PASTA MECÁNICA

1. PASTA MECÁNICA Pasteado de alto rendimiento Profesor : Esteban Revilla Laboratorios de Celulosa y Papel INIA-CIFOR

2. Pasteado La madera es un material compuesto natural, y mas complejo que cualquier otro creado artificialmente. Se podría comparar con un material compuesto por fibras de carbono unidas con resina sintética. Pero en el caso de la madera, a su vez las fibras también son un material compuesto. Los componentes son sustancias poliméricas de carácter viscoelástico con diferentes propiedades químicas y físicas. El objetivo de cualquier proceso de pasteado es separar las fibras y hacerlas apropiadas para formar papel

3. Para separar las fibras sin demasiado daño, es necesario disolver la lignina, o al menos reblandecerla para facilitar su liberación. En cualquier caso las fibras necesitan un tratamiento mecánico adicional para dejarlas en condiciones apropiadas para formar papel. La trasformación de la madera en papel sigue varios pasos: • Desestructuración de la madera individualizando las fibras, y dispersándolas en agua (Pasteado) • Tratamiento mecánico para flexibilizar las fibras (Refino) • Recolocación de las fibras sobre un plano, retirando el agua de dispersión. (Formación de la hoja) • Prensado y secado para establecer enlaces y consolidar la nueva disposición

4. Pasta Madera Papel

5. La separación de las fibras se puede realizar por procedimientos físicos, químicos, o por combinación de ambos. • Los Procesos de pasteado en los que se aplican solamente tratamientos físicos se denominan PROCESOS MECÁNICOS y la pasta así obtenida se denomina Pasta Mecánica Pastas químicas Tratamiento químico P. mecano- químicas Y semi-químicas Tratamiento físico Madera Pasta mecánica

6. Pasta mecánica Características de los Procesos Mecánicos • La separación de las fibras se realiza por la aplicación de esfuerzo físico sobre la madera. • Se necesita utilizar una gran cantidad de energía. (3500 KW/T) • No sirve cualquier madera • Casi la totalidad de la materia prima se transforma en pasta. Son pastas de alto rendimiento. **(90-98%)** • Al realizarse la separación de las fibras de forma física, quedan acompañadas de toda la lignina, es una separación “traumática”, por lo que muchas fibras se rompen y otras quedan formando paquetes • Al no haber modificaciones químicas la pasta conserva el color de la madera, (pastas claras) • Se obtienen papeles con baja resistencia, pero buenas cualidades ópticas y de impresión, (Alta opacidad)

7. Transformaciones físicas en el proceso La madera esta constituida por polímetros naturales que le confieren unas características viscoelásticas. Su respuesta a los tratamientos mecánicos varía con la humedad, temperatura, y modo de aplicación del esfuerzo. En las condiciones de pasteado, la madera tiene agua suficiente para la saturación de la pared de las fibras. Podemos actuar sobre la temperatura y los esfuerzos para optimizar el pasteado. Es necesario una buena separación de las fibras y un tratamiento que las deje suficientemente flexibles. Los diferentes procesos van a condicionar la forma de separación y estado de las fibras

8. Transformaciones físicas en el proceso • Un proceso de pasteado mecánico ideal debería producir: • Buena separación de fibras • Sin cortarlas longitudinalmente • Fribrilación interna • Abundantes finos procedentes de la lámina media y primeras capas de la pared celular • Fibrilación externa de la pared secundaria

9. EL objetivo es separar la fibras el mínimo daño • Para lograrlo aprovechamos las diferencias en las propiedades de sus componentes • Resistencia mecánica: Lignina < celulosa • Temperatura reblandecimiento: hemicelulosas < lignina < celulosa • Distribución de los componentes en las diferentes capas de la pared celular • Estructura amorfa o cristalina

10. 20-25 % LIGNINA Lumen S3 S2 Pared Secundaria S1 70-80 % LIGNINA (80 % del total de la pared celular) Pared primaria Lamina media (15-20 % del total de la pared celular)

