LA SELECCIÓN DE AGENTES DE CONTROL Y FUNCIONALES PARA LA PARTE HÚMEDA DE LA MÁQUINA DE PAPEL

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1 LA SELECCIÓN DE AGENTES DE CONTROL Y FUNCIONALES PARA LA PARTE HÚMEDA DE LA MÁQUINA DE PAPEL Abril, Alejandro Unión de Investigación-Producción de la Celulosa del Bagazo, Cuba-9. Comunidad Pablo Noriega. Quivicán, Apartado 8, P. Habana, Cuba Investc9@enet.cu INTRODUCCIÓN La Química del papel, disciplina vinculada con la tecnología del papel, estudia los fenómenos de la parte húmeda de la máquina de papel, así como los diferentes aditivos que se emplean en la producción de papel, su selección, dosificación e interacciones. Su importancia radica en que en la parte húmeda de la máquina de papel, se deciden importantes aspectos de la producción, como son la formación de la hoja, el drenaje, la resistencia, la opacidad y otras propiedades, así como la eficiencia del proceso (maquinabilidad). La selección correcta de la composición fibrosa y los aditivos, determina las propiedades del papel y su calidad, así como juega un papel fundamental en lograr una adecuada relación costo efectividad en el proceso productivo. Los aditivos empleados se clasifican en Aditivos de Control o de Proceso y Aditivos Funcionales. Los Aditivos de Proceso, son aquellos que su función principal consiste en mejorar la operación de la parte húmeda. En este grupo se encuentran los Agentes de Retención y Drenaje, los agentes de Fijación, los Antiespumantes y Eliminadores de Aire, los Dispersantes de Resina y los Bactericidas. Los Funcionales, modifican las propiedades del papel producido. En este grupo están los agentes Encolantes, los Agentes de Resistencia en Seco y en Húmedo, los Rellenos o Cargas, los Colorantes y Matizantes y los Abrillantadores Ópticos Fluorescentes. La necesidad de disminuir el consumo de agua, reducir al mínimo las pérdidas de fibras y aditivos y limitar al mínimo la carga contaminante de los efluentes, han llevado al cierre total o parcial de los circuitos de agua de la máquina de papel. Esta situación ha provocado un incremento en el agua de las concentraciones de sales inorgánicas, con el correspondiente aumento de la fuerza iónica del medio y de las impurezas aniónicas (anionic trash), polielectrolitos cargados negativamente, formados a partir de residuos de hemicelulosas y otros carbohidratos y resinas y otros compuestos. Estas impurezas incrementan el potencial Z negativo del sistema y provocan afectaciones en el proceso, fundamentalmente al interferir con los aditivos de carácter catiónico empleados, provocar manchas, depósitos, disminuir el drenaje y otros efectos negativos. Esta situación ha hecho necesario en muchas producciones el empleo de agentes de fijación, para disminuir el efecto de estas impurezas. Las disciplinas químicas utilizadas en la Química del Papel son la Química Coloidal en el estudio de los fenómenos de adsorción, estabilidad coloidal del sistema, fenómenos electrocinéticos, la Química de los Polímeros, en el estudio de los diferentes aditivos de características poliméricas que se emplean en al actualidad y la Química Orgánica e Inorgánica en el estudio de los aditivos de este tipo. Debido la gran cantidad de aditivos que existen en el mercado, resulta un problema la selección de los aditivos más apropiados para una determinada producción de papel y cartón, los cuales en ocasiones pueden interferir unos con otros.

