Fibras para la fabricación de papel

ACOTEPAC - Edgar MoraFebrero 2013

Origen de la pulpa .

PULPA

Material fibroso para la fabricación de papel. El recurso fibroso es la madera o Residuos agrícolas como el bagazo o tallos de cereales de arroz, trigo, etc

CARACTERISTICAS DE LA PULPA

� EL PROCESO DE PULPEO USADO. ( QUÍMICO, SEMIQUIMICO,

MECÁNICO, TERMOMECANICO,)

� LA MATERIA PRIMA USADA . (MADERAS DURAS Y SUAVES,

RECICLADO, FIBRAS ANUALES Y RESIDUOS AGRICOLAS)

� TIPO Y SEQUENCIA DE BLANQUEO USADO . (TCF, ECF, CEH,

EHEH. OQP, OZONO. OQE/o/p P)

� TIPO DE FIBRA (FIBRA LARGA, FIBRA CORTA)

� EL RENDIMIENTO DEL PROCESO DE PULPEO .

(MECANICO 85-95, SEMIQUIMICO 65-85, QUIMICO 40- 60

BLANQUEABLE 16-40)

FIBRAS VEGETALES

� RESIDUOS AGRICOLAS. (BAGAZO DE CAÑA DE

AZUCAR,TAMO DE ARROZ, BASTAGO DE RACIMO DE

PLATANO,LINTER DE ALGODÓN, PAJA, CASCARA DE

PIÑA, COGOLLO SE CAÑA DE AZUCAR, ETC)

� FIBRAS AGRICOLAS ANUALES. (FIQUE, ALGODÓN ,

CROTALARIA, BAMBOO, KENAF, GUADUA, ETC)

Proceso de producción de Pulpas

PICADO Y/OLIMPIEZA

LAVADO DE PULPA

RECURSO FIBROSO:Madera, Bagazo,Linter de algodón,Tallos de cereales

TKS DE ALM. DE PULPA KRAFT

LAVADO DE PULPA BLANCA

TKS DE ALM. DE PULPA BLANCA

BLANQUEO DE PULPA

QUIMICOS

DIGESTOR

Licor Blanco

PresiónTemperatura

RECUPERACION QUIMICOS

Tipos de Pulpa

RECICLADA Liner, Corrugado Medio, Cartulinas, Tissue

SEMIQUIMICA Corrugado Medio

FIBRA CORTA Impresión y escritura

FIBRA LARGA Sacos y LinersQUÍMICA

MECANICA Periódico, Tissue

7

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

8

Morfologia De las ConiferasTraqueidas: 95%Traqueidas: 95%

CCéélulas radiales: 4%lulas radiales: 4%

9

MORFOLOGIA DE LAS CONIFERAS.

Dimension de las traqueidas:

Longitud: 3 - 7 mm

Diametro: 50-30 µµµµm

Espesor de pared: 3 - 7 µµµµmEstructura acanalada con huequitos en los bordes y con las puntas selladas.

10

Morfología de las fibras Latífoliadas.

��Clases de cClases de céélulaslulas::

––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%

11

Morfología de la fibra- Lat ífoliadas

Dimensiones de la fibraDimensiones de la fibra::–– Longitud: 1Longitud: 1--2 mm2 mm–– DiDiáámetro:15metro:15--30 30 µµmm–– Espesor de pared:Espesor de pared:33--7 7 µµmm

Estructuras huecas, alargadas y con extremos Estructuras huecas, alargadas y con extremos cerrados y pocas perforaciones en los bordescerrados y pocas perforaciones en los bordes

12

Plantación de Eucalipto

13

Plantación de Eucalipto

14

CelulosaCelulosa 4141 3939 4040

Composición química de la madera

Componentes SpruceComponentes Spruce PinoPino BirchBirch

GlucomanosaGlucomanosa 1818 1717 33XylanosXylanos 88 88 3030Otros carbohidratos Otros carbohidratos 44 55 44Carbohidratos (Carbohidratos (SUBTOTALSUBTOTAL ) 69) 69 6767 7474LigninaLignina 2727 2727 2020

ExtractivosExtractivos 2 4 32 4 3

CelulosaCelulosa

• 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

• Polisacáridos• Variedad de enlaces entre azucares• Cadenas ramificadas

• Pesos moleculares bajos (DP≈400)• SIN tendencia a cristalizar

HemicelulosasHemicelulosas

LigninaLignina• 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 interfiere

OH

LigninaLignina• Polimero tridimensional fenolico-propano

Influencia 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 el rompimiento de la pared exterior del fibrafibra

Tappi Journal Nov. 1993

•• Procesos QuProcesos Quíímicos:micos:––RemociRemocióón de la ligninan de la lignina––RemociRemocióón de extractivosn de extractivos––DisoluciDisolucióón de un poco de hemicelulosan de un poco de hemicelulosa

FINOS :Particulas originadas en la maderaParticulas originadas en la maderaPasan a traves de una malla de 200 mesh (76Pasan a traves de una malla de 200 mesh (76µµµµµµµµmm))TamaTamañño en el rango de coloidal a 76 o en el rango de coloidal a 76 µµµµµµµµmmEl total de los finos en el suministro de la mezcla de El total de los finos en el suministro de la mezcla de pulpas puede incluir algunas pulpas puede incluir algunas partpart íículasculasdel relleno.del relleno.

