Conceptos básicos de la química en la producción de Pulpa, Papel y Cartón.

Edgar Mora

Acotepac Precongreso Febrero 2011

Selección de Resinas:para resistencia en húmedo

PAE: PoliPAE: Poli--amidoamido--aminaamina--epiclorhidrinaepiclorhidrina

PAG: PoliPAG: Poli--AcrilamidaAcrilamida--glioxalglioxal

UF: UreaUF: Urea--FormaldehidoFormaldehido

MF: MelaminaMF: Melamina-- FormaldehidoFormaldehido

PoliaminePoliamine--EpiclorhidrinaEpiclorhidrina

PoliamidaPoliamida--EpiclorhidrinaEpiclorhidrinaEpEpóóxidoxido

3

Resinas para resistencia en húmedoPara curado en Para curado en áácido/neutrocido/neutro..

–– Urea Urea -- formaldehido (UF)formaldehido (UF)–– Melamina Melamina -- formaldehido (MF) formaldehido (MF) –– PoliPoli--acrilamida acrilamida -- glioxal (PAG)glioxal (PAG)

Para curado en Para curado en áálcalino/neutrolcalino/neutro–– PoliPoli--amidaamida-- epiclorhidrinaepiclorhidrina–– PoliPoli--amina amina -- epiclorhidrinaepiclorhidrina–– PoliPoli--amidaamida-- epiclorhidrina epepiclorhidrina epóóxidoxido

Rango de pH para aplicación efectiva de resinas de resistencia en húmedo

4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

pH

UFMF

PAG

POLIAMIDA-EPI

POLIAMINA-EPI

POLIAMIDA-EPI- EPÓXIDO

5

••La utilizaciLa utilizacióón del papel y el cartn del papel y el cartóón a menudo n a menudo determinan la clase de resina que se necesita.determinan la clase de resina que se necesita.

••Los proveedores de resinas de resistencia en hLos proveedores de resinas de resistencia en húúmedo, medo, ofrecen diferentes alternativas y pueden ayudarle en ofrecen diferentes alternativas y pueden ayudarle en la seleccila seleccióón del tipo de resina para su producto.n del tipo de resina para su producto.

Selección de Resinas de resistencia en húmedo

6

Resina Urea Formaldehído

VentajasVentajas

•• Bajo costoBajo costo•• Repulpeado fRepulpeado fáácilcil•• Compatible con encolado Compatible con encolado

de colofonia y alumbre de colofonia y alumbre (pH< 5.0)(pH< 5.0)

DesventajasDesventajas

•• Bajo curado en mBajo curado en mááquinaquina•• SemiSemi--permanente permanente

resistencia en hresistencia en húúmedomedo•• Requiere bajo pH Requiere bajo pH

y alumbre y alumbre

7

�� 2525--35% s35% sóólidos en solucilidos en solucióón acuosan acuosa�� Estabilizado a pH 7.5 ; 3 meses de vida mediaEstabilizado a pH 7.5 ; 3 meses de vida media�� Sensible al calentamiento y al enfriamientoSensible al calentamiento y al enfriamiento�� Rango Efectivo de pH 4.0 Rango Efectivo de pH 4.0 -- 4.5 (alumbre)4.5 (alumbre)�� Niveles de dosificaciNiveles de dosificacióón 10n 10--60 lbs/ton60 lbs/ton�� Estructura auto reticuladaEstructura auto reticulada�� Se puede repulpear en medio Se puede repulpear en medio áácido (alumbre)cido (alumbre)

Resinas urea-formaldehido

8

Resinas Melamina-Formaldehído

VentajasVentajas ((vs.vs. UF)UF)

•• Menos sensible al pH Menos sensible al pH •• Alto curado en mAlto curado en mááquinaquina•• Resistencia en hResistencia en húúmedo medo

muy altamuy alta•• Suministra mejor Suministra mejor

resistencia en seco.resistencia en seco.

DesventajasDesventajas

•• Sensible a >125 ppm SOSensible a >125 ppm SO44= =

•• Bajos sBajos sóólidos ylidos ybajo periodo de vida mediabajo periodo de vida media

•• Contiene vapores de Contiene vapores de formaldehformaldehíído do -- OSHAOSHA

9

�� Soluciones acuosas al 10% sSoluciones acuosas al 10% sóólidos, pH 2lidos, pH 2��Dosis tDosis tíípica : 10 a 100 lb/ton en base secapica : 10 a 100 lb/ton en base seca��CatiCatióónica: La mnica: La máás alta retencis alta retencióón de resina n de resina posibleposible

�� Estructura autoEstructura auto--reticulante y presentan reticulante y presentan alguna reaccialguna reaccióón con la celulosa.n con la celulosa.

��Repulpear con Repulpear con áácido.cido.��Resistente a lo quResistente a lo quíímicos de blanqueomicos de blanqueo..

Resinas de Melanina - Formaldehido

10

Resinas Poliacrilamida-Glioxal

VentajasVentajas

•• Desarrollo de resistencia Desarrollo de resistencia en secoen seco

•• Tolerante a los Tolerante a los blanqueadoresblanqueadores

•• Repulpeo fRepulpeo fáácilcil•• Curado en seco por Curado en seco por

fuera de la mfuera de la mááquina.quina.

