Princípios fundamentais da formação pela via húmida

(1)

Curso Intensivo

Curso Intensivo –

– Processo de

Processo de

Produção do Papel

Princípios fundamentais da formação

pela via húmida

Ana Paula Costa – Departamento de Ciência e Tecnologia do Papel

(2)

O Conceito de Formação

O termo formação

formação é usado para descrever os vários

aspectos e percepções da uniformidade do papel.

O International Standard Office (ISO)

define a

formação

formação como:

formação

formação como:

– “ A forma na qual as fibras estão distribuídas,

dispostas e misturadas para constituir o papel”

O termo formação é usado normalmente para descrever a

impressão visual dos observadores quando olham uma folha em

transmissão, mais propriamente definida como o olhar através,

falando-se então da formação da folha de papel como sendo

uniforme ou floculada.

(3)

Quantificação da formação da folha de papel

• Transmissão da radiação colimada,

• fibras, comprimento de 1 mm a 2 mm e largura de 10 µm a 40 µm

• flocos (agregados de fibras), dimensão de 1 mm a 4 mm

Constituintes da folha de papel:

• Gravimétrico

(Corte, Hederman)

- CV(%) da massa por m2

Métodos usuais:

Comentários

1 mm

2

_{= 50 µ}

µµ

µg Sensibilidade,

duração

• Transmissão da radiação colimada,

X, β

βββ, infravermelho (Sara, Luner,

Drouin)

- Análise espectral da energia

• Análise de imagem

(Cresson, Bernié)

- Análise espectral de energia (com varrimento) - Índices específicos (perímetro de Jordan)

Tempo de varrimento bastante

elevado > 30 minutos

• Radiografia de raios X, ββββ

(Murata)

- Análise espectral da energia

Tempo de aquisição elevado

Resolução ≥

≥≥≥ 1 mm

Boa definição

Duração do tratamento de

alguns minutos

(4)

Princípio do método de análise de imagem

N ív e l d e c in ze n to Gramagem, W, g.m-2

Relação entre os níveis de Relação entre os níveis de cinzento e a gramagem cinzento e a gramagem

W

I

_T

=

₀

exp

−

(

σ

_a

+

σ

_b

)

(x, y) ( x +δx, y + δy) d θ N_xcolunas N y lin h as (x, y) ( x +δx, y + δy) d θ N_xcolunas N y lin h as Campo de análise: (6.6 ×××× 6.6 cm2₎ Resolução: 0.129 mm Gramagem, W, g.m Bernié e Douglas, 1996 Transmissão de luz G ra m a g e m ( g .m -2) Kompa, 1988

bW

a

I

_T

=

+

Para um determinado

tipo de papel e para um

intervalo reduzido de

gramagem verifica-se

(5)

Sistema de análise de imagem, implementado no

Departamento de Papel da UBI

CCD e Óptica

Modelo SM-480c, píxeis quadrados Objectiva de 25 mm, montada sobre uma cremalheira

uma cremalheira

Fonte de luz difusa

Temperatura de cor constante Dimensão: 10 ×××× 13 cm2

Variação máxima de 0.4 % do nível de iluminação do papel

(6)

A Formação

A Formação é uma das propriedades fundamentais do papel.

Mas infelizmente a propriedade fundamental das suspensões

fibrosas é estas formarem flocos, produzindo um papel com

“má” formação.

A indústria papeleira consome um enorme esforço na

resolução deste conflito.

(7)

Diferentes aspectos de formação da folha, dependendo da

composição fibrosa e do processo de produção

papel de papel de impressão impressão e e escrita

escrita, mesa plana, , mesa plana, Eucalipto Eucalipto papel manual papel manual népalais,Daphne népalais,Daphne papyracea papyracea papel de embalagem

papel de embalagem, kraft liner, dupla caixa de , kraft liner, dupla caixa de chegada, mesa plana, Pinho

chegada, mesa plana, Pinho papel laboratorialpapel laboratorial produzido no produzido no formador dinâmico, Eucalipto e Pinho formador dinâmico, Eucalipto e Pinho

(8)

Os primeiros papéis

(9)

Os primeiros papéis

(10)

Matéria Prima

Matéria Prima -- Formação

Formação

Propriedades das fibras

A tendência natural das fibras é formar flocos

Os métodos mais comuns usados para romper os flocos

Tensão de corte, turbulência, alongamento do fluxo

papel de embalagem papel de embalagem, , Pinho Pinho papel de impressão papel de impressão e e escrita

escrita, Eucalipto, Eucalipto

Tensão de corte, turbulência, alongamento do fluxo e redução da concentração da suspensão fibrosa

O grau de floculação das fibras depende significativamente da concentração e do comprimento das fibras

A forma tradicional para medir a concentração fibrosa é através da consistência na caixa de chegada

Mas não mede a tendência de floculação dado que não tem em conta as propriedades das fibras.