2 La selección de los aditivos para una producción de papel o cartón determinada no es un proceso aislado. En realidad es una etapa más dentro del proceso de diseño o modificación de un determinado papel o cartón, donde se incluyen todos los elementos relacionados con su producción, como son la formulación fibrosa, parámetros de operación, control del proceso, procedimientos empleados, propiedades del papel final y otros, todos los cuales están estrechamente relacionados en un sistema complejo. En el presente trabajo, se describen las características de los principales aditivos de parte húmeda. Se presentan las polivinilaminas, polielectrolitos de reciente aparición en el mercado, que de acuerdo a su grado de polimerización y sustituyentes químicos, se pueden emplear como agentes de retención y drenaje, de fijación y de resistencia en seco y húmedo. También se muestran experiencias prácticas obtenidas por el autor en la introducción de agentes de retención y drenaje y otros aditivos en producciones industriales de papel y cartón y la metodología de avaluación empleada. QUÍMICA COLOIDAL DE LAS SUSPENSIONES PAPELERAS (Lindström1988, 1990) (Heinegard, 1976) La producción de papel, se realiza en medio acuoso, a partir de una suspensión constituida por diferentes componentes como pulpas (obtenidas a partir de diferentes especies maderables y no maderables), rellenos o cargas, agentes encolantes, sales inorgánicas, carbohidratos disueltos, polímeros sintéticos, y otros. Teniendo en cuenta la tendencia al cierre total o parcial de los circuitos de agua de las máquinas de papel, la concentración de estos componentes en los circuitos de agua se incrementa, lo que complica aún más el estudio de estos sistemas y el diseño de aditivos y componentes fibrosos para una producción determinada. En el estudio de estos sistemas, es necesario considerar el número de componentes utilizados, sus posibles interacciones, las características de los polímeros utilizados (estructura, pesos moleculares y distribución, densidad de carga y grado de sustitución), las impurezas aniónicas disueltas, las sales disueltas y la calidad y el ph del agua. Los finos y rellenos presentan tamaños en el orden de las micras, así como otros componentes como las partículas de colas e impurezas, por lo que muestran un comportamiento que puede ser estudiado por la química coloidal. Las fibras celulósicas, tienen longitudes en el orden de milímetros y espesores de micras, sin embargo, la superficie es irregular con múltiples fibrillas y microfibrillas, además de poros, por lo que desarrolla una gran superficie específica. Los grupos funcionales presentes (hidroxilo, carboxilo y otros), favorecen la adsorción de diferentes compuestos e interactúan con el agua del sistema. Estas características hacen que también muestren un comportamiento coloidal. La doble capa eléctrica, el potencial Z. Las partículas de celulosa al dispersarse en agua, adquieren una carga superficial carga negativa, debido fundamentalmente a la existencia de grupos carboxilo en su superficie. En la figura 1, se muestra esquemáticamente la aparición de las cargas eléctricas en una fibra celulósica en agua. La superficie de la celulosa cargada negativamente, atrae iones cargados positivamente de la fase acuosa. Estos cationes, forman una capa estable y bien definida cercana a la superficie de la partícula, denominada capa de Stern o capa fija. A cierta distancia de la superficie de la partícula, las fuerzas electrostáticas de atracción van disminuyendo y a su vez la energía térmica del sistema tiende a distribuir los iones uniformemente, estableciéndose un equilibrio. A esta zona se le denomina capa difusa o móvil. A cierta distancia de la superficie, existe una línea fronteriza entre los iones que se encuentran en posiciones fijas por fuerzas de atracción y aquellos que se mueven libremente en la fase acuosa. A esa línea fronteriza se le denomina plano de cizallamiento. El potencial eléctrico del sistema, varía con la distancia desde la superficie de la partícula a la fase acuosa. El valor del potencial de la superficie al plano de cizallamiento, se denomina potencial Z..

3 doble capa difusa 0 fase bulk Superficie de cizallamiento Capa de Stern (firmemente adherida) Superficie de la fibra ZP ZP Figura1. La doble capa eléctrica en una superficie celulósica El Potencial Z, es una de las magnitudes de mayor importancia, en el estudio de la química de la parte húmeda, ya que es una medida de la carga superficial de las partículas en suspensión y guarda una estrecha relación con la estabilidad coloidal de las suspensiones. Mientras mayores sean las dimensiones de la doble capa eléctrica, mayor será la estabilidad de la suspensión y será mayor el valor del Potencial Z, positivo o negativo. En general, los sistemas papeleros que no contienen electrolitos o polielectrolitos catiónicos, tienen un potencial Z negativo. Mientras mayor sea el valor, mayor será la estabilidad coloidal de la suspensión. Cuando el valor del potencial Z es cercano a 0, implica que ha desaparecido la doble capa eléctrica y por lo tanto, la estabilidad de la suspensión. Este es la situación ideal para la producción de papel, con el resultado siguiente: Mayor retención en la malla Mayor drenaje Mayor resistencia de la hoja, al lograrse un mayor acercamiento entre las partículas Mejor formación Mejor encolado Menor concentración de aguas residuales y menor carga contaminante Mayor resistencia de la hoja húmeda En la práctica, se considera que el óptimo se encuentra entre 5 y +5 mv. La Teoría de la Estabilidad de los Coloides Liófobos También conocida como teoría DLVO. Explica el comportamiento de los Coloides Liófobos. Sus características fundamentales son las siguientes: Estudia de forma teórica el balance de fuerzas entre partículas esféricas en suspensión. Existen fuerzas electrostáticas de repulsión. Considera las fuerzas de atracción del tipo de Van der Waals. El balance de fuerzas depende en gran medida de las distancias entre las partículas.

