Strutture incorporate all’interno del velo: conseguenze sulle proprietà del tissue

Sam Archer and Gary Furman (Nalco Company)

I produttori di tissue normalmente si focalizzano sul processo di crespatura, oppure sull’aggiunta di additivi chimici per migliorare le prestazioni del sistema. Tuttavia, è risaputo da tempo che la formazione stessa del velo può avere conseguenze dirette sulla qualità del prodotto finito (Schiel, 1984). Un tipo di formazione spesso trascurato è quello delle strutture incorporate all’interno del velo, normalmente associate al processo di formazione del velo umido. Utilizzando il microscopio fotografico e gli algoritmi matematici FFT (Fast Fourier Transform), è possibile identificare queste strutture e comprendere e ottimizzare il loro impatto sulle proprietà del velo.

STRUTTURE INCORPORATE. La formazione di un velo di fibre umide alle attuali velocità di produzione è un processo molto dinamico. Il disegno della tela formatrice può quindi creare un rilievo topografico e una struttura di supporto della fibra. Questo tipo di superficie può dar luogo ad una distribuzione variabile di fibre che rispecchia la tela (LaFond, 2004). Ogni tela, in base al disegno, avrà una diversa topografia superficiale e darà luogo a diverse caratteristiche del velo umido.

• I veli con dimensioni uniformi si otterranno dalla formazione di un velo che ha una superficie con un alto grado di suppporto piano. Il velo può essere considerato come piano, o planare, con uno spesso- re relativamente costante.

• I veli con strutture incorporate sono generalmente creati su superfici di formazione con alti rilievi superficiali. Lo spessore e la grammatura sono variabili e riflettono il disegno della tela.

Entrambi i tipi di architettura del velo possono influire sulla resistenza del velo e sulla morbidezza complessiva. La Figura 1 illustra schematicamente la relazione tra il disegno della tela e le strutture del velo risultanti. I veli formati sono illustrati in uno stile semplice.

STRUTTURE INCORPORATE E LAMINATURA NELLO YANKEE. Dopo che il velo si è formato, viene trasferito sul feltro con le strutture incorporate praticamente intatte. Come si può vedere nella Figura 2, le strutture incorporate possono influire significativamente sulla pressatura e la laminazione del velo allo Yankee. I veli umidi di dimensioni uniformi saranno laminati in modo uniforme contro lo Yankee, mentre i veli che al loro interno hanno strutture incorporate avranno una maggiore pressione superficiale a causa di una zona di contatto ridotta.

Una buona laminazione del velo contro lo Yankee è essenziale per ottenere una buona crespatura. Nel caso di veli dalle dimensioni uniformi, i materiali utilizzati per il rivestimento dello Yankee aventi un elevato grado di aderenza sono importanti. Il velo si trasferisce ed aderisce allo Yankee attraverso la re-umidificazione e l’intreccio, stabilendo uno stretto contatto tra il velo e lo Yankee stesso (Furman e Su, 1992). Nel caso di veli contenenti strutture incorporate, la scelta di un sistema di rivestimento dello Yankee presenta qualche problema: deve essere durevole per sopportare la pressione localizzata e le forze idrauliche nel nip del rullo aspirazione, ma anche abbastanza leggero da consentire uno stretto contatto al velo e meccanismi d’intreccio meccanico. Il successo della commercializzazione di qualsiasi prodotto in tissue dipende dall’abilità di modificare le proprietà del rivestimento per renderlo adatto al tipo di processo e al disegno del prodotto (Furman, 2004).