Tipos de finos primarios en la pulpa: Los finos se generan naturalmente en la madera y se desprenden Los finos se generan naturalmente en la madera y se desprenden durante el proceso de pulpeo y de blanqueo. durante el proceso de pulpeo y de blanqueo.

EstEstáán conformados por cn conformados por céélulas de parlulas de paréénquima, cnquima, céélulas radiales, lulas radiales, elementos de vasos, celementos de vasos, céélulas epiteliales y fragmentos de la pared lulas epiteliales y fragmentos de la pared primaria de la fibra.primaria de la fibra.

Los finos primarios pueden tener un composiciLos finos primarios pueden tener un composicióón qun quíímica mica diferente a la de la fibra.diferente a la de la fibra.

Pulpeo Mecanico

Molido o Refinacion de madera

Groundwood de Piedra --> De troncosGroundwood de Refinado --> De trozos de madera

Caracteristicas de la pulpa

•Rendimiento ----------------> Alto•Costo -------------------------> Muy bajo•Brightness --------------------> Bajo•Brightness Estabilidad ----> Baja•Resistencia--------------------> Baja•Esponje -------------------------> Alto•Lisura para Impresion ----> Excelente

Semi-QuimicoQuimico - MecanicoTermo - MecanicoQuimico – Termo - Mecanico

Combinacion de :

•Quimicos•Accion Mecanica•Calor

Propiedades mejoradas vs. Pulpas Mecanicas

•Longitud de fibra y resistencias •Blancura de la pulpa y color

Ventajas en costo vs. Pulpas quimicas

•Rendimiento•Costo

Pulpa quimica

•Kraft (Sulfato) - Alcalino

•Sulfito - Acido

•Quimicos rompen y disuelven la lignina

•Caracteristica de la pulpaRendimiento ------------------>Muy bajoCosto -----------------------------> Muy AltoBrightness -------------> AltoSecuencias de Blanqueo -----> Multiple RequeridasFibras -----------------------------> Largas, Fuertes

25

Proceso Kraft

0.1 mm

Fibras largas (pino)

FINOS EN LA PULPA

�Particulas originadas en la madera�Pasan a traves de una malla de 200 mesh (76µµµµm)�Método TAPPI . T261 pm-80�Tamaño en el rango de coloidal a 76 µµµµm�El total de los finos en el suministro de la mezcla de

pulpas puede incluir algunas partículas del relleno.

Tipos de finos en la pulpa: Finos primarios

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

�� EstEstáán n conformadospor cpor céélulas de parlulas de paréénquima, cnquima, céélulas lulas radiales, elementos de vasos, cradiales, elementos de vasos, céélulas epiteliales y lulas epiteliales y fragmentos de la pared primaria de la fibra.fragmentos de la pared primaria de la fibra.

�� Los finos primarios pueden tener un composiciLos finos primarios pueden tener un composicióón qun quíímica mica diferente a la de la fibra.diferente a la de la fibra.

SoftwoodHardwood

Especies: hardwood y softwood

0.6

mm

0.5 mm

Fibras de pulpa de maderaSoftwood Hardwood

Usos de la pulpa y fibraFibras de pino del Norte

Ejemplo: Abeto , Firs

Fibras largas y delgadas usadas para tissue y grados de papel fino

Fibras de pino del Sur

Ejemplo: Pinos Loblolly, Longleaf, y Slash Fibras largas gruesas y rigidas usadas en cajas para carton y contenedores

Eucalipto Pino

United StatesSoutheastern

United StatesNortheastern

Eastern Canada

United StatesWestern

CanadaWestern

CHILE

BRAZIL

* Santa Fe

* Riocell

* Cenibra* Aracruz

* Bahia Sul

Jari *

1

2

3

4

5

6

7

Pinos y Abetos Latifoliadas

Longitud promedio de fibrasF

iber

Len

gth

(mm

)

