INFLUENCIA DE LA HUMEDAD Y LA TEMPERATURA EN LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL PAPEL KRAFT

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1 UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL: ELECTRICIDAD PROYECTO FIN DE CARRERA INFLUENCIA DE LA HUMEDAD Y LA TEMPERATURA EN LAS CARACTERÍSTICAS DIELÉCTRICAS DEL PAPEL KRAFT Autora: Lorena Vizcaíno Moreno Director: Simón Dávila LEGANÉS, JUNIO 2009

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3 - 3 - AGRADECIMIENTOS En primer lugar, quiero agradecer a mis padres, Francisco y Victoria, el haberme dado la oportunidad de poder estudiar una carrera, su motivación y sus consejos siempre han sido acertados. El apoyo, la confianza y la ayuda incondicional me regalan han hecho posible que hoy esté aquí. Gracias por guiarme en la vida. A mi hermana Mª Victoria tengo que darle las gracias por ser un ejemplo a seguir para mi, sabes que te admiro. Siempre juntas, siempre de la mano. Quiero agradecer también a mi tutor, Simón Dávila, su interés, su apoyo y dedicación en este proyecto y sobretodo la cercanía que me ha demostrado en este último tramo universitario. Gracias por tu confianza. A mis compañeros de beca, y a mis compañeros de clase que hoy son mis amigos, Esther, Laura, Mónica, Débora, Baroja, gracias por superar conmigo las frustraciones y por disfrutar a vuestro lado las risas y los mejores momentos. Con vosotros todo ha sido más fácil. A mis amigas, las ajenas a la universidad, que han vivido conmigo la ilusión de cerrar esta etapa. Gracias por la fuerza y el ánimo que solo vosotras sabéis transmitir.

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5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL 1.- INTRODUCCIÓN EL SISTEMA DE AISLAMIENTO EN TRANSFORMADORES Aislamiento sólido en transformadores La celulosa Proceso Kraft El papel aislante Propiedades del papel Características eléctricas del papel kraft Deterioro del aislamiento sólido en transformadores Comportamiento de los aislantes sólidos Pérdidas dieléctricas en el aislamiento sólido del transformador Degradación del papel aislante Humedad en el aislamiento del transformador Importancia de la humedad en el aislamiento del transformador Origen de la humedad en el aislamiento del transformador Evaluación de la humedad en el aislamiento del transformador Curvas de equilibrio de humedad papel-aceite METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Instrumentos de medida Karl Fischer Equipo IDA Electrómetro Keithley Celda de sólidos LDZ-5/S Preparación de las muestras Cálculos previos RESULTADOS Resultados obtenidos con el valorador Karl Fischer Comprobación de las curvas de Fessler Resultados obtenidos con el IDA Medición de la tangente δ 72

6 ÍNDICE GENERAL Tangente δ frente a la frecuencia Tangente δ frente a la humedad en el papel kraft Medición de la capacidad Capacidad frente a la frecuencia Capacidad frente a la humedad en el papel kraft Medición de la conductividad Conductividad frente a la frecuencia: Conductividad frente humedad papel Kraft Medición de la resistividad Resistividad frente a la frecuencia Resistividad frente a la humedad en el papel Kraft Resultados obtenidos con el equipo Keithley ANÁLISIS DE RESULTADOS Efectos de la humedad y la temperatura en la tangente de delta Efectos de la humedad en la capacidad Efecto de la humedad en la conductividad Efectos de la humedad en la resistividad CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 125 BIBLIOGRAFÍA 129

