PULPA Y PAPEL I (En preparación)

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1 36 PULPA Y PAPEL I (En preparación) 6 - ANATOMÍA DE LA MADERA Microestructura por Carlos Eduardo Núñez Texto libre y gratis para usos no lucrativos nombrando la fuente. Se entiende por microestructura de la madera la que se puede ver con el microscopio óptico, es decir que son las estructuras intermedias entre lo visible a simple vista, y las de nivel cuasi molecular, solo distinguibles con el microscopio electrónico, que se denominan ultraestructuras. La microestructura es la más importante para comprender la morfología de las materias primas fibrosas, como así también para el análisis de lo que sucede durante los procesos de fabricación de la pulpa y el papel. Con el microscopio óptico se ven perfectamente los elementos celulares de los tejidos vegetales, y ello es lo que vamos a estudiar a partir de ahora. EL ANÁLISIS MICROSCÓPICO DE LA MADERA Como se puede observar fácilmente la madera tiene una estructura longitudinal, es decir pareciera estar conformada de vetas o fibras dispuestas en sentido paralelo al eje del tronco. Esto efectivamente es así, y cuando se efectúa un corte trasversal se puede comprobar que además de el sentido longitudinal posee simetría radial, dado que se pueden observar como líneas que salen de la médula que cruzan anillos o bandas concéntricas, como se estudiara en el capítulo de macroestructura. Por otro lado la madera es opaca, y cuando se acerca un microscopio a su superficie con luz reflejada apenas pueden distinguirse algunas estructuras superficiales de forma confusa. Por eso, como en todos los materiales opacos que quieran ser vistos al microscopio, hace falta obtener láminas muy finas del material y eventualmente aclararlas para que puedan ser vistas todas las estructuras en su verdadera dimensión. Para ello se hace uso de un equipo llamado micrótomo, o xilótomo, si es especial para madera, Figura Nº 30, que consiste en un Figura Nº 31 Figura Nº 30 Micrótomo de deslizamiento riel de precisión por el que corre una pieza que posee una mordaza para una cuchilla metálica, vinculada a un tornillo milimétrico con el que se puede regular la altura. De esa manera en algún lugar de la longitud del riel y a poca distancia del mismo se halla otra mordaza fija en la que se coloca la muestra de madera previamente preparada. Se va pasando la cuchilla por la muestra y se van sacando finas láminas que se toman con pincel y se colocan en un recipiente con agua. Posteriormente estos cortes se desecan, se tiñen y se montan con una resina adecuada sobre vidrios, agregándose encima un cubreobjeto. Los vidrios así dispuestos que se llaman preparados. Figura Nº 31. Vista al microscopio de cortes de madera

2 37 Como ya se viera en el tema de macroscopía existen tres cortes posibles para estudiar la morfología de la madera que son el transversal, el longitudinal radial y el longitudinal tangencial. En la Figura Nº 32 se muestran esos tres planos de cortes y la forma general que tienen observados al microscopio. En la figura Nº 33 se ve un corte trasversal típico de coníferas y en la Nº 34 otro de latifoliadas. Figura Nº 33. Transv. conífera Figura Nº 32 Figura Nº 34. transv. latifoliada Figura Nº 35. Radial conífera Figura Nº 36. Radial latifol. Figura Nº 37. Tang. coníf. Figura Nº 38. Tang. latifol. En las figuras 35 y 36 radiales de conífera y latifoliada respectivamente, y en las 37 y 38 tangenciales en el mismo órden.

