processo de produção de pasta - tecnicelpa

Processo de Produção

de Pasta

Maria Emília Amaral

outubro 2014

Materiais fibrosos – Morfologia das fibras

2

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

3

“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

4

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

5

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).

6

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)

9

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

10

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), …

11

Funções e propriedades dimensionais das células vegetais

12

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

13

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

15

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

16

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

17

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

19

HEMICELULOSE

20

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

22

LENHINA

23

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,

24

Organização da parede da fibra

25

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

26

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.

27

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.

28

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

31

´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

32

Massa linear ou coarseness

Douglas-fir = abeto de Douglas ou pseudotsuga

Hemlock = Tsuga

Spruce / pine = Epícea/ pinheiro

Cedar = cedro

33

Massa linear ou coarseness

Folha de papel do Douglas-fir Folha de papel do cedro

34

Massa linear ou coarseness

Fibras “grossas” Fibras “finas”

Elevado rasgamento

Elevada “mão”

Elevada porosidade

Elevada tracção

Baixa “mão”

Baixa porosidade

35

Dimensões Típicas das Fibras

36

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

37

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.

38

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

39

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.

40

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.

41

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.

42

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

43

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.

44

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).

45

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.

46

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.

47

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.

48

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.

49

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.

50

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.

51

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.