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CARACTERIZACIÓN de MATERIAL CELULÓSICO de la EMPRESA SAICA MÁSTER EN QUÍMICA SOSTENIBLE (2013-2014) AUTOR: ALBERTO CABRERIZO MACHÍN DIRECTORES: MIGUEL PELAYO GUILLÉN y JESÚS ANZANO LACARTE MEMORIA ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN y OBJETIVOS …………………………….……… 2 2. PROCESO PRODUCTIVO ……………………………………...……. 4 2.1. PRODUCCIÓN DE PASTA ...……………………….…….. 4 2.2. PRODUCCIÓN DE PAPEL .…………………………….… 5 2.3. PRODUCCIÓN DE CARTÓN...….………………………... 7 3. SISTEMA EXPERIMENTAL ………………..……………………….. 10 3.1. ACONDICIONAMIENTO DE MUESTRA………………. 10 3.2. ENSAYOS GENERALES …………………………………. 10 3.3. ENSAYOS COMPRESIÓN …………………..…………… 12 3.4. ENSAYOS TRACCIÓN …………………………………… 13 3.5. ENSAYOS FLEXIÓN ……………………………………… 14 3.6. ENSAYOS SUPERFICIE ………………….………………. 15 4. RESULTADOS …………………………………………………………. 17 5. CONCLUSIONES ……………………………………………………… 24 6. BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………….. 25 1. INTRODUCCIÓN y OBJETIVOS La civilización china fue la primera en desarrollar un proceso de fabricación de papel haya por el siglo II a.C. Durante unos 500 años, el arte de la producción estuvo limitado a la cultura China. Poco a poco el conocimiento se introdujo en otras civilizaciones: Japón, Asia Central, el pueblo árabe y finalmente Europa y España, alrededor del S. X. Desde entonces el papel ha constituido un producto muy integrado en nuestra vida, de gran importancia y sobre todo difícilmente sustituible. Los avances de la ciencia y los nuevos sistemas de telecomunicación, han permitido que el sector papelero crezca, gracias a mejoras en el procesado, almacenamiento y transporte del producto. En esta memoria se describe lo aprendido durante la estancia de prácticas en el laboratorio de i + D + i de la empresa SAICA (Sociedad Anónima Industrias Celulosa Aragonesa). SAICA es una empresa líder dentro de la industria del papel reciclado. Fue fundada en el año 1943 y en la actualidad, tiene una capacidad de producción de 2,4 millones de toneladas al año de papel. La empresa se divide en tres secciones: SAICA Natur, SAICA Paper y SAICA Pack. La sección de Natur se encarga de la gestión integral de los residuos, que es la materia prima para la producción de papel. La empresa dispone de más de 50 centros distribuidos por España, Reino Unido, Portugal y el sur de Francia. En SAICA Paper se aprovecha el residuo, papel recuperado, como materia prima para fabricar un producto indispensable para nuestra sociedad, el papel, de origen 100 % reciclable y biodegradable. SAICA es una empresa comprometida con el desarrollo sostenible. La división de Paper dispone de cuatro fábricas y siete máquinas de papel: El Burgo de Ebro (Zaragoza) con tres máquinas de papel, otra en Zaragoza con 2 máquinas, una fábrica en Francia y otra en Reino unido con una máquina cada una. SAICA Paper no sólo distribuye papel a sus cartoneras, sino que también tiene sus propios clientes a los que les vende papel. La sección de SAICA Pack es la encargada de diseñar, fabricar y entregar cualquier tipo de envase o embalaje de cartón ondulado. SAICA Pack cuenta con 43 plantas de producción distribuidas por seis países: España, Portugal, Francia, Italia, Reino Unido e Irlanda. Esta distribución geográfica facilita la cercanía con los clientes, al mismo tiempo que permite atender a clientes multinacionales que desean un único punto de contacto para gestionar sus compras. Gracias a la colaboración y al trabajo realizado por las tres secciones y lo más importante gracias al cliente, se puede cerrar el denominado ciclo del papel. Este ciclo se inicia en el reciclado selectivo de los ciudadanos y termina en ellos mismos cuando compran un producto que se vende en una caja. Para que este ciclo no se rompa es necesario que todas las partes que lo forman cooperen y sean conscientes de la necesidad de reciclar el papel, no solo por el aspecto económico sino por un desarrollo sostenible. Figura 1.1. Ciclo de papel El objetivo de este proyecto es aprender cómo funciona el sector papelero y en concreto el laboratorio de i + D + i. La estancia de las prácticas ha servido para aprender el trabajo que se realiza en un laboratorio de investigación así como las técnicas empleadas en la caracterización y análisis de muestras de papel. A su vez, otro objetivo de este proyecto, ha sido la realización de un estudio comparativo entre dos grupos de muestras de papel, uno de fibra reciclada y otro de fibra virgen. En este estudio se analizarán una serie de propiedades del papel como la resistencia a la compresión y al estallido con la finalidad de determinar cuál de los dos grupos de muestras presenta las mejores características para la elaboración de una caja de cartón ondulado. 