3 Se pueden diferenciar los siguientes puntos: 1) Los cortes trasversales se distinguen por mostrar un entramado de fibras o traqueidas cortados a su través, formando una especie de tejido tipo crochet. En ellos se distinguen los de latifoliadas primeramente por la existencia de vasos como grandes orificios, y además por la relación entre el espesor de la pared y el ancho del elemento, que en las coníferas es muy grande y en las latifoliadas mucho menor. 2) Los cortes longitudinales radiales se caracterizan por dejar ver los campos de cruzamiento entre el parénquima radial y los elementos longitudinales, formando un entramado semejante a los ladrillos de una pared, que en realidad es el corte longitudinal de un radio. Como en el caso anterior las latifoliadas se reconocen por los grandes orificios dejados por los vasos. 3) Los cortes longitudinales tangenciales se reconocen porque en ellos se ven los radios cortados transversalmente formando secciones lenticulares. En general los radios de coníferas son uniseriados o de pocas filas de células, mientras que los de latifoliadas suelen ser anchos y de mayor longitud. Estas consideraciones se utilizan principalmente para caracterizar una madera y en nuestro caso son una introducción al estudio de las materias primas fibrosas con el que vamos a continuar. Otra diferencia de importancia fisiológica y para la identificación microscópica de especies son las puntuaciones. Se llama así a los orificios de comunicación intercelulares, que la planta utiliza para sus funciones fisiológicas. Ejemplos de puntuaciones areoladas Figura Nº39 Figura Nº40 Figura Nº Traqueidas de Pinus Vista de frente Traqueidas de Pinus Vista de perfil Vaso de Eucalyptus Vista de frente Existen dos tipos de puntuaciones simples y areoladas. Las puntuaciones simples, figuras Nº s 45, 46 y 47, son orificios sencillos que se enfrentan entre dos células contiguas. Las puntuaciones areoladas, Figuras N os 39 a 44, son válvulas que regulan la concentración y la presión entre las células y poseen una membrana denominada torus que a su vez posee microporos. Figura Nº 42 Figura Nº 43 Figura Nº 44 Traqueidas de Araucaria Vista de frente Traqueidas de Pinus Vista de perfil Fibrotraqueida de Eucalyptus grandis

4 El nombre de areolada proviene de que vistas de frente se puede observar una especie de aureola que en realidad es la forma del ensanchamiento de las paredes celulares para que se ubique el torus. Las puntuaciones areoladas son propias de los tejidos de conducción y por lo tanto existen en las traqueidas de las coníferas, en los elementos vasculares y en algunas fibrotraqueidas de las latifoliadas. Ejemplos de puntuaciones simples 39 Figura Nº 45 Figura Nº 46 Figura Nº 47 Célula parenquimática Fibras de latifoliada Fibras de latifoliadas Morfología de elementos celulares Disgregados Cuando se observan los cortes de madera hechos con micrótomo, si bien se puede notar la estructura general de los tejidos no se llega a analizar individualmente la morfología de cada tipo de célula. Para ello hace falta dispersar el material para conseguir que los elementos se separen. Esta operación se llama disgregado, llamándole macerado los botánicos. Realizar un disgregado es en esencia lo mismo que efectuar un pulpado químico. Ambos consisten en disolver o ablandar por medio de reactivos específicos la estructura de la lámina media que une las células y que está compuesta de lignina y hemicelulosas. Pero, a diferencia de la operación industrial, en el disgregado no importa el tiempo o los costos unitarios y si que el material quede lo más semejante a las condiciones naturales, es decir sin daños o modificaciones estructurales. Hay varios métodos de disgregación, pero los únicos que cumplen con la condición antedicha son los que utilizan dióxido de cloro que es el agente conocido de mayor selectividad por el ataque a la lignina y menor a los polisacáridos. En sus diversas variantes hay algunas que realizan la operación en un par de horas y otras más cuidadosas en las que el material se trata a temperatura ambiente y suele demorarse varios días (1). (1) Una técnica se puede hallar en: Núñez, C. E. y Pavlik, C. A. Disgregado de tejidos leñosos por el método clorito ácido acético carbonato. Evaluación del daño producido a las fibras. Revista de Ciencia y Tecnología Facultad de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales. Universidad Nacional de Misiones. Año 2, n , página (Para descargar el archivo completo hace falta realizar la suscripciçón que es gratis) Con el disgregado el material se transforma en una pulpa que se lava y se seca como una pulpa papelera, y se guarda para su análisis. Para la observación se toma una pequeña cantidad y se la