4 La energía total de interacción (V Total), se representa gráficamente de la forma siguiente: + V R 0 V Total h _ V A Figura 2. Expresión gráfica de la teoría DLVO La curva para la energía total de interacción muestra dos mínimos. El primer mínimo corresponde a una distancia muy pequeña entre las partículas. En el mismo ocurre una sedimentación prácticamente irreversible, teniendo en cuenta la alta barrera de potencial requerida para redispersar el sistema. El segundo mínimo ocurre a una distancia mayor, lo que se asemeja al caso de los sistemas celulósicos, donde las partículas no pueden acercarse tanto por factores estéricos. En este caso es evidente que la sedimentación es reversible, teniendo en cuenta la baja energía requerida para la redispersión. De la teoría DLVO, se deduce, que es posible influir en general sobre las fuerzas de repulsión entre las partículas, ya que las de atracción vienen dadas por las características del material, que en el caso de los sistemas papeleros está constituido por la mezcla de fibras y otros componentes a emplear. El objetivo en general de la Química de la parte húmeda consiste en lograr la menor estabilidad posible de las suspensiones papeleras (mayor sedimentación o floculación), con el fin de lograr la mayor retención posible, mayor resistencia del papel y otros beneficios que se mencionaron en las cercanías del Potencial Z = 0. Las fuerzas de repulsión se pueden reducir, mediante la adición de sales que compriman la doble capa eléctrica o electrolitos, polielectrolitos, polímeros y otros compuestos que se adsorban en la superficie de las partículas disminuyendo las fuerzas de repulsión entre las mismas, al disminuir el espesor de la doble capa eléctrica, o neutralizar las cargas en la superficie de las partículas. También pueden provocar otros tipos de asociación entre las partículas por diferentes mecanismos de floculación. LA SELECCIÓN DE ADITIVOS PARA UNA PRODUCCIÓN DE PAPEL O CARTÓN La selección de los aditivos para una producción de papel o cartón determinada es una etapa más dentro del proceso de diseño o modificación de un determinado papel o cartón, donde se incluyen todos los elementos relacionados con su producción, como son la formulación fibrosa, parámetros de operación, control del proceso, procedimientos empleados, propiedades del papel final y otros, todos los cuales están estrechamente relacionados en un sistema complejo. A continuación se relacionan los aspectos más importantes a tener en cuenta en la introducción de un nuevo aditivo en la producción de papel. Definir claramente las propiedades requeridas en el papel a producir, las materias primas fibrosas disponibles, el costo de producción y el estado técnico del equipamiento. Seleccionar en primer lugar el tipo de relleno a emplear, de acuerdo a su disponibilidad local y calidad. De acuerdo al relleno a emplear, seleccionar un sistema de encolado (ácido o neutro). Emplear agentes de encolado de firmas reconocidas. Solicitar asesoría técnica del productor. Emplear un sistema de retención y drenaje. Tener en cuenta su simplicidad, eficiencia y que se adapte a los requerimientos del papel a producir.

