propiedades de hojas de laboratorio 70 g/m². Pulpa absorbente (0,4 % agente retención PEI
modificada) a 2 y 4% de adición de silicato de sodio y diferentes grados de molida
4 % Na2SiO3
Sin adición
2 % Na2SiO3
o
o
o
PROPIEDAD
SR
SR
SR
(ISO)
25
35
55
25
35
55
25
35
3
Densidad Aparente (kg/m ) 580±3 590±50 630±50 560±30 630±50 650±40
540±30 560±30
0
Índice de Tensión (N.m/g)
47±1
53±1
68±1
54±1
69±1
75±1
28±1
32±1
Índice de Rasgado
16±1
14±1
12±1
16±1
14±1
13±1
16±1
14±1
(Mn.m²/g)
Índice de Estallido (Kpa. m²/g) 2,9±0, 3,6±0,5 4,3±0,5 3,4±0,5 4,2±0,5 4,7±0,5
2,1±0,5 2,6±0,5
5
Porosidad Bendtsen
960±5 620±50 350±50 700±50 700±50 350±20 1100±50 860±50
(ml/min)
0
5
kPam2g4,5
Sin adición
4
3,5
3
2 % Na2SiO3
2,5
2
20
30
40
50
4 % Na2SiO3
oSR
Figura 2. Efecto del Na2SiO3sobre el estallido
4
60
80
70
Sin adición
2 % Na2SiO3
4 % Na2SiO3
Nm/g
60
50
40
30
20
20
30
40
50
60
oSR
Figura 3. Efecto del Na2SiO3 sobre el índice de tensión
Empleo de la carboximetilcelulosa como auxiliar de molida y agente de resistencia
en pulpa para disolver. Escala de Laboratorio.
En la Tabla 3, se muestran los resultados del efecto de la CMC, en la molida y las propiedades de las hojas
de laboratorio. Se destaca en primer lugar, el pobre desarrollo de las propiedades de resistencia de la pulpa
con la molida, sin la adición de CMC, lo cual era esperado, de acuerdo a las características de esta pulpa. La
adición de CMC, acorta considerablemente el tiempo de molida.
En la Figura 4, se muestran los incrementos en el I. Tensión, comparables a los obtenidos con pulpas
químicas papeleras blanqueadas.
I. Tensión
Tabla 3. Efecto de la CMC en la molida y propiedades de pulpa para disolver
PPD (Sin CMC)
PPD (1 % CMC)
PROPIEDAD
t (min)/oSR
t (min)/oSR
40/25
60/42
80/53
35/25
50/36
60/48
(ISO)
Densidad Aparente (kg/m3)
480±20 520±20 520±20 450±20 490±20 510±20
Índice de Tensión (N.m/g)
40±3
47±2
49±2
39±3
48±2
54±2
Índice de Estallido(Kpa. m²/g)
2,8±0,2 3,2±0,2 4,0±0,2 3,3±0,3 3,8±0,5 4,2±0,3
Índice de Rasgado (Mn.m²/g)
10,5±0,6 8,5±0,5 8,0±0,3 10,5±0,5 9,2±0,5 8,8±0,5
Porosidad Bendtsen (ml/min)
780±40 260±10 170±10 1400±50 700±50 400±30
70
65
60
55
50
45
40
35
30
65/57
500±20
57±2
4,7±0,2
8,6±0,4
330±20
Sin CMC
CMC
20
30
40
50
60
70
80
90
0SR
Figura 4. Incrementos en el Índice de tensión por la adición de CMC
Al parecer, la CMC simula el efecto de las hemicelulosas en la pulpa, las cuales como es conocido tienen un
importante papel en el proceso de molida, en el hinchamiento y fibrilación.
La CMC, se adicionó en polvo antes de la molida. La adición en disolución presenta dificultades en la
práctica, ya que requiere de un sistema de tanques, agitación, temperatura, filtración y dosificación, para
lograr una correcta disolución y adición del producto. La adición en polvo antes de la molida, tiene la ventaja
5
de ser muy simple de adicionar y dosificar, además de que el proceso de molida asegura la completa
disolución de CMC.