DesventajasDesventajas

•• Sensible al pH, alcalinidadSensible al pH, alcalinidad•• La resistencia en hLa resistencia en húúmedo medo

es es ““temporaltemporal””•• Suministrado a bajos Suministrado a bajos

ssóólidoslidos•• Bajo periodo de vida mediaBajo periodo de vida media

11

Resinas poliacrilamida-glioxal

•• Relativamente inestables en soluciones acuosas Relativamente inestables en soluciones acuosas con menos del 10% de scon menos del 10% de sóólidos.lidos.

•• Rango efectivo de pH 4.5Rango efectivo de pH 4.5--6.56.5•• DosificaciDosificacióón normal 5n normal 5--20 lbs/ton20 lbs/ton•• Baja carga cationicaBaja carga cationica•• Se une directamente a los grupos de hidroxilos Se une directamente a los grupos de hidroxilos

de la celulosade la celulosa•• FFáácilmente repulpeados con cilmente repulpeados con áácidos o alcalis.cidos o alcalis.

12

VentajasVentajas

•• Resinas para resistencia Resinas para resistencia en hen húúmedo con mejor medo con mejor costo costo -- beneficiobeneficio

•• Amplio rango efectivo Amplio rango efectivo de pH (5de pH (5--9)9)

•• Alta velocidad de curado Alta velocidad de curado en men mááquinaquina

DesventajasDesventajas

•• DifDifíícil para repulpear, cil para repulpear, puede requerir puede requerir hipoclorito de sodio u hipoclorito de sodio u otro oxidante fuerteotro oxidante fuerte

Resinas de Poliamina-Epiclorhidrina

13

Propiedades de las resinas de resistencia Propiedades de las resinas de resistencia en hen húúmedo. medo.

POLIAMIDAPOLIAMIDA --EPICLOROHIDRINAEPICLOROHIDRINA

�� 12.5 12.5 -- 40% de s40% de sóólidos en soluciones acuosaslidos en soluciones acuosas�� Efectivas en un rango de pH de 5.0 Efectivas en un rango de pH de 5.0 -- 9.0 9.0 mmáás efectivas en rangos de pH 6.5 s efectivas en rangos de pH 6.5 -- 8.58.5

�� Nivel de dosificaciNivel de dosificacióón tn tíípica: 2.5pica: 2.5--10 Kgs/ton10 Kgs/ton�� Repulpeadas con hipoclorito o caRepulpeadas con hipoclorito o caúústicossticos�� Curado acelerado por el calor, pH alto y Curado acelerado por el calor, pH alto y alcalinidad.alcalinidad.

14

Resinas Epóxicas y Poliamida-Epiclorhidrina.

VentajasVentajas

•• Alta resistencia en hAlta resistencia en húúmedomedo•• Curado natural rCurado natural ráápidopido•• Alta eficiencia.Alta eficiencia.•• Incrementan la Incrementan la

resistencia en secoresistencia en seco..

DesventajasDesventajas

•• Requieren activaciRequieren activacióón n bbáásicasica

•• El repulpeo requiere El repulpeo requiere desfibracidesfibracióón mecn mecáánicanica..

15

RESISTENCIA EN SECO

DefiniciDefinicióónn: : Las resistencias de la hoja estLas resistencias de la hoja estáán n suministradas por el enlace fibrasuministradas por el enlace fibra-- fibra fibra bajo condiciones de utilizacibajo condiciones de utilizacióón seca.n seca.

16

Efecto de la Refinación en las Resistencias de Tensil & Rasgado, (Pulpa Kraft Pino)

Refinando Pulpa→→→→

Res

ist.

en S

eco

→→ →→ Rasgado

Tensil

17

Aditivos para resistencia en seco

Aditivos que se Aditivos que se presentan naturalmentepresentan naturalmente

•• HemicelulosaHemicelulosa•• almidalmidóón n •• GomasGomas•• CMCCMC

Aditivos SinteticosAditivos Sinteticos

•• PoliacrilamidasPoliacrilamidas•• NoNo--ionicaionica•• AniAnióónicanica•• CatiCatióónicanica

•• Resinas de resistencia en Resinas de resistencia en hhúúmedomedo

•• Emulsiones de LatexEmulsiones de Latex

Tipo de enlace

18

Por qué los papeleros usan almidón en el lado húmedo?

•• Resistencia en secoResistencia en seco

•• EmulsiEmulsióón para encolado & retencin para encolado & retencióónn

•• DrenajeDrenaje

•• RetenciRetencióónn

19

Gránulos de almidón

Diferencias.

La papa es: más redondeadamenos densa (un poco más fácil de cocinar y de cationizar)

El almidón en la planta es el alimento empacado para la germinación de la semilla.

