ES2617430T3 - Lámina continua fibrosa de papel o cartón y método para preparar la misma - Google Patents

Lámina continua fibrosa de papel o cartón y método para preparar la misma Download PDF

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Abstract

Un método para la preparación de una lámina continua fibrosa de papel o cartón, que comprende las etapas de: - proporcionar una espuma de agua y un tensioactivo, - incorporar celulosa microfibrilada (MFC) junto con una pulpa de una longitud de fibra más grande en la espuma, - suministrar la espuma sobre una tela formadora, - retirar el agua de la espuma sobre la tela formadora por succión para formar una lámina continua, y - someter la lámina continua a un secado final.

Description

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DESCRIPCION
Lamina continua fibrosa de papel o carton y metodo para preparar la misma
La presente invencion se refiere a un metodo para la preparacion de una lamina continua fibrosa de papel o carton, una lamina continua fibrosa obtenida por un metodo, y un carton multicapas que comprende tal lamina continua como al menos una de las capas. Como aspecto particular, se usa una tecnica de espumacion en la invencion para producir la lamina continua fibrosa.
Antecedentes de la invencion
En la industria del papel la tecnica de la espuma, donde se usa espuma como fase portadora de materiales, se ha usado tanto en procedimientos de formation de laminas continuas como de revestimiento de laminas continuas. La tecnica se describe p.ej. en las publicaciones Radvan, B., Gatward, A. P. J., The formation of wet-laid webs by a foaming process, Tappi, vol 55 (1972) p. 748; un informe de Wiggins Teape Research and Development Ltd., New process uses foam in papermaking instead of avoiding it, Paper Trade Journal, 29 de noviembre de 1971; y Smith, M. K., Punton, V. W., Rixson, A. G., The structure and properties of paper formed by a foaming process, TAPPI, enero de 1974, Vol. 57, N° 1, pags. 107-111.
En la patente britanica GB 1 395 757 se describe un aparato para producir una dispersion de fibras espumada para uso en la fabrication de papel. Se anade un agente activo de superficie a pulpa fibrosa con una longitud de fibra superior a aproximadamente 3 mm, para proporcionar una dispersion con un contenido de aire de al menos 65%, para ser descargada sobre la tela formadora de una maquina de fabricacion de papel. El objetivo es conseguir una formacion uniforme de la lamina continua fibrosa sobre la tela.
A mediados de los anos setenta, el procedimiento de formacion por espuma se habla demostrado con exito en una maquina de production. En el procedimiento Wiggins Teape Radfoam (Arjo Wiggins) se suministraron fibras al alambre de una maquina de papel Fourdrinier convencional en suspension en espuma acuosa. El equipo de desarrollo obtuvo una estructura 3D no de capas en papeles preparados en una maquina Fourdrinier a concentraciones muy altas de fibras (3-5%) en agua usando espuma.
Cuando se comparan metodos de formacion por espuma y por agua es clara una tendencia. Con la formacion por espuma el volumen es mas grande, pero el Indice de traction es mas pequeno. Con una estructura mas voluminosa la estructura es mas porosa, lo que conduce a valores de Indice de traccion mas pequenos. Un resultado interesante de una comparacion de muestras preparadas por agua y por espuma fue que los Indices de rigidez a la traccion en ambos casos fueron muy cercanos, si bien las muestras formadas por espuma fueron mucho mas voluminosas. La razon para eso no se conoce en la actualidad, y requiere una investigation adicional.
Los tensioactivos usados en el procedimiento de espumacion tienen una influencia negativa sobre la resistencia a la traccion tanto en seco como en humedo de una lamina continua de papel.
La perdida de resistencia a la traccion puede ser explicada por una disminucion en la resistencia a la traccion en seco de una lamina de papel segun son adsorbidos los tensioactivos sobre superficies de fibras que dificultan el enlace de hidrogeno entre las fibras. La resistencia en humedo inicial es reducida por los tensioactivos, especialmente para un contenido seco de 8-25%, debido a una reduction en la tension superficial que resulta del debilitamiento de la fuerza principal que mantiene unida a la lamina humeda.
Segun el conocimiento actual, los principales problemas que han impedido que la formacion por espuma llegue a ser una tecnologla de formacion de laminas continuas estandar en la produccion de papel, carton y cartulina, son:
- porosidad demasiado alta en algunas aplicaciones,
- propiedades de resistencia reducidas comparado con la formacion en humedo de baja consistencia normal,
- union Scott inferior,
- resistencia a la traccion inferior, y
- modulo elastico inferior.
