4. Problemi specifici del processo di crespatura della macchina
4.6. Problemi nel coating del cilindro
I problemi al rivestimento del cilindro monolucido comportano solitamente eccessive forze di attrito, ossia un’elevata resistenza tangenziale sulla raschia crespatrice, tali da sviluppare il fenomeno dello stick slip.
Nel tentativo di migliorare la produttività e la qualità della produzione della carta tissue, negli ultimi anni i produttori hanno spinto sempre più sull’aumento dell’adesione del
93 foglio al cilindro. Così facendo è stata migliorata la finezza della crespatura al fine di rendere la carta ancora più morbida.
Questo però ha comportato nel tempo rivestimenti più spessi, duri ed adesivi che causano un aumento della resistenza tangenziale, come è possibile osservare dall’equazione della stessa nel Par. 3.6.1., che qui si riporta:
( ) ( ) [4.2] Dove:
FN = forza normale sulla punta della lama;
μk = coefficiente di attrito dinamico, dipende dalle caratteristiche superficiali;
m = massa del materiale di rivestimento, mc, e dei fogli, ms, sul cilindro. Quest’ultima
massa è una funzione della grammatura e del fattore di adesione del foglio, A, (0 a 1). Quindi m = (mc + ms A);
v = velocità di spostamento, attraverso il rivestimento e i fogli di carta, della punta della
lama crespatrice;
G’ = comportamento elastico del rivestimento alla velocità corrente;
Cx = tendenza del rivestimento adesivo a diventare duro o a reagire con altre sostanze
chimiche del processo;
P = (90 - θ + α) dove θ=angolo di set up.
La presenza di questa forza quindi, unita alla risultante di tutte le altre forze in gioco sulla punta della raschia, non permette più alla lama crespatrice di rimanere entro i confini del rivestimento, così quest’ultima si rialza fuori dal piano di contatto. Questo è l’inizio del fenomeno dello stick slip, che porta ad un aumento dell’ampiezza della vibrazione della lama e, in definitiva alle Chatter Marks.
94 Inoltre se la frequenza di questa oscillazione dovuta allo stick slip e la frequenza di vibrazione naturale del sistema, sono sincrone, si sviluppa anche un effetto risonante che si traduce in un aumento esponenziale delle forze di impatto cicliche sulla superficie del monolucido.
Fig. 4.6. Ingrandimento delle forze e delle caratteristiche intorno alla punta della lama crespatrice.
Risulta evidente che per ridurre l’effetto stick slip e di conseguenza le vibrazioni della raschia crespatrice dovute a questo, è necessario tenere sotto controllo la resistenza tangenziale. Diviene quindi indispensabile esaminare il coating.
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Fig. 4.7. Particolare del coating.
Le proprietà del coating che, come si può osservare dalla formula sopra descritta, conducono ad un aumento della resistenza tangenziale, sono quindi: la sua massa, mc; il coefficiente d’attrito, μk, che dipende dalle sue caratteristiche superficiali; il suo
comportamento elastico, G’; e la sua tendenza a diventare duro o a reagire con altre sostanze chimiche del processo, Cx. Per capire come variano questi parametri risulta importante studiare le caratteristiche del coating.
Innanzitutto va sottolineato che il rivestimento della superficie del cilindro non è una sostanza pura , ma un composito fatto di molti materiali diversi (Sloan 2006, Furman 2007, Boudreau 2009). Com’è da aspettarsi, le caratteristiche di un composto sono definite da tutti i materiali inclusi e dall’ambiente in cui operano.
COMPOSIZIONE DEL COATING
Oltre al cosiddetto coating organico o naturale, uno strato di alcuni micron di spessore che dipende molto dalle emicellulose disciolte e dalle parti fini presenti nell’impasto utilizzato, vengono utilizzati adeguati prodotti chimici che si distinguono in quattro categorie principali:
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Attaccanti;
Distaccanti;
Protettivi;
Modificatori.
L’applicazione dei suddetti prodotti alla superficie del monolucido serve innanzitutto per:
Creare una opportuna forza di adesione tra la carta e il coating in funzione del grado di crespatura desiderato;
Permettere l’effettivo rilascio della carta dalla superficie del monolucido;
Ottimizzare il profilo del foglio;
Creare un coating uniforme e stabile al fine di proteggere monolucido e lame dall’usura e migliorare il trasferimento di calore alla carta;
Compensare eventuali effetti indesiderati dei prodotti chimici impiegati in trattamenti a monte;
Fare carta più morbida e soffice.