Se estudiaron dosis superiores al 1 %; pero el resultado obtenido no se justifica con el incremento del costo,
ya que el efecto sobre la molida, prácticamente no varía y el incremento de las propiedades es pequeño, al
parecer por la baja retención del producto en el papel a mayores concentraciones.
Producciones a escala industrial
Pulpa Absorbente. Papel para impresión.
En la producción de este papel se utilizó pulpa absorbente de rechazo de la producción de
almohadillas sanitarias, de dos tipos, una con alto contenido de pulpa de bambú y otra de coníferas.
Esta pulpa llevaba varios años almacenada, sin habérsele encontrado ninguna aplicación.
En la Tabla 4, se muestran las propiedades físicas del papel, producido con un 100 % de pulpa
absorbente, 1 % de silicato, 15% de carbonato de calcio, agente de retención y encolado en medio
neutro. Las propiedades obtenidas fueron semejantes a las de un papel tipo bond, de calidad media.
El papel se probó en la impresión de modelos y otros impresos a un solo color, con resultados
satisfactorios. Por su alta rigidez y estabilidad, resultó excelente para su empleo en fotocopiadoras y
otras impresoras digitales de oficina.
Tabla 4. Propiedades Físicas del Papel
Propiedad (ISO)
Unidad
Valor
Gramaje
g/m²
78±1
Calibre
mm
0,109±0,002
Longitud de ruptura
km
Índice de Rasgado
Encolado (Cobb60)
Rugosidad
g/m²
ml/min
Brillantez
%
DM
CDM
3300±150
1800±100
CDM
7±2
LP
LM
-
28±1
420±30
500±30
76±1
CDM – Contra la dirección de la máquina, DM- Dirección de la máquina, LP- Lado paño, LM- Lado malla
De este papel se producen alrededor de 250 t al año, en resmas de 864x660 mm y en paquetes de
216 x 274 mm (Letter) para la impresión de modelos y otros documentos.
Pulpa Absorbente. Posavasos para el Turismo
Los posavasos se emplean en la Industria Turística, para absorber la humedad de vasos, botellas y
otras bebidas, evitando que se moje la mesa y como medio de publicidad de marcas, hoteles y otros
mensajes que se imprimen en los mismos.
Existen diferentes diseños, pudiendo ser circulares, cuadrados y de otras formas. Sus principales
características son:
ƒ buena absorción de agua
ƒ buena imprimibilidad en varios colores
ƒ soportar la humedad, sin romperse ni deformarse
ƒ rigidez
ƒ buena blancura
ƒ bajo costo
Se realizó un estudio previo de laboratorio y planta piloto (Abril, 1994) donde se evaluaron diferentes
posavasos comerciales y se estudiaron diferentes alternativas de producción.
Se escogió una alternativa empleando 100 % de rechazos de pulpa absorbente (fluff), 4 % de silicato
de sodio y 0,4 % de PAE comercial (al 20 %). La producción se realizó en la Máquina 2 de la UIP
Cuba-9.
Las propiedades obtenidas del cartón para posavasos fueron:
6
• Gramaje
• Calibre
• Humedad
480 ± 30
g/m²
1,2 ± 0,2
mm
10 % (Max.)
El cartón se cortó en pliegos de 700 x 1000 mm y se envasó en paquetes de 50 unidades. Se
confeccionaron un total de 41 000 pliegos (15 t), que se imprimieron y troquelaron y que permitieron
confeccionar 1,7 millones de posavasos, los cuales se comercializaron en diferentes cadenas
hoteleras del país.
Pulpa para disolver. Cartulina semiblanqueada (160 g/m²)
Para la producción de esta cartulina se utilizó Pulpa quimimecánica de bagazo (70 %), Pulpa para
disolver (12 %) y Pulpa absorbente (18 %). Se añadió 1 % de CMC, con respecto a las pulpas para
disolver y absorbente, antes de la molida.
En la Tabla 5, se muestran las propiedades de la cartulina, de la que se produjeron 70,3 t.