5 suspende en un tubo de ensayo con agua de manera muy diluida y se deposita un volumen sobre un portaobjeto colocado dentro de una estufa. Apenas evaporada toda el agua se lo tiñe, se lo vuelve a secar y se lo monta agregando una resina y un cubreobjeto (2). (2) El método general se explica en Cofección de preparados para microscopía de fibras que se puede descargar en 40 Descripción de los tipos celulares Los tejidos vegetales de la madera consisten en diversos tipos de células, diferenciadas al poco tiempo de su formación en el cambium, para cumplir tres tipos de funciones: a) Conducción. b) Almacenamiento. c) Sostén. Es muy importante comprender los fundamentos siguientes para entender la morfología de los distintos elementos: Toda célula de conducción de líquidos se caracteriza por poseer gran parte de su pared perforada para comunicarse con la siguiente. Toda célula de almacenamiento es de forma cercana a la "isodiamétrica", es decir con sus tres dimensiones semejantes. Además son de pequeño tamaño. Toda célula del tejido de sostén posee gran dimensión longitudinal en comparación a las otras dos, para darle resistencia y flexibilidad al tronco. Otro concepto significativo que hay que aclarar es que si bien en las maderas de latifoliadas existen tres tipos de tejidos para cada una de las tres funciones, en la de coníferas que es una rama más primitiva de los vegetales, las funciones de conducción y sostén las realizan las mismas células que se denominan traqueidas (tráquea = conducto). Estas traqueidas tienen, por lo tanto las características de ambos tejidos: son largas y poseen muchas orificios en la pared para conducir líquidos. Por lo dicho anteriormente es lógico suponer que los tejidos de las coníferas son más sencillos. Efectivamente, la madera de gymnospermas solamente cuenta con traqueidas y células parenquimáticas. Por el contrario, los tejidos de las latifoliadas poseen tres tipos de células: las fibras, las células parenquimáticas y los elementos vasculares. En las figuras siguientes se ejemplifica como se observan al microscopio preparados de coníferas, Nº 45, y de latifoliadas, Nº 46, y en la Nº 47 se lista la nomenclatura general de los elementos celulares como se encuentran en los disgregados. Traqueidas de coníferas Son células alargadas, de extremos cerrados, con una longitud de 2 a 4 mm y un ancho entre 0,30 y 0,60 mm. Estas medidas hacen que la relación largo ancho, que se denomina coeficiente de fieltrabilidad, sea grande. Este parámetro es proporcional a muchas de las resistencias físicomecánicas de las hojas de papel. Por lo tanto las traqueidas producen pulpas y papeles de gran resistencia. Figura Nº 45. Disgregado de Picea sp. Figura Nº 46. Disgregado de Eucalyptus

6 41 Figura Nº 47 Nomenclatura de los elementos celulares de la madera Células parenquimáticas de las coníferas. El contenido de células parenquimáticas en las coníferas es pequeño, del orden del 5 8 % en peso, y no influyen esencialmente en las propiedades de las hojas hechas con ellas. Fibras: Las fibras son como las traqueidas de las coníferas elementos extendidos en longitud. Se diferencian de ellas que son de menor longitud, 0,7 a 1,5 mm, y su ancho también menor. La combinación de parámetros le da una relación largo ancho menor que el de las traqueidas, y ello está de acuerdo con la menor resistencia físicomecánica de las pulpas y papeles producidos con ellas. Se pueden distinguir dos tipos de fibras diferentes: uno de ellos formados por elementos relativamente cortos, anchos y de paredes finas denominados fibrotraqueidas, y otro compuesto de células más largas y finas llamadas fibras libriformes. La proporción de los dos grupos depende principalmente del sitio del tronco que se considera, habiendo una tendencia general a que las fibras libriformes aumenten desde la médula al cambium y desde la base a la copa. Hay un tercer grupo morfológico compuesto de pocos elementos que son las llamadas traqueidas vasicéntricas que comprende elementos alargados pero de mucho menor longitud que las fibras, que poseen un eje sinuoso y gran cantidad de puntuaciones. En la figura Nº 48 se muestran los correspondientes al Eucalyptus grandis. Elementos vasculares: Estas células propias de las latifoliadas son de tamaño mucho mayor que el de las fibras, y según las especies pueden ser en forma de barril o alargados que se asemejan a fibras. El contenido de elementos vasculares de las latifoliadas en muy variable y de ellos dependen algunas propiedades físicas y ópticas.

