Attraverso una più attenta selezione del legno, insieme a processi di cottura modificati, la pasta softwood può essere lavorata ad hoc per ottimizzare le proprietà più utili ai fini della produzione di tissue.
Anne Kristin Holen and Björn Diliner, Södra Celi Research and Development, Tofte, Norvegia
La pasta chimica sbiancata softwood è ingrediente primario nella gran parte dei prodotti tissue di alta qualità. La principale funzione di questo tipo di polpa è conferire la resistenza aggiuntiva necessaria sia per la produzione con una macchina a velocità sostenuta, sia per la resistenza del tissue stesso. Questa resistenza va ottenuta senza sacrificare altre importanti caratteristiche di qualità come la morbidezza, la voluminosità e la capacità di assorbenza.
Un impasto di polpa misto si compone di miliardi di fibre. Ogni fibra ha caratteristiche peculiari, di origine naturale, di varie forme e dimensioni. Questa varietà può rappresentare un problema quando si vuol ottenere gli stessi prodotti da fibre differenti.
Tuttavia sfruttare queste peculiarità dà al produttore la possibilità di creare polpe con fibre adatte per fini molto specifici.
L'esempio più chiaro è quello dell'uso della pasta softwood e di quella hardwood. Le differenze di caratteristiche sono ben note e le polpe hanno applicazioni assai diverse. Ci sono inoltre varietà all'interno dei softwood, secondo le specie, il luogo di origine e l'età dell'albero. Grazie alla conoscenza della materia prima queste differenze possono essere utilizzate selezionando il legno e producendo polpe con diversi profili.
LA RESISTENZA DIPENDE DALLA FLESSIBILITÀ DELLA FIBRA
La resistenza della rete di fibre è fondamentale per la resistenza del velo di carta. In prodotti come il tissue, la compattezza del legame tra le fibre è più importante della resistenza della singola fibra. La coesione tra le fibre è dovuta ai legami di idrogeno tra le superfici. Ogni punto della superficie di una fibra chimica sbiancata può creare un legame se in contatto con un'altra fibra.
Proprio per questo sono la resistenza e l'elasticità a determinare la capacità della fibra di creare legami, dal momento che le fibre, per unirsi, devono essere flessibili. Per capire meglio, proviamo ad immaginarci le fibre come fili di spaghetti. Prima di essere bolliti gli spaghetti sono rigidi e anche se messi a mollo in acqua fredda non aderiscono tra loro. Tuttavia, dopo la cottura sono elastici e tendono ad attaccarsi tra di loro se non li mescoliamo.
La Figura 1 offre una chiara illustrazione delle differenze di formazione della rete da fibre rigide o da fibre flessibili. Si osservi che la zona di contatto tra le fibre flessibili è ben più estesa.(Figura1)
LA FLESSIBILITÀ DELLE FIBRE DIPENDE MOLTO DALLA DENSITÀ DELLA SUPERFICIE ESTERNA; le fibre sottili, infatti, hanno maggiori possibilità di aderire tra loro.
Tuttavia è possibile alterare la flessibilità della fibra cambiando la composizione chimica della superficie esterna, facendo in modo che la struttura tenda a gonfiare in acqua (Figura 2). Nella pratica, la resistenza alla rottura è la proprietà utilizzata più comunemente per valutare l'effetto combinato della flessibilità della fibra e della capacità di legame. Per il produttore di tissue è molto conveniente ottenere una pasta non raffinata altamente resistente.
Probabilmente è il giusto approccio anche se la pasta prima della produzione del tissue verrà leggermente raffinata, dal momento che queste paste hanno già la più alta flessibilità di fibre. Comunque altre caratteristiche come l'area di coesione o la rigidità delle fibre possono dare maggiori informazioni riguardo alla loro reazione al momento in cui sono lavorate nella PM.(Figura 2)
UN ALTRO ELEMENTO CHE HA UNA CERTA INFLUENZA SULLA RESISTENZA È LA FORMA DELLA FIBRA. Le irregolarità sulla fibra diminuiscono la resistenza, ma non hanno particolare influenza sulla flessibilità. Dal momento che il velo di tissue subisce un processo di crespatura, l'effetto dell'incurvamento della fibra sulle proprietà del tissue finale non è chiaro. Ogni fibra di legno "morbido" può dare una resistenza soddisfacente per tutti i tipi di prodotti tissue se sottoposta ad una adeguata raffinatura.
Ci sono comunque alcuni svantaggi, dal momento che una raffinatura estesa consuma energia ed inoltre risultano trascurati altri parametri di qualità come la morbidezza e la capacità di essiccamento. Quindi, ideale per il tissue è una fibra flessibile che ha una buona capacità di legame con le altre fibre con un trattamento meccanico minimo. Un'altra proprietà rilevante della fibra è la carica sulla superficie della fibra, che è importante per la ritenzione degli agenti leganti sulla sezione umida ed influisce sulla fase di bilanciamento chimico nella macchina. Ci sono differenze di carica notevoli tra diversi tipi di pasta softwood, dovute principalmente ai processi di produzione. Sono comunque irrilevanti in confronto alle differenze tra softwood e hardwood, o polpe chimiche e polpe chimico-termo-meccaniche.
L'ORIGINE DEL LEGNO E L'ETÀ HANNO UN RUOLO IMPORTANTE.