14. Pasta Mecánica Pasta Química

15. Factores que influyen en la fabricación de pasta mecánica • Propiedades de la madera • Propiedades del proceso

16. Propiedades de la madera Especie vegetal Densidad Contenido de humedad Propiedades de las fibras Composición química (lignina, extractos) Contenido en madera temprana y tardía Proporción de albura y duramen (sapwood y heartwood) Contenido de madera de compresión Contenido en nudos Efectos de las operaciones previas Defectos e impurezas

17. Propiedades del proceso ¿ Cómo podemos obtener pasta mecánica ? Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

18. La fabricación de pasta empieza con el lavado y el descortezado de los troncos Descortezadora de tambor

19. Procesos Mecánicos de Pasteado • Procesos propiamente mecánicos: • Procesos mecánicos de muela: SGW y PGW • Proceso mecánico con refinador: RMP • Proceso termomecánico: TMP • Combinando acción mecánica y química: • Quimitermomecánicos: CTMP • Procesos quimimecánicos y semiquímicos.

20. Propiedades del proceso Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

21. Procesos mecánicos de Muela • Son los mas antiguos. Se empezaron a utilizar en el siglo XIX. • Utilizan molinos con una muela giratoria estriada • La madera se introduce en forma de troncos. • La mayoría de las instalaciones de este tipo son anteriores a 1960

22. Desfibrador de Muela de piedra • Los troncos se presionan contra la piedra • La piedra se mantiene limpia y refrigerada con las regaderas de agua • En los diseños tradicionales la piedra permanece bañada en una pileta con agua

24. En el pasteado de muela, la madera sufre ciclos de compresión descompresión, que producen la rotura por fatiga del material. Las deformaciones que experimentan las fibras se traducen en calor que aumenta la temperatura del proceso

25. Procesos mecánicos de Muela • Variables del proceso: • Diseño de la piedra • Velocidad de giro • Presión contra la piedra • Caudal de agua • Temperatura., Muelas de piedra de una pieza Placas de material abrasivo fijadas a un cilindro de acero con núcleo de hormigón. Naturaleza del material abrasivo Diseño del estriado Frecuencia de afilado Influyen en: Consumo de energía (SEC) Proporción de finos y paquetes Limpieza de la piedra, temperatura Plasticidad de las fibras

26. Las losetas están sujetas con tornillos al cilindro. La superficie externa queda perfectamente homogénea

27. Efecto de la temperatura: • Se considera desfibrado en caliente de 60º a 90º C • A mayor temperatura: • Mayor resistencia de la pasta. • Menor consumo específico de energía. • Menor grado de refino (disminución del contenido de finos). A partir de 90º C empiezan a aperecer otros problemas; oscurecimiento de la pasta, quemado de las fibras, etc..

28. Proceso de Pasteado de Muela PresurizadoPGW • La piedra está dentro de una carcasa cerrada que se puede mantener a presión • Es una tecnología relativamente moderna, se empieza a usar en 1977 (Suecia) • Se obtienen pastas de mejor calidad que las SGW, con un consumo energético inferior a los de las pastas de refinadores.

29. Pasteado de Muela – SGW (Stone Groundwood) • Los troncos se fuerzan de forma lateral contra una muela de piedra abrasiva que rota paralela a ellos. • Pasteado de Muela Presurizado – PGW (Pressurized Groundwood) • Igual que el anterior pero troncos y piedra están sometidos a presión y temperatura superior a los 100ºC .

30. Desfibrador presurizado

31. Pasteado de Muela Presurizado • Al estar a presión se puede trabajar con temperaturas de agua superiores a 100ºC • Se dispone de un mayor rango de temperaturas para conseguir diferentes tipos de pastas, (PGW95, PGW-S120) • Se consiguen fibras mas largas y flexibles • Pastas con mayor resistencia que las SGW, con propiedades de resistencia semejantes a las TMP • Actualmente estas pastas son muy utilizadas para papel de impresión

32. Pastas de Muela Presurizado PWG Convencional SGW

33. Otros procesos de Pastas de Muela • TGW.- Thermo Ground Wood • Alternativa de un molino de cadenas al proceso PGW • Los troncos están sumergidos en agua caliente • FGP.- Finnes Groundwood Pulp • Molino a la piedra con alimentación de astillas • Pastas de alto contenido en finos, alto SRº • Menor consumo de energía