2. PROCESO PRODUCTIVO Existe una gran variedad de tipos de papeles, cada uno con sus características y destinados a distintos usos. Uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta es el origen de la fibra que puede ser virgen o reciclada. Para ambos tipos de fibras la producción de papel se divide en dos etapas: producción de pasta papelera y producción de papel. La segunda etapa es común para los dos tipos de fibras, pero la producción de pasta papelera es diferente en función de cual sea su origen. Como la empresa SAICA utiliza como materia prima papel recuperado nos centramos en ese proceso. El papel recuperado como materia prima se utiliza en la fabricación de determinados tipos de papeles como papel prensa, papel para embalaje, para cartón ondulado, etc. La empresa SAICA, como ya hemos dicho, se divide en tres secciones: SAICA Natur que se encarga de la gestión de los residuos, SAICA Paper que es la encargada de producir el papel y SAICA Pack cuya misión es construir una caja a partir del papel producido en la sección de Paper o a partir de otros papeles que no produce SAICA y que compra en el mercado. 2.1. Producción de pasta papelera El proceso de reciclado del papel comienza con la separación previa de cada ciudadano en su casa y con su depósito en los contenedores correspondientes. Este paso es el primer eslabón de toda la cadena de reciclaje y sin el cual todo lo demás no funciona. Una vez depositado el papel y el cartón en los contenedores azules, es recogido por una empresa la cual lo selecciona y clasifica, para posteriormente llevarlo a una empresa papelera, en este caso SAICA, donde se convierte el papel usado en papel reciclado. Lo primero que se realiza cuando se recibe el papel son operaciones de seleccionado y embalaje. Como se describe el anexo A existen diversos tipos de papeles que se pueden utilizar en la elaboración de cartón ondulado. En función de las necesidades del cliente se utilizará un tipo de papel u otro, y para ello hay que realizar una selección previa. Una vez seleccionado el papel, se introduce en un pulper junto a grandes cantidades de agua. El objetivo del pulper es separar las fibras que contiene el papel usado sin romperlas ya que posteriormente formarán el papel recuperado. El siguiente paso es la eliminación de todo lo que no sea fibra. La pasta de papel se filtra por tamices de distintos tamaños para separar los distintos tipos de objetos (plásticos, alambres, tierra, metales…) que provienen del mal reciclado de los ciudadanos. A continuación se realiza el destintado, que consiste como su propio nombre indica, en eliminar la tinta. Para ello se utiliza jabón y aire a presión. La combinación de ambas forma pompas que atrapan la tinta y suben a la superficie, donde unos potentes aspiradores recogen la mezcla de tintas que tenía el papel usado. El último paso consiste en realizar sucesivos lavados a la pasta, seguido de un proceso de espesado que tiene como objetivo ir reduciendo la cantidad de agua que contiene la pasta. Una vez formada la pasta a partir de ella se producirá el papel. 2.2. Producción de papel. Una vez producida la pasta papelera y antes de emplearla en la producción de papel, hay que acondicionar la pasta. Se realizan procesos de desfibrado, depuración ciclónica, fraccionado, depuración y dispersión, con el objetivo de mejorar las propiedades físicoquímicas de las fibras del papel. Cuando tenemos la pasta limpia, ya se puede emplear en la producción del papel. La producción de papel está dividida en dos partes: una seca y otra húmeda. Parte húmeda Caja de pastas o entrada (1): La caja de pastas se alimenta con una suspensión de fibras, con un porcentaje de agua del 99 % y un 1 % de fibras. La función de este equipo es suministrar la suspensión de pasta a la máquina de papel de una manera perfectamente homogénea, con un flujo rectangular de la misma anchura que la máquina y a una velocidad homogénea y similar a la de la máquina de papel. Con ello se consigue que la distribución de las fibras sea uniforme y que