Processo de Produção de Pasta - Tecnicelpa
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Processo de Produção de Pasta Maria Emília Amaral outubro 2014 Materiais fibrosos – Morfologia das fibras
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Processo de Produção
de Pasta
Maria Emília Amaral
outubro 2014
Materiais fibrosos – Morfologia das fibras
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RESUMO
• Matéria prima – morfologia e composição
química
• Efeito da produção de pasta e refinação
• Propriedades das fibras no estado húmido
• Propriedades das fibras no estado seco
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“A influência das características da madeira e
das fibras no desempenho das pastas e nas
propriedades papeleiras é superior à influência
dos processos envolvidos”
Citado por: Reeves, 1991; Paavilainen, 1994
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I. Matéria prima
Divisão -
Angiospérmicas
Classe -
Dicotiledóneas
Género - Eucalyptus
Espécie – globulus;
grandis; urograndis,
etc.
Divisão -
Gimnospérmicas
Classe - Coníferas
Género - Pinus
Espécie - pinaster;
sylvestris; radiata, etc.
Folhosas Resinosas
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Crescimento da planta e tipos de células
A actividade dos meristemas consiste na divisão
sucessiva de células como forma de perpetuar e de formar
novas células do corpo da planta.
meristema apical do caule e da raiz
Crescimento da parte aérea e da parte radicular
germinação da semente zonas de meristema no ápice do caule e da raiz
CÂMBIO VASCULAR
Durante a actividade cambial, uma
célula do câmbio (C), com a célula mãe
(M) adjacente em ambos os lados,
pode ver-se entre o xilema (X) e o
floema (P).
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Plano transversal de uma resinosa, Picea
abies
Anel de
crescimento
Canal
resinífero
Fibras
Plano transversal de uma folhosa, Betula pendula
Anel de
crescimento Fibras
Elementos de
vaso
7
Plano longitudinal tangencial
Plano transversal
Plano longitudinal radial
(ex. Eucalyptus globulus)
8
Plano transversal
Plano longitudinal tangencial
Plano longitudinal radial
(ex. Pinus pinaster)
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Tipos de células nas
resinosas
Tipos de células nas
folhosas
A, C e D – elementos de vaso de Primavera
B e E – elementos de vaso de Outono
F – células de parênquima longitudinal G – raios lenhosos
H – traqueidos vasicêntricos I – fibro-traqueído J – fibra libriforme
a e c – fibras de Primavera
b – fibra de Outono
d a g – raios lenhosos
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A identificação das espécies é realizada nas:
resinosas pelos diferentes tipos de pontuações
Tipo fenestriforme
(pinho silvestre)
Tipo pinoides ( pinho bravo…)
folhosas pela presença de elementos de vaso e outros elementos
lenhosos
Tipo taxodioides Tipo
cupressoides
Ex: Sequoia, Abeto (l. inicial),… Ex: Pseudotsuga
Tipo piceoides
Ex: Epicea, abeto (l. final), …
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Funções e propriedades dimensionais das células vegetais
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O lenho das resinosas é composto maioritariamente (cerca de 90%)
por fibras ou traqueídos,
No lenho das folhosas, as fibras libriformes representam em média,
cerca de metade do seu volume;
As fibras do lenho das resinosas apresentam um comprimento
médio superior ao das fibras do lenho de folhosas;
As fibras do lenho das resinosas apresentam uma largura em
média superior às fibras do lenho de folhosas;
As células de parênquima e elementos de vaso podem ter efeitos
prejudiciais nos processos de branqueamento e de cozimento;
Funções e propriedades dimensionais das células vegetais
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espécie e a densidade da madeira,
% de lenho inicial e de lenho final, ,
composição química (celulose, hemiceluloses, lenhina,
extractivos e cinzas)
propriedades das fibras (ângulo microfibrilar, comprimento,
largura, espessura da parede, grau de cristalinidade.)
…
14
Efeito da largura do anel na densidade da madeira
Numa mesma espécie, a variabilidade da proporção de lenho inicial/
lenho final é grande e determinada em parte pela intensidade de
crescimento.