Attaccanti
L’ attaccante è un prodotto in grado di legarsi al foglio di carta da essiccare. La forza di adesione tra il foglio e la superficie sottostante è importante poiché influisce sulle prestazioni del processo di crespatura e quindi alle caratteristiche della carta. Se l’adesione è bassa rispetto alle forze interne di coesione della carta, il taglio avviene vicino alla superficie metallica del monolucido, provocando la rimozione del coating e di conseguenza l’usura della superficie del cilindro (oltre a quella della lama) e un risultato di crespatura insufficiente. Se invece l’adesione è grande rispetto alla coesione, l’interfaccia della carta rimane sulla superficie del monolucido e passa sotto la lama, mentre il taglio avviene in maniera abbastanza occasionale all’interno della carta e può causare facilmente rotture del foglio.
97 Chimicamente e strutturalmente l’attaccante è simile alle resine umido resistenti. Di solito appartiene alla categoria delle resine poliaminoamide epicloridriniche (PAE) e crea un film di coating con caratteristiche più o meno accentuate (adesione, morbidezza, stabilità, ribagnabilità, protezione della superficie metallica, ecc.). Ovviamente, l’entità di tale meccanismo dipende anche dagli altri additivi chimici del coating ed è generalmente influenzata da molti fattori, quali principalmente:
Il contenuto di umidità (più aumenta il suo valore e più diventa difficile per il prodotto fissarsi sulle fibre);
La temperatura (elevati valori favoriscono il processo);
Il pH dell’acqua (le migliori prestazioni si ottengono in un range tra 6 e 8; area ottimale tra 6,8 e 7,5);
La presenza di ossidanti e riducenti (degradano il polimero e riducono la sua efficienza).
Questi fattori possono far risultare un coating non uniforme e instabile con tutti gli effetti indesiderati sulla crespatura e la qualità della carta. Per esempio, andando a valori di pH sotto 6,5 ÷ 7 o aggiungendo dell’ammorbidente si indebolisce l’ attaccante.
Si può invece migliorare le prestazioni spingendo la raffinazione dell’impasto in modo da ottenere una maggior superficie attiva (anionica) per la resina, ma i costi energetici risultano a volte maggiori del costo del prodotto chimico che si andrebbe a risparmiare. Va tenuto conto che aumentando eccessivamente la dose di attaccante, a discapito del distaccante, si accresce l’adesione del foglio ma si può incorrere in un rivestimento più duro e quindi una maggiore resistenza tangenziale.
In ogni caso, la scelta del prodotto e delle quantità di attaccante da utilizzare, dipendono molto dalle condizioni operative e dalle caratteristiche costruttive della sezione di essiccamento.
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Distaccanti
Per far staccare il foglio dalla superficie del monolucido in prossimità della lama crespatrice, il prodotto distaccante (release) deve essere in grado di creare uno strato lubrificante fra la carta e il coating, oltre che indebolire la forza di adesione che tiene la carta aderita al monolucido. Negli ultimi anni sono impiegati come distaccanti prodotti auto-emulsificanti, a base di olio vegetale e tensioattivi, sempre più specializzati e in grado di dare ottime prestazioni. Si tratta di additivi chimici che indeboliscono i legami tra le catene polimeriche del sottostante strato aderente e bloccano i suoi siti di reticolazione con le parti grasse delle loro molecole. Così, il distaccante va anche a modificare il film di patina rendendolo più morbido e controllandone in qualche maniera lo spessore. Il pH del distaccante è normalmente attorno a 7.
L’importanza dell’effetto provocato dal prodotto distaccante si verifica anche dal fatto che, quando si vuole modificare la struttura del rivestimento, si agisce soprattutto sul dosaggio del distaccante perché si ottiene un risultato più immediato. Ovviamente, tale scelta viene attuata secondo le necessità di produzione.
Modificatori
Il modificatore o modificante è solitamente un polimero poliammidico termoindurente opportuno per il controllo della crespatura nella fabbricazione della carta tissue. Il modificatore viene normalmente impiegato in un sistema di tre componenti (insieme all’attaccante e al distaccante) o addirittura quattro quando si usi anche un protettivo. Il pH del prodotto modificante è più basso rispetto agli altri prodotti del coating (attorno a 4,5 ÷ 5,5) e le sue funzioni principali sono quelle di:
Regolare la morbidezza del film di coating;
Intervenire in modo correttivo sull’effetto aderente del coating;
Conferire maggior uniformità al profilo trasversale della patina;
Aumentare la velocità di formazione della patina diminuendo i tempi persi e aumentando di conseguenza la produttività;
Aumentare la protezione della superficie del cilindro contro la corrosione;
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Ampliare il “range” di operazione del coating;
Migliorare il controllo sulla qualità del foglio formato;
Migliorare le prestazioni della macchina continua.