STRUTTURE INCORPORATE E PROCESSO DI CRESPATURA. Dopo che il velo è stato laminato allo Yankee ed essiccato al livello desiderato, viene crespato per produrre le caratteristiche del prodotto richieste. L’equazione di Eulero aiuta a comprendere cosa accade sulla punta della lama crespatrice. Questa equazione definisce la forza critica Pcr necessaria per piegare o crespare una struttura di materiale qualsiasi. Nella produzione del tissue la lunghezza della struttura L è rappresentata dal velo rilasciato dalla punta della lama crespatrice fino al punto di contatto rimasto con lo Yankee (Hollmark, 1983). La forza viene applicata parallelamente, ma in senso opposto, alla velocità di avanzamento del velo attorno allo Yankee (vedi equazione di Eulero).

Se un velo di dimensioni uniformi viene fatto aderire saldamente e uniformemente allo Yankee, L è generalmente più breve e la forza critica per piegare, Pcr è maggiore. L’energia trasferita al velo inizia a disturbare meccanicamente i legami idrogeno che si erano formati durante il processo di essiccazione e possono verificarsi fenomeni di rigonfiamento o deformazione elastica (McConnel, 2004). Capitalizzando su questo tipo di trasformazione è possibile sviluppare dei prodotti in tissue estremamente morbidi e “vellutati”.

Se il velo è liberato al di sopra della punta della lama crespatrice, la forza critica Pcr è bassa e predomina la piegatura. La distanza tra le strutture incorporate definirà L. Veli con strutture incorporate possono presentare persino le barre di crespatura, limitate dal numero di elementi cross-direction (CD) di tela per lunghezza unitaria. La sensazione superficiale risulta simile alla seta e possono essere presenti alcune fibre terminali.

La conclusione a cui si giunge utilizzando l’equazione di Euler conferma ciò che pareva intuitivamente ovvio. Il velo dovrebbe e in effetti si piega nel punto più debole, tra le strutture incorporate a maggiore grammatura.

TECNOLOGIA FFT. Nonostante l’esistenza delle strutture incorporate fosse nota ai produttori di carta e agli scienziati da anni, solo recentemente è stato possibile osservare, studiare e comprendere l’impatto sulla morbidezza e sulla resistenza del tissue.

Microscopi a immagini digitali e software per l’analisi delle immagini a prezzi accessibili (Image-Pro‚ Plus, Media Cybernetics, Silver Spring, MD, USA), in grado di applicare gli algoritmi di Fourier FFT, hanno aperto le porte della tecnologia a tutti i produttori di tissue. Per analizzare un campione di tissue, viene catturata un’immagine di formazione ingrandita 10X mediante un apparecchio digitale (Figura 3B). L’immagine viene poi analizzata mediante un software che utilizza algoritmi FFT per trovare tutte le unità ripetute. Questo dà luogo ad uno spettro di frequenza (Figura 3C). Le unità ripetute sono poi rimosse digitalmente dallo spettro e viene creata una nuova immagine che non contiene strutture incorporate (Figura 3D). A questo punto, si possono osservare flocculi e difetti del velo diversi da quelli causati dalla tela. Viene quindi creata una nuova immagine sottraendo digitalmente l’immagine senza strutture incorporate dall’immagine originale. Il risultato (Figura 3E) è un’immagine che mostra le strutture incorporate che erano nell’immagine originale.

CASI DI STUDIO. Di seguito sono riportati due esempi che illustrano diversi tipi di strutture incorporate nel velo e come la tecnologia FFT può aiutare ad identificare le opportunità di miglioramento nascoste.

• Caso 1: Un produttore di tissue voleva migliorare la morbidezza del prodotto per entrare in un mercato che prima era inaccessibile. Il desiderio era di aumentare il numero di barre di crespatura del 45% (da 25 a 38 barre per cm), rendendolo così il velo più liscio alla superficie.

- Analisi delle immagini e analisi FFT: Confrontando le immagini della struttura delle barre di crespatura (Figura 3A) e le immagini delle strutture incorporate (Figura 3E) ottenute mediante analisi FFT, è stato possibile valutare le opportunità di miglioramento. E’ risultato che il produttore di tissue aveva già ottenuto l’85% delle barre di crespatura potenziali.