7 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Estructura química de la celulosa 17 Figura 2: Polarización eléctrica en dieléctricos 36 Figura 3: Redrawn de las curvas de EHV-Weidmann-Weidmann para el equilibrio de la humedad del sistema del aceite-papel 43 Figura 4: Curva de Oommen. Humedad en el papel frente a humedad en el aceite para sistemas de aislamiento papel/aceite en equilibrio 44 Figura 5: % HR en el papel en función del % de la HR del ambiente 45 Figura 6: Humedad en el papel en % en función de la humedad en el aceite en PPM 46 Figura 7: Presión de vapor en función de la humedad en el papel en % por Oommen 47 Figura 8: Curvas de Griffin. Curvas para el contenido de agua en sistemas papel/aceite mineral en equilibrio 48 Figura 9: Humedad en el papel (%) frente a humedad relativa (%) de Fessler 49 Figura 10: Coulómetro Karl Fischer 52 Figura 11: Equipo de medida de la respuesta dieléctrica en el dominio del tiempo de la frecuencia IDA Figura 12: Diagrama esquemático de bloques del sistema IDA Figura 13: Equipo Keithley 56 Figura 14: Celda de sólidos LDZ-5/S1 57 Figura 15: Cámara climática 59 Figura 16: Humedad en el papel frente a la humedad relativa del ambiente (Fessler) 63 Figura 17: Humedad en el papel (%) frente a humedad relativa (%) de Fessler 66 Figura 18: Curvas de Fessler 67 Figura 19: Curvas de Fessler y Curvas experimentales 71 Figura 20: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para los 9 puntos estudiados 72 Figura 21: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma

8 ÍNDICE GENERAL temperatura de 20ºC 74 Figura 22: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 40ºC 75 Figura 23: Tangente de delta frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 60ºC 77 Figura 24: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) 79 Figura 25: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) 79 Figura 26: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) 80 Figura 27: Tangente de delta frente a la humedad en el papel (%) 80 Figura 28: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para los 9 puntos estudiados 81 Figura 29: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 20ºC 82 Figura 30: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 40ºC 84 Figura 31: Capacidad (F) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 60ºC 85 Figura 32: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%) 87 Figura 33: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%) 87 Figura 34: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%) 88 Figura 35: Capacidad (F) frente a la humedad en el papel (%) 88 Figura 36: Conductividad (S/m) frente a la frecuencia (Hz) para los nueve puntos estudiados 89 Figura 37: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 20ºC 90 Figura 38: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 40ºC 92 Figura 39: Conductividad (S/m)) frente a la frecuencia (Hz) para una misma temperatura de 60ºC 93 Figura 40: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%) 95 Figura 41: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%) 95

9 ÍNDICE GENERAL Figura 42: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%) 96 Figura 43: Conductividad (S/m) frente a la humedad en el papel (%) 96 Figura 44: Resistividad (Ω*m) frente a la frecuencia (Hz) para los nueve puntos estudiados 97 Figura 45: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una misma temperatura de 20ºC 98 Figura 46 : Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una misma temperatura de 40ºC 100 Figura 47: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) para una misma temperatura de 60ºC 102 Figura 48: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 103 Figura 49: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 104 Figura 50: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 104 Figura 51: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 105 Figura 52: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 107 Figura 53: Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 108 Figura 54: Comparación de la Resistividad (Ω*m) frente a la humedad en el papel (%) 109 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Características técnicas de papel Kraff 32 Tabla 2: Condiciones del entorno del IDA Tabla 3: Condiciones de temperatura y humedad relativa estudiados 60 Tabla 4: Valores teóricos de humedad en el papel según la ecuación de Fessler 61 Tabla 5: Datos teóricos de la humedad en el papel en las condiciones del estudio 66 Tabla 6: Datos experimentales obtenidos con el valorador Kart Fischer 68 Tabla 7: Datos teóricos y experimentales de la humedad en el papel 71 Tabla 8: Valores de la tangente de delta a 20ºC 73 Tabla 9: Valores de la tangente de delta a 40ºC 75