el papel final sea lo más homogéneo posible. Formador o mesa (2): La función principal del formador es eliminar la mayor cantidad de agua de una manera progresiva y homogénea. La suspensión que viene de la caja de pastas se deposita sobre una o dos telas plásticas sin fin, que giran a la velocidad de la máquina, y que sirven de soporte a las fibras y permiten que el agua pase a través. Para aumentar la velocidad de drenaje, se utilizan equipos que proporcionan gradientes hidráulicos o vacío. Al final del formador el contenido en fibras habrá aumentado desde el 1% hasta el 18-20%. Sección de prensas (3): La función de la sección de prensas es seguir eliminando agua de manera uniforme y consolidar la hoja, por prensado de la misma. La hoja de papel húmedo se transfiere a las prensas mediante vacío, y se deposita sobre unas vestiduras plásticas denominadas fieltros (bayetas) con gran capacidad para absorber agua. La hoja soportada en los fieltros va pasando por varios efectos, cada vez con mayor presión lineal. Al final, la sequedad del papel es de aproximadamente el 50%. Figura 2.1. Máquina de papel parte húmeda Parte seca Figura 2.2. Máquina de papel parte seca Sección de secado, pre-sequería (4) y post-sequería (6): Después de las prensas la hoja de papel se envía a la sequería para evaporar el agua que queda. La hoja se hace pasar por una serie de cilindros rotatorios calentados con vapor. El papel se mantiene en íntimo contacto con la superficie de los secadores mediante un textil sintético y permeable al vapor, que se denomina tela de sequería. Esta tela también sirve para soportar y guiar la hoja a través de la sección de secado. Prensa de encolado (5): Se usa para aplicar soluciones acuosas al papel, con objeto de mejorar alguna de sus características. La aplicación más habitual es para mejorar las características de resistencia mecánica del papel, aunque también se pueden mejorar la capacidad de impresión o la resistencia a la penetración de agua. Uno de los aditivos más empleados es el almidón, que se adiciona para mejorar la resistencia del papel. Enrolladora o pope (7): Una vez acabado, el papel se enrolla de forma adecuada en grandes bobinas, denominadas “bobinas madre” para su posterior procesado fuera de máquina. Esta es la labor que realiza la enrolladora o pope. Mientras el papel se está enrollando, hay equipos de control que están midiendo de manera continua el gramaje y la humedad del papel para retroalimentar el sistema de control de la máquina. Existen tratamientos adicionales que se realizan sobre el papel para mejorar las propiedades visuales en función de los requisitos del cliente. Calandrado El objetivo es la obtención de una superficie de papel lisa, lo que hace que quede más brillante. Se realiza por fricción o lijado a través de una calandra. Estucado El objetivo es mejorar el resultado de impresión obteniendo a su vez un mayor grado de blancura. Los productos utilizados son agua, pigmentos blancos y otros aditivos. 2.3. Producción de cartón El siguiente paso una vez hemos obtenido el papel, es convertirlo en cartón para posteriormente formar la caja. El cartón es un material que está formado por combinaciones de varias hojas de papeles unidas mediante una cola de almidón. En función de su posición tenemos hojas exteriores denominadas liner y hojas onduladas en el medio del cartón denominadas fluting. Como se describe en el anexo B, existen distintos tipos de cartón en función del número de canales y del tipo de onda del papel ondulado, para formar los distintos tipos de caja. El proceso consta de dos etapas, en la primera se obtiene la plancha de cartón (onduladora) y en la segunda etapa (transformación) la plancha se transforma en una caja. Onduladora En la siguiente imagen se muestra un esquema general del proceso llevado a cabo en la onduladora. Simple cara Si queremos un cartón que solo tenga un canal estaríamos en el caso simple cara 1, donde se ondula el fluting y se pega a la cara interna del cartón. En el caso de que queramos formar un cartón doble-doble (dos canales) se ondula un segundo fluting y se pega a la cara que irá en el medio del cartón. En primer lugar se desenrolla el fluting y se acondiciona. Normalmente hay que calentarlo para favorecer el proceso de ondulación, pero en algunas ocasiones es necesario humedecerlo con vapor de agua. A continuación se introduce en el