W. H

emlo

ck

W. R

edce

dar

Bla

ck S

pruc

e

Jack

Pin

e

Sco

ts P

ine

Dou

glas

-fir

Sou

ther

n P

ines

Red

woo

d

Euc

alyp

tus

Arc

e

Ala

mo

Abe

dul

Rob

le

Ala

mo

Am

arill

o

Gom

a ro

ja

Gom

a ne

gra

Bagazo de Caña

1.- Célula parenquimatosa

2.- Elemento vasal

3.- Célula parenquimatosa

4.- Elemento vasal

5.-Engrosamiento anular de un elemento vasal anular

6.- Varios engrosamientos anulares

7.- Dos células parenquimatosas en contacto a lo largo, como en el tejido

8.- Fibra de lumen ancho

9.- Fibra

Composicion de maderas tipicas

ConiferasAbeto blanco 44 29 27Pino Jack 41 30 29

promedio 43 28 29

LatifoliadasAlamo 53 31 16Abedul 41 40 19Arce Rojo 41 35 24

promedio 45 34 21

Pajas vegetales Tallo de maiz 43 43 14Pitillos de trigo 42 36 22Bagaso 45 35 20

Hemi-Celulosa Celulosa Lignina

Propiedades de la hoja

Pino/ EucaliptoRelacion de pulpas vs Propiedades de la hoja

Relacion cantidad Pino/Eucalipto

FormacionLisuraImprimabilidadOpacidad

ResistenciaPorosidadEsponje Costo

40

Bagazo (2X)

41

Bagazo (2X)

42

Fuentes primarias de Cargas Electrostáticas de las fibras

MuyMuy importante para la quimica importante para la quimica del lado hdel lado húúmedo:medo:

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

atraidos. atraidos.

La La densidaddensidadde carga de la fibra depende de:de carga de la fibra depende de:El origen de la fibraEl origen de la fibraTratamientos como el pulpeo y el blanqueo.Tratamientos como el pulpeo y el blanqueo.

43

Grupos ionizables en la madera

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

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% ionizado100% ionizado

44

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 8.98.9Desp. Blanco revistasDesp. Blanco revistas 19.919.9

45

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

Superficiede la fibra

C= O

OM

+n

M+n

46

Area 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 hmicas en fase húúmeda se meda se presentan en la superficie, y los componentes que presentan en la superficie, y los componentes que tienen una tienen una áárea superficial grande juegan un papel rea superficial grande juegan un papel mucho mayor.mucho mayor.

47

Fracciones de pulpa. Área superficial

AdsorciAdsorcióón de Nn de N22 despudespuéés de intercambio con el solventes de intercambio con el solvente

–– FracciFraccióón de la Fibran de la Fibra 9.99.9

–– FracciFraccióón de los Finosn 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 HidrodinArea Superficial Hidrodin áámicamica

––Mezcla de Pulpas, 410 CSFMezcla de Pulpas, 410 CSF 2.12.1

––FracciFraccióón de Fibrasn de Fibras 1.21.2

––FracciFraccióón de Finos (16.5%)n de Finos (16.5%) 8.08.0

48

Adsorción preferencial de los Finos

por los aditivos del lado húmedo.

AlumbreAlumbre 1 21 2 33

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

Intensidad Relativa de AdsorciIntensidad Relativa de Adsorcióón:n:

AditivoAditivo FIBRASFIBRAS CAOLINCAOLIN FINOSFINOS

49

Fibra: Interacciones con el agua

Las fibras participan en los siguientes tipos de Las fibras participan en los siguientes tipos de enlaces de hidrenlaces de hidróógeno:geno:

–– Cadena intramolecular de la celulosaCadena intramolecular de la celulosa

–– Cadena intermolecular de la celulosaCadena intermolecular de la celulosa

-- FibraFibra --con agua (en suspensiones de fibra)con agua (en suspensiones de fibra)

-- Fibra Fibra –– con fibra (en el papel)con fibra (en el papel)

50

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

Refinando Pulpa→→→→

Res

ist.

en S

eco

→→ →→ Rasgado

Tensil

51

5

4

3

0 1 2 3 4 5%Almidón catiónico en el papel

Long

. de

Rot

ura

(km

)

Efecto del almidón catiónico retenido y mezclado en la resistencias físicas

Entonces que haceel almidón??

Tiem

po de mezcla

52

Porqué la adsorción de polímeros es importante . en el proceso de fabricación de papel?

Resistencias en hResistencias en húúmedo medo o seco por la adicio seco por la adicióón de n de polpolíímeros en el entremeros en el entre--cruzamiento de fibras.cruzamiento de fibras.

RetenciRetencióón: poln: políímero mero ampliamente ampliamente distribuido sobre la distribuido sobre la superficie de las fibras.superficie de las fibras.

Uso del arbol maderable