Protettivi
Il protettivo è chiamato anche “sale” perché si tratta normalmente di una sostanza inorganica, di solito un fosfato. Il suo pH ha un valore di 7,5 ÷ 8,5 che dipende dal singolo prodotto. Le funzioni principali del protettivo sono i seguenti:
Miglioramento del fissaggio del coating alla superficie del monolucido;
Creazione di una base inorganica a potenziale elettrico uniforme per l’applicazione della patina;
Riduzione della corrosione e aumento della protezione della superficie del monolucido;
Riduzione dell’usura delle lame;
Aumento della tolleranza funzionale del coating alle variazioni del profilo di umidità;
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Sistema di applicazione del coating:
Per una più corretta analisi esaminiamo anche il sistema di applicazione dei prodotti chimici per il coating, il quale è formato da una barra spruzzatrice posta sotto il monolucido (vedi Fig. 4.8a), ortogonalmente rispetto ad esso e ad una distanza che può arrivare fino a 250mm. La barra, dotata di ugelli a ventaglio, è provvista di meccanismo di oscillazione nella direzione trasversale e deve essere correttamente progettata per garantire una copertura più uniforme possibile del coating sulla superficie del cilindro monolucido. In genere gli ugelli hanno un diametro di orificio di 0,66mm, sono disposti con un “offset” di 10° e il loro angolo di spruzzo viene regolato in modo da consentire addirittura una tripla copertura degli spruzzi, vedi Fig. 4.8b. Solitamente questa barra è alimentata ai lati con una pressione di linea attorno a 3 bar, la portata del singolo ugello è di 0,39 l/min e l’oscillazione della barra, effettuata mediante pistone ad aria, è di 150 mm.
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Fig. 4.8.(b) Ingrandimento della barra spruzzatrice, si nota in questo caso la sovrapposizione degli spruzzi.
La miscelazione come l’utilizzo dei prodotti chimici per il coating dipende dal tipo di produzione. A partire già dalla materia prima, l’utilizzo di cellulosa vergine richiede una quantità maggiore di attaccante che di distaccante per garantire la formazione di una patina efficace, uniforme ed ottenere un buon rapporto di crespatura. Invece nel caso di utilizzo di fibre secondarie provenienti da carta da macero, c’è più bisogno di distaccante che di attaccante a causa dell’elevata presenza di parti fini e particelle cariche. In generale, ogni trattamento sia meccanico che chimico subito dall’impasto nella parte umida influisce sul coating in una maniera positiva o negativa in funzione anche delle condizioni di impiego. I vari additivi impiegati possono incrementare o ridurre l’ adesione e/o aiutare la formazione della patina oppure cambiare la velocità di usura della lama. L’impianto che prepara la miscela dei prodotti chimici per il coating può essere provvisto di miscelazione in linea (“direct injection”) o di una vasca di miscelazione. Rispetto ai sistemi che utilizzano una vasca di miscelazione quelli di tipo direct injection sono più economici, più puliti e presentano una velocita di reazione superiore. Dall’altra parte, con la miscelazione in linea, si perde in termini di inerzia del sistema e non si può effettuare il controllo visivo della iniezione dei prodotti chimici.
La preparazione della miscela di coating comincia con l’addolcimento dell’acqua fresca che serve ad evitare l’intasamenti degli ugelli e dei filtri del relativo impianto a causa della formazione di calcare. L’addolcimento avviene utilizzando alternativamente due “colonne di vetroresina” ciascuna delle quali ha una capacità d’acqua trattata pari a 15 m3. Quando tale capacità esaurisce si scambiano le colonne e quella che era in lavoro passa al ciclo di rigenerazione attraverso il suo lavaggio con un adeguato sale. L’acqua trattata arriva successivamente ad una vasca di accumulo che è munita a monte e a valle di filtri. La temperatura ottimale dell’acqua nella vasca è tra 48°C e 55°C ed è raggiunta tramite resistenze elettriche.
102 Il controllo della pressione è effettuato con una valvola manuale e l’introduzione dei prodotti chimici con i miscelatori di linea.