Con la formacion por espuma puede obtenerse un volumen mas alto (densidad mas baja) en comparacion con la formacion en humedo normal. Para las calidades de papel y carton para impresion y embalaje tlpicas, los inconvenientes principales son la perdida de modulo elastico (“blandura”) y resistencia interna (union Scott o resistencia z). Sin embargo, las mismas caracterlsticas son ventajas en la preparacion de panuelos de papel desechables. Por tanto, la formacion por espuma ha sido mucho mas habitual en productos de papel para panuelos desechables.
Una estrategia mas reciente de fabricacion de papel mejorada, que tiene como objetivo mejorar la retirada de agua y la retention de productos qulmicos de la fabricacion de papel en una lamina continua fibrosa formada sobre una tela
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formadora, es la incorporation de celulosa microfibrilada (MFC, por sus siglas en ingles) en la suspension de pulpa. El documento US 6.602.994 B1 ensena el uso de MFC derivatizada con funcionalidad electrostatica o esterica para los objetivos, que incluyen incluso mejor formation de la lamina continua. Segun la referencia, los microfibrilos tienen un diametro en el intervalo de 5 a 100 nm.
Sin embargo, los inconvenientes experimentados con la MFC son densificacion y alto encogimiento en el secado del papel, as! como una tendencia de la MFC a absorber y retener una cantidad sustancial de agua, lo que aumenta la energla requerida para el secado y reduce la velocidad y productividad de la maquina de papel. Por estas razones, la MFC no se ha ganado un uso extenso en la industria del papel hasta ahora.
Compendio de la invencion
El objeto de la presente invencion es vencer o reducir sustancialmente los problemas anteriores con respecto a papeles y cartones para impresion y embalaje, por medio del hallazgo de un metodo para preparar una lamina continua fibrosa formada por espuma, que preste una resistencia sustancialmente aumentada a productos de papel y carton a la vez que conserve la baja densidad. La solution segun la invencion es la production de una lamina continua mediante las etapas de (i) proporcionar una espuma de agua y un tensioactivo, (ii) incorporar celulosa microfibrilada junto con una pulpa de una longitud de fibra mas grande en la espuma, (iii) suministrar la espuma sobre una tela formadora, (iv) retirar el agua de la espuma sobre la tela formadora por suction para formar una lamina continua, y (v) someter la lamina continua a un secado final.
En particular, se ha encontrado, sorprendentemente, que puede usarse ventajosamente una pulpa de una longitud de fibras alta, mecanica o qulmica, en la formacion por espuma, en combination con celulosa microfibrilada. Si bien el uso de MFC en la fabrication de papel es conocido como tal, para el conocimiento del solicitante la incorporacion de MFC en una espuma no ha sido sugerido en la tecnica anterior, y los beneficios no eran previsibles para un experto en la materia.
Los microfibrilos de MFC tienen tlpicamente una longitud de fibra de aproximadamente 100 nm a 10 pm y un diametro de fibra de aproximadamente 3 a 50 nm. El termino celulosa microfibrilada (MFC), como se emplea para definir la invencion, cubre tambien celulosa nanofibrilada (NFC). La pulpa combinada con MFC por definition tiene una longitud de fibra mas grande, preferiblemente aproximadamente 1 mm o mas. Una pulpa particularmente adecuada para el uso en la invencion es la pulpa quimiotermomecanica (CTMP, por sus siglas en ingles).
Ademas de CTMP, otras pulpas de fibra larga utiles en la invencion son pulpas qulmicas, pulpa quimiomecanica (CMP), pulpa termomecanica (TMP), GW, y otras pulpas de alto rendimiento tales como APMP y NSSC.
Sin estar atado a ninguna teorla, se cree que en la combinacion las fibras largas de CTMP o similares proporcionan la estructura voluminosa, y la MFC proporciona la union entre las fibras largas. Se ha encontrado que el metodo segun la invencion consigue un volumen de al menos 2,5 cm3/g, preferiblemente 3 a 7 cm3/g. El metodo tambien demostro funcionar bien con CMTP de molienda de rechazo, mostrando la posibilidad de usar pulpa menos refinada para el producto, p.ej. la capa central de carton para cajas plegables.
