Artículo

 

Impacto de la densidad de carga eléctrica del sistema en la estructuración del papel

 

Impact of electric charge density of the system in the structure of paper

 

Alma Rosa Saucedo Corona¹, José Turrado Saucedo¹, Marcela Guzmán Corona², Rubén Sanjuán Dueñas¹, Ezequiel Delgado Fornué¹, José Antonio Silva Guzmán¹ y Hugo Vélez²

 

¹ Departamento de Madera, Celulosa y Papel/CUCEI-Universidad de Guadalajara. Correo e: asaucedo@dmcyp.cucei.udg.mx

² Maestría en Ciencias, Departamento de Madera, Celulosa y Papel-CUCEI-Universidad de Guadalajara.

 

21 de noviembre de 2014
26 de febrero de 2015.

 

Resumen

Los nuevos retos en el uso del papel demandan propiedades de respuesta que solo se logran con la incorporación de productos químicos en la estructura fibrosa. El objetivo de este estudio fue aportar conocimiento del comportamiento coloidal que integra el sistema residual de productos químicos en la suspensión fibrosa y su neutralización, a fin de disminuir su impacto negativo sobre los nuevos productos químicos que permitan mejorar la distribu∫ción uniforme de fibras y el incremento de sus propiedades de respuesta. La materia prima fibrosa fue papel Kraft de primer reciclado y papel Kraft con "n" reciclados en una proporción de 50 % cada uno. La neutralización de la densidad de carga eléctrica se llevó a cabo con poliacrilamida de alta densidad de carga (barredor). La densidad de carga eléctrica de la suspensión fibrosa se modificó durante la estructuración de la hoja de papel al dosificar floculante de diferente peso molecular y densidad de carga eléctrica, calificada con la técnica de medición densidad de carga eléctrica (MÜtek); como propiedad de respuesta se evaluó en hojas estándar de laboratorio de 60 g m^-2, mediante técnicas de análisis de imágenes, mientras que la incidencia sobre las propiedades físicas se hizo de acuerdo a técnicas TAPPI. La adición de 0.1 % de floculante de bajo peso molecular registró 69.3 % de área uniformemente distribuida, y la resistencia a la tensión, 12 % de incremento; esto indica que la aplicación de floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica produjo mejor propiedad de respuesta.

Palabras clave: Densidad de carga eléctrica, distribución de fibras, estructuración de la hoja de papel, fibra reciclada, floculante, reciclado de papel posconsumo.

 

Abstract

The new challenges in the use of paper demand response properties which can be achieved with the addition of chemicals into the fiber structure. The aim of this study was to provide knowledge of the colloidal behavior that integrates the residual chemicals system in the fiber suspension and its neutralization, to lessen its negative impact on new chemicals that enhance the uniform distribution of fibers increasing the response properties of the paper. The fibrous raw material used in this study was Kraft paper from the first recycling and Kraft paper from n recycling cycle in a ratio of 50 % each one. Neutralizing of electrical charge density is carried out with polyacrylamide high charge density (sweeper). The electric charge density of the fibrous suspension was modified during the paper structuring by dispensing flocculant with different molecular weight and electric charge density; this property was evaluated with the electric charge density technique (MÜtek), as response property was evaluated in laboratory standard sheets with 60 gm-2 fiber distribution is accepted as formation of the sheet of paper, this evaluation was performed with image analysis techniques, while the effect on the physical properties are evaluated according to TAPPI techniques. The addition of 0.1 % of low molecular weight flocculant reported 69.3 % uniformly distribution area, while the tensile strength was increased by 12 %. This means that the application of low molecular weight with high electric charge density registered a better response ability.

Key words: Electric charge density, fiber distribution, structuring of paper sheet, recycled fiber, flocculant, post- consumption paper recycling.

 

Introducción

La industria del papel a nivel mundial opera principalmente en la cadena forestal sustentable, en la cual no incide de forma directa en aquellos países que carecen de recursos forestales. En el ámbito nacional, la tasa de recuperación de papel posconsumo solo alcanza 56.7 % con respecto a la producción de papel, por lo que es necesario importar 1 280 mil toneladas de papel posconsumo para satisfacer la demanda nacional de materia prima fibrosa (CNCP, 2014).

La elaboración de papel involucra una mezcla de fibras; finos de fibras; productos químicos auxiliares, como cargas minerales, colorantes, floculantes o agentes de retención; todos ellos con el fin de lograr su buen desempeño según el uso deseado. La incorporación de fibra secundaria es un reto, dado que se debe obtener la conformación de la red fibrosa. Las sustancias introducidas disueltas durante la desintegración interfieren en la parte química de la suspensión fibrosa y, en consecuencia, afectan los fenómenos que se desarrollan durante la elaboración de la hoja de papel.