Se necesita romper el gránulo para que al abrir suelte sus moléculas de almidón en la fase acuosa

Composition and properties Potato Corn Wheat Tapioca WaxyMaize

Synonyms Farina Maize /Dent

Cassave Amioca

Production (million tons)World 2.3 19.9 1.3 1.8 0.34European Community 1.4 3.4 1.2 - 0.04Main production countries Holland,

SovietUnion,Poland

USA,Japan,SovietUnion

EC, USA,Japan

Thailand,USA,Brazil

Starch granule propertiesType of starch tuber cereal cereal root CerealShape of granules oval,

sphericalround,polygonal

round,elliptical

truncated,round

round,polygonal

Diameter, range (µm) 5-100 2-30 0.5-45 4-35 2-30Diameter, number average (µm) 23 10 8 15 10Diameter, weight average (µm) 45 15 25 25 15Specific area (m2/kg) 110 300 500 200 300Density (g/cm3) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5Specific gravity 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5Number of granules per gram ofstarch x106

100 1300 2600 500 1300

Composition of starch granules(Average values)Moisture at 65% RH and 20°C 19 13 13 13 13Lipids (% on dry substance) - 0.3-0.8 0.3-0.9 0.1 0.2~0.5Nitrogen compounds (% on d.s.) 0.1 0.3-0.6 0.8~0.8 0.1 0.3-0.4Ash (% on d.s.) 0.35 0.1 0.1 0.1 0.1Phosphorous (% on d.s.) 0.08 0.02 0.06 0.01 0.01Starch bound phosphorous 0.08 0.00 0.00 0.00 0.00

Composición y propiedades

Brouwer et. al., Retention of Fines and Fillers During Papermaking, Gess, J.M. Ed., TAPPI Press 1998

Composición y propiedades.

Brouwer et. al., Retention of Fines and Fillers During Papermaking, Gess, J.M. Ed., TAPPI Press 1998

Composition and properties Potato Corn Wheat Tapioca WaxyMaize

Amylose and amylopectinAmylose content (% on d.s.) 20 27 27 17 1Amylopectin content 80 73 73 83 99AmyloseDegree of polymerization (DP):Number average DP 4900 930 1300 2600 -Weight average DP 6400 2400 - 5700 -Apparent DP distribution 840-

22000400-15000

250-13000

580-22000

-

AmylopectinDegree of polymerization (DP)DPx106 (Range)

0.3-3 0.3-3 0.3-3 0.3-3 0.3-3

<R2G>½ (amylose µm) 0.03 0.01 0.01 0.02 -<R2G>½ (amylopectin µm) 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45

Gelatinization characteristicsPasting temp. °C 60-65 75-80 80-85 60-65 65-70Cooking temp. °C 120 140 140 120 120Rate of retrogradation low high high low very lowColoration with iodine blue blue blue blue purple

22

Algunas de estas propiedades nos convienen a nosotros los Algunas de estas propiedades nos convienen a nosotros los papeleros?papeleros?

-- SerSeráá que el peso molecular alto incrementa las que el peso molecular alto incrementa las resistencias del papel?resistencias del papel?

-- SerSeráá que una pasta limpia, es de mucha ayuda?que una pasta limpia, es de mucha ayuda?-- SerSeráá que una fraccique una fraccióón menor de amilosa significa una n menor de amilosa significa una

mejor mejor áárea relativa enlazada (RBA) ?rea relativa enlazada (RBA) ?-- SerSeráá que la naturaleza anfotque la naturaleza anfotéérica del almidrica del almidóón de papa n de papa

incrementa la retenciincrementa la retencióón y el drenaje?n y el drenaje?MovMováámonos hacia cosas reales del mercado. monos hacia cosas reales del mercado. AsAsíí que esto que significa?que esto que significa?

Hagan sus propias mediciones en su mHagan sus propias mediciones en su mááquina en particular. quina en particular.

Composición y propiedades

23

Reacciones para producir Almidón Catiónico

Cl-

H2C

CH

H2C

N+H3C CH3

CH3

OH

Cl

CH

HC

CHOH

O

H2C

O

OH

O

H2CCHOH

H2CN+

CH3

CH3

CH3

starch-OH- H2O

H2C

O

HC

CH2

N+H3C

CH3H3C

+ H2O, Cl-

NaOH

24

Claves para la cocción del almidón

•• CalorCalor•• TiempoTiempo•• AgitaciAgitacióónn•• AguaAgua

Buen cocimiento = ∆H + ∆T + ∆S + W

25

Parámetros de cocción recomendados para el almidón del lado húmedo

BatchBatch JetJet95 95 °°C / 200 C / 200 °°FF 120 120 °°C + / 250 C + / 250 °°F +F +30 minutos30 minutos alta agitacion; alta agitacion;

3 min. tiempo de retenci3 min. tiempo de retencióónn

Tanque con agitaciTanque con agitacióón n MMááximo 10 minutos de ximo 10 minutos de almacenamiento agitadoalmacenamiento agitado

MMááx % sx % sóólidos:lidos:MaMaííz: 6% z: 6% MaMaííz: 9% z: 9% Papa: 3% Papa: 3% Papa: 6% Papa: 6%

(Temp m(Temp míínima., 230nima., 230ººF, para maF, para maííz tipo waxy)z tipo waxy)

NotasNotas

•• el almidel almidóón no se disuelven no se disuelve

•• EvalEvalúúe si el almide si el almidóón esta n esta realmente cocinadorealmente cocinado

••Revise la caRevise la caíída de da de viscosidad por agitaciviscosidad por agitacióón n (tixotr(tixotróópico)pico)

••Disminuya el tamaDisminuya el tamañño de los o de los aglomerados.aglomerados.