La sequenza di ingresso dei prodotti è: protettivo, attaccante, distaccante e modificatore. L’introduzione di ogni prodotto è effettuata tramite pompa dosatrice a controllo elettronico. A valle della zona di miscelazione si trovano due coppie di filtri montati in serie, i quali lavorano alternativamente. Dopo la sezione di filtraggio, la miscela dei prodotti chimici, avente un contenuto in particelle solide attorno a 0,1 ÷ 0,2 %, alimenta la barra spruzzatrice.
I problemi che si possono verificare nel sistema di applicazione del coating riguardano ad esempio ugelli intasati o addirittura distrutti, scorretta pressione di alimentazione della barra, filtri otturati, mancanza di prodotto/i, ecc. Per ovviare a tali problemi devono essere controllate regolarmente le condizioni della barra, delle pompe, dei contenitori di prodotti chimici e si deve provvedere alla preparazione accurata dell’acqua di miscelazione (temperatura, addolcimento) e alla sostituzione periodica degli ugelli.
Non è da escludere anche che alcuni elementi chimici del coating possono reagire tra loro o con altre sostanze con le quali entrano in contatto durante il processo, mentre altri invece possono precipitare e formare strutture solide. Materiali cellulosici fibrosi non solubili e altri solidi inorganici tendono ad agire come strutture meccaniche di rinforzo ed alterano in modo significativo il modulo elastico, G', del rivestimento. Tutto ciò contribuisce a rendere il coating significativamente più duro. Il grafico seguente30 (Fig. 4.9) illustra l'impatto di diversi materiali comunemente trovati nel coating che entrano in contatto con l’adesivo (PAE) del rivestimento. Più alto è il modulo elastico, G’, più duro è il rivestimento.
30 Fonte: TAPPI (www.tappi.org.).
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Fig. 4.9.
AMBIENTE OPERATIVO
L’ambiente intorno alla raschia è molto dinamico infatti esistono un certo numero di condizioni che possono sviluppare un aumento della durezza del coating e quindi della resistenza tangenziale.
Un parametro molto importante per la formazione del coating è il profilo di umidità del foglio. Una bassa umidità relativa nel processo di crespatura di solito si traduce in una maggiore temperatura del foglio di carta e del coating. Infatti più è alta la temperatura, meno umidità supplementare è contenuta nel foglio e nel rivestimento. Le caratteristiche del coating si modificano se il suo contenuto di umidità è basso, difatti appare più duro e fragile ed aumenta il modulo elastico G’, vedi Fig. 4.10 31.
31 Fonte: Furman, 1993.
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Fig. 4.10.
Inoltre eventuali non uniformità presenti nel profilo di umidità del foglio potrebbero causare disomogeneità alla distribuzione del coating sul monolucido.
I motivi per un profilo di umidità irregolare possono essere:
Eventuali problemi nel trasferimento termico dal monolucido;
Problemi di inadeguata distribuzione di aria calda dalle cappe;
Intasamento di qualche ugello della barra;
105 Anche le variazioni che si possono verificare nella qualità delle acque di processo influenzano pesantemente la formazione del coating. Per questo motivo è molto importante monitorare e tenere sotto controllo i seguenti parametri dell’acqua:
pH;
Temperatura;
Durezza totale;
Concentrazione di calcio;
Alcalinità totale.
In conclusione, si può riportare una serie di fattori tramite cui si possono influenzare le proprietà del coating aumentando la resistenza tangenziale, molti di questi sono già stati documentati32 e sono riassunti nella tabella seguente.
32 Archer, Grigoriev, 2008.
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Tab. 4.1. Gli elementi nella tabella dimostrano che modifiche a certi parametri del processo di crespatura provocano un aumento della
durezza del coating.
La validità di alcuni dei fattori soprannotati può essere verificata dai dati di produzione rappresentati nella tabella seguente.
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Tipo di produzione
Caratteristiche Fazzolet. Fazzolet. Igien. Igien. Igien.