A partir de 1980 se inició la agregación de micropartículas al sistema de formación del papel, que permitieran incrementar la velocidad de operación, eliminar agua más rápidamente dando la conformación del papel, así como para la optimización en la retención de los aditivos. El aumento de la participación de fibra secundaria ha implicado una mayor atención al sistema coloidal en la suspensión fibrosa. El papel periódico está constituido por fibra proveniente de pasta mecánica; el papel agroindustrial de pulpa Kraft; el papel de revista consta de fibra Kraft blanqueada con alto contenido de cargas minerales. Esto ejemplifica algunos productos que durante el sistema de reciclado cada componente incidirá con su propia característica química en la densidad de carga eléctrica del sistema, mismo que está en un continuo cambio, ya sea por los ciclos cerrados de uso de agua o por la materia prima que se ajusta constantemente.

La formación de la hoja de papel desde su origen se ha basado en la estructuración de la red fibrosa auxiliado por el agua del proceso para la formación de puentes de hidrógeno entre fibras. La eliminación del agua y la orientación de las fibras en una máquina de papel es el objetivo fundamental, a fin de constituir un material con propiedades específicas como alta resistencia a la tracción, superficies uniformes, resistencia a la delaminación, superficies hidrofílicas o hidrofóbicas, etcétera. Estas son propiedades de respuesta particulares porque cada una de esas características requiere de un diseño especófico. Incluir aditivos al papel, cargas minerales para hacer papeles más cerrados, agentes de resistencia en seco o para controlar la absorción de agua interfieren en la relación y estructuración de la red fibrosa y alteran el balance químico (conductividad, pH, densidad de carga eléctrica). Las fibras de celulosa poseen carga eléctrica negativa debido a los grupos hidroxilos en la cadena de alfa-celulosa, al mezclarse las fibras con los aditivos en la preparación de la suspensión fibrosa se altera la carga eléctrica que conforma el potencial de carga en el sistema.

El acondicionamiento de la suspensión fibrosa para mejorar el diseño y estructuración del papel incluye fenómenos de coagulación y floculación de las fibras (Scott, 1996). La coagulación como sistema físico-químico se representa por dos fases: la primera se refiere a las partículas sólidas en forma individual, las cuales corresponden a la fase dispersa; y la segunda es una fase continua, que constituye el medio móvil de la suspensión. Se denomina floculación al proceso de desestabilización de una dispersión coloidal hidrófoba, mediante la unión de partículas coloidales utilizando polímeros, generalmente sintéticos de elevado peso molecular (>10⁶ g mol^-1) o floculantes (Hernández, 2001). La floculación ocurre en el momento en que se forma un aglomerado de fibras en el agua a través de interacciones electroquímicas.

La iniciación de flóculos en la suspensión fibrosa se debe, principalmente, a la adsorción de los pol&1iacute;meros en la superficie de las fibras, lo cual sucede mediante dos modelos: modelo de parches cargados y el de formación de puentes. El primero tiene lugar cuando se presenta un policatión de alta densidad de carga y bajo/medio peso molecular, mientras que el segundo resulta de un policatión de baja/media densidad de carga y alto peso molecular.

Al tener un polielectrolito de carga opuesta a las partículas se favorece la floculación producto de las fuerzas de atracción de corto alcance.

El mecanismo de floculación se divide en seis etapas (Hernández, 2001):

a) Dispersión del polómero en el medio
b) Difusión del polímero hacia la interface sólido-líquido
c) Adsorción del polímero en la superficie
d) Reorganización de las cadenas de polímeros
e) Crecimiento de flóculos por colisiones y adsorciones entre flóculos
f) Ruptura de flóculos

La reorganización de las cadenas de los polímeros para obtener una conformación compacta está en función del tiempo; con ello los microflóculos favorecen las colisiones y producen mayor número de puentes entre partículas, que dan lugar al crecimiento de flóculos (Hubbe et al., 2009). La actividad floculante de la acrilamida catiónica depende de las sustancias presentes, en especial de los compuestos aniónicos, finos orgánicos y cargas minerales, las cuales interfieren en la adsorción de la poliacrilamida sobre las cadenas de alfa-celulosa de las fibras (Swanson, 2003).

El presente trabajo busca contribuir al análisis del control de la densidad de carga eléctrica durante el proceso de reciclado de papel posconsumo, así como su impacto en la conformación del papel al adicionar poliacrilamida de alto y bajo peso molecular con densidad de carga diferente, previo a la estructuración del papel.