7 Células parenquimáticas de las latifoliadas. A diferencia del parénquima de las coníferas el de las latifoliadas es abundante y hasta puede serlo en tal magnitud para excluir especies de su uso papelero por la escasa proporción de fibras. 42 Figura Nº 48. Elementos celulares del Eucalyptus grandis Morfología fibrosa de interés papelero. Figura Nº 49 Se debe aclarar primeramente que si bien botánicamente los elementos de gran longitud de las coníferas se denominan traqueidas, para los papeleros se engloban junto con las de las latifoliadas con la denominación general de fibras. Se definen cuatro parámetros morfológicos que poseen mayor o menor influencia en las propiedades de la hoja. Ellos son: longitud de fibra, ancho de fibra, espesor de pared de fibra y ángulo fibrilar, Figura Nº 49. Longitud de fibra. Se denomina longitud de fibra a la distancia medida por el eje longitudinal entre un extremo y otro de la fibra. Si bien se puede medir en los cortes de tejidos, para este caso conviene hacerlo en disgregados, puesto que en la madera las fibras están tensionadas y el parámetro medido en los disgregados se asemeja más a la forma que va a tener el elemento en la hoja de papel. La longitud de fibra depende de varios factores, siendo el principal el genético, en segundo lugar el sitio del tronco del que se sacó y en tercer lugar en importancia la historia del árbol, es decir como fue plantado, el tipo de suelo, si fue fertilizado, podado, etc. Desde el punto de vista de la dispersión de valores también el principal es el genético, siendo los otros de menor importancia. La dis-

8 persión de valores es un dato a tener en cuenta porque puede ser muy alta. En el Eucalyptus por ejemplo para una misma rodaja se pueden encontrar longitudes entre 0,3 y 1,4 mm. Ejemplos de distribuciones de frecuencia de longitudes pueden verse en las figuras N os 50 y 51. Las de fibras cortas de latifoliadas suelen ser polimodales, es decir poseer más de un máximo, y ello se debe a los distintos tipos de elementos que componen la población, como fibrotraqueidas y fibras libriformes. 43 Figura Nº 50 Figura Nº 51 % 25 % 25, , , ,0 5 5,0 0 mm 0,0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 mm Ancho de fibra. El ancho de fibra es un parámetro variable a lo largo de la longitud de la fibra, e inclusive en el mismo sitio puesto que ésta no tiene una sección circular. Es por eso que es necesario trabajar con valores promedios de varias determinaciones. Existen dos Figura Nº 52 maneras de determinar el ancho de fibra; en los tejidos de la madera por medio de cortes trasversales hechos con el micrótomo, Figura Nº 52, y en los disgregados. Las mediciones tienen una gran diferencia, siendo las realizadas en el material disgregado mucho mayores, debido a que, por un lado las células en la madera están tensionadas expandiéndose al deslignificarse, y por otro lado en el disgregado los elementos están colapsados debido a su posición y en alguna medida a la presión que ejerce el cubreobjeto. Para los fines papeleros recomendamos medir los anchos disgregados, dado que es como los vamos a encontrar en la hoja de papel y de esa manera se pueden comparar con los preparados de pulpa que eventualmente se realicen. La magnitud de los anchos de fibra se halla comprendida entre 7 a 20 µ en las fibras de latifoliadas y en el rango de 20 a 60 µ en las traqueidas de coníferas. Espesor de pared. Esta medición es la más dificultosa de realizar debido a su pequeña magnitud como se puede apreciar en la imagen de la Figura Nº 18 que fue sacada con el máximo aumento del microscopio óptico, es decir alrededor de 1200 X. Los espesores de pared se hallan en el rango de 2 a 6 µ en las fibras y de 3 a 10 µ en las traqueidas. No se mide directamente sino restando el ancho del lumen del ancho