È ben noto che specie di legno differenti hanno fibre di dimensioni diverse, ma esistono ampie variazioni anche tra fibre provenienti dalla stessa specie secondo l'origine e l'età del legno. La Figura 3 mostra lo sviluppo della resistenza attraverso la raffinatura in una cartiera per paste di laboratorio da sei tipi di softwood norvegese selezionati, diversi per specie, età e origine.
Risulta chiaro che la raffinatura aumenta la resistenza. È evidente che la polpa di abete normalmente sviluppa rigidità più velocemente della polpa di pino, ma ci sono differenze tra legno giovane e vecchio della stessa specie, spiegabili con le diverse dimensioni delle fibre. Generalmente l'abete scandinavo ha fibre più lunghe e sottili del pino e il legno giovane ha fibre più corte e fini del legno vecchio. Dalla Figura 4 si evince che le polpe con fibre più spesse hanno il minor indice di resistenza in assenza di raffinatura.
ALLA SÖDRA QUESTE CONOSCENZE VENGONO UTILIZZATE NELLA PRODUZIONE DI PASTE PER IL MERCATO INDUSTRIALE. Al nostro stabilimento di Tofte il legno è selezionato per produrre polpe ideate specificamente per prodotti differenti. Il legno dell'abete giovane con fibre sottili è usato per la polpa da tissue, mentre le fibre di abete più grosse hanno buone proprietà per fornire polpa da rinforzo nella carta da stampa. Un terzo tipo, una mescolanza di pino e abete, è usato per prodotti che richiedono particolare voluminosità e rigidità. Caratteristiche dello stato grezzo, lunghezza delle fibre e indice di resistenza in assenza di raffinatura per queste qualità sono illustrati nella Figura 5 (vedi a pagina 60).
LA POLPA DA TISSUE DI TOFTE È STATA BEN ACCETTA TRA I PRODUTTORI DI TISSUE ED IL MERCATO DI QUESTO TIPO DI POLPA È IN CRESCITA. Per rispondere alla richiesta, il nostro stabilimento di Varo ha sviluppato una polpa da tissue simile a quella di Tofte attraverso lo sviluppo sistematico della fornitura di materia prima e del processo produttivo. Risultato di questi cambiamenti è stato un aumento della resistenza in assenza di raffinatura di oltre il 10%, come mostra la figura 6.
La cottura modificata promette un ulteriore miglioramento.
La ricerca alla Södra ha dimostrato che la modificazione del processo di cottura può migliorare anche l'idoneità di queste polpe per le carte tissue. Questi metodi non sono ancora utilizzati su scala industriale ma probabilmente saranno presto introdotti nelle cartiere. La ricerca più promettente è quella relativa alla ritenzione di emicellulose per migliorare la flessibilità delle fibre.
Lo spessore delle superfici delle fibre è la caratteristica più importante ai fini della flessibilità delle fibre, ma anche la composizione chimica ha un ruolo importante. La superficie di una fibra chimica sbiancata è composta da due gruppi di carboidrati complessi: cellulosa ed emicellulosa. La cellulosa è basata su microfibrille parzialmente cristalline ed è il materiale di rinforzo responsabile della resistenza della fibra, mentre l'emicellulosa, che unisce le microfibrille, conferisce morbidezza.
L'emicellulosa è amorfa e si gonfia quando la fibra è immersa in acqua. Un livello maggiore di cellulosa nella superficie della fibra aumenta la resistenza della fibra ma non la flessibilità o le proprietà di coesione. Queste ultime caratteristiche sono determinate dal contenuto di emicellulosa; un livello maggiore di emicellulosa nella polpa dovrebbe rendere la polpa stessa più flessibile e conferire maggiore capacità di coesione. Un modo per aumentare la produzione di carboidrati è utilizzare additivi nel processo di cottura. Ad esempio l'aggiunta di antrachinone durante la lisciviazione velocizza la delignificazione, oltre ad aumentare la produzione di carboidrati. L'uso di polisolfuro protegge le emicellulose e ne aumenta la produzione rispetto alla cellulosa. L'aggiunta di polisolfuro e antrachinone ha un effetto sinergico sulla produzione di carboidrati dalla cottura. La Figura 7 mostra l'effetto dell'aggiunta di polisolfuro e antrachinone sulla resistenza della polpa di pino da laboratorio; la polpa modificata mostra una migliore resistenza rispetto alle altre. Figura 7.
CONCLUDENDO POSSIAMO AFFERMARE CHE LA NOSTRA CONOSCENZA DELL'INCIDENZA DELLE CARATTERISTICHE DELLA FIBRA SULLA QUALITÀ DEL TISSUE È IN CONTINUA EVOLUZIONE. Attraverso l'approfondita conoscenza delle proprietà delle fibre, delle caratteristiche peculiari delle varie specie ai fini della produzione di diversi tipi di carta, il produttore di tissue è in grado di ottenere polpa con caratteristiche ideate in modo specifico in relazione al prodotto finale. Così in una polpa idonea al tissue, le fibre dovrebbero essere flessibili ed avere un alto potenziale di coesione.
Questo proposito può essere perseguito attraverso la scelta della giusta materia prima ed ulteriori modificazioni del processo di pulping.