10 ÍNDICE GENERAL Tabla 10: Valores de la tangente de delta a 60ºC 76 Tabla 11: Valores de la tangente de delta para diferentes frecuencias 78 Tabla 12: Valores de la capacidad a 20ºC 82 Tabla 13: Valores de la capacidad a 40ºC 83 Tabla 14: Valores de la capacidad a 60ºC 85 Tabla 15: Valores de la capacidad para diferentes frecuencias 86 Tabla 16: Valores de la conductividad a 20ºC 90 Tabla 17: Valores de la conductividad a 40ºC 91 Tabla 18: Valores de la conductividad a 60ºC 93 Tabla 19: Valores de la conductividad para diferentes frecuencias 94 Tabla 20: Valores de la resistividad a 20ºC 98 Tabla 21: Valores de la resistividad a 40ºC 99 Tabla 22: Valores de la resistividad a 60ºC 101 Tabla 23: Valores de la resistividad para diferentes frecuencias 103 Tabla 24: Resistencia volumétrica obtenida con el equipo Keithley 106 Tabla 25: Resistividad a partir del equipo Keithley 106 Tabla 26: Resistividad obtenida con el IDA Tabla 27: Tangente de delta a Hz 114 Tabla 28: Capacidad a Hz 117 Tabla 29: Conductividad a Hz 120 Tabla 30: Resistividad a Hz 123 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1: Volumen del aire 22 Ecuación 2: Longitud de la ruptura 25 Ecuación 3: Índice de tensión 25 Ecuación 4: Módulo de Young (1) 28 Ecuación 5: Módulo de Young (2) 28 Ecuación 6: Módulo de Young (3) 28 Ecuación 7: Curvas de humedad en el aceite 45 Ecuación 8: Humedad relativa 46

11 ÍNDICE GENERAL Ecuación 9: Fórmula de Fessler incorrecta 47 Ecuación 10: Fórmula de Fessler correcta 48 Ecuación 11: contenido en agua 53 Ecuación 12: Resistividad 106

12 ÍNDICE GENERAL

13 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Las máquinas eléctricas deben asegurar su funcionamiento en distintas temperaturas de régimen pero estas máquinas están sujetas a esfuerzos que degradan el sistema de aislamiento durante su operación. Un aislante es tanto mejor cuanto más elevada es la temperatura que soporta sin sufrir ningún deterioro. El deterioro del aislamiento es debido a principalmente a los siguientes factores: una temperatura excesiva, presencia de oxígeno y la humedad. Estos factores junto con los esfuerzos eléctricos aceleran este deterioro. Los efectos de la humedad en el aislamiento de transformadores centran la mayoría de las investigaciones sobre los fallos de aislamiento en transformadores. La vida útil del transformador está básicamente marcada por la vida útil de los aislamientos celulósicos. El presente proyecto tiene como objetivo analizar el comportamiento del papel aislante

14 INTRODUCCIÓN sin impregnar en aceite frente a distintas condiciones de humedad relativa y temperatura. También se comprobará que se cumple la fórmula de equilibrio agua-papel de Fessler. El papel Kraft será expuesto a diferentes combinaciones de humedad relativa y temperatura y se realizarán medidas de tangente de delta, capacidad, conductividad y resistividad. Se estudiará la influencia de la humedad en el papel Kraft a temperaturas de 20 ºC, 40 ºC y 60ºC combinadas con humedades relativas de 20%, 30% y 40%. El proyecto consta de seis capítulos. En el segundo capítulo se describen las características del papel Kraft, la influencia de la humedad en el papel Kraft y la comprobación de la fórmula agua-papel de Fessler. El capítulo tres expone la metodología experimental que se ha llevado a cabo en el estudio, describiendo tanto los pasos seguidos en los ensayos, como los aparatos de medida utilizados. El cuarto capítulo muestra los resultados y el capitulo cinco el análisis de resultados. Para finalizar, en el capítulo seis se exponen las conclusiones y recomendaciones para posibles trabajos futuros. Como limitaciones a la hora de realizar este proyecto, se puede tener en cuenta que el lugar en el que se han realizado los ensayos no disponía de una humedad en el ambiente y una temperatura lo suficientemente estable o adaptable a nuestras necesidades como para haber podido realizar otros ensayos con diferentes aparatos de medida disponibles en el laboratorio y también se podría elevar el número de muestras realizadas para obtener mejores datos estadísticos.