laberinto de ondulación y se adiciona cola con base de almidón en las crestas del fluting. Simultáneamente se desenrolla y se calienta el liner para ayudar al pegado con el fluting. Se forma el llamado simple cara. Figura 2.3. Vista general de un tren de ondulado PAT Mide la fuerza de pegado del fluting ondulado al liner en una probeta. Se expresa en N/mm. (Figura 19, Anexo C). ZDTS Mide la tensión máxima que un papel puede resistir sin separación de capas cuando se le aplica una fuerza perpendicular a la superficie. Se expresa en kPa. (Figura 20, Anexo C). Ply bond Es un ensayo similar al ZDTS. Determina la fuerza necesaria para separar el papel en dos capas. Se mide en J/m 2 . (Figura 21, Anexo C). Pegado de pestañas Este ensayo da información sobre si están bien pegadas las pestañas de la caja de cartón. Obtenemos la fuerza en N. (Figura 22, Anexo C). 3.5. Ensayos de flexión Ensayos para papel: rigidez Taber. Ensayos para cartón: flexión a cuatro puntos, korutest. Rigidez Taber Cuantifica la resistencia que opone un papel a ser doblado. Se expresa en mN. (Figura 23, Anexo C). Flexión a cuatro puntos Expresa la resistencia de una probeta de cartón a soportar una determinada carga estando solamente fijada por los extremos. Se fija la distancia que el cartón tiene que flexar y se mide la fuerza necesaria para conseguirlo. Se expresa en Nm. (Figura 24, Anexo C). Korutest Este ensayo mide la resistencia que tiene el cartón a la torsión. Se realiza en dirección través. (Figura 25, Anexo C). 3.6. ENSAYOS DE SUPERFICIE Ensayos de papel: rugosidad Bendtsen, PPS, color y blancura, manchas, IGT, mottling, COBB, ángulo de contacto, penetración de líquido (EMCO), rugosidad con microscopio, ángulo de deslizamiento, precintos, COF y ángulo de contacto y penetración. Ensayos de cartón: rugosidad Bendtsen, COBB, ángulo deslizamiento, precintos, COF. Color y Blancura Este ensayo nos da información sobre el color de los crudos, y sobre el color y la blancura en los papeles blancos. El color se define mediante tres coordenadas: L, a, b mientras que la blancura además de con las anteriores, también con la ISO Brightness y CIE Whiteness. Gracias a este ensayo, se elimina la distinta percepción que cada persona tiene para definir los colores. (Figura 26, Anexo C). PPS (Rugosidad Parker) El ensayo PPS calcula el flujo de aire que escapa por las rugosidades del papel en el plano del cabezal de medición. Distintas presiones de contacto del cabezal con el papel pueden ser aplicadas en función del tipo de papel a analizar. Nos da el resultado en micras. (Figura 7, Anexo C). Rugosidad Bendtsen Se define como la medida de la importancia de las irregularidades del plano de la superficie del papel, importancia que se concreta en la profundidad, anchura y número de irregularidades de dicho plano. La rugosidad tiene una gran influencia sobre la calidad de impresión, coeficientes de fricción, brillo y absorción. Se expresa como caudal de aire (ml/min). (Figura 27, Anexo C). Manchas en el papel Cuantifica la cantidad y área de manchas en el papel. La cantidad se expresa en Nº/m², el área en mm²/m², el tamaño medio de partícula en mm². (Figura 28, Anexo c). Rugosidad con microscopio Mediante el uso de un microscopio confocal, se hace un barrido sobre la superficie de la muestra. Nos da un perfil de la rugosidad. Se mide en micras. (Figura 29, Anexo C). Mottling Mide la uniformidad de la capa blanca del papel. Es un ensayo exclusivo para papeles blancos. (Figura 30, Anexo C). IGT Permite predecir como imprimirá un papel en su manipulado en las cartoneras. (Figura 31, Anexo C). COBB Es la cantidad de agua absorbida por la probeta de papel o cartón en un tiempo determinado. Se realizan medidas a distintos tiempos. Se expresa en g/m². (Figura 32, Anexo C). Ángulo de deslizamiento Es el ángulo a partir del cual desliza un papel contra otra muestra del mismo. Se mide en grados. (Figura 33, Anexo C). EMCO Este ensayo consiste en observar como penetran los líquidos en la muestra por la acción de ultrasonidos. La intensidad del ultrasonido varía con el tiempo según va sustituyéndose enlaces fibra-fibra por fibra-agua. Nos da un valor en tiempo (s). (Figura 34, Anexo C). Precintos En este ensayo se determina la fuerza necesaria para despegar un precinto pegado a una probeta de papel o cartón. Se expresa en N/m. (Figura 35, Anexo C). COF Se trata de un ensayo para determinar los coeficientes de fricción del papel y del cartón. (Figura 35, Anexo C). Ángulo de contacto y penetración Nos da información sobre la tensión superficial del papel y la forma en que penetra el líquido en el mismo. El líquido empleado es agua destilada. Obtenemos datos de ángulo de contacto con el papel, volumen restante y área que abarca la gota de líquido. Este ensayo permite obtener información acerca de la absorción o adsorción de un líquido sobre un papel. (Figura 36, Anexo C). 