En la formacion por espuma, ni las fibras largas individuales ni la MFC en solitario son capaces de formar floculos, pero sin embargo, la MFC es capaz de construir puentes entre fibras largas individuales, prestando as! a la lamina continua propiedades de resistencia sorprendentemente buenas.
Como la formacion por espuma impide la formacion de floculos entre fibras largas, puede obtenerse una formacion de gramaje muy bueno. Esto mejora la uniformidad de la calidad de impresion, ya que hay menos variation de calibre en el papel y carton.
Estas fibras largas rlgidas de CTMP son capaces de mantener la estructura voluminosa en el prensado en humedo y el secado, dando as! un volumen sorprendentemente bueno para la lamina.
Un resultado interesante en la comparacion de muestras preparadas por agua y por espuma fue que el Indice de rigidez a la traction fue muy cercano en ambos casos, si bien las muestras formadas por espuma fueron mucho mas voluminosas. La razon para eso no se conoce en la actualidad, y necesita mas investigation.
Segun una realization de la invencion, se forma una lamina fibrosa continua en una escala industrial sobre una tela formadora en movimiento de una maquina de papel o carton, se le retira el agua por succion a traves de la lamina continua y la tela formadora, y finalmente se seca en una section de secado de la maquina de papel o carton.
Otra realizacion de la invencion comprende retirar el agua de la lamina continua por succion de aire a traves de la lamina continua y la tela formadora a una presion de 60 kPa (0,6 bar) como maximo, seguido de presecar por succion de aire a una presion de aproximadamente 30 kPa (0,3 bar) como maximo.
Segun una realizacion adicional de la invencion, los componentes fibrosos incorporados en la espuma consisten en aproximadamente 5 a 40% en peso, preferiblemente 10 a 40% en peso de MFC, y aproximadamente 60 a 95% en peso, preferiblemente 60 a 90% en peso de pulpa con fibras mas largas.
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Segun aun otra realizacion adicional de la invencion, la espuma se lleva a un contenido de aire de 60 a 70% en volumen antes de ser suministrada sobre la tela formadora. La consistencia de la pulpa sometida a la espumacion puede ser 1 a 2% en base a la cantidad de agua. Una cantidad adecuada de tensioactivo en la espuma puede estar en el intervalo de 0,05 a 2,5% en peso, pero sera facilmente determinable por un experto en la materia.
El tensioactivo preferido para el uso en la invencion es dodecilsulfato de sodio (SDS), pero pueden usarse tambien otros tensioactivos tlpicos.
La formacion por espuma mediante el uso de fibras celulosicas largas y celulosa microfibrilada anadida en la espuma es por tanto un metodo muy adecuado y prometedor para producir todas las calidades de papel y carton que necesitan la mejor combinacion de formacion posible, con la mejor rigidez al plegado posible.
Tales productos incluyen por ejemplo todas las calidades de carton tales como:
- cartones, incluyendo carton para cajas plegables, aglomerado forrado blanco, carton solido blanqueado, carton solido no blanqueado, carton para envasado de llquidos, etc.
- cartones para recipientes, incluyendo carton de recubrimiento, medio corrugado, etc.
- cartones especiales, incluyendo carton de nucleo, base de papel de pared, carton para encuadernar libros, carton de pulpa de madera, etc.
Los productos tambien incluyen por ejemplo calidades de papel tales como papel de periodico, papel de periodico mejorado, rotonews, MFC, LWC, WFC, art y ULWC.
La estructura de alta resistencia y alto volumen conseguida segun la invencion puede usarse tambien por ejemplo:
- como capa central en estructuras multiples (papeles y cartones),
- en laminacion a otras estructuras de papel y/o capas de pellculas de plastico,
- como base fibrosa para revestimiento por extrusion con plasticos,
- como aislamiento termico, aislamiento sonoro, absorbente de llquidos y de humedad,
- como capa formable en estructuras moldeadas tales como bandejas, tazas, recipientes.
La lamina continua fibrosa segun la invencion, que es obtenible por el metodo descrito en lo anterior, comprende una mezcla de celulosa microfibrilada (MFC) y una pulpa de una longitud de fibra mas grande, y tiene un volumen de al menos 2,5 cm3/g, preferiblemente un volumen de 3 a 7 cm3/g.