15 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO EL SISTEMA DE AISLAMIENTO EN TRANSFORMADORES Los transformadores de potencia son uno de los componentes más importantes de los sistemas de potencia. Los diferentes análisis de fallas de los transformadores demuestran que las operaciones de mantenimiento se deben orientar de manera que aseguren la eficiencia del aislamiento. El proceso de degradación evoluciona gradualmente hasta presentarse la falla, que en ocasiones puede ser catastrófica. Es un hecho que la vida de un transformador esta ligada a la vida de su aislamiento sólido por lo que el envejecimiento o deterioro de este aislamiento determina la expectativa de vida de un transformador. [1]

16 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO El aislamiento del transformador está formado por: Aceite Papel impregnado en aceite Pressboard impregnado en aceite Como aislantes líquidos se utiliza el aceite mineral cuyas funciones son aislar, refrigerar y extinguir arcos que se pudieran producir. Este aceite mineral se encuentra recirculando por convección natural. [2] Entre los aislantes sólidos más utilizados se encuentra el papel Kraft utilizado para envolver los conductores de los bobinados y el cartón prensado (pressboard) que dan forma a estructuras de aislamiento rígidas. El sistema de aislamiento de los transformadores se compone de varios materiales, en las bobinas de alta y baja tensión se utiliza papel Kraft y para lograr el perfecto aislamiento entre los devanados y en el núcleo se utiliza cartón prensado (pressboard), además de esmaltes especiales, bandas de fibra de vidrio que juntos hacen que el transformador sea capaz de soportar voltajes relativamente altos que podrían presentarse en el servicio normal, y también hacen que se soporten los esfuerzos térmicos y mecánicos que se presentan en el cortocircuito. Los bobinados se realizan a partir de conductor de Cobre con aislamiento sólido entre espiras y entre capas. La geometría de los bobinados se mantiene mediante el encintado de los conductores de cobre, obteniendo un conjunto compacto capaz de soportar los esfuerzos de cortocircuito. [3] 2.1. Aislamiento sólido en transformadores La mayoría de materiales de aislamiento sólido usados en transformadores de potencia son porosos, permitiendo eliminar, mediante el vacío, los gases y agua vaporizada, así como conseguir el relleno de todas las cavidades con aceite. El papel aislante utilizado en este proyecto es el papel kraft cuya base es la celulosa, por esta razón el siguiente apartado desarrolla algunos conceptos relativos a ésta. [4,5]

17 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO La celulosa La base de la que está compuesto el papel Kraft es la celulosa. La fórmula química de la celulosa puede verse en la figura 1 Figura 1: Estructura química de la celulosa El papel está formado por fibras de celulosa, pero ésta no se encuentra en forma pura en la naturaleza, sino que podemos encontrar compuestos formados por celulosa, tales como las fibras de algodón, la madera, etc. La celulosa se sintetiza en las plantas a partir de la GDP-glucosa o la UDP-glucosa por acción de la celulosa-sintasa: NDP-glucosa + (glucosa)n NDP + (glucosa)n+1 Desde el punto de vista técnico y comercial, la celulosa recibe diferentes denominaciones, dependiendo del proceso que se utilice para separar las fibras de celulosa del resto de los componentes de la madera: Celulosa Química: se obtiene a partir de un proceso de cocción de las partículas de madera (chips) con diferentes productos químicos a altas temperaturas y presiones. Este proceso de cocción química de la madera se realiza a altas temperaturas y presiones, con el objetivo de disolver la lignina contenida en la madera con una disolución alcalina, liberando las fibras. Dependiendo de los aditivos químicos usados en la cocción, existen celulosas químicas kraft y celulosas al sulfito, siendo la primera más utilizada a nivel mundial. La celulosa química se caracteriza por tener un rendimiento total relativamente bajo, es decir, sólo entre un 40% y un 60% del material original (madera) queda en el producto final (fibras), el resto (lignina), se disuelve en la solución alcalina para ser