26

Sitios de adición del almidón

•• ResistenciasResistencias: No asuma que la adici: No asuma que la adicióón n temprana incrementartemprana incrementaráá las resistencias: las resistencias: CompruCompruéébelo usted mismo con un belo usted mismo con un experimento vexperimento váálido.lido.

•• Razones para la adiciRazones para la adicióón temprana:n temprana:

•• La alta dosificaciLa alta dosificacióón implica una sobren implica una sobre--cationizacicationizacióón del sistema.n del sistema.

•• Con poco nivel de dosificaciCon poco nivel de dosificacióón se n se desperdiciardesperdiciaráá en la suspensien la suspensióón de n de consistencia bajaconsistencia baja..

AdiciAdicióón temprana del almidn temprana del almidóónn::

27

Sitios de adición del almidón

•• Todos los aditivosTodos los aditivos: Tan tarde como sea posible para : Tan tarde como sea posible para mejor control y cambios mmejor control y cambios máás rs ráápidospidos

•• AlmidAlmidóónn: Diluir a una concentraci: Diluir a una concentracióón < 1% sn < 1% sóólidos.lidos.

•• ASAASA: El almid: El almidóón que no se requiera para emulsificar n que no se requiera para emulsificar

no deberno deberíía pasar por el emulsificador. a pasar por el emulsificador.

•• Cualquier almidCualquier almidóón que no este mezclado con la emulsin que no este mezclado con la emulsióón n de encolado debe ade encolado debe aññadirse despuadirse despuéés dels del encolado.encolado.

AdiciAdicióón tardn tardíía (a la suspensia (a la suspensióón de baja n de baja consistenciaconsistencia))::

28

Selección de almidones

1. Tipo de almid1. Tipo de almidóón: n: MaMaííz z perla perla MaMaííz waxy z waxy PapaPapaYucaYuca

2. Carga del almid2. Carga del almidóón n →→ caticatióóniconico→→ anfanfóótericoterico→→ anianióóniconico

SustituciSustitucióón baja: 0.24% Nn baja: 0.24% NSustituciSustitucióón media: 0.32% Nn media: 0.32% NSustituciSustitucióón alta: 0.40% Nn alta: 0.40% N

{{

29

Situaciones para el uso del almidón de papa

•• Necesidad de incrementar resistenciasNecesidad de incrementar resistencias

•• AlmidAlmidóón requerido para aumentar retencin requerido para aumentar retencióón y n y

el drenajeel drenaje

•• El almidEl almidóón se requiere en un sistema de Sn se requiere en un sistema de Síílica lica

y microparty micropartíícula (Sin polcula (Sin políímero)mero)

•• Haciendo la primera conversiHaciendo la primera conversióón a Alcalinon a Alcalino

•• Sistemas que contienen alta Sistemas que contienen alta ““basura anibasura anióónicanica””

30

Niveles de sustitución para el almidón

La mayorLa mayoríía de las ma de las mááquinas papeleras utilizan un quinas papeleras utilizan un almidalmidóón con sustitucin con sustitucióón media de n media de (0.28(0.28--0.35% N)0.35% N)

Razones para usar un almidRazones para usar un almidóón altamente n altamente sustituido (0.36sustituido (0.36--0.40%):0.40%):�� Altos niveles de Altos niveles de ““basura anibasura anióónicanica””y alta conductividad (>2500 y alta conductividad (>2500 µµS/cmS/cm))

�� Altos niveles (>6%) de suspensiones Altos niveles (>6%) de suspensiones prepre--dispersas de Caoldispersas de Caolíín o TiOn o TiO22

31

Niveles de sustitución para el almidón

Razones para usar un almidRazones para usar un almidóón con bajos niveles de n con bajos niveles de sustitucisustitucióón (0.22 n (0.22 -- 0.27% N).0.27% N).

•• Si se usa mSi se usa máás de 20 libras de almids de 20 libras de almidóón/ton pulpa.n/ton pulpa.•• Si el ASA o el AKD y el polSi el ASA o el AKD y el políímero de resistencia en mero de resistencia en hhúúmedo son catimedo son catióónicos.nicos.

•• Con niveles altos(>10%) de PCC.Con niveles altos(>10%) de PCC.•• Los ayudantes de retenciLos ayudantes de retencióón catin catióónicos con pulpa nicos con pulpa virgen, o otras fuentes de fibra limpia (tales como virgen, o otras fuentes de fibra limpia (tales como cartones blanqueados)cartones blanqueados)

•• Ensayos preliminares que prevengan la sobreEnsayos preliminares que prevengan la sobre--cationizacicationizacióón.n.