Tabla 5. Propiedades de la Cartulina Semiblanca (160g/m²)
PROPIEDADES (ISO)
I. Rasgado CDM
Humedad
Encolado LM
Longitud de Ruptura DM
Rugosidad Bendtsen
UNIDADES
VALOR
mNm2/g
%
g/m²
m
ml/min
4,0±0,5
8,9±0,5
26±1
2850±200
600±30
CDM – Contra la dirección de la máquina, DM- Dirección de la máquina, LM- Lado malla
Esta cartulina posee muy buenas propiedades de impresión y se puede utilizar para la confección de
diferentes impresos.
Pulpa para disolver. Papel para rollos de calculadoras y máquinas de puntos
de venta
En la Tabla 6, se muestran las propiedades físicas de un papel, producido a partir de 100 % de pulpa
para disolver, 1 % de CMC, 0,4 % de agente de retención y encolado neutro. El papel cumplió con las
especificaciones requeridas por el cliente y se comportó de manera satisfactoria en las máquinas.
Este papel se producía tradicionalmente con pulpas vírgenes. Se produjeron un total de 25 toneladas.
Tabla 6. Propiedades Físicas del Papel. 54 g/m2
PROPIEDADES
Unidades
Densidad aparente
Índice de Rasgado
Índice de Tensión
Rugosidad Bendtsen
(DM)
(CDM)
(DM)
(CDM)
(DM)
kg/m3
706±7
mN.m²/g
5,8±0,3
N.m/g
ml/min
(CDM)
Encolado Cobb
Valor
7,6±0,6
43±4
21±1
21±20
190±20
g/m
2
28±1
Brillantez
%
70±2
Opacidad
%
90±2
CONCLUSIONES
7
El empleo de aditivos de molida de alta disponibilidad y bajos precios como el Na2SiO3 y la CMC,
permitieron el aprovechamiento de pulpas no papeleras de rechazo como pulpa absorbente para
géneros sanitarios y pulpa para disolver, de difícil utilización en otras aplicaciones, para la producción
de diferentes tipos de papeles y cartulinas, con propiedades semejantes a los producidos
tradicionalmente empleando pulpas vírgenes. Permiten además lograr reducciones significativas en
el gasto de energía en la refinación e incrementos en las propiedades de estos materiales, además
de contribuir a la preservación del medio ambiente.
Estas producciones de papeles y cartones, contribuyeron a cubrir la gran demanda actual de papel
que existe en el país y representaron una considerable fuente de ingresos para cubrir las actividades
investigativas y de desarrollo de la UIP Cuba-9.
Los aditivos de molida se pudieran emplear también en otros papeles reciclados, con el fin de facilitar
su procesamiento y mejorar sus propiedades.
REFERENCIAS
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Ciencia y Técnica. UIP Cuba-9, Habana, Cuba. (disponible en www.cuba9.co.cu)
Abril, A. Álvarez, O., Rodríguez, M. (1997) Premio Anual MINAZ 1997 Habana, Cuba. “BLANFEST
Papel de imprenta y escribir a partir de recortes de pulpa absorbente. Informe técnico UIP Cuba-9.
(disponible en www.cuba9.co.cu)
Abril, A. Hernández, A., González, A.; Fernández N. (2001a). “Papel Moneda y otros papeles de
seguridad”. Patente cubana. RP 22684
Abril, A., Álvarez, O., Rodríguez, M. (2001b) “CMC como aditivo del papel”. Rev. Cubana de
Química.Vol XIII No2 2001 ISSN-055-5995 pag.321
Abril A., Álvarez O. , Rodríguez M. (2002) “CMC como aditivo de molida y agente de resistencia en
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Lefevre,G. , Didwania, H. P. , Hagens R. G. (1999) “Paper strength enhancement by silicate/starch
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Neal, C (1988). “TAPPI Wet and Dry Strength S. Course” Chicago Ap 13-15 (1988) TAPPI Press p. 1 Atlanta.
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Stratton, R. A. (1989) “Dependence of sheet properties on the location of adsorbed polymer”. Nordic Pulp Paper Res. J.
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Wågberg, L. Björklund, M. (1993) ”On the mechanism behind wet strength development in papers containing wet
strength resins”. Nordic Pulp Paper Res. J. (1):53.
8