La lamina continua fibrosa segun la invencion puede tener un valor de union Scott de al menos 50 J/m2, preferiblemente 120 a 200 J/m2.
La pulpa de una longitud de fibra mas grande en la lamina continua fibrosa segun la invencion puede ser pulpa mecanica, preferiblemente CTMP. En general, la lamina continua fibrosa comprende aproximadamente 5 a 40% en peso de mFc y aproximadamente 60 a 95% en peso de pulpa de una longitud de fibra mas grande.
Como la lamina continua fibrosa segun la invencion se usa como capa unica en un carton de papel o de cartulina multicapas, se posiciona preferiblemente como capa central, mientras que las capas de las superficies exteriores pueden ser laminas continuas fibrosas de un volumen mas bajo que dicha capa central. Por ejemplo, capas para impresion mas densas, con un modulo elastico alto, preparadas por tecnicas de fabricacion de papel estandar, pueden constituir tales capas exteriores. Los productos multicapas obtenibles mediante el uso de la invencion incluyen cartones para cajas plegables, cartones para envasado de llquidos y cartones para tazas por ejemplo. Sin embargo, es posible producir todas las capas de un carton multicapas mediante la tecnica de formacion por espuma segun la invencion.
Ejemplos
Se prepararon laminas manuales preparadas por espuma de un tamano de 38,5 cm x 26,5 cm mediante el siguiente procedimiento: se produjo una espuma mezclando agua y dodecilsulfato de sodio (SDS) como agente activo de superficie en la relacion 0,15-0,2 g/l con una maquina perforadora (3.500 rpm) hasta que el contenido de aire de la espuma es 60-70%. El contenido de aire diana de la espuma se determino mediante la configuracion de la espuma; cuando la espuma alcanza el contenido de aire diana, el nivel de la superficie de la espuma ya no sube mas y la mezcla empieza a disminuir el tamano de burbuja de la espuma. Cuando la espuma estuvo lista, se mezclo una suspension de fibras que comprendla CTMP y NFC (Daicel KY-100G, 10,7%) con la espuma fabricada previamente. Se continuo la mezcla hasta que se alcanzo de nuevo el contenido de aire diana. En condicion estable, las distancias entre las partlculas fibrosas en la espuma permanecieron constantes, y no se produjo floculacion. Despues de eso se decanto la espuma en un molde de laminas manuales y se filtro a traves de un alambre usando
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un aspirador y una camara de vaclo. El alambre era del tipo usado convencionalmente para la formacion basada en agua. Despues, el alambre y la lamina manual formada sobre el mismo se retiraron del molde y se presecaron sobre una mesa de succion mediante el uso de un aspirador. La mesa de succion tiene una ranura de succion, de 5 mm de ancho, que succiona aire a traves de la lamina con un vaclo de 20 kPa (0,2 bar).
Segun el procedimiento anterior se prepararon laminas manuales a partir de pulpas con diferentes proporciones de NFC mezclada con CTMP de aceptacion (379 CSF), rechazo o refinada ligeramente en molino, a saber, 5, 10, 15, 20, 30 y 40%. Se prepararon laminas manuales de meramente 100% de CTMP (0% de NFC) para comparacion.
Las laminas manuales secadas se ensayaron midiendo el volumen y la union Scott modificada para cada lamina. Los resultados se muestran graficamente en la Fig. 1. La proporcion de NFC esta marcada al lado de cada resultado medido. La figura tambien incluye varios productos actuales preparados por tecnicas de fabrication de papel no de espuma convencionales para comparacion.
Los ensayos muestran que p.ej. 20% de NFC mezclada con pulpa CTMP de aceptacion aumento el valor de union Scott de 55 a 190 J/m2; los valores de volumen correspondientes son 6 y 4 g/m3. El aumento en laminas de CTMP de rechazo fue 50 a 127 J/m2 en union Scott y los valores de volumen correspondientes 7,4 y 5,8 g/m3. Los valores diana de una capa central de carton para cajas plegables son un volumen de al menos 2,5 g/m3 y una union Scott > 100. Los resultados muestran que es posible producir una capa central de alto volumen de un carton para cajas plegables que tiene las propiedades de resistencia interna necesitadas a partir de un material de fibra basto mezclado con NFC por formacion por espuma. La posibilidad de formar la capa central de un carton para cajas plegables a partir de pulpa CTMP menos refinada es mostrada tambien por los resultados. Las influencias economicas de la invention son ahorros en la energla de refinado de las pulpas y en la energla de secado de la lamina continua formada por espuma. Tambien, el beneficio de la formacion por espuma, una excelente formacion independientemente de la longitud de fibra, permite capas superficiales y capas de revestimiento del carton para cajas plegables mas delgadas.