34. Tipos de molinos: • Molinos discontinuos o intermitentes. • Disponen de varias cámaras provistas de un pistón que empuja los troncos. De modo que mientras en una los troncos están siendo presionando contra la piedra, se pueden estar recargando las otras. • Molinos continuos. • De cadenas.- Los trocos son empujados hacia la piedra por varias cadenas con uñas, se va recargando continuamente por arriba • De anillo.- Consiste en un cilindro horizontal dentado interiormente, la piedra esta en el interior montada excéntricamente. Los troncos se van introduciendo en el cilindro por un extremo y son forzados contra la piedra

35. Proceso discontinuos De recámara ( Waterous 1910) Varios, Pulp and Paper Manufacture, Vol. II: Mechanical Pulping, Ed. TAPPI–CPPA, (1987). p 8.

36. Molino continuo de Cadenas (Voit, 1915) • El desfibrado no se interrumpe

37. Molino en continuo de anillo. • El cilindro exterior gira lentamente en el mismo sentido que la piedra Smook, G.A., "Manual paraTécnicosde Pulpay Papel” TappiPress, Atlanta, GA (1990). p.55

38. Propiedades del proceso Desfibrando troncos en molinos de muela PASTAS DE MUELA (SGW) 1 Solo paso Tronco -> Pasta Desfibrando astillas en refinos de discos PASTA DE REFINOS (RMP) 3 Pasos Astillas – Desfibrado - Refino

39. Procesos Mecánicos de Pasteado • Procesos propiamente mecánicos: • Procesos mecánicos de Muela: SGW y PGW • Procesos mecánico con refinador: RMP • Proceso Termomecánico: TMP • Combinando acción mecánica y química: • Quimitermomecánicos: CTMP • Procesos quimimecánicos y semiquímicos. • Procesos mecánico con refinador: RMP y TMP

40. Procesos mecánicos con refinador • La madera se presenta en forma de astillas (Chips). Los trocos son transformados en astillas en la astilladora

41. Las astillas tienen una estructura rígida, hay que reblandecer esa estructura antes de entrar al refinador. • Tratamientos previos • Remojo • Vaporizado • Desestructuración • Congelado • Los objetivos son: • Reducir el consumo de energía • Facilitar la separación de las fibras

42. Operaciones previas: • Astillado • Selección y almacenamiento de astillas • Vaporizado • Lavado • Precalentamiento

43. El proceso de astillado es el punto de partida de la mayoria de los procesos de pasteado, tanto para pasta mecánica como para pastas químicas. Las astillas son clasificadas para aceptar un tamaño homogéneo. Las astillas obtenidas son a continuación, procesadas en los refinadores de discos para su transformación en pasta. Los refinadores de discos son maquinas provistas unos discos de acero estriados, entre los que se introducen las astillas. Uno de los discos gira accionado por un potente motor eléctrico Las astillas son introducidas en el Refino desfibrador mediante un tornillo sin fin.

44. Refino de discos de laboratorio Sprout-Waldron

45. REFINO DE DISCOS

46. La madera se presenta en forma de astillas (Chips). • El desfibrado se realiza introduciendo las astillas entre dos discos estriados que giran a gran velocidad. • La acción de los discos es diferente a la acción de la piedra • Producen pastas de mejor calidad que las SGW

47. Control del proceso: Diseño de discos Separación de los discos Velocidad de giro Consistencia Temperatura y presión Tasa de produción Consumo específico (SEC) Grado de refino

48. Se utilizan dos refinadores consecutivos; El primero ( Refino primario o Desfibrador ) se alimenta con la madera en forma de astillas El segundo ( Refino secundario o Refinador ) se alimenta con la pasta procedente del Refino primario En el Desfibrador la separación entre discos es mayor y el diseño de los discos es mas abierto En el refinador se aproximan mas los discos, a menudo se utilizan discos con diseños combinados y “Dams”

49. Pasta • Tipos de refinos de discos: • Un disco fijo y uno rotativos • Dos discos rotativos • Dos discos fijos y uno rotativo Astillas Astillas Pasta Astillas 2ª Etapa Refino Pasta 1ª Etapa Desfibrado