Em geral, nas resinosas, crecimentos mais lentos significam
densidades mais elevadas; nas folhosas de porosidade em anel
verifica-se o contrário
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Papéis feitos a partir de pasta
obtida da porção de lenho de
Outono apresentam elevada
resistência ao rasgamento, mas
baixas resistências à tracção e
ao rebentamento.
Do lenho de Outono obtêm-
se folhas de papel de estrutura
mais aberta e com maior “mão”.
A diferença na espessura da parede da célula é mais notória em
espécies das regiões temperadas, com anéis de crescimento bem
definidos. Nestes existem porções de lenho de Primavera com células
de parede fina e porções de lenho de Outono, com células de parede
espessa.
% de lenho inicial ou final
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Composição química geral das madeiras
Componentes Folhosas
%
Resinosas
%
Celulose
Hemiceluloses
Lenhina
Extractivos
Cinzas
42-49
23-34
20-26
3-8
0,2-0,8
41-46
25-32
26-31
10-25
0,2-0,4
Pinheiro Bétula
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18
CELULOSE
Propriedades:
• Grau de polimerização varia entre 3000
(para a pasta) a 10 000 (para a celulose
nativa)
• Grau de cristalinidade elevado (50-70%)
• Moderadamente hidrofílica
• Parcialmente solúvel
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HEMICELULOSE
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HEMICELULOSE
Propriedades :
• Heteropolímeros ramificados com graus de polimerização baixos (100 – 200)
• Grupos funcionais acessíveis
• Facilmente solúveis e degradáveis quimicamente
• Muito hidrofílicas
•Estrutura e composição diferentes nas várias plantas
resinosas
folhosas
LENHINA
Unidades precursoras da lenhina
Guaiacilpropano Seringilpropano
p-hidroxifenilpropano
Propriedades :
• Provém da oxidação enzimática
dos álcoois aromáticos
• Composta por unidades de
fenilpropano formando uma
estrutura tridimensional e amorfa
• Cimento das fibras entre elas e
confere rigidez à madeira
• Grau de polimerização 100 a 200
(consoante os modos de extracção)
• Termoplástico de elevado peso
molecular
• Solúvel em soluções alcalinas
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LENHINA
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COMPONENTES MINORITÁRIOS
presentes nas diferentes madeiras em quantidades mais ou
menos importantes:
-As resinas por exemplo, são moléculas formadas a partir de ácidos
gordos e de terpenos, exemplo a terebentina , o ácido abiético (ou
colofónia),
- Os taninos que são compostos fenólicos que se extraem da casca
dos pinheiros, dos castanheiros, e dos carvalhos,
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Organização da parede da fibra
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Distribuição dos
componentes químicos
principais de uma resinosa.
PAREDE CELULAR
A composição química da fibra afecta o
seu intumescimento e potencial de ligação,
bem como o seu módulo de elasticidade e a
resistência intrínseca da fibra
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Representação esquemática
da ultraestrutura da parede
celular da fibra.
(ML: lamela média; P: parede
primária; S1,S2,S3: camadas da
parede secundária)
Propriedades das Fibras - Ângulo microfibrilar
camada Espessura
(mm)
Nº camadas
microfibrilas
(lamelas)
Ângulo mi-
crofibrilar
médio
( grau)
P 0,1 – 0,5 - -
S1 0,1 – 0,3 3 -6 50 -70
S2 1 - 8 30 – 150 5 – 30
S3 < 0,1 < 6 60 -90
ML 0,2 – 1,0 - -
A resistência da fibra é melhorada à
medida que o ângulo microfibrilar (S2)
diminui.
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O módulo de elasticidade
das fibras também aumenta
com a diminuição do ângulo
fibrilar.
No cozimento, uma
remoção ligeira da lenhina não
altera a força requerida para
quebrar uma fibra.
Isto implica que a lenhina e
as hemiceluloses não
contribuem para a resistência à
tracção.
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Propriedades Dimensionais das Fibras
e sua Proporção nas várias espécies Comprimento
das fibras
(mm)
Largura das
fibras
(mm)
Relação
comprimento/
largura
Fracção de
volume de fibras
na madeira
(%)
Folhosas
Acácia
Bétula
Eucalipto
Faia
0,8
1,3
1,1
1,2
14
25
20
21
60
52
53
53
-
65
49
37
Resinosas
Abeto
Epícea
Pinho radiata
Pinho silvestre
Sequoia
3,5
3,5
2,8
3,6
7,0
30 - 40
27
37
39
30 - 65
100
130
76
92
156
94
95
89
93
91
Não-lenhosas
Bagaço
Bamboo
Arroz
1,7
2,7
1,5
20
14
8,5
85
193
176
-
-
-
29
A figura mostra que as fibras de folhosas tem também uma distribuição de comprimentos mais apertada.