Grammatura 15,5 16,3 15,2 16,5 19,5
Allungam. (%) 14 15 18 17 20
Crespatura (%) 17,0 15,0 20,0 17,5 17,0
Angolo lama (°) 75 75 90 90 75
Presssione monolucido (bar) 4,8 5,3 5 5,7 5,9
Temperatura cappa umida (°C)
285 319 303 339 386
Temperatura cappa secca (°C) 276 307 292 324 373 Umidità pope (%) 5,5 5,5 5,5 5,5 5,8 Resistenza long. (N/m) 1220 1220 1020 1100 1150 Resistenza trasv. (N/m) 500 440 412 425 840 Portata Kymene (l/h) 69 43,36 - - - Portata attaccante (l/h) 1,38 3 3 3,12 3,33 mg attac./m2 di patina 0.54 1,39 1,41 1,54 1,56 Portata distaccante (l/h) 4,5 4,2 4,2 3,72 3,6 Mg distaccante/m2 di patina 13,89 12,96 13,15 11,61 11,98 Portata modificatore (l/h) 2.22 1,8 1,5 1,5 2,1 Mg modificatore/m2 di patina 0,82 0,67 0,56 0,57 0,84 Portata prottetivo (l/h) 2,4 2,4 1,68 2,4 2,4 Mg prottetivo/m2 di patina 1,11 1,11 0,79 1,13 1,2 Tab. 4.2.
108 Questi dati si riferiscono alla produzione di diverse tipologie di carta tissue e ai relativi consumi dei prodotti chimici impiegati nella formazione del coating. Come si può verificare, l’aumento di grammatura della carta o la produzione di una carta meno crespata hanno un effetto negativo sull’adesione e di conseguenza il dosaggio del prodotto attaccante alla barra spruzzatrice deve essere aumentato, mentre quello del prodotto distaccante diminuito. Lo stesso vale anche quando si fa una carta più umida. Invece con l’utilizzo di Kymene, per la resistenza all’umido nella produzione di fazzoletti, si crea un ulteriore effetto aderente della carta al monolucido e quindi viene aumentata la dose di distaccante.
In più, quando si produce una carta più pesante (di solito anche meno raffinata) bisogna aumentare la pressione di vapore al monolucido per ottenere una sufficiente adesione della carta alla superficie del monolucido. Allo stesso tempo, per fare una carta molto crespata è necessario utilizzare una lama con un angolo più grande ottenendo eventualmente una crespatura meno fine e quindi una carta più ruvida.
E’ molto importante la comprensione del meccanismo d’interazione tra i fattori che influenzano il coating e gli effetti provocati dai prodotti chimici utilizzati per il rivestimento del monolucido. Risulta fondamentale l’appropriata conoscenza non solo delle caratteristiche chimico-fisiche dei prodotti chimici e degli impasti impiegati ma di tutto il processo di fabbricazione della carta che influisce in vari modi sull’adesione della carta al cilindro monolucido.
Il rivestimento ha dunque, pur in condizioni di funzionamento ottimali, una vita utile limitata e, come si è detto, deve essere sottoposto periodicamente a rettifiche che, asportandone uno spessore sufficiente, ne ripristino le caratteristiche meccaniche e di finitura superficiale.
PARAMETRI PER MONITORARE IL COATING
Riassumendo in particolare la resistenza tangenziale del coating aumenta con:
L’incremento della percentuale di fibra corta nell’impasto;
L’utilizzo di sostanze acrilammidiche nei vari trattamenti chimici a monte;
L’utilizzo di additivi chimici cationici, soprattutto delle resine umido resistenti;
L’utilizzo di amidi e gomme come additivi chimici per il miglioramento delle caratteristiche meccaniche a secco;
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l miglioramento della formazione del coating;
L’incremento del pH;
l miglioramento della ritenzione e di conseguenza la ridotta presenza di parti fini nelle acque;
L’aumento della temperatura alla barra spruzzatrice;
L’aumento di temperatura alla superficie del monolucido;
L’abbassamento del contenuto di umidità del foglio.
Mentre diminuisce con:
L’utilizzo di agenti distaccanti;
La produzione di una carta meno crespata;
L’utilizzo di agenti sleganti;
La riduzione del pH;
L’aumento del contenuto di umidita nel foglio;
L’aumento del contenuto di cloro libero nell’acqua;
110 I possibili parametri da monitorare per tenere sotto controllo i problemi del rivestimento quindi possono essere:
Profondità rivestimento; Adesione rivestimento; Durezza rivestimento; Il pH del coating;
La temperatura superficiale; La durezza dell’acqua del processo;
Il profilo ed il contenuto di umidità del foglio nella zona di crespatura.
Potrebbero però essere riunite sotto un'unica voce le misure di adesione, pH del coating e durezza dell’acqua poiché tutte queste tipologie di parametri si riferiscono alla forza di adesione del foglio di carta al rivestimento del cilindro monolucido.