32

Probando la retención dinámica

•• Incluir los quIncluir los quíímicos para retencimicos para retencióón n actualmente utilizados en la mactualmente utilizados en la mááquina.quina.

•• No trate de lograr los niveles de No trate de lograr los niveles de retenciretencióón obtenidos en la mn obtenidos en la mááquina de quina de papel.papel.

•• Replique y repita al azar.Replique y repita al azar.

•• Analice los resultados de acuerdo con Analice los resultados de acuerdo con su importancia y significado.su importancia y significado.

33

Hojas de mano para la selección de almidones.

•• Recicle el agua blanca!Recicle el agua blanca!

•• Controle los tiempos de adiciControle los tiempos de adicióón de qun de quíímicos.micos.

•• Mezcle hasta el Mezcle hasta el úúltimo segundo.ltimo segundo.

•• Haga duplicados al azar.Haga duplicados al azar.

•• Analice estadAnalice estadíísticamentesticamente..

34

Diagrama de flujo sencillo

Tanque de máquina

Bomba del Tanque de máquina

HeadboxCaja de distribución

Tamiz presurizado

Limpiadores

Fanpump

Agua blanca

1 2

3

Rango de pH para varios Agentesde encolado interno

Jabón deresina

Resina Aniónica Dispersa

Resina Catiónica Dispersa

4 5 6 7 8 9

AKD

AKD Catiónico

ASA

ENCOLADO ACIDO ENCOLADO NEUTRO ENCOLADO ALCALINO

Requisitos para Encolado interno

1. Debe ser inherentemente hidrofóbico o convertirse en hidrofóbico bajo estas condiciones.

2. Debe ser retenido sobre las fibras.

3. Debe ser uniformemente distribuido sobre la superficie de las fibras.

4. Debe quedar anclado firmemente en la superficie de las fibras.

5.Debe ser orientado apropiadamente sobre la fibra sobre la superficie del

relleno.

Requisitos Prácticos

6. Debe ser inerte para los líquidos encontrados en el uso final.

7. Debe tener un mínimo de efectos adversos sobre el papel o el proceso

de fabricación del papel

Pared primaria

Pared secundariade tres capas

O

4

HO 12

4 5 6 CH2OH

6CH2OH

12

3

3

5

O

Macrofibrilla

Microfibrilla

Moléculas de

celulosa

EFibra

A

B

C

DF

O G

Dos residuos deglucosa

HO

Micelas

Estructura microscópica y submicroscopica de la celulosa

Celulosa

� Polisacarido (Enlace beta-1,4 ) � Alto peso molecular� Molécula lineal� Conformación en forma de cinta� Material estructural de la pared celular

OO

OO

OH

HO

HOH2CHO

OH

HOH2C

Polar

NoPolar

Polar

Celulosa

Celulosa

OH

OH

OH

OH

OH

OHO

CO - H

OH

C = O

HO

C

O

OH

C O

H

OC

OH

O

Orientado

Superficiehidrofóbica

ESTRUCTURA DE LA CELULOSA

HHO

H

Grupo terminal noreductor

OH

CH2OH

OH H

H OH

HO O

O O

O O

O

CH2OH

OH

H H

H H

H OHCH2OH

H OH CH2OH

H H

H OH

HOHH

Hidroxilo Primario

Hidroxilo Secundario

Unidades de Celubiosa

Grupo terminalreductor

H HOH H

H

41

Ionización de grupos CarboxílicosA los pH tA los pH tíípicos en la fabricacipicos en la fabricacióón de papel, La n de papel, La ionizaciionizacióón de los grupos carboxn de los grupos carboxíílicos y los licos y los sulfatos sulfatos áácidos son la fuente mcidos son la fuente máás importante s importante de carga para la superficie de los finos y de la de carga para la superficie de los finos y de la fibra.fibra.–– RR--COOH RCOOH R--COOCOO-- + H+ H++

–– RR--SOSO33H H →→ RR--SOSO33-- + H+ H++

42

CelulosaCelulosa 4141 3939 4040

Tappi Journal (April 1994)

Composición química de la madera

Componentes SpruceComponentes Spruce PinoPino BirchBirch

GlucomanosaGlucomanosa 1818 1717 33XylanosXylanos 88 88 3030Otros carbohidratos Otros carbohidratos 44 55 44Carbohidratos (Carbohidratos (SUBTOTASUBTOTAL) 69L) 69 6767 7474

LigninaLignina 2727 2727 2020ExtractivosExtractivos 2 4 32 4 3

�Polisacáridos�Variedad de enlaces entre azucares�Cadenas ramificadas�Pesos moleculares bajos (DP≈400)�SIN tendencia a cristalizar