18 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO posteriormente quemada y generar la energía térmica y eléctrica necesaria en los procesos productivos. Estas celulosas son más resistentes, ya que las fibras quedan intactas, son más fáciles de blanquear y menos propensas a perder sus cualidades en el tiempo. Celulosa Mecánica: mejor conocida como Pulpa Mecánica, se obtiene desfibrando la madera a altas temperaturas y presiones. En este proceso, la madera es molida y triturada mecánicamente, y sometida a altas temperaturas y presiones. Posteriormente la pasta es clasificada, lavada y eventualmente blanqueada. Este proceso requiere un alto consumo energético. La celulosa mecánica, se caracteriza por tener un alto rendimiento, normalmente entre un 85% y 95%, pero la lignina remanente en el producto puede oxidarse generando el color amarillo que caracteriza a los diarios viejos. Las principales aplicaciones son la fabricación de papel para periódicos y papeles para impresión y escritura de menor calidad. Esta celulosa es menos resistente que la química, no por la presencia de esta lignina sino porque las fibras que contiene han sido cortadas en el proceso de fabricación. De la producción a nivel mundial en 1998 (175 millones de toneladas) un 76% de la producción se empleó a celulosas químicas y sólo un 24% a celulosas mecánicas. Entre ambas categorías está también la celulosa denominada Quimio-Termo- Mecánica, donde se utiliza una combinación de los procesos anteriores. La celulosa resultante de estos procesos adquiere la forma de una pasta (tiene un alto contenido de agua) y su contenido de lignina es importante, dándole una tonalidad color café, similar al color natural de la madera. Otra forma de clasificar la celulosa es a partir de la materia prima usada para su fabricación. Dependiendo de ella existen celulosas de fibra larga (softwood pulp) y celulosas de fibra corta (hardwood pulp). Difieren principalmente en su resistencia, ya que ésta depende básicamente de las uniones moleculares que se establecen entre las fibras. La celulosa de fibra larga genera en los papeles una red de uniones más resistentes que las de fibra corta. La longitud de las fibras largas fluctúa entre 2,5 y 4,5 mm, contra los 0,7 a 1,8 mm de las fibras cortas. [6,7]

19 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO Proceso Kraft La celulosa utilizada para fabricar el papel aislante utilizado en aplicaciones eléctricas es elaborada mediante el proceso denominado kraft [8], a través del cual los chips de la madera son cocidos en una solución alcalina basada en sulfatos y soda cáustica para extraerles la lignina; estos compuestos químicos son posteriormente recuperados para su reutilización, en un proceso de ciclo cerrado. Los rollizos de madera son descortezados, transformados en astillas (chipeados). Estas astillas después son enviadas a una pila de acopio para su homogeneización. Desde la pila de acopio, los chips o astillas, son extraídos, clasificados y conducidos al proceso de cocción en licor blanco (solución alcalina de soda cáustica y sulfuro de sodio). De este proceso de cocción resulta la pasta de celulosa, la cual es clasificada, lavada y blanqueada. Una vez blanqueada, se procede a su secado y embalado final. En el proceso de cocción, el licor blando junto con la lignina disuelta, se convierte en un licor negro, el cual se concentra para luego ser quemado en las calderas recuperadoras. La parte orgánica del licor negro (lignina y otros compuestos de la madera) produce energía en el proceso de combustión, generando el vapor que se utiliza en la producción de energía eléctrica y, posteriormente, se utiliza como calefacción en diferentes procesos dentro de la misma planta industrial. Las fibras necesarias para fabricar el papel kraft se mezclan, en las proporciones requeridas, en una gran cuba llamada pulper, donde se forma una pasta acuosa que contiene fibras. Esta pasta cae sobre una tela móvil donde se produce el entrecruzamiento de las fibras. A medida que la tela avanza, se va drenando el contenido de agua de la pasta, quedando sobre la tela una película de fibras húmedas que constituyen la hoja de papel. El peso o gramaje de los papeles puede aumentarse agregando más cantidad de fibras en la pasta, es decir, aumentando la densidad de la pasta. También se puede