5 Seleccionar un eliminador de aire y un bactericida de alta eficiencia. Utilizar otros aditivos en caso de ser necesarios. Tener siempre una o más alternativas de aditivos para los que se están empleando, de diferentes suministradores. Al introducir un nuevo aditivo, organizar cuidadosamente las pruebas de introducción. Realizar corridas de la duración suficiente para poder acumular la información necesaria para tomar decisiones concluyentes. En las pruebas, informar y capacitar a todos los técnicos y obreros de las características de la misma. Nunca probar más de un producto a la vez. Realizar previamente ensayos de laboratorio y planta piloto con los nuevos productos, en caso de ser posible. Controlar la calidad de los aditivos a emplear. Evaluar el efecto económico de cada aditivo, teniendo en cuenta todas las ventajas y desventajas de su empleo. Tener en cuenta los factores medioambientales. Confeccionar los procedimientos, cartas tecnológicas y otros documentos técnicos para la aplicación y control del empleo de los aditivos. Estar informado de los nuevos aditivos que surgen en el mercado Figura 3. Estructura de costos de la producción de papeles de imprenta y escribir (King, 1974) En la figura 3, se muestra la estructura de costos aproximada para una producción de papel de imprenta y escribir. En la columna 1, aparece la estructura establecida, donde se destaca que el mayor peso en los costos está en los aditivos y las pérdidas de los mismos. La columna dos muestra el efecto que provoca un cambio en los aditivos, generalmente de mayor eficiencia, pero normalmente de mayor costo y con mayores pérdidas en las etapas iniciales de su empleo. En la columna 3, aparece la estructura que se alcanza con los nuevos aditivos después de un período de adaptación a las nuevas condiciones. En ocasiones, las corridas experimentales de nuevos aditivos en máquina de papel, dan resultados negativos, ya que en general durante el tiempo limitado de la prueba, no se alcanzan las condiciones estables de trabajo que requieren un tiempo mayor. POLIELECTROLITOS EN EL PAPEL Los polielectrolitos, son polímeros que presentan grupos iónicos en su estructura, que pueden estar en la cadena principal, o en grupos adyacentes, en el caso de los polímeros lineales. Estos grupos pueden estar en forma iónica o no, en casi todos los casos, dependiendo del ph del medio. Teniendo en cuenta las características coloidales de los sistemas papeleros en suspensión, sus comportamientos, son muy influenciados por la presencia de polielectrolitos, que pueden realizar un efecto floculante sobre las mismas, rompiendo su estabilidad coloidal. La celulosa, presenta en su estructura, grupos funcionales hidroxilo y una determinada cantidad de grupos carboxilo y carbonilo, producto de procesos de oxidación de los grupos hidroxilo. Estos grupos,

6 le confieren a la celulosa, características aniónicas, que pueden interactuar con los grupos catiónicos de polielectrolitos que se adicionen a la suspensión. El la producción de papel, se emplean polielectrolitos con diferentes fines. Los fundamentales son los siguientes: Agentes de retención y drenaje. Agentes de fijación. Agentes de resistencia en seco y en húmedo. Agentes de encolado. Dispersantes de suspensiones de rellenos y mezclas de estucado Impurezas aniónicas ( Anionic Trash ) El cierre de los circuitos de agua y el empleo creciente de papel reciclado, ha traído como consecuencia un incremento en el contenido de diferentes compuestos aniónicos en las suspensiones papeleras. Entre estos compuestos están hemicelulosas, restos de tintas, derivados de la lignina, ácidos orgánicos, restos de aditivos del blanqueo como silicato de sodio y otros compuestos como tensoactivos, abrillantadores ópticos, resinas, adhesivos, bactericidas y otros. Estas impurezas, reaccionan con los polielectrolitos catiónicos (constituyen la mayoría de los empleados) formando complejos inactivos, por lo que disminuyen y en algunos casos neutralizan totalmente el efecto de los mismos. Principales polielectrolitos empleados En la tabla siguiente, se muestran los principales polielectrolitos empleados para diferentes usos en la producción de papel. Tabla 1. Polielectrolitos empleados en el papel Productos Tipos Usos Poliacrilamidas (PAA) Poliamidaminas-epiclorohidrina(PAAmE) Poliaminas (PA) Polietileniminas(PEI) Polivinilaminas (PVAm) Poliaminas-epichorohidrina(PAE) Almidones modificados Carboximetilcelulosa (CMC) Resinas urea-formaldehido y Melaminaformaldehido Aniónicas Catiónicas Catiónicas. Mw Catiónicos Aniónicos Anfotéricos Mw Aniónicas Catiónicas No iónicas Retención y drenaje Mw 10 6 Resistencia en seco Dispersantes Mw 10 5 Retención y drenaje Agentes de fijación. Resistencia en húmedo Resistencia en seco Retención y drenaje Resistencia en húmedo Polivinilaminas (PVAm) Las PVAm son una nueva familia de polielectrolitos catiónicos obtenidos a partir de la polimerización de la vinilformamida y posterior hidrólisis. Tienen la ventaja de que se pueden obtener a valores determinados de masa molecular (hasta 30 millones g/mol) y densidad de carga, variando las condiciones de síntesis e hidrólisis. Esta flexibilidad permite obtener un amplio espectro de productos para diferentes aplicaciones en la producción de papel. Las PVAm, se emplean como agentes de retención y drenaje, agentes de fijación de impurezas aniónicas y agentes encolantes y colorantes, así como agentes de resistencia en seco y húmedo. También se pueden combinar con otros aditivos como almidón, CMC y otros para incrementar el efecto y retención de estos. Otro aspecto importante de las PVAm, es su impacto ambiental. En su obtención no se emplean compuestos clorados ni formaldehído. Sus ventajas desde el punto de vista medioambiental se

7 evidencian en que su empleo está autorizado en papeles y cartones que estarán en contacto con alimentos y en filtraciones en caliente (Stange 2000). Agentes de Retención y Drenaje y Fijación Uno de los usos fundamentales de los polielectrolitos en la producción de papel, es como agentes de retención y drenaje. El agente usado desde los orígenes del papel, fue el alumbre papelero (o sulfato de aluminio), que forma en disolución diferentes estructuras poliméricas base hidróxido de aluminio, que además de participar junto a la colofonia en el encolado, mejora la retención de cargas y rellenos, el drenaje y la fijación de otros componentes. Considerando que la formación del papel se realiza sobre una malla, a través del drenaje del agua de la suspensión, es de gran importancia, lograr una rápida velocidad de drenaje sobre la malla (para lograr producciones eficientes) y al mismo tiempo, la mayor retención posible sobre la malla de fibras, rellenos y otros componentes de la suspensión. En la siguiente figura, se muestran los efectos de estos agentes. Ahorro de cargas,fibras y otros aditivos Mayor maquinabilidad Materias Primas Máquina de papel Papel Mayor dilución en la caja cabecera Menor concentración de las aguas blancas Circuito de aguas Menor tratamiento Menor contaminación Aguas residuales Mayor retención Mayor drenaje Mayor producción Ahorro de vapor Incrementos en: Opacidad Formación Imprimibilidad Cenizas Resistencia Disminución: Porosidad Polvillo Doble cara Figura 4. Efecto de los agentes de retención y drenaje Estos polielectrolitos, actúan bajo diferentes mecanismos, en dependencia de las características estructurales de los mismos y de otros factores de la suspensión, como son la fuerza iónica del medio, ph e impurezas aniónicas presentes. Agentes de fijación Se utilizan para eliminar el efecto negativo de las impurezas aniónicas, por formación de complejos, los que se pueden eliminar del proceso, o incorporar al papel. Al eliminar las impurezas aniónicas, se logra una mayor eficiencia de los agentes de retención y drenaje, encolantes y otros. En general se emplean como agentes de fijación Polielectrolitos catiónicos de masas moleculares medias y una alta densidad de carga, que facilite su reacción y eliminación de las impurezas aniónicas. Incremento del drenaje o desgote en la malla Casi todos los agentes de retención a dosis superiores a las empleadas para incrementar la retención, incrementan de manera considerable el drenaje de agua en la malla, lo que permite incrementar en algunos casos la velocidad de la máquina de papel en un %, con el correspondiente incremento en la producción. En otros casos se puede disminuir el consumo de vapor, o trabajar con una mayor dilución en la caja cabecera, lo que trae una mejor formación del papel.