Hemicelulosas

Hemicelulosas

En contraste con la celulosa, que es un polímero sólo

de glucosa, las hemicelulosas son polímeros de cinco

y seis monosacáridos diferentes:

hexosas: glucosa, manosa, galactosa

pentosas: xilosa, arabinosa

Las hemicelulosas son fácilmente degradadas y disueltas

(en comparación con la celulosa), por lo que su

porcentaje es siempre menor en la pulpa que en la

madera original

Lignina� Poli-fenil propano

� Enlaces etéricos y covalentes C-C

� Estructura de la cadena

� Muy altos pesos moleculares

� En la madera: provee el enlace de las fibras

� En las pulpas mecánicas: es la fuente de superficies cargadas negativamente

� En el agua blanca: Sustancia que interfiereOH

Influencia de los Procesos de PulpeoInfluencia de los Procesos de Pulpeo

�� Procesos mecProcesos mecáánicos:nicos:–– Se notan pocos cambios quSe notan pocos cambios quíímicos durante micos durante el rompimiento de la pared exterior del fibrael rompimiento de la pared exterior del fibra

Tappi Journal Nov. 1993

•• Procesos QuProcesos Quíímicos:micos:–Remoción de la lignina–Remoción de extractivos–Disolución de un poco de hemicelulosa

Característicasde las fibras de pulpaLongitud Diámetro Relación

mm µmMaderaConíferas 4.0 40 100Frondosas 2.0 22 90 (maderas duras)Pajas y hierbasArroz 0.5 9 60Esparto 1.1 10 110Diversos (trigo, cebada, sabal) 1.5 13 120CañasBagazo (caña de azúcar) 1.7 20 80Diversos (trigo, 1.2 12 100BambúesDiversas variedades 2.8 15 180

Tallos leñosos Yute, lino kenaf, cáñamoTallos leñosos 0.25 10 25Fibras liberianas * 20 20 1000Fibras liberianas *Lino 55 20 2600Ramio 130 40 3500Fibras de hojasAbacá (cáñamo de Manila) 6 24 250Sisal 2.8 21 130Fibras de semillasAlgodón 30 20 1500Linters de algodón 20 20 1000(*) Fibras obtenidas de la corteza interior (liber)

Productos finales

Ciclo de Vida del Papel Ciclo de Vida del Papel o2

o2 o2 o2 o2

o2o2

BosqueCultivado

CO2

CO2

CO2

Planta de pulpa

CO2 CO

2 CO2

CO2

Máquinas de papel

Tratamientode efluentes

Planta convertidora

Rellenosanitario

CO2CO2CO2CO2

RECURSORENOVABLE

RECICLABLE

BIODEGRADABLE

Población

Planta de reciclaje

49

Morfología de las fibras

50

51

Estrúctura de la pared de la fibra

LumenLumen

Capa secundariaCapa secundariaS3 pared terciariaS3 pared terciariaS2 pared secundariaS2 pared secundariaS1 capa de transicionS1 capa de transicion

Pared PrimariaPared Primaria

LL áámela mediamela media

52

Morfologia de las fibras coniferas

�� Clases de celulas:Clases de celulas:

Traqueidas: 95%Traqueidas: 95%

Celulas radiales: 4%Celulas radiales: 4%

Otras: Otras: 1%1%

53

Morfologia de las fibras coniferas.�� Dimension de las traqueidasDimension de las traqueidas::

–– Longitud: 3 Longitud: 3 -- 7 mm7 mm

–– Diametro: 50Diametro: 50--30 30 µµmm

–– Espesor de pared:Espesor de pared:3 3 -- 7 7 µµmm

•• Estructura generalEstructura general::Estructura acanalada con huequitos en los bordes Estructura acanalada con huequitos en los bordes y con las puntas selladas.y con las puntas selladas.

�� Clases de celulas:Clases de celulas:

Traqueidas: 95%Traqueidas: 95%

Celulas radiales: 4%Celulas radiales: 4%

Otras: Otras: 1%1%

Plantación de pinos

54

Morfología de las fibras – Latífoliadas.

��Clases de cClases de céélulas:lulas:

–– Fibras: Fibras: 27 27 -- 70%70%

–– Vasos: Vasos: 12 12 -- 55%55%

–– ParParéénquima:nquima: 1 1 -- 7%7%

––CCéélulas radiales: lulas radiales: 6 6 -- 20%20%

55

�� Dimensiones de la fibraDimensiones de la fibra::–– Longitud:Longitud: 11--2 mm2 mm–– DiDiáámetro:metro: 1515--30 30 µµmm–– Espesor de pared:Espesor de pared: 33--7 7 µµmm

•• Estructura generalEstructura general::Estructuras huecas, alargadas y con Estructuras huecas, alargadas y con extremos cerrados y pocas perforaciones extremos cerrados y pocas perforaciones en los bordesen los bordes

Morfología de las fibras – Latífoliadas.

FINOS EN LA PULPA

•• Particulas originadas en la maderaParticulas originadas en la madera•• Pasan a traves de una malla de 200 mesh Pasan a traves de una malla de 200 mesh (76(76µµmm))

•• MMéétodo TAPPI . T261 pmtodo TAPPI . T261 pm--8080•• TamaTamañño en el rango de coloidal a 76 o en el rango de coloidal a 76 µµmm•• El total de los finos en el suministro de la El total de los finos en el suministro de la mezcla de pulpas puede incluir algunas mezcla de pulpas puede incluir algunas partpartíículasculas del relleno.del relleno.