(11)

O “Potencial de formação”

Método empírico

Produzir folhas laboratoriais com concentração fibrosas muito baixas

Os efeitos de quebra dos flocos devido à tensão de corte, turbulência e

alargamento do fluxo não estão presentes, apenas fica a tendência das fibras de flocular.

de flocular.

Podemos ter então um rankingranking do Potencial de formação de diferentes pastas

Folha laboratorial, Pasta kraft de eucalipto, 25ºSR Folha Laboratorial Pasta kraft de pinho, 25ºSR

(12)

A medida que melhor avalia a tendência de floculação das fibras é o “Crowding Number” (N) (Kerekes and Schell).

2

3

2 











=

d

L

C

N

v C_v _{– Concentração Volúmica} L _{- comprimento da fibra} d - diâmetro da fibra

Matéria Prima

Matéria Prima -- Formação

Formação

Propriedades das fibras

3  d



d - diâmetro da fibra

N < 1 as fibras são livres de se moverem independentemente, com poucos contactos

N > 60 as fibras formam um rede continua

10 < N < 45 Gama mais usual nas condições industriais

Limitações

- Não tem completamente em conta a rigidez e o coarseness das fibras - Estão fora do conceito a fibrilação das fibras, a química do “wet end” e viscosidade da suspensão.

(13)

(14)

Refinação

Matéria Prima

Matéria Prima -- Formação

Formação

Esta operação pode melhorar a

formação, mas existem vários

limites

impostos

pelas

mudanças

nas

propriedades

papeleiras

que

o

potencial

incremento da formação pela

refinação

na

prática

não

é

usado.

(15)

Agentes de retenção e química do “wet end”

Matéria Prima

Matéria Prima -- Formação

Formação

• A causa principal da floculação provém das propriedades intrínsecas das fibras • Mas a química do “wet end” também tem alguma influência

• A função dos agentes de retenção agregar os finos e cargas inorgânicas às fibras • Inevitavelmente as fibras ligam-se umas às outras pelas mesmas forças

electrostáticas e coloidais, resultantes da dosagem dos polímeros aumentando a retenção mas degradando a formação.

• O amido catiónico que é muitas vezes usado para tornar as fibras hidrofóbicas e melhorar as propriedades de resistência, também tem a tendência a actuar como agente de retenção e degrada a formação.

(16)

Efeito da adição de amido catiónico

na formação

Folhas laboratoriais produzidas com pasta kraft de eucalipto

(17)

A formação

A formação é um dos parâmetros estruturais

mais importantes para todos os tipos de

papel e cartão, dado que influência quase

todas

as

propriedades

essenciais

dos

produtos.

A secção da teia, incluindo a caixa de

chegada da máquina de papel determina o

nível de formação.

(18)

Caixa de chegada

Caixa de chegada -- Headboxes

Headboxes

A principal função da

caixa de chegada é

distribuir a suspensão de

uma forma igual a toda a

largura da máquina,

Tubagem de alimentação e secção

(19)

Caixa de chegada

Caixa de chegada -- Formação

Formação

Transformar o escoamento cilíndrico num escoamento plano,

uniforme (DT) e constante no tempo – repartidor.

Desflocular convenientemente a suspensão fibrosa – gerar alguma

turbulência – para optimizar a formação.

Amortizar as propagações de pressão – para minimizar as variações

da gramagem na direcção máquina (DM)

Controlar o jacto da suspensão: ângulo, velocidade de jacto,

espessura, estabilidade, direcção – para minimizar defeitos na

orientação fibrosa e na estrutura do papel.

Controlar a gramagem, na direcção transversal (DT) – perfil de

(20)

Secção da formação

Secção da formação -- Formação

Formação

Formador Fourdrinier (mesa plana)

Tipos de formadores

Formador Fourdrinier (mesa plana)

Formador Híbrido

(21)

Evolução da produção do papel

(22)

Formador Fourdrinier

Tipos de formadores

V_máx ≤ 1000 m/min

Formador Fourdrinier

Formador Híbrido

Vmáx ≤ 1200 m/min

Formador de dupla teia

(23)

O processo de produção de papel é essencialmente uma

grande operação de drenagem ou um processo de

desidratação.

Consistência: Consistência: Teor de matéria seca Humidade:

Caixa de

chegada Formação Prensagem Secagem

Consistência: 0.2 – 1.0 %

2 – 10 g fibras/kg água

Consistência: 15 – 25 %

Teor de matéria seca TMS:

35 – 55 %

Humidade: 5 – 9 %

Este TMS depende do tipo de papel e design da

secção de prensagem. Operação térmica, evaporação.