20 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO incrementar este peso juntando tres o más hojas de papel en una sola. A Continuación, la hoja de papel pasa por prensas que la estrujan y luego a través de cilindros secadores calentados por vapor que terminan de secar la hoja de papel. Después el papel pasa por un cilindro de gran diámetro cuya función es la de entregar una cara del papel más lisa y brillante. Seguidamente el papel se baña en almidón con el cual se sella la superficie del papel para después pasar por unos rodillos de acero los cuales proporcionan tersura y un espesor homogéneo. Y finalmente el papel es enrollado en una maquina para luego ser bobinado o cortado según las medidas que se requieran El papel aislante Los aisladores sólidos tienen la gran característica de poder proveer un soporte rígido o flexible a equipos o conductores eléctricos. La fineza y elasticidad de los materiales de partida son las propiedades responsables de la gran rigidez dieléctrica del papel Kraft. Estos papeles pueden ser fácilmente impregnados de aceite al 100% en un breve espacio de tiempo. Encontramos su aplicación tanto en transformadores de alto voltaje como en lugares con un alto gradiente de intensidad de campo eléctrico, en transformadores corrientes, cables y muchas otras aplicaciones. La constante dieléctrica relativamente elevada del material sólido hace que la solicitación del sólido sea sólo la mitad o las dos terceras partes de la que habría si el aceite ocupara el mismo espacio. [9] La celulosa impregnada en aceite (papel kraft impregnado en aceite) con el paso del tiempo adquiere un contenido de humedad. Este contenido en humedad del papel se utiliza como indicador de antigüedad. En el presente proyecto se trata la influencia de la humedad en el papel aislante del transformador, por esta razón a continuación se detallarán las características del papel kraft utilizado en los ensayos realizados.

21 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO Propiedades del papel Las propiedades del papel se pueden clasificar en los cinco tipos siguientes: Físicas, ópticas, químicas, eléctricas y microscópicas. Las propiedades físicas son las que incluyen las pruebas de resistencia a la tensión, a la explosión, al rasgado y al doblez, así como pruebas como la rigidez, dureza, lisura, densidad, peso y calibre. [4] Gramaje (peso base) Es una de las especificaciones más comunes relativas al papel, el peso del papel se expresa por unidad de área, como gramos por metro cuadrado y se denomina gramaje. El contenido de humedad del papel depende de la humedad relativa del aire con el que se está en contacto. Debido a que el gramaje se expresa como el peso total del papel, incluyendo la humedad debe determinarse el peso en condiciones estándar. La variación en peso por los cambios de humedad varía de un papel a otro dependiendo del tipo de fibra utilizado. A grandes rasgos podemos concluir que grandes variaciones de humedad se traducen en cambio considerables del peso. La importancia del gramaje radica en que el peso afecta a todas las propiedades físicas y muchas de las ópticas y eléctricas del papel. Calibre. Se mide con un micrómetro y es la distancia perpendicular entre dos superficies paralelas, planas y circulares, con diámetro aproximado de 16 mm. Normalmente el calibre medido es mayor que el real. El calibre afecta a casi todas las propiedades físicas, ópticas y eléctricas del papel. Por ejemplo, el calibre uniforme es muy importante en los papeles para imprimir. Densidad Es la propiedad del papel más importante ya que tiene relación con la porosidad, rigidez, dureza, y la resistencia del papel; además influye en todas las propiedades ópticas y físicas. La densidad se expresa en gramos por centímetro cúbico y se calcula dividiendo el peso en gramos por metro cuadrado entre el calibre en micras. En ocasiones se la

22 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO denomina densidad aparente por el error cometido en la medición del calibre y su valor real. Porosidad El papel es muy poroso como lo indica su bajo peso específico (0.5 a 0.8) comparado con el de la celulosa (1.5) Los papeles comerciales contienen un 70 % de aire debido a: -poros reales, cuyas aberturas no se extienden por entero a través de la hoja -recesos, aberturas conectadas a una sola superficie -huecos, espacios de aire que no están conectados con ninguna de las dos superficies. El volumen de aire del papel puede calcularse a partir de la ecuación: V. delaire = 1 peso _ específico _ del _ papel peso _ específico _ celulosa Ecuación 1: Volumen del aire Una indicación de la porosidad podrá lograrse si se mide la resistencia del papel, de dimensiones dadas, al paso del aire en condiciones estandarizadas de presión, temperatura y humedad relativa. El flujo de aire través del papel es directamente proporcional a la diferencia de presión (en el caso de pequeñas diferencias), al tiempo del flujo, y al área efectiva de la muestra y es inversamente proporcional al calibre de la muestra. Por lo general la resistencia del papel al aire se mide con el densómetro Gurley. La porosidad es un factor muy importante que influye en la absorción de las tintas y adhesivos. Al estar relacionada con la resistencia al aire constituye una propiedad importante en los papeles a prueba de grasa y los resistentes al aceite. Es muy importante también en los papeles para bolsa, ya que deben tener cierta porosidad para que no exploten al llenarlas. La porosidad es extraordinariamente importante en los papeles para filtro utilizados con aceites, fluidos acuosos y gases y también en los papeles aislantes hechos con