Tipos de finos en la pulpa: Tipos de finos en la pulpa: Finos primariosFinos primarios

• Los finos se generan naturalmente en la madera y se desprenden durante el proceso de pulpeo y de blanqueo.

• Están conformados por células de parénquima, células radiales, elementos de vasos, células epiteliales y fragmentos de la pared primaria de la fibra.

• Los finos primarios pueden tener un composición química diferente a la de la fibra.

58

Tipos de finos en la pulpa:Tipos de finos en la pulpa:Finos secundarios.Finos secundarios.

•• Se generan cuando se refina la fibra. Se generan cuando se refina la fibra.

–– Se forman finos delgados con forma de veloSe forman finos delgados con forma de velo

–– La mayorLa mayoríía se originan en las capas S1 y S2 de la fibraa se originan en las capas S1 y S2 de la fibra

–– Tienen un Tienen un áárea superficial muy grande.rea superficial muy grande.

–– La composiciLa composicióón qun quíímica es muy similar a la de las capas mica es muy similar a la de las capas S1 y S2 de la fibra.S1 y S2 de la fibra.

59

Propiedades de la fibra afectando la química del lado húmedo de la maquina de papel

•• ComposiciComposicióón qun quíímica de la superficiemica de la superficie

•• Carga quCarga quíímica de la superficiemica de la superficie

•• ÁÁrea especrea especíífica de la superficiefica de la superficie

Como afectan las variables del Como afectan las variables del pulpeo en la qupulpeo en la quíímica de las fibras mica de las fibras utilizadas en la fabricaciutilizadas en la fabricacióón de n de papelpapel

•• Superficie mecSuperficie mecáánica de la fibranica de la fibra•• Principalmente parte de la Principalmente parte de la

pared y de la capa S1, pared y de la capa S1, •• tambitambiéén fragmentos de la n fragmentos de la •• lláámelamela--intermedia.intermedia.•• Compuesta principalmente de Compuesta principalmente de

ligninalignina

•• Superficie quSuperficie quíímica de la fibra mica de la fibra ––Capa S2Capa S2––Celulosa y hemicelulosa.Celulosa y hemicelulosa.

61

Fuentes primarias de Cargas Electrostáticas de las fibras

MuyMuy importante para la quimica del lado importante para la quimica del lado hhúúmedo:medo:

-- La fibra es siempre aniLa fibra es siempre anióónicanica-- Los aditivos catiLos aditivos catióónicos siempre son atraidos. nicos siempre son atraidos.

La La densidaddensidad de carga de la fibra depende de:de carga de la fibra depende de:

‒‒ El origen de la fibraEl origen de la fibra‒‒ Tratamientos como el pulpeo y el blanqueo.Tratamientos como el pulpeo y el blanqueo.

62

Grupos ionizables en la madera

Hemicelulosas y gruposHemicelulosas y grupos 4.0 5.04.0 5.0áácidos de la ligninacidos de la lignina..

Tappi Journal July 1993

Grupo acido PKA (25°C)

OHOH’’s Fens Fenóólicos de la ligninalicos de la lignina 9.5 to 10.59.5 to 10.5Grupos alcoholicos de azucares 13.5 to 15.0Grupos alcoholicos de azucares 13.5 to 15.0Grupos OH hemiacGrupos OH hemiacéétalicostalicos 12.0 to 12.512.0 to 12.5

Grupos LignosulfonatosGrupos Lignosulfonatos 100% ionizados100% ionizados

63

Valores típicos de contenido de grupos Carbóxilicos en pulpas.

Pulpa Kraft Pino blanqueadaPulpa Kraft Pino blanqueada 22--44Pulpa Blanca tropical al sulfito 3Pulpa Blanca tropical al sulfito 3--8 8 CTMPCTMP 2020--4040

Pulpas virgenes Carboxyl # (meq/100g)Pulpas virgenes Carboxyl # (meq/100g)

Fibras recicladas

Desp. Northern kraft Blanq.Desp. Northern kraft Blanq. 7.47.4Desp. Southern kraft BlanqDesp. Southern kraft Blanq 7.37.3Tissue DestintadoTissue Destintado 8.68.6Pulpa Reciclada ComercialPulpa Reciclada Comercial 8.98.9Desperdicio Blanco revistasDesperdicio Blanco revistas 19.919.9

64

�� Esta es la forma en que los Esta es la forma en que los aditivos cargados aditivos cargados interactinteractúúan con los finos y an con los finos y las fibras.las fibras.

�� Varios iones catiVarios iones catióónicos nicos presentan afinidades presentan afinidades diferentes por las fibrasdiferentes por las fibras

Intercambio iónico en la superficie de las fibras

N(CHN(CH33))3 3 ++< Li< Li + < + < NaNa+ + < Ag< Ag+ + < Ca< Ca+2 +2 = Mg= Mg+2 +2 < Ba< Ba+2 +2 < Al< Al+3+3

←←←←←←←← Enlace mEnlace máás ds déébilbil Enlace mEnlace máás fuertes fuerte→→→→→→→→

Varios iones positivos en

solución

Superficie de la fibra C= O

OM

+n

M+n

65

Área superficial específica de las fibras y los finos

�� Las fibras y los finos tienen un Las fibras y los finos tienen un áárea especrea especíífica fica muy grande, particularmente en el estado muy grande, particularmente en el estado hidratado.hidratado.