Se determinó la presencia de floculante de alto y bajo peso molecular sobre fibra reciclada en la formación de este producto, lo que se midió en función de la distribución de fibras.   Se tomó como base un diseño experimental 2^k, con las variables: adición de floculante de alto peso molecular con baja densidad de carga eléctrica y otro de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica; tiempo de reacción y temperatura. Como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras en hojas de laboratorio y la resistencia a la tensión. La mayor densidad de carga eléctrica de un polímero no garantiza el mejor resultado en la distribución de fibras considerada como la formación uniforme de la estructura del papel, ni en la resistencia a la tensión.

Materiales y Métodos

El estudio se llevó acabo en el laboratorio de Papel del Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara, con la finalidad de generar conocimiento en el manejo de fibra reciclada para el diseño y estructuración de papel.

Productos químicos

Como floculantes se seleccionaron dos poliacrilamidas, una de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica y otra de bajo peso molecular y alta densidad de carga. Ambas se prepararon en solución con agua destilada a una relación 100:1.

La neutralización de la densidad de carga eléctrica fibrosa se realizó con poliacrilamida de alta densidad de carga eléctrica (barredor), la cual se preparó en solución acuosa en una relación de 10:1.

Para determinar el potencial de carga se tituló la suspensión con cloruro de dimetil amonio dialil poli, P-DADMAC con una concentración de 0.007 N.

Fibra

La materia prima fibrosa fue papel Kraft posconsumo de primer reciclo (fibra larga de 65.6 %) y papel Kraft posconsumo con n reciclados (fibra larga de 48 %) en una proporción de 50 % cada una.

Preparación de la pasta

La mezcla fibrosa se humectó durante 4 h y se desintegró por 7 min a 3 000 rev de acuerdo a la norma T-205 sp-02 (TAPPI, 2014). Posteriormente, la fibra se refinó a 360 ºCSF en molino Jokro (ISO 5264/3) (ISO, 1998).

Descripción de la fibra

La mezcla fibrosa se caracterizó de acuerdo a T-211 sp-02 respecto al contenido de ceniza y con la T-233 sp-06 se hizo la clasificación de fibra Bauer-McNett (TAPPI, 2014).

Determinación de densidad de carga eléctrica

La densidad de carga eléctrica de la suspensión fibrosa se evaluó mediante el equipo Mütek V2.5, BTG Inc., y se utilizó una solución catiónica de poly-Dadmac (Dialil-dimetil cloruro de amonio) y una solución aniónica PES-Na (Polietilsulfonato de sodio).

Tratamiento del floculante

El floculante se aplicó a la suspensión fibrosa de acuerdo al diseño experimental 2³, con las variables controladas: adición de floculante de alto peso molecular con baja densidad de carga eléctrica y bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica, tiempo de reacción y temperatura; y como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras en hojas de laboratorio y resistencia a la tensión.

Formación de hojas

La formación de hojas de papel estándar de laboratorio se efectuó de acuerdo a T-205 sp-02, de 60 g m^-2 (TAPPI, 2014); la fibra se conserva en una suspensión al 0.8 % de consistencia con agitación constante. El área de la hoja formada es de 0.0202 m².

Evaluación de la estructuración de la hoja

La distribución de fibras aceptada como formación se evaluó utilizando técnicas de análisis de imágenes, para lo cual se usó un estereomicroscopio MZ7.5 Laica y software LAS Image Laica.

Resistencia mecánica

Las hojas formadas se acondicionaron a 23 ºC y 50 % de humedad relativa de acuerdo a T-402 sp-02, se tomaron probetas para evaluar la resistencia a la tensión de acuerdo a T-494 sp-02 (TAPPI, 2014).

Metodología

El experimento se llevó a cabo con fibra refinada ajustada a las condiciones preestablecidas, la aplicación de productos químicos y factores de respuesta de acuerdo al diseño experimental 2^k con dos repeticiones. Las variables dependientes consideradas fueron: dosificación de floculante para alto y bajo peso molecular (0.05, 0.075 y 0.1 %), tiempo de reacción (0, 15 y 30 min) y temperatura (30, 37.5 y 45 ºC); los tratamientos del diseño experimental se muestran en el Cuadro 1. Como factores de respuesta se evaluaron la densidad de carga eléctrica, la distribución de fibras y la resistencia a la tensión con probetas de las hojas de laboratorio. Como constante del proceso se adicionó como barredor poliacrilamida de alta densidad de carga eléctrica al 0.3 % para neutralizar la densidad de carga eléctrica inicial de la suspensión, así como la velocidad de agitación de 65 rpm. Los resultados se analizaron estadísticamente al aplicar las herramientas del software Statgraphics Centurion (Statpoint Technologies, 2006).