Influência do comprimento nas
propriedades de resistência
30
Mudança nas propriedades
dos traqueídos em função da
idade
L – comprimento da fibra
P – perímetro
T – espessura
C – massa linear
Mf – ângulo micro fibrilar
D – massa volúmica
básica
Variabilidade das propriedades com a idade
Influência do comprimento na
formação
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´Coarseness é definido com :
o peso por unidade de comprimento de fibra expresso
em mg por 100 metros
Massa linear ou coarseness
Baixo coarseness = Maior fibras/ grama de pasta
= Maior área ligada
= Maior resistência à tracção
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Massa linear ou coarseness
Douglas-fir = abeto de Douglas ou pseudotsuga
Hemlock = Tsuga
Spruce / pine = Epícea/ pinheiro
Cedar = cedro
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Massa linear ou coarseness
Folha de papel do Douglas-fir Folha de papel do cedro
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Massa linear ou coarseness
Fibras “grossas” Fibras “finas”
Elevado rasgamento
Elevada “mão”
Elevada porosidade
Elevada tracção
Baixa “mão”
Baixa porosidade
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Dimensões Típicas das Fibras
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Significado do Coarseness das Fibras
Coarseness elevado
• Boa drenagem
• Elevado rasgamento
• Elevada “mão”
• Elevada porosidade
Coarseness baixo
• Elevada resistência da rede fibrosa húmida
• Elevada opacidade ( para uma dada densidade)
• Boa formação da folha
• Elevado comprimento de rutura
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A massa linear tende a correlacionar-se com o comprimento
da fibra no sentido de que as fibras longas tem maior massa
linear que as fibras curtas, como mostra a figura.
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Propriedades das fibras na pasta:
Massa linear/ comprimento;
Resistência intrínseca,
Conformabilidade:
flexibilidade
colapsabilidade
Fibrilação interna e externa,
Teor em finos.
Propriedades da rede fibrosa:
Capacidade de ligação;
Estrutura da folha
Propriedades do papel:
Resistência mecânica;
Estruturais;
Ópticas;
Estabilidade dimensional
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II. Efeitos da produção de pasta e
da refinação Depois dos efeitos da matéria prima, os efeitos do cozimento,
branqueamento e refinação são cruciais.
As duas classes de pasta são pasta química e pasta mecânica.
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Algumas espécies como a Epícea (Norway spruce), o Choupo e o Pinheiro
radiata podem ser usados com sucesso para pastas químicas ou mecânicas.
Outras como o Pinheiro silvestre, o Eucalipto e a Bétula são melhores
para pastas químicas.
Pastas química e mecânicas dão propriedades
bem distintas.
O conteúdo em lenhina nas pastas mecânicas é aproximadamente 30% e
quase zero para pastas kraft branqueadas.
O baixo teor em lenhina dá às fibras elevada flexibilidade a húmido,
colapsabilidade e capacidade de hidratação.
Contudo, as pastas químicas têm rendimentos mais baixos.
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Remoção
de lenhina
Pasta química
Pasta mecânica
Ligações inter-
lamelares
Achatar da fibra
Colapsar da fibra
Achatar da fibra
Papel produzido a partir de pasta kraft branqueada tem 2 a 3 vezes mais
resistência à tracção que a partir de pasta mecânica.
Por outro lado, a opacidade e o coeficiente de dispersão de luz são
superiores para pastas mecânicas. Resultado da contribuição dos finos nestas
pastas.
Estas diferenças são usadas para produzir os diferentes tipos de papel e
cartão.
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O processo de branqueamento melhora a brancura, mas também altera as
propriedades mecânicas das fibras no estado húmido e seco.
A capacidade de ligação das fibras pode ser melhorada, mas a resistência à
tracção pode deteriorar com o branqueamento.