�� Muchas interacciones quMuchas interacciones quíímicas en fase micas en fase hhúúmeda se presentan en la superficie, y los meda se presentan en la superficie, y los componentes que tienen una componentes que tienen una áárea superficial rea superficial grande juegan un papel mucho mayor.grande juegan un papel mucho mayor.

66

Fracciones de pulpa. Área superficial

AdsorciAdsorcióón de N2 despun de N2 despuéés de s de intercambio con el solventeintercambio con el solvente

–– FracciFraccióón de la Fibran de la Fibra 9.99.9

–– FracciFraccióón de los Finos n de los Finos 46.846.8

FracciFraccióón de pulpan de pulpa ÁÁrea Superficial mrea Superficial m22/g/g

Source: Marton, J., Tappi 63 (4): 87 (1980).

Area Superficial Hidrodinámica–Mezcla de Pulpas, 410 CSF 2.1–Fracción de Fibras 1.2–Fracción de Finos (16.5%) 8.0

67

Adsorción preferencial de los Finos por los aditivos del lado húmedo.

AlmidAlmidóón catin catióónico 1nico 1 44 5 5

Colofonia Reforzada 1Colofonia Reforzada 1 4 4 1616

Colofonia Dispersa 1 16Colofonia Dispersa 1 16 20 20

AlumbreAlumbre 1 21 2 3 3

Intensidad Relativa de AdsorciIntensidad Relativa de Adsorcióón:n:

AditivoAditivo FIBRASFIBRAS CAOLIN FINOSCAOLIN FINOS

Ref.: Marton, J. y Ref.: Marton, J. y varias fuentes combinadasvarias fuentes combinadas..

68

Fibra: Interacciones con el agua

Las fibras participan en los siguientes tipos de enlaces de hidrógeno:

– Cadena intramolecular de la celulosa– Cadena intermolecular de la celulosa– Fibra-con agua (en suspensiones de fibra)

– Fibra – con fibra (en el papel)

Maquina de papelPreparación de fibra

Caja de distribución

Mesa

Malla Superior

Malla Inferior

PrensasSecadores

Size PressCalan

Reel

Secadores

Preparaciónde fibra

Pulpa

ProcesoSección de prensas

Caja de distribución

Mesa

Malla Superior

Malla Inferior

Secadores

Size PressCalan

Reel Secadores

Preparaciónde fibra

Pulpa

Prensas

ProcesoSección de secadores

Caja de distribución

Mesa

Malla Superior

Malla Inferior

Prensas

Size PressCalan

Reel

Secadores

Preparaciónde fibra

Pulpa

Secadores

ProcesoSpeed Sizer

Caja de distribución

Mesa

Malla Superior

Malla Inferior

PrensasSecadoresCalan

Reel

Secadores

Preparaciónde fibra

Pulpa

Speed sizer

FORMACIÓN EN MÁQUINA DE CILINDROS

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Fieltro

Reverso AnversoFORMADORES

Rodillo

Head Box

Fibras,agua,aditivos

F. PresurizadoFieltro

F. Convencional

Fibras,agua,aditivos

Rodillo

Formador

Fieltro

CartónMulticapa

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Fieltro

Reverso Anverso

Preparaciónde Pasta

PulpaPulpa AguaAgua

QuQuíímicosmicos

EnergEnergííaa

FORMADORES

SECADORESSECADORES

ESMALTADORESMALTADORAA

CALANCALANHUMEDOHUMEDO

TORRE DETORRE DESECADOSECADO

CALANCALANSECOSECO

ENROLLADORAENROLLADORA

5 PRENSAS5 PRENSAS

BATIDORESBATIDORES

PRENSA 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Fieltro

Reverso AnversoFORMADORES

Preparaciónde Pasta

5 PRENSAS5 PRENSAS

PulpaPulpa AguaAgua

QuQuíímicosmicos

EnergEnergííaa

SECADORESSECADORES CALANCALANHUMEDOHUMEDO

CALANCALANSECOSECO

ESMALTADORAESMALTADORA

TORRE TORRE DE SECADODE SECADO

ENROLLADORAENROLLADORA

CALAN SECO

78

�� 2020--40% solidos, soluciones acuosas oscuras40% solidos, soluciones acuosas oscuras�� Rango efectivo de pH de 5.0Rango efectivo de pH de 5.0--9.0. 9.0. �� Mayor efectividad en un rango de pH 6.5Mayor efectividad en un rango de pH 6.5--8.58.5�� Niveles normales de dosificacion: 5Niveles normales de dosificacion: 5--20 lbs/ton20 lbs/ton�� Estructuras auto reticuladasEstructuras auto reticuladas�� Curado lento comparado con la poliamidaCurado lento comparado con la poliamida--epiepi�� Repulpeado con causticos o hipocloritos.Repulpeado con causticos o hipocloritos.

Poliamina-epiclorhidrina

79

EDGAR MORA