Cuadro 1. Diseño experimental 2³.
Table 1. 2³ Experimental design.

Resultados y Discusión

El anólisis de la materia prima muestra un alto porcentaje de fibra larga retenido en malla 30 (57 %), con presencia de finos de 23 % y un contenido de ceniza de 5.4 % (Cuadro 2), lo cual indica la existencia de cargas minerales.

Cuadro 2. Caracterización de la materia prima en mezcla.
Table 2. Description of the mixed raw material.

Los resultados obtenidos de los tratamientos de dosificación de floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica se resumen en el Cuadro 3, en el que se muestran las variables de respuesta: densidad de carga, distribución de fibras y resistencia a la tensión para cada uno de los tratamientos.

Cuadro 3. Resultados de la aplicación del floculante de alto alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica de acuerdo al diseño experimental y el valor de referencia sin tratamiento.
Table 3. Results of the application of a high molecular weight and low electric charge density flocculant according to the experimental design and the reference value without treatment.

Previo a la dosificación del floculante se aplicó el barredor para así asegurar la neutralización de cargas eléctricas residuales. Como referencia de la densidad de carga se estructuró la hoja de papel con fibra sin floculante, ni neutralizador de carga eléctrica inicial (barredor).

El análisis estadístico revela que la presencia del floculante en coordinación con el tiempo de reacción (interacción de los factores AB) alcanza un efecto estandarizado de 1.1 en el proceso de distribución de fibras y un valor de 67.1 %, información rescatada del diagrama de Pareto (Figura 1).

A=Floculante; B = Tiempo de reacción; C = Temperatura
A=Flocculant; B = Reaction time; C = Temperature

Figura 1. Diagrama de Pareto del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga.
Figure 1. Pareto diagram of the fiber distribution analysis (formation) for the high molecular weight and low electric charge density flocculant.

El análisis de la superficie de respuesta de los datos obtenidos en el tratamiento con el nivel más alto de floculante con el menor tiempo de reacción registra el mayor valor en la distribución de fibras, lo que permite lograr una mejor calidad en la hoja formada (Figura 2).

Figura 2. Estimación de la superficie de respuesta del análisis de distribución de fibras (formación) con floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica.
Figure 2. Estimation of the surface of response from the fiber distribution analysis (formation) with high molecular weight and low electric charge density flocculant.

La distribución de fibras al aplicar floculante de alto peso molecular se representa en las figuras 3 y 4. La primera corresponde a las condiciones de floculante de 0.1 %; tiempo de reacción de 0 min y temperatura de 30 ºC, lo que da como resultado una distribución de fibras de 67.1 %. La Figura 4 ilustra un valor de 64.7 %, por la adición de floculante de 0.075 %; tiempo de reacción de 15 min y temperatura de 37.5 ºC. La resistencia a la tensión fue de 5.8 y 5.4 kgf, respectivamente, en probetas de 15 mm de ancho.

Figura 3. Distribución de fibras de 67.1 %.
Figure 3. Fiber structure of 67.1%.

Figura 4. Distribución de fibras de 64.7%.
Figure 4. Fiber structure of 64.7%.

Los resultados de los tratamientos con respecto a la adición del floculante de bajo peso molecular se reúnen en el Cuadro 4, así como los valores obtenidos para las variables de respuesta: densidad de carga, distribución de fibras y resistencia a la tensión.

Cuadro 4. Resultados de la aplicación del floculante de bajo peso molecular y el valor de referencia sin tratamiento.
Table 4. Results of the addition of low molecular weight flocculant and the reference value without treatment.

El cuadro anterior muestra que la dosificación de 0.05 % de floculante de bajo peso molecular y alta densidad de carga eléctrica, sin tiempo de reacción y temperatura de 30 ºC genera una densidad de carga eléctrica de 254 mV y una distribución de fibras de 64.2%, mientras que con 0.1 % de floculante, sin tiempo de reacción y temperatura de 30 ºC origina una densidad de carga eléctrica de 162 mV y una distribución de fibras de 69.3 %. El análisis muestra el efecto de la densidad de carga eléctrica propia del floculante adicionado por ser un polímero de bajo peso molecular y alta densidad de carga; a baja concentración tiene más movilidad en el seno de la suspensión fibrosa, con un registro superior de la densidad de carga eléctrica en la suspensión y sin tiempo de reacción.