Branqueamento
da pasta crua
Pasta
branqueada
ODEDED
PAPEL
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A pasta química é por vezes refinada para
optimizar a sua contribuição nas propriedades
mecânicas do papel.
A refinação provoca alterações na estrutura da
parede da fibra ( fibrilação interna) e pode também
causar a quebra de fragmentos. Na pasta mecânica
o efeito é similar.
Ruptura de ligações de hidrogénio dentro da
fibra implicando hidratação, fibrilação interna e
delaminação.
A fibrilação interna envolve delaminação parcial da parede da fibra. Isto melhora as ligações interfibras e a resistência em detrimento das propriedades ópticas.
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A fibrilação externa melhora a consolidação da folha e impõe ligações.
Fibrilação externa consiste na remoção da parede primária e da sub-
camada S1e formação de fibrilação ao longo da estrutura da fibra.
Encurtamento da fibra (depende da transformação dos pontos fracos em
áreas de fractura).
Formação de finos (pedaços destacados da parede celular da fibra).
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O grau de hidratação das fibras depende da composição química e da
fibrilação interna.
As hemiceluloses promovem a hidratação e a lenhina inibe-a.
As pastas químicas hidratam melhor que as pastas mecânicas.
A hidratação é caracterizada pelo WRV ou “Water Retention Value”.Esta
determinação dá a quantidade de água contida numa pasta depois de ter
sido sujeita a centrifugação.
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III. Propriedades das fibras no estado
húmido
A estrutura fibrosa depende da conformabilidade, colapsabilidade e flexibilidade das fibras no estado húmido.
A conformabilidade das fibras depende das suas dimensões transversais, da fibrilação interna, composição química e morfologia da parede da fibra.
As fibras têm uma secção transversal circular ou “rectangular” que pode achatar ou colapsar durante o processo de produção do papel e de pasta.
A colapsabilidade é mais comum em fibras de pasta química que
em fibras provenientes de pastas mecânicas.
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As fibras do lenho de Primavera
colapsam mais facilmente que as
fibras do lenho de Outono.
As fibras provenientes de um
processo ao sulfito colapsam mais
facilmente que as fibras do
processso kraft.
O colapsar da fibra tem um efeito
negativo nas propriedades ópticas
do papel.
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As fibras que ao colapsarem
adquirem a forma de um “arco-íris”,
são flexíveis contribuindo também
para proporcionar uma grande área
ligada.
O colapsar da fibra melhora a
resistência.
Flexibilidade da fibra a húmido
(WFF) é sensível à
conformabilidade.
WFF diminui rapidamente com a
espessura da fibra.
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A WFF aumenta com a
diminuição do rendimento em
pasta e com o aumento do grau
de refinação.
As pastas mecânicas
normalmente têm uma baixa
WFF em relação às pastas
químicas.
O efeito da refinação e do
rendimento na flexibilidade da
fibra resulta provavelmente dum
aumento na porosidade ou na
delaminação da parede da fibra.
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IV. Propriedades das fibras no estado seco
A resistência à tracção à distância
zero, Zero-Span, é tida como uma
medida da resistência da fibra.
A não linearidade das curvas de
carga-alongamento provém da curvatura
e de alguns defeitos, tais como, dobras,
“kinks” e microcompressões.
As fibras sem defeitos mostra uma linearidade quase elástica.
A parede celular da fibra pode ter um grande número de
desarticulações e outras inhomogeneidades que reduz o módulo de
elasticidade, a resistência à tracção e a tensão à ruptura.
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Os defeitos na fibra podem ser naturais, tais como as pontuações;
ou provenientes do descasque, cozimento e refinação.
Pontuações areoladas
das fibras de resinosas
Resultantes da acumulação de
celulose amorfa num volume
restrito da parede celular da fibra
Plano
B
Fibra de Primavera
Pontuações
areoladas
52
Valores típicos de resistência à tracção de fibras lenhosas são 100-200 mN,
para fibras de lenho de Primavera e de Outono.
A força necessária para quebrar uma fibra de lenho de Outono é maior do
que para quebrar uma fibra de lenho de Primavera. Isto resulta da maior área
de secção transversal das fibras de lenho de Outono.
As fibras do lenho de Outono apresentam uma carga de ruptura superior às
fibras de lenho de Primavera.