L’eliminazione delle irregolarità della crespatura avrebbe potuto aumentare il numero di barre di crespatura di un altro 10%. Era probabile inoltre che un maggior numero di fibre libere si sarebbe generato mediante la crespatura ad elevato grado di adesione.

Il risultato sarebbe stato un netto miglioramento della morbidezza percepita alla superficie.

- Risultato: Provando un sistema di rivestimento più soffice ad alta adesione, il produttore di tissue è riuscito a migliorare l’uniformità delle barre di crespatura e ad ottenere un aumento del 10% nella loro quantità. La sensazione superficiale era migliorata e sono stati osservati un maggior numero di fibre libere in superficie. Le Figure 3F e 3G sono immagini ingrandite 40X utilizzate per documentare il tissue prodotto durante le condizioni Normali e di Prova.

• Caso 2: Il produttore di tissue possedeva due continue (TM 1 e TM 2) che producevano gli stessi prodotti con lo “stesso” processo. Non si capiva perché la TM 1 producesse veli più voluminosi che erano leggermente meno morbidi. Il produttore voleva che entrambe le continue fossero in grado di sfornare le stesse proprietà di prodotto.

- Analisi delle immagini e analisi FFT: Le immagini digitali di formazione del tissue prelevato da ciascuna continua (Figura 4A e 4B) mostravano chiaramente delle differenze significative tra i veli. Applicando la tecnologia FFT (Figura 4C e 4D) è stato possibile visualizzare le strutture incorporate integrali al velo. La TM 1 aveva una struttura incorporate ben definita e pronunciata, mentre la TM 2 aveva una struttura più uniforme e fine. Il volume del velo crespato e i valori più bassi di morbidezza della TM 1, dipendevano probabilmente dalla dimensione delle strutture incorporate e dal loro impatto sul processo di crespatura.

- Risultato: Il personale addetto al funzionamento dei macchinari presso quello stabilimento di tissue sta considerando diversi disegni di tela come fattore importante per il miglioramento della consistenza dei prodotti che escono dalle due continue.

RIEPILOGO:

• Focalizzare gli sforzi sulla comprensione e il miglioramento del processo di formazione del velo umido e migliorare il processo di crespatura porterà a miglioramenti nella qualità e nella produttività.

• Le tecnologie per catturare le immagini e la tecnologia FFT possono essere utilizzate come strumenti per comprendere gli impatti delle diverse strutture incorporate nel velo sul processo di crespatura e sulla produzione di tissue di qualità. •

Bibliografia:

Furman, G. S. and Su, W., “A review of chemical and physical factors influencing Yankee dryer coatings,” Nordic Pulp and Paper J., Vol. 8 no. 1, 217-222, 1993.

Furman, G., Grigoriov, V., Su, W., Kaley, C., “Effects of Modifying Agents on Adhesive film Properties – Findings Toward Improved Yankee Coatings”, Tissue World Americas, Miami Beach, FL, September 21-23, 2004.

Hollmark, H., “Mechanical Properties of Tissue”, In the Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard, Vol. 1, editied by R.E. Mark, pp. 497 – 521, 1983.

LaFond, J., “Tissue Forming Fabric Design and Application”, TAPPI - 2002 Tissue Runnability Short Course, New Orleans, LA, May 21-23, 2002.

McConnel, W., “The Science of Creping”, Tissue World Americas, Miami Beach, FL, September 21-23, 2004.

Schiel, C., “Economic and Technical Aspects in the Production of Lightweight Sanitary Tissue – Between Headbox and Yankee”. Das Papier, Vol. 38, no. 9, pp. 417 – 429, 1984.

Gli autori desiderano ringraziare:

Dr. Ross Gray (Nalco) per aver sviluppato la tecnologia FFT applicata al tissue.

Jeff Herman (Albany International) per il suo contributo nel fornire immagini utili e nel revisionare attentamente questo lavoro. •