9 total de fibras y dividiendo por 2. También se dificulta en los disgregados porque se confunde con estrías y sombras propias del método óptico, particularmente en las fibras finas de paredes gruesas que no se colapsan completamente, Figura Nº Coeficientes relacionados: Figura Nº 53 Para tratar de relacionar mejor las propiedades de la hoja y los parámetros fibrosos se han creado una serie de relaciones matemáticas entre ellos. De las varias publicadas hay tres que se usan con frecuencia, que se pasarán a describir: Coeficiente de flexibilidad: Es la relación entre el ancho del lumen y el ancho total de fibra. λ A - 2e f = = A A donde f es el coeficiente de flexibilidad, λ es el ancho del lumen, A el ancho total de fibra y e el espesor de pared de fibra. Una variante del coeficiente de flexibilidad es el llamado índice de Runkel 2e (A λ) Índice Runkel = = λ λ Coeficiente de fieltrabilidad: Se define como la relación entre la longitud de la fibra y su ancho, y está relacionado con el carácter de fibra textil con la que se realizan las telas tipo fieltro es decir las que no están tejidas. Dichas fibras textiles poseen un coeficiente de flexibilidad muy alto del orden de En contrapartida una célula parenquimática posee un coeficiente de fieltrabilidad cercano a uno y un elemento vascular entre 2 y 10. L F = A Donde F representa el coeficiente de fielltrabilidad y L la longitud de fibra. Coarseness. El Coarseness, palabra inglesa que no encuentra una fácil traducción castellana pero sería la grosura o la bastedad de una fibra, se define como el peso por unidad de longitud, y por lo tanto tiene que ver con el ancho y el espesor de pared, es decir con el coeficiente de flexibilidad. Peso Coarseness = Longitud

10 Un parámetro relacionado al coarsness es el llamado área ocupada, que es el área trasversal total de la fibra menos el área del lumen. 45 Área ocupada = Área total sección Área del lumen Resistencia individual de Fibra. Se define como resistencia individual de fibra, a la resistencia a la tracción que cada fibra. Se suele expresar en gramos. Ésta no es un valor teórico, sino que se puede medir colocando una (o unas pocas) fibras, entre pequeñas mordazas, y cargando un platillo que pende de ellas con pesos crecientes hasta que se rompan. Para fibras que no han sufrido tratamientos químicos o mecánicos que las hayan dañado, la resistencia individual de fibras es función del coarseness, o del área trasversal ocupada. es decir de la cantidad de material de la pared, y de una constante del material que depende principalmente de lo que se llama "ángulo fibrilar" (Figura Nº 44). Ri = f ( C, τ ) Donde Ri es la resistencia individual de fibra, C el coarseness y τ el ángulo fibrilar. o también Ri = f ( AO, τ ) siendo AO el área ocupada. Relación entre parámetros fibrosos y propiedades de la hoja. Se describirán a continuación algunos de los ensayos físicos, físico mecánicos y ópticos que se le realizan a la hoja de pulpa o papel. Resistencia a la tracción: Es la resistencia de una tira de material cuando se la tracciona tomada entre dos mordazas que tratan de separarse entre Figura Nº 54 ellas (Figura Nº 54). Las flechas rojas indican el sentido de la tracción y la flecha violeta la tira de papel ensayado). Experimentalmente se ha comprobado que en este caso hay más trabajo de arrancamiento que de rotura de las fibras. Resistencia al rasgado: Es la resistencia que ofrece la hoja a la rotura por medio de una fuerza que actúe para rasgarla cuando el corte ya está iniciado (Figura Nº 55). En este caso la importancia de la rotura individual de fibras es más importante que en la tracción. Resistencia a la explosión: Es la resistencia que ofrece una hoja a ser rota por una fuerza no puntual cuyo vector es perpendicular a su plano (Figura Nº 56). Opacidad: Se define como la aptitud de un material para no permitir el paso de la luz a su través. Experimentalmente se determina determinando la relación