8 El incremento del drenaje se produce al romperse la estabilidad coloidal de la suspensión, ya que en la doble capa eléctrica participan también moléculas de agua, lo que hace que retenga agua, dificultando los procesos de filtración. EVALUACIÓN DE AGENTES DE RETENCIÓN Y DRENAJE Escala de laboratorio Una de las dificultades que se presentan en la práctica Industrial, es la selección del agente de retención y drenaje más adecuado para una producción determinada, considerando la gran cantidad de productos comerciales que existen en el mercado. El método de selección que recomendamos, consiste en realizar inicialmente una evaluación a escala de laboratorio de los productos que en base a las recomendaciones del fabricante, sus características químicas y las condiciones del proceso, deban producir los mejores resultados. Otra cuestión de importancia a tener en cuenta en los ensayos de laboratorio, es el empleo en las pruebas de un sistema de pulpas, rellenos y otros componentes lo más semejante posible al real y mejor aún utilizando en los ensayos una muestra de la fabrica en cuestión. Los productos seleccionados por los resultados de estas pruebas, se deben ensayar posteriormente en la producción. Finalmente sobre la base de estos resultados y la evaluación económica preliminar, se podrá seleccionar el producto a utilizar, el cual se debe continuar bajo prueba durante varios meses para poder obtener conclusiones válidas acerca de las ventajas de su empleo. La secuencia más recomendable para la evaluación de polielectrolitos a escala de laboratorio es la siguiente (Abril, 1990): Determinación del contenido de sólidos de los agentes. Estos productos se suministran en general en disolución por lo que este resultado permite comparar el efecto de diferentes productos sobre la misma base de materia activa. Determinación de la actividad floculante. Esta prueba permite de manera rápida y sencilla seleccionar los agentes más activos desde el punto de vista de su efecto floculante a la vez de seleccionar el rango de ph donde se muestra su efecto óptimo. Ensayos de retención por cenizas retención en el equipo de drenaje dinámico y medición del tiempo de drenaje. Estos ensayos permiten realizar la selección final de los productos con mayores posibilidades para probar a escala industrial, así como aportar otros datos de interés, como son las posibles dosis a emplear de los agentes, rangos de ph recomendables, tipos de pulpas, rellenos y otros componentes del sistema papelero, donde se alcanza la mayor efectividad y determinar el campo de utilización más recomendable para los mismos (retención, drenaje o en el tratamiento de efluentes. Pruebas industriales Una vez seleccionados a escala de laboratorio, los agentes con mejores resultados, la primera cuestión a tener en cuenta para la aplicación de un nuevo aditivo en el papel a escala industrial es definir los objetivos que se desean alcanzar mediante su empleo. En el caso de los agentes de retención y drenaje, es necesario definir si el objetivo es incrementar la retención de rellenos o del drenaje de la suspensión papelera o ambos, ya que la planificación y ejecución de la prueba dependerán de estos objetivos. La prueba industrial es el paso decisivo para la introducción de un nuevo aditivo en una producción determinada, por lo que su preparación debe realizarse de una forma muy cuidadosa. En general, las pruebas se realizan durante una semana por motivos económicos, lo que permite realizar solamente una evaluación inicial de la efectividad del producto ensayado. Para poder evaluar todas las ventajas y optimizar su empleo, se necesitan al menos tres meses, lo cual se puede realizar después de la introducción del agente. Durante las pruebas, es importante controlar de manera muy exacta todos los parámetros de fabricación del papel y cartón, así como los análisis de laboratorio que permitan posteriormente realizar una evaluación precisa de los resultados. Los análisis y parámetros principales a controlar durante una prueba industrial de un agente de retención y drenaje son los siguientes:

9 Retención de fibras finos rellenos y otros componentes. Drenaje de la pasta en la malla de la máquina de papel. Dosis y punto de adición del producto. Consumo de vapor en la máquina de papel. Propiedades físicas del papel. Calidad de las aguas residuales y otros controles, que permitan posteriormente realizar una evaluación inicial de los objetivos trazados desde el punto de vista técnico y económico. A continuación se presenta un resumen de los resultados obtenidos en una prueba industrial realizada en Cuba para la introducción de agentes de retención y drenaje. (Abril, 1986). La prueba se realizó durante 5 días en la producción de papel de 65 g/m2, con una formulación fibrosa compuesta por 80% de pulpa química semiblanqueada de bagazo, 20% de pulpa química blanqueada de coníferas y 15% de caolín como relleno, encolado en medio ácido con resina colofonia saponificada, alumbre y ph de 4,5-5,0. Se realizaron determinaciones cada dos horas y se emplearon como referencia los valores promedio obtenidos en los últimos 15 días. Se comenzó con la adición recomendada de 0,2% y se incrementó a 0,4% a las 25 horas, al no observarse incrementos significativos en el drenaje, que permitieran incrementar la velocidad de la máquina de papel. En la Tabla 2 se muestra un resumen de los resultados obtenidos, que muestran a la dosis de 0,4%, incrementos significativos de la retención y el drenaje (medido por la disminución del valor de o SR), lo que permitió aumentar la velocidad (y la producción) de la máquina de papel de 245 a 300 m/min. Tabla 2. Resultados de la prueba industrial del agente de retención y drenaje Determinación Sin agente Agente 0,24% Agente 0,40% Cons. Caja C. (%) 0,62 0,52 0,55 osr Caja C Cenizas Caja C. (%) Cons. Agua b. (%) 0,19 0,14 0,14 Cenizas Agua b. (%) Cenizas papel (%) Retención por cenizas (%) Retención en un paso (%) Ret.cenizas = (Cenizas en papel %/cenizas en caja C.).100 Ret.1p = (1-Cons. Agua b./cons. Caja C.).100 Sobre la base de los resultados de esta prueba, se introdujo de forma permanente la utilización de agentes de retención y drenaje, en la producción de papeles de imprenta y escribir en Cuba. La utilización de este tipo de agentes, tiene un efecto económico en el orden de 25 USD por tonelada de papel producido. LA CARBOXIMETILCELULOSA (CMC) COMO ADITIVO EN EL PAPEL La carboximetilcelulosa de sodio (CMC), es un polielectrolito obtenido a partir de la celulosa. Es un aditivo ampliamente utilizado en la producción de papel y cartón, tanto en masa, como en el tratamiento superficial y como adhesivo en mezclas de estucado. Se recomienda su empleo, para favorecer y acelerar el proceso de molida, con reducciones del tiempo de molida y de la energía requerida. El CMC, presenta, en combinación con resinas del tipo poliamidamina epoxy y poliamina epoxy (PAAmE y PAE), un efecto sinergístico sobre las propiedades de resistencia del papel, con incrementos notables en los índices de tensión, estallido y doble plegado. Este efecto, se produce por la formación de enlaces entre el anillo azetidínico de la resina y los grupos carboxilo del CMC. En la producción de algunos tipos de papeles y cartones especiales, se emplean pulpas que presentan grandes dificultades en el proceso de molida, como son la pulpa para disolver (para la producción de rayón) y las pulpas de algodón y línter de algodón, las cuales tienen contenidos muy bajos de

10 hemicelulosas, las cuales realizan un importante papel en el proceso de molida, favoreciendo el hinchamiento de las fibras y la ruptura de sus capas externas, lo que permite su fibrilación y el reforzamiento de los enlaces fibra-fibra. Se realizaron diferentes trabajos a escalas de laboratorio, e industriales, sobre la aplicación de la CMC, en diferentes papeles y cartones, como aditivo para favorecer la molida y el incremento de sus propiedades de resistencia (Abril 2002). A continuación se muestran algunos de los resultados obtenidos a través del empleo de CMC grado técnico de un DS y GP determinados, en la molida de pulpas de alto contenido de Celulosa (pulpa para disolver y pulpas de algodón), lográndose reducir en un 30 % el tiempo de molida y alcanzándose altas propiedades de resistencia en las pulpas obtenidas. Al parecer la CMC, simula el efecto de las hemicelulosas en el proceso de molida, las cuales como es conocido, juegan un importante papel en este proceso. Se estudiaron también combinaciones de resinas del tipo poliamidamina epoxy (PAAE), que con la CMC provocan un incremento considerable en las propiedades de resistencia en seco y en húmedo del papel y al doble plegado, debido a la formación de enlaces del tipo éster entre la resina y los grupos carboxilo de la CMC y las fibras, formando una red que refuerza la estructura de la hoja. CMC como auxiliar de molida de pulpa para disolver Se seleccionó una Carboximetilcelulosa (CMC) grado técnico (70 % CMC, 0,55 grado sustitución y 30 mpa.s viscosidad), como aditivo para favorecer la molida y para incrementar la resistencia. Se realizaron experimentos preliminares con CMC de diferentes grados de sustitución y viscosidades, para la selección del CMC que brindara los mejores resultados. 