4. RESULTADOS Una característica que tiene gran influencia sobre las propiedades del papel, es la procedencia de la fibra, que puede ser: virgen, reciclada o una combinación de ambas. La fibra virgen presenta mayor flexibilidad, mientras que la fibra reciclada (de menor tamaño debido que el proceso de reciclado acorta el tamaño de la fibra) presenta mayor resistencia a la compresión. Esta última propiedad es la más deseada en el mundo del cartón, ya que una caja debe tener buena resistencia a la compresión si no queremos que se dañe el producto que contiene. En este apartado se describe un estudio comparativo realizado sobre un conjunto de muestras de papel formadas a partir de fibra reciclada y otro grupo de muestras en las que la fibra es de procedencia virgen. Ambos grupos de muestras son análogas. Las muestras de fibra reciclada son papeles recuperados de altas prestaciones (PRAP), mientras que las de fibra virgen son kraft liner crudo (entre el 80 y el 100 % de fibra virgen, ver Anexo 1). Se han realizado varios ensayos: cenizas, TSI y TSO, SCT y estallido, con el objetivo de comparar y encontrar que tipo de fibra es la más conveniente, en función de las necesidades del cliente, para la elaboración de una caja. Cenizas Con el ensayo de cenizas se obtiene información sobre la procedencia de la fibra. El ensayo consiste en calcinar la muestra a una temperatura de 525º C durante 2 horas y se obtiene un resultado en porcentaje de cenizas. Durante el transcurso del ensayo se van eliminando los componentes orgánicos del papel, mientras que en las cenizas nos quedan compuestos inorgánicos como carbonatos o sulfatos. A mayor valor de cenizas, más cantidad de fibra reciclada contiene el papel. Esto es debido a que el papel de fibra virgen es prácticamente en su totalidad celulosa que no queda presente en las cenizas, mientras que en las cenizas de una fibra reciclada quedan estos aditivos inorgánicos que se adicionan durante la elaboración del papel recuperado. En el siguiente cuadro se muestran los valores de cenizas obtenidos para los dos conjuntos de muestras. El número que acompaña al tipo de papel indica el gramaje. Ensayo Unidades PRAP-140 PRAP-170 PRAP-185 PRAP-200 PRAP-250 Nº muestras 3 14 3 8 14 Cenizas % sps 12,04 12,14 12,03 12,15 9,69 Ensayo Unidades K135 K170 K-186 K200 K275 Nº muestras 1 4 1 4 3 Cenizas % sps 5,47 4,76 6,99 4,73 4,16 Observando los resultados, se confirma que en los papeles de fibra virgen presentan menores valores de contenido en cenizas que los de fibra reciclada. Cuadro 4.1. Resultados ensayo de cenizas TSI y TSO Este ensayo es útil para medir las propiedades elásticas de una hoja de papel en la dirección del plano mediante la acción de ultrasonidos. Los valores más importantes a considerar por parte de los fabricantes de papel a partir de las mediciones son los siguientes. TSI DM : Índice de rigidez a la tracción de la hoja en dirección máquina. TSI CD : Índice de rigidez a la tracción de la hoja en dirección transversal de la máquina. TSI MD/CD : Relación de índices de rigidez a la tracción. TSO: Orientación de la rigidez a la tracción. Se representa como el ángulo (α) de la rigidez a la tracción máxima en relación a la dirección máquina. La velocidad de un pulso de ultrasonidos que se propaga en el plano de una hoja de papel se corresponde con las propiedades elásticas de la hoja expresadas por el TSI.  =   ×  Donde TSI se expresa en kNm/g o MNm/kg, v es la velocidad de propagación del puso ultrasónico en km/s y c una constante adimensional de valor cercano a 1. En el siguiente cuadro se recogen los valores medios medidos para los dos grupos de muestras. Ensayo Unidades PRAP-140 PRAP-170 PRAP-185 PRAP-200 PRAP-250 TSI MD kNm/g 9,41 9,58 8,95 8,29 9,55 TSI CD kNm/g 4,82 4,54 4,99 4,75 4,47 TSI MD/CD 1,95 2,11 1,79 1,74 2,14 TSO º 3,21 1,57 2,42 1,40 1,50 Ensayo Unidades K135 K170 K-186 K200 K275 TSI MD kNm/g 12,57 12,27 8,94 12,18 10,44 TSI CD kNm/g 4,56 4,16 4,01 4,21 4,58 TSI MD/CD 2,76 2,95 2,23 2,89 2,28 TSO º 4,38 2,04 0,61 1,14 1,84 Existe correlación entre el TSI CD y la resistencia a la compresión, a mayor valor, teóricamente más resistirá el papel la compresión. Los valores de TSI CD de las muestras de fibra recuperada, son mayores que los de fibra virgen por lo que se espera unos valores mayores de compresión. Por otro lado existe a su vez correlación entre el TSI CD/MD y el estallido. En este caso los valores son mayores para la fibra virgen, por lo que en teoría más resistirá el papel ese tipo de fuerzas. Figura 4.1. TSI y TSO Figura 4.2. Propagación del pulso Cuadro 4.2. Resultados ensayo TSI y TSO. SCT (Short Compression Test) En este ensayo se mide la resistencia a la compresión que puede soportar un papel. Se realizan medidas en las dos direcciones del papel, pero la que realmente nos interesa es la realizada en dirección transversal, ya que será en esa dirección en la que la caja sufrirá la compresión. Como ya hemos dicho en el apartado anterior a mayor TSI CD se obtiene un mayor valor de compresión, por lo que cabe esperar que se obtengan mayores valores de compresión para los papeles de fibra recuperada. La muestra de papel se coloca entre dos mordazas con una longitud libre de sujeción de 0,7 mm. Cuando las mordazas se acercan entre sí, la longitud se reduce y las piezas de ensayo se comprimen incrementándose las tensiones de la tira. La fuerza máxima obtenida constituye el resultado del ensayo. En el siguiente cuadro se muestran los valores medios obtenidos de SCT para los dos grupos de muestras. El índice de SCT que luego utilizaremos para realizar la representación gráfica es el resultado de dividir el SCT entre el gramaje. Ensayo Unidades PRAP-140 PRAP-170 PRAP-185 PRAP-200 PRAP-250 Gramaje g/m² 141,20 170,96 183,87 199,95 251,66 SCT DT kN/m 3,42 3,78 4,65 4,63 5,20 iSCT DT kN*m/kg 24,20 22,11 25,26 23,17 20,67 TSI CD kNm/g 4,82 4,54 4,99 4,75 4,47 Ensayo Unidades K135 K170 K-186 K200 K275 Gramaje g/m² 135,30 171,12 185,00 201,60 275,58 SCT DT kN/m 2,76 3,20 3,28 3,83 5,71 iSCT DT kN*m/kg 20,36 18,72 17,70 19,01 20,70 TSI CD kNm/g 4,56 4,16 4,01 4,21 4,58 Los resultados han sido los esperados, ya que como podemos comprobar cuanto mayor es el valor de TSI CD mayor es la resistencia a la compresión del papel. Además los valores de iSCT son mayores para la fibra reciclada que para la fibra virgen, por lo que las muestras de papel recuperado ofrecen una mejor resistencia a la compresión que los papeles de fibra virgen. En las siguientes gráficas se representan los valores de TSI CD frente a iSCT DT para los dos tipos de muestras, así como una gráfica comparativa de ambos grupos. Cuadro 4.3. Resultados ensayo SCT Figura 4.3. SCT Gráfica 4.1. TSI CD vs iSCT muestras papel reciclado Gráfica 4.2. TSI CD vs iSCT muestras fibra virgen Gráfica 4.3. TSI CD vs iSCT Papel Reciclado vs Fibra Virgen y = 0,117x + 2,0146 R² = 0,9611 20,00 21,00 22,00 23,00 24,00 25,00 26,00 4,40 4,50 4,60 4,70 4,80 4,90 5,00 iSCT TSI CD Muestras Papel Reciclado y = 0,204x + 0,3649 R² = 0,9824 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00 20,50 21,00 3,90 4,00 4,10 4,20 4,30 4,40 4,50 4,60 4,70 iSCT TSI CD Muestras Fibra Virgen 15,00 17,00 19,00 21,00 23,00 25,00 27,00 3,50 3,70 3,90 4,10 4,30 4,50 4,70 4,90 5,10 iSCT TSI CD Papel Reciclado vs Fibra Virgen Papel Reciclado fibra Virgen ESTALLIDO El ensayo de estallido nos mide la presión límite que, aplicada perpendicularmente a su superficie, soporta una probeta de papel o cartón. La resistencia al estallido ha sido durante largo tiempo el criterio de resistencia dominante para el cartón corrugado. La resistencia al estallido del cartón corrugado es igual a la suma de las resistencias al estallido de los liners y un 10 % de la resistencia del fluting. En nuestro caso realizaremos el ensayo a las muestras de papel de los dos grupos. Como ya hemos comentado existe una correlación entre el TSI CD/MD y el estallido. Este ensayo está relacionado con la flexibilidad de la fibra, y en teoría cabe esperar que las muestras con procedencia de fibra virgen tengan mayor valor de estallido que los de fibra recuperada. En el ensayo de resistencia al estallido, se estira una región de forma circular del papel mediante una membrana de goma hasta una ampolla que finalmente