11 entre la reflectancia de una hoja de papel sobre un cuerpo negro y sobre muchos pliegos del mismo papel. Porosidad: Es el contenido de poros, es decir de espacios libres de fibras que hay dentro de la hoja de papel. Se mide por medio de la velocidad de fluido del aire a su través, utilizando un equipo que tiene un émbolo de peso normalizado y un cronómetro (Figura Nº 57. La flecha verde señala el émbolo, la flecha azul la dirección de movimiento del émbolo, y la flecha roja el lugar donde se aprisiona la muestra de papel). Lisura: Es la menor o mayor existencia de crestas y valles en la superficie de la hoja, o dicho de otra manera el menor o mayor acercamiento de la superficie de la hoja a un plano perfecto. Se mide en el mismo equipo que la porosidad, pero cerrando la salida de aire de abajo de la probeta, y permitiendo que el aire que desplaza el émbolo salga solamente a través de la rugosidad de la superficie. Resistencia al doble plegado: Ésta es un parámetro poco utilizado en la actualidad, que consiste en plegar repetidamente en forma mecánica una hoja hacia los dos lados, es decir unos 300º, hasta que se quiebre. Figura Nº 56 Figura Nº 55 Superficie de unión (Bonding) : Alude a la cantidad de superficie que se pone en contacto entre fibras contiguas. La capacidad y la calidad de ese contacto es una propiedad substancial de la hoja, puesto que de ella dependen, de una u otra manera, la mayoría de las propiedades. Como se verá posteriormente es una unión de tipo puente hidrógeno, potenciada en las fibras que están deslignificadas, que posee un considerable valor, puesto que las moléculas de celulosa están rodeadas de oxhidrilos. 46 Algunas consideraciones sobre la predicción de las propiedades en función a la morfología fibrosa Figura Nº 57 Dada la cantidad de variables en juego en el proceso de transformación del recurso fibroso a hoja de papel, sería prácticamente imposible aislar la relación que en producto final tienen los parámetros fibrosos. Con el objetivo de aislar la mayor cantidad posible de ellas se han realizado muchos trabajos a lo largo de la historia de la tecnología papelera, dentro de los cuales los más importantes son aquellos que partiendo de maderas que poseen morfología fibrosa similar hay conseguido variar uno o unos pocos de ellos. Sin embargo así y todo los resultados hallados son muy diversos y hasta con frecuencia incongruentes y contrapuestos. Ello se puede explicar por las metodologías diversas utilizadas, entre los que se encuentran los procesos de pulpado. De todo ello se pueden sacar solamente algunas cosas en limpio con una aceptable certidumbre, que son las que se pasan a describir: 1) Las maderas de fibra larga (coníferas) dan pulpas de altas resistencias físico mecánica, alta porosidad, baja lisura y mala formación. 2) Las maderas de fibras cortas (latifoliadas) dan pulpas de mucho menor resistencias físico mecánica que las de coníferas, pero poseen menos porosidad y mejor formación y lisura.

12 3) Un coeficiente que aparece con mucha frecuencia en las regresiones múltiples como responsable importante de muchas propiedades físico mecánicas es el de fieltrabilidad. 4) El coeficiente de flexibilidad aparece con cierta frecuencia como responsable parcial de la opacidad y la dispersión de luz en la hoja. Las siguientes son de carácter más general: 5) La resistencia a la tracción depende principalmente de la fieltrabilidad, de la longitud de fibra, del coeficiente de flexibilidad y en menor medida de la resistencia individual de fibras. Al analizar las zonas de rotura por tracción se puede observar que hay más fibras arrancadas del entramado que rotas por el esfuerzo. Por lo tanto será más importante la longitud y el coeficiente de flexibilidad que la resistencia individual. También por ello la resistencia a la tracción de las fibras de coníferas es siempre mayor que la de latifoliadas. 6) La resistencia al rasgado depende además del coeficiente de fieltrabilidad, de la resistencia individual de fibras, y en menor grado de la longitud y el coeficiente de flexibilidad. Ello es debido a que el rasgado se produce más por rotura de las fibras que por deslizamiento de las mismas en la trama de la hoja. El hecho de que se pierda con relativa facilidad en los pulpados químicos es coincidente con la degradación de la celulosa en estos procesos. 7) La explosión del papel se produce por una mezcla de los dos mecanismos anteriormente descritos, es decir por arrancamiento y rotura de fibras. Por lo tanto la relación entre los parámetros fibrosos y esta resistencia serán también intermedios entre los de tracción y rasgado 47