23 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO fibras de madera o con fibras de lana mineral. Lisura Se refiere al contorno superficial del papel, está relacionada con el brillo, ya que tanto éste como la lisura resultan afectados por el calandrado, pero no son la misma cosa. Podemos medir la lisura del papel a partir de un microscopio equipado con un ajuste micrométrico del enfoque. Otro método implica la determinación de las irregularidades superficiales utilizando un analizador de la superficie, de manera que se obtenga un perfil de la superficie del papel. Otros métodos para medir la lisura son: -evaluación fotográfica -medida de la zona de contacto óptico -métodos de cobertura o transferencia de la tinta o el aceite -Medidas con flujo de aire lateral El aumento en el batido de la pasta aumenta la lisura del papel. Un aumento en el prensado en seco y en el calandrado mejora la lisura. Las cargas mejoran la lisura sobre todo después del calandrado. El encolado superficial también mejora la lisura, también influye en ella el tipo de pulpa, por lo general las pulpas de maderas molidas finas producen papeles lisos; cuanto más cortas sean las fibras y más delgadas producen papeles más lisos. Suavidad. Es la ausencia de aspereza cuando se arruga el papel en la mano. Se utiliza también como oposición a la dureza, evaluada mediante la comprimibilidad. La suavidad constituye una propiedad importante en el papel sanitario. Para fabricar papel de alta suavidad se utiliza una pulpa suave que desarrolla una resistencia elevada con una cantidad mínima de unión entre las fibras. Por lo general las pulpas al sulfito se consideran como superiores a las pulpas al sulfato para producir papel con alta suavidad, pero a tal fin se han utilizado pulpas al sulfato aceptables.

24 EL SISTEMA DE AISLAMIENTO Dureza y comprimibilidad La dureza es la propiedad del papel que hace que pueda resistir marcas ocasionadas por otro material; también en relación con las pulpas indica su grado de deslignificación. La comprimibilidad se define como el recíproco del módulo de masa. Puede medirse bajo carga estática, determinando el cambio del calibre (volumen) de la hoja bajo diferentes presiones, expresando los resultados como función de la presión aplicada. Resistencia a la tensión Es un componente de las resistencias más complejas de explosión, doblez y rasgado. No es una resistencia a la tensión verdadera ya que mide la carga de ruptura por unidad de ancho, en lugar de hacerlo por unidad de área. Su medida se puede realizar con una gran variedad de instrumentos. Al determinar resistencias a la tensión el tiempo durante el aplica la carga es un valor fundamental ya que el papel se rompe si está sometida a una carga ligera si ésta es larga en el tiempo. Por el contrario la resistencia aparente aumentará si el papel se rompe rápidamente. Esto se debe al flujo en el papel y al elemento tiempo implícito en la separación de las fibras justo antes de la ruptura. Los probadores de resistencia a la tensión impulsados por motor son preferidos a los modelos manuales, debido a que con ellos se obtiene un ritmo de carga más uniforme. Existen dos tipos básicos de probadores de tensión. El más antiguo utiliza un péndulo con peso para aplicar el esfuerzo con un ritmo constante de carga. El de más reciente creación utiliza un indicador de tensión para medir la que se aplica con un ritmo constante de elongación. La resistencia a la tensión se da en Newtons por metro o kilonewtons por metro en el SI. La resistencia a la tensión es aproximadamente proporcional al gramaje del papel. El largo de ruptura es una cifra útil para llevar a cabo comparaciones de resistencia a la tensión básica de muestras con distintos gramajes. Representa el largo calculado de una tira que fuera lo suficientemente pesada para romperse bajo su propio peso. El largo de ruptura puede calcularse con la siguiente ecuación:

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