(24)

Processo de formação da folha

--Fourdrinier

Fourdrinier

Formação

0.5 % Consistência 20 % TMS

95 % da água é removida nesta operação

Na fase inicial deste processo depositam-se em primeiro lugar

as fibras longas, pelo que a probabilidade de retenção das

fibras curtas vai aumentando à medida que aumenta a

gramagem do “bolo” fibroso formado, esta interpretação

mecânica da retenção de fibras explica a composição não

uniforme na direcção Z.

(25)

Formador

Formador Foudrinier

Foudrinier

(26)

Para dispersar as fibras e ter uma boa formação,

Porquê tanta água na suspensão fibrosa?

Para criar as condições para que as fibras

produzam uma

estrutura em camadas, entrando em contacto umas com as outras

de formar a aumentar a resistência através de ligações de

hidrogénio na secção de secagem.

Consistência na caixa de chegada Resistência

(27)

Objectivos

principais

pretendidos

no

processo

de

formação

da

folha

nos

sistemas convencionais de produção de

papel são:

• A obtenção de uma distribuição uniforme das fibras

no plano da folha;

• A máxima uniformidade na distribuição de fibras na

espessura;

• A maior regularidade superficial;

(28)

Como atingir estes objectivos?

• As fibras devem estar uniformemente dispersas na

suspensão devendo esta ser enviada para a secção de

formação já como um filme uniforme;

• Deve estabelecer-se

um equilíbrio entre os grandes

• Deve estabelecer-se

um equilíbrio entre os grandes

volumes de água e as implicações no manuseamento

destes, para se obter uma diluição óptima;

• Uma consistência de 0.5 a 1% é usada na maioria das

máquinas;

• Para suspensões de fibra longa a consistência requerida

para se obter uma boa formação é geralmente mais

elevada, do que para suspensões de fibra curta.

(29)

Floculação

Floculação -- Formação

Formação

Princípios que

promovem a

uniformidade

da distribuição

fibrosa

(30)

Mecanismos para minimizar a

floculação

Tensão de corte

Alongamento do fluxo

Turbulência

Drenagem

(31)

(Velocidade jacto V

_jj

/Velocidade Teia V

_tt

)

cria gradientes de velocidade na DM

(32)

Resposta da formação à V

(33)

Reacção da formação e

orientação às mudanças na V

(34)

Teoricamente a água pode ser removida da suspensão

fibrosa através de dois mecanismos:

Drenagem

filtração

espessamento

(35)

Drenagem

Drenagem --

Filtração

O “bolo” fibroso é

formado na teia,

enquanto que a

suspensão que está

acima desse “bolo”

tem uma

consistência próxima

da caixa de chegada

(36)

Não se forma um

“bolo” fibroso na

Drenagem

Drenagem --

Espessamento

“bolo” fibroso na

teia durante a

drenagem

(37)

Estrutura da folha segundo o mecanismo

de drenagem

(38)

Formação entre duas teias

Formar uma folha

simétrica na

espessura/plano médio

Princípio básico da drenagem

numa máquina de duas teias

espessura/plano médio

Zona de formação é

curta

A orientação das fibras

é difícil de controlar,

(39)

Ilustração esquemática da orientação fibrosa e distribuição dos finos na direcção Z do papel

(40)

Estrutura da folha

(41)

Distribuição das cargas

inorgânicas na espessura do papel

Wire side Wire side Top side Top side

(42)

Influência da formação sobre as

propriedades físicas do papel

Propriedades do papel:

• Volume mássico

• Permeabilidade

• Resistência à tracção e alongamento à ruptura

• Resistência ao rebentamento

• Coesão interna

(43)

Influência da formação sobre as propriedades físicas

do papel

do papel-- Resistência interna normalizada

Resistência interna normalizada

Eucalyptus globulus 1 5 0 1 7 0 1 9 0 2 1 0 2 3 0 R e s is tê n c ia i n te rn a ( k P a ) 30 60 90 G ram a ge m (gm-2) 0 .0 8 gl- 1 0 .16 gl- 1 0 .2 4 gl- 1 4 1 0 1 6 2 2 2 8 3 4 R e si st ê n c ia i n te rn a C V ( % ) 30 60 90 G ram age m (gm-2) 0 .08 gl- 1 0 .16 gl- 1 0 .2 4 gl- 1 G ram a ge m (gm )

5 seg 15 seg 30 seg 90 seg

G ram age m (gm )

Pinus sylvestris 150 170 190 210 230 R e s is tê n c ia i n te rn a ( k P a ) 30 60 90 G ram a g e m (g m-2)

0 .0 8 gl- 1 0 .1 6 gl- 1 0 .2 4 gl - 1 4 10 16 22 28 34 R e si st ê n c ia i n te rn a C V ( % ) 30 60 90 G ram a g e m (g m-2)

0 .0 8 gl- 1

0 .1 6 gl- 1

(44)