70 o SR CMC 1% Tiempo (min) Figura 5. Influencia del CMC en la molida de pulpa para disolver En la figura 5, se destaca, el efecto favorable que realiza el CMC, sobre la molida de la pulpa, con una reducción del tiempo de molida del orden del 10%, con un considerable ahorro de energía. La pulpa para disolver, molida con un 1% de CMC, se empleó en combinación con otras pulpas, en la producción de diferentes tipos de papeles y cartones, como cartulina semiblanqueada de 160g/m2 y diversos papeles de imprenta y escribir. CONSIDERACIONES FINALES En la parte húmeda de la máquina de papel, se deciden importantes aspectos de la producción, como son la formación de la hoja, el drenaje, la resistencia, la opacidad y otras propiedades, así como la eficiencia del proceso (maquinabilidad). La selección correcta de la composición fibrosa y los aditivos, determina las propiedades del papel y su calidad, así como juega un papel fundamental en lograr una adecuada relación costo efectividad en el proceso productivo. El cierre total o parcial de los circuitos de agua de la máquina de papel, ha provocado un incremento de las concentraciones de las impurezas aniónicas (anionic trash), las cuales incrementan el potencial Z negativo del sistema y provocan afectaciones en el proceso, fundamentalmente al interferir con los

11 aditivos de carácter catiónico, provocar manchas, depósitos y disminuir el drenaje. Esta situación ha hecho necesario en muchos casos el empleo de agentes de fijación. La selección de los aditivos para una producción de papel o cartón determinada no es un proceso aislado. En realidad es una etapa más dentro del proceso de diseño o modificación de un determinado papel o cartón, donde se incluyen todos los elementos relacionados con su producción, como son la formulación fibrosa, parámetros de operación, control del proceso, procedimientos empleados, propiedades del papel final y otros, todos los cuales están estrechamente relacionados en un sistema complejo. Las PVAm tienen la ventaja de que se pueden obtener a valores determinados de masa molecular (hasta 30 millones g/mol) y densidad de carga, variando las condiciones de síntesis e hidrólisis. Esta flexibilidad permite obtener un amplio espectro de productos para diferentes aplicaciones en la producción de papel. Presentan un bajo impacto ambiental. La prueba industrial es el paso decisivo para la introducción de un nuevo aditivo en una producción determinada, por lo que su preparación debe realizarse de una forma muy cuidadosa. En general, las pruebas se realizan durante una semana por motivos económicos, lo que permite realizar solamente una evaluación inicial de la efectividad del producto ensayado. Para poder evaluar todas las ventajas y optimizar su empleo, se necesitan al menos tres meses, lo que se puede realizar después de la introducción del agente. Durante las pruebas, es importante controlar de manera muy exacta todos los parámetros de fabricación del papel y cartón, así como los análisis de laboratorio que permitan posteriormente realizar una evaluación precisa de los resultados. En ocasiones, las corridas experimentales de nuevos aditivos en máquina de papel, dan resultados negativos, ya que durante el tiempo limitado de la prueba, no se alcanzan las condiciones estables de trabajo. Se confirmó el efecto altamente favorable del CMC, sobre la molida de pulpas. El empleo del CMC, permitió alcanzar ahorros en la energía de refinación en el orden del 20-30%. Este resultado también presentó implicaciones teóricas de interés, al confirmar el papel de las hemicelulosas en el proceso de molida, favoreciendo el hinchamiento de las fibras y la disponibilidad de la pared celular, para la formación de fibrillas y microfibrillas. BIBLIOGRAFÍA Abril, A. (1986). La Quimificación en la Industria de Celulosa y Papel. Boletín Pulpa y Papel (Cuba) (2), Abril, A. (1990). Poliamidas como aditivos de parte húmeda en el papel Symposium Int. EUCEPA octubre España.Memorias Abril, A. y col. (2002). CMC como aditivo de molida y agente de resistencia en el papel. El Papel, (España) (98 mayo-junio), Heinegard, C.; Lindström, T. ; Söremark, C. (1976) Colloids and Interface Chemistry, Vol. IV, pag. 139, Academic Press, New Cork, King, A. F. (1974). Planning, running, and evaluating paper machine product development trials. TAPPI, 57 (1), Lindström T. (1988) Paper Chemistry Cap. 12. Compendium in Paper Technology. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden Lindström T. (1990), Wet end Chemistry, Some Basic Principles STFI meddelande serie D No. 46, 1990 Stange, A. W. (2000). Polyvinylamine: Chemistry and Applications. International Paper Technology Seminar Wet end Chemicals. BASF, Ludwigshafen August 2000.