La relación de floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica y tiempo de reacción (interacción de los factores AB) son variables dominantes en el proceso de distribución de fibra, ya que alcanza un efecto estandarizado de 1.5 y la distribución de fibras de 69.3 %. Lo anterior se confirma en el diagrama de Pareto (Figura 5).

A=Floculante; B = Tiempo de reacción; C = Temperatura
A=Flocculant; B = Reaction time; C = Temperature

Figura 5. Diagrama de Pareto del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de baja peso molecular y baja densidad de carga eléctrica.
Figure 5. Pareto Diagram of the analysis of fiber distribution (formation) for the low molecular weight and high electric charge density flocculant.

El análisis de la superficie de respuesta registra que la concentración de floculante con el menor tiempo de reacción alcanza la mayor distribución de fibras en el intervalo experimental (Figura 6).

Figura 6. Estimación de la superficie de respuesta del análisis de distribución de fibras (formación) para el floculante de bajo peso molecular y alta densidad de carga eléctrica
Figure 6. Estimation of the response surface of the analysis of fiber distribution (formation) for the low molecular weight and high electric charge density flocculant.

La distribución de fibras en las hojas de laboratorio se muestra en las figuras 7 y 8. La primera corresponde a la adición de floculante de bajo peso molecular (0.1 %), tiempo de reacción de 0 min y temperatura de 30 ºC presenta distribución de fibras 69.3 %. La Figura 8 se refiere al tratamiento con adición de floculante de 0.1 %, tiempo de reacción de 30 min y temperatura de 30 ºC con distribución fibrosa de 59 %, mientras que los resultados de resistencia a la tensión son de 5.8 y 5.1 kgf en probetas de 15 mm de ancho, respectivamente.

Figura 7. Distribución de fibras 69.3 %.
Figure 7. 69.3 % Fiber distribution.

Figura 8. Distribución de fibra 59 %.
Figure 8. 59 % Fiber distribution.

Este estudio indica que la distribución de fibras permite la mejor formación de la hoja del papel es aquella que ofrece la menor densidad de carga eléctrica en el sistema, lo que concuerda con los parámetros de la parte húmeda de la máquina de papel que se atribuye al número de contactos entre fibras y la fuerza del enlace entre ellas (Cho et al., 2006).

Las fluctuaciones en la distribución de fibras y densidad de carga eléctrica del sistema se atribuye a la composición de la materia prima empleada, la cual está constituida con 57 % de fibra larga y 5.4 % de ceniza, estas últimas consideradas como cargas minerales, parámetros que contribuyen a la formación de flóculos y dificultan la distribución uniforme de fibras. Esto concuerda con el análisis del impacto de las fibras largas, fibras cortas y partículas inorgánicas, en el que se determina que las largas participan en el proceso de floculación, aunado a la presencia de fibras cortas y partículas inorgánicas (Hartley y Banerjee, 2008).

 

Conclusiones

El presente trabajo registró niveles aceptables de formación en la hoja de papel, cuando se adicionó floculante de bajo peso molecular con alta densidad de carga eléctrica al registrar 69.3 % de distribución de fibras, lo cual representa un incremento de 20 %. Asimismo la resistencia a la tensión se incrementó 12 % y alcanzó 5.9 kgf 15 mm^-1.

El floculante de alto peso molecular y baja densidad de carga eléctrica mantuvo valores de resistencia a la tensión en un margen de 5.1 a 5.8 kgf evaluadas en probetas de 15 mm de ancho.

La densidad de carga eléctrica del floculante incide en la formación de enlaces fibra-fibra, ya que la resistencia a la tensión es función de la capacidad de enlaces o de puentes de hidrógeno, así como del largo de la fibra.

Se evidencia que el control continuo de la carga eléctrica del sistema para mantener estable la distribución de fibras, ya que la mayor densidad de carga eléctrica de un polímero no garantiza el mejor resultado en la distribución de fibras, considerada como la formación uniforme de la estructura del papel, ni en la resistencia a la tensión.

 

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

 

Contribución por autor

Alma Rosa Saucedo Corona: colaborador y revisor de trabajo de tesis de investigación; José Turrado Saucedo: director de trabajo de tesis de investigación; Marcela Guzmán Corona: estudiante de posgrado, trabajo de tesis de investigación; Rubén Sanjuán Dueñas: asesor de trabajo de tesis de investigación; Ezequiel Delgado Fornué: co-director del trabajo de tesis de investigación; José Antonio Silva Guzmán: colaborador y revisor de trabajo de tesis de investigación; Hugo Vélez: colaborador y revisor externo de trabajo de tesis de investigación.

 

Referencias

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