estalla. Durante este proceso, la muestra sometida se ve afectada por fuerzas de tracción, de cizalladura y de flexión. Obtenemos el resultado del punto en el que rompe el papel expresado en kPa En el siguiente cuadro se muestran las medias de los valores obtenidos de estallido de los dos grupos de muestras. El índice de estallido que luego utilizaremos para realizar la representación gráfica es el resultado de dividir el estallido entre el gramaje. Ensayo Unidades PRAP-140 PRAP-170 PRAP-185 PRAP-200 PRAP-250 Gramaje g/m² 141,20 170,96 183,87 199,95 251,66 ESTALLIDO kPa 342,63 426,04 416,25 516,78 632,78 i Estallido kPa*m²/g 2,43 2,49 2,26 2,58 2,51 TSI MD/CD 1,95 2,11 1,79 1,74 2,14 Ensayo Unidades K135 K170 K-186 K200 K275 Gramaje g/m² 135,30 171,12 185,00 201,60 275,58 ESTALLIDO kPa 602,71 795,25 656,75 932,33 1024,11 i Estallido kPa*m²/g 4,45 4,65 3,55 4,62 3,72 TSI MD/CD 2,76 2,95 2,23 2,89 2,28 Como podemos observar, los resultados del ensayo han sido los esperados. Cuanto mayor es el valor de TSI MD/CD mayor es el índice de estallido. En todos los casos se ha cumplido esta regla menos en la muestra PRAP-200 que los valores de estallido han sido menores de lo que se deseaba, por lo que se excluirá ese punto en la construcción de la recta. A su vez se observa que los valores para las muestras de fibra virgen son mayores que para la fibra reciclada, debido a su mayor flexibilidad. A medida que se aumenta los ciclos de reciclado de la fibra esta se acorta y va perdiendo flexibilidad, por lo que si lo que se busca es esta propiedad ofrecen mejores prestaciones los papeles de fibra virgen. Figura 4.4. Estallido Cuadro 4.4. Resultados ensayo estallido Gráfica 4.4. TSI MD/CD vs i estallido muestras papel reciclado Gráfica 4.5. TSI MD/CD vs i estallido muestras fibra virgen Gráfica 4.6. TSI MD/CD vs i estallido papel reciclado vs fibra virgen y = 0,6513x - 0,1118 R² = 0,9913 3,30 3,50 3,70 3,90 4,10 4,30 4,50 4,70 4,90 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 i Estallido TSI MD/CD Muestras Fibra Virgen y = 1,3814x - 1,3489 R² = 0,9428 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 i Estallido TSI MD/CD Muestras Papel Reciclado 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 2,70 2,90 3,10 i Estallido TSI MD/CD Papel Reciclado vs Fibra Virgen Papel reciclado Fibra Virgen ALABEO El alabeo siempre ha constituido un problema en la producción de cartón corrugado. Para definir el alabeo, se ha asumido que una sección de una hoja alabeada puede ser descrita como parte de un círculo, tal como se muestra en la imagen. Esto puede considerarse válido si se considera una parte lo suficientemente corta del arco. El alabeo en dirección transversal es más difícil de controlar; los problemas de alabeo en la dirección máquina pueden resolverse ajustando la tensión de las bobinas del ondulador. El alabeo reduce la productividad y origina problemas de desperdicios en la salida del ondulador y en el equipo de transformación. A su vez genera problemas en algunas máquinas de embalaje. El alabeo está relacionado con la orientación de la fibra, es decir, con el TSO. Un ángulo TSO fuera de los límites ± 5º indica un mayor riesgo de problemas de estabilidad dimensional en el cartón corrugado como el alabeo o doblado. La orientación de la fibra y los efectos de tensiones/deformaciones se miden de forma directa mediante el método de ultrasonidos utilizado en la medida del TSI. Este método es por tanto la herramienta perfecta para predecir el comportamiento del papel en el proceso de transformación. En el siguiente cuadro se muestran la media de las medidas realizadas para los dos tipos de muestras. Ensayo Unidades PRAP-140 PRAP-170 PRAP-185 PRAP-200 PRAP-250 TSO medio º 3,21 1,57 2,42 1,40 1,50 Ensayo Unidades K135 K170 K-186 K200 K275 TSO medio º 4,38 2,04 0,61 1,14 1,84 Los resultados obtenidos para los dos tipos de muestras se encuentran entre los límites de ± 5º, por lo que en un principio no deberían surgir problemas de alabeo en el cartón en el caso de que se usase este tipo de papeles para la elaboración de la caja. Figura 4.5. Alabeo Cuadro 4.5. Resultados ensayo TSO Anexo B. B.1. Cartón El cartón es un material que está formado por combinaciones de varias hojas de papeles unidas mediante una cola de base en almidón. En función de su posición tenemos una hoja exterior (liner), una hoja ondulada en el medio (fluting) y una hoja interior (liner). Los papeles liners confieren características de imprimabilidad a la caja y aportan resistencia al embalaje. Son papeles que suelen estar encolados por lo que presentan buena resistencia al mojado. El papel ondulado o fluting, aporta resistencia a la compresión de la caja, aumenta la rigidez a la flexión, elasticidad parcial ante situaciones de aplastamiento y resistencia a impactos de la caja. No tienen el mismo acabado que los liner, no están encolados por lo que tienen peor resistencia al mojado. El cartón puede estar formado por uno o varios canales en función del número de papeles que lo formen, de esta manera, podemos encontrar cartones de uno, dos o tres canales. Otro factor a tener en cuenta a la hora de construir un cartón es el tamaño de la onda. Las ondas más utilizadas y demandas en el mercado son: B, C y E. Figura B.1. Cartón Figura B.2. Tipos de canales Figura B.3. Tipos de onda Para describir un cartón hay que tener en cuenta: el espesor del papel (t), espesor del cartón (h), altura de onda (hc), paso de onda (λ), dirección máquina (DM) y dirección través (DT). Tanto la dirección máquina como través del cartón coinciden con la del papel, y cada una de ellas le proporciona al cartón unas propiedades. En la DT es la dirección que soportará la compresión la caja, mientras que la DM proporciona flexibilidad. En el siguiente cuadro se muestran el paso de onda y la altura para cada tipo de onda. Paso de onda (mm) < 2 2 2 - 3 3 - 4 6 - 7 7 - 8 8 - 9 > 9 Tipo de onda O G ó N F= mini micro E = micro B = baja C = media A = alta K=muy alta Altura (mm) <0,5 0,5 - 0,75 0,75 - 1,25 1,25 - 2 2,0 - 3,25 3,25 - 4,25 4,25 - 5,5 > 5,5 Figura B.4. Parámetros Cuadro B.1. Parámetros del cartón B.2. Tipos de cajas Independientemente de la forma de la caja, se sigue un patrón de nomenclatura para el dimensionado: longitud (L) x anchura (B) x altura (H) en mm. 1. Rollos y planchas comerciales 2. Cajas de tipo ranurado Consisten básicamente en una pieza con juntas de fabricación encolada, cosida o pegada con cinta y solapas superiores e inferiores. Se despachan extendidas en un plano, listas para su uso y se cierran utilizando las solapas superiores e inferiores. Figura B.5. Rollos y planchas comerciales Figura B.6. Cajas de tipo ranurado 3. Cajas telescópicas Fabricada con más de una pieza, se caracterizan por una tapa y/o fondo que se desliza sobre el cuerpo de la caja. 4. Cajas plegables y bandejas Son en general de una única pieza de cartón ondulado. El fondo de la caja se pliega para formar dos, o todas las paredes laterales, y la tapa. Pueden incorporarse al diseño elementos de cierre, asas, paneles expositores, etc. Figura B.7. Cajas telescópicas Figura B.8. Cajas plegables y bandejas 5. Cajas de tipo deslizante Constan de varias piezas de forros interiores y fundas que deslizan en diferentes direcciones uno dentro de otro. Este grupo incluye también fundas exteriores para otras cajas. 6. Cajas tipo rígido Formadas por dos piezas separadas, para los extremos y un cuerpo; requieren un grapado u otra operación similar antes de que puedan utilizarse. Figura B.9. Cajas de tipo deslizante bandejas Figura B.10. Cajas de tipo deslizante bandejas 7. Cajas de encolado rápido Están hechas generalmente de una sola pieza, se entregan extendidas en un plano o plegadas y listas para su utilización por medio de un sencillo montaje. 8. Acondicionadores interiores Acondicionadores interiores: como forros, refuerzos, casilleros, divisiones interiores, tanto si se ajustan a un modelo de caja o como piezas sueltas. El número de piezas de los acondicionadores interiores mostrados es arbitrario y puede aumentarse o disminuirse de acuerdo con las necesidades. Figura B.11. Cajas de encolado rápido Figura B.12. Acondicionamientos interiores ANEXO C. NSTRUMENTACIÓN Y EQUIPOS C.1. Ensayos generales Figura C.1. Gramaje Figura C.2. Micrómetro Figura C.3. Balanza halógena Figura C.4. Estufa Figura C.5. Porosidad Bendtsen Figura C.6. Gurley Figura C.7. Permeabilidad ISO y PPS Figura C.8. Contenido en cenizas Figura C.9. Índice de formación C.2. Ensayos de compresión Figura C.10. CMT Figura C.11. CCT Figura C.12. SCT Figura C.13. ECT Figura C.14. FCT Figura C.15. BCT C.3. Ensayos de tracción Figura C.16. TSI y TSO Figura C.17. Tracción Figura C.18. Estallido y PET Figura C.19. PAT Figura C.20. ZDTS Figura C.21. Ply bond