Los ensayos mostraron tambien que las distancias entre las partlculas fibrosas en la espuma fluyente permanecen constantes, es decir, las fibras no floculan. Cuando se prepara una lamina continua a partir de este tipo de espuma, por ejemplo por succion a traves de la tela formadora de una maquina de fabricacion de papel, las fibras conservan su estado no floculado, y forman una lamina continua con excelente formacion. La presion estructural que aplica la espuma a la estructura cuando es retirada es mucho menor comparado con la retirada convencional del agua, dando como resultado as! un volumen alto. Combinando la formacion por espuma con un secado de la lamina continua por succion de aire a traves de la lamina continua (p.ej. usando una ranura de succion) es posible alcanzar un contenido de solidos de la lamina continua de mas del 70%, y retener el alto volumen. La nanocelulosa (NFC) anadida al material de fibra a ser espumado aumenta las propiedades de resistencia interna de la lamina continua formada.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para la preparacion de una lamina continua fibrosa de papel o carton, que comprende las etapas de:
    - proporcionar una espuma de agua y un tensioactivo,
    - incorporar celulosa microfibrilada (MFC) junto con una pulpa de una longitud de fibra mas grande en la espuma,
    - suministrar la espuma sobre una tela formadora,
    - retirar el agua de la espuma sobre la tela formadora por succion para formar una lamina continua, y
    - someter la lamina continua a un secado final.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, caracterizado por que se forma una lamina fibrosa continua sobre una tela formadora en movimiento de una maquina de papel o carton, se le retira el agua por succion a traves de la lamina continua y la tela formadora, y finalmente se seca en una seccion de secado de la maquina de papel o carton.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que a la lamina continua se le retira el agua por succion de aire a traves de la lamina continua y la tela formadora a una presion de 60 kPa (0,6 bar) como maximo, seguido de presecar por succion de aire a una presion de aproximadamente 30 kPa (0,3 bar) como maximo.
  4. 4. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que se incorpora en la espuma pulpa mecanica, tal como pulpa quimiotermomecanica (CTMP).
  5. 5. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que los componentes fibrosos incorporados en la espuma consisten en aproximadamente 5 a 40% en peso de MFC y aproximadamente 60 a 95% en peso de pulpa con fibras mas largas.
  6. 6. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la espuma se lleva a un contenido de aire de 60 a 70% en volumen antes de ser suministrada sobre la tela formadora.
  7. 7. El metodo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el tensioactivo es dodecilsulfato de sodio (SDS).
  8. 8. Una lamina continua fibrosa obtenida por el metodo de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la lamina continua comprende una mezcla de celulosa microfibrilada (MFC) y una pulpa de una longitud de fibra mas grande, y por que la lamina continua tiene un volumen de al menos 2,5 cm3/g.
  9. 9. La lamina continua fibrosa de la reivindicacion 8, caracterizada por que la lamina continua tiene un volumen de 3 a 7 cm3/g.
  10. 10. La lamina continua fibrosa de la reivindicacion 8 o 9, caracterizada por que la lamina continua tiene un valor de union Scott de al menos 50 J/m2, preferiblemente 120 a 200 J/m2.
  11. 11. La lamina continua fibrosa de una cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizada por que la pulpa de una longitud de fibra mas grande es pulpa mecanica, preferiblemente CTMP.
  12. 12. La lamina continua fibrosa de una cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizada por que la lamina continua comprende aproximadamente 5 a 40% en peso de MFC y aproximadamente 60 a 95% en peso de pulpa de una longitud de fibra mas grande.
  13. 13. Un carton multicapas, caracterizado por que al menos una de las capas es una lamina continua fibrosa segun una cualquiera de las reivindicaciones 8-12.
  14. 14. El carton multicapas de la reivindicacion 13, caracterizado por que el carton comprende como capa central una lamina continua fibrosa segun una cualquiera de las reivindicaciones 8-12, as! como capas exteriores que tienen un volumen mas bajo que en la capa central.
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