Máquina de papel

En 1799, Louis-Nicolas Robert de Essonnes , Francia, obtuvo una patente para una máquina de fabricación de papel continuo. En aquel entonces, Robert trabajaba para Saint-Léger Didot , con quien tuvo una disputa sobre la propiedad del invento. Didot creía que Inglaterra era un lugar más idóneo para desarrollar la máquina, pero debido a la inestabilidad de la Revolución Francesa , no pudo viajar personalmente, por lo que envió a su cuñado, John Gamble, un inglés residente en París. A través de una red de conocidos, Gamble conoció a los hermanos Sealy y Henry Fourdrinier , libreros londinenses, quienes accedieron a financiar el proyecto. Gamble obtuvo la patente británica número 2487 el 20 de octubre de 1801. La máquina Fourdrinier utilizaba una cinta transportadora de malla de tejido especial (conocida como alambre, ya que antiguamente se tejía con bronce) en la sección de formación, donde se drenaba una suspensión de fibra (generalmente madera u otras fibras vegetales) para crear una napa de papel continua. La sección de conformado Fourdrinier original utilizaba una zona de drenaje horizontal, denominada mesa de drenaje .

Con la ayuda de Bryan Donkin , un mecánico hábil e ingenioso, se instaló una versión mejorada de la máquina original de Robert en la fábrica de papel Frogmore , en Apsley, Hertfordshire , en 1803, seguida de otra en 1804. Una tercera máquina se instaló en la propia fábrica de los Fourdrinier en Two Waters. Los Fourdrinier también compraron una fábrica en St Neots con la intención de instalar allí dos máquinas, y el proceso y las máquinas continuaron desarrollándose.

Cerca de Frogmore Mill en Apsley, John Dickinson diseñó y construyó un tipo de máquina alternativo: una máquina de moldeo cilíndrico en 1809.

A Thomas Gilpin se le suele atribuir la creación de la primera máquina de fabricación de papel de tipo cilíndrico en Estados Unidos , en Brandywine Creek , Delaware , en 1817. Esta máquina era una máquina de molde cilíndrico. La máquina Fourdrinier no se introdujo en Estados Unidos hasta 1827. ^{[ 1 ]}

Los registros muestran que Charles Kinsey de Paterson, Nueva Jersey, ya había patentado una máquina de fabricación de papel de proceso continuo en 1807. La máquina de Kinsey fue construida localmente por Daniel Sawn y, para 1809, ya producía papel con éxito en la fábrica Essex Mill de Paterson. Las dificultades financieras y las oportunidades potenciales creadas por el Embargo de 1807 finalmente persuadieron a Kinsey y a sus patrocinadores a cambiar el enfoque de la fábrica, pasando del papel al algodón, y los primeros éxitos de Kinsey en la fabricación de papel pronto fueron ignorados y olvidados. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

La patente de Gilpin de 1817 era similar a la de Kinsey, al igual que la patente de John Ames de 1822. La patente de Ames fue impugnada por sus competidores, quienes afirmaban que Kinsey era el inventor original y que Ames había estado robando ideas ajenas, basándose en la contratación de Daniel Sawn para trabajar en su máquina. ^{[ 2 ]}

El método de producción continua demostrado por la máquina de papel influyó en el desarrollo del laminado continuo de hierro y, posteriormente, de acero y otros procesos de producción continua . ^{[ 4 ]}

Desde la caja de la máquina, la pasta se bombea a un tanque de cabecera, comúnmente llamado "tanque de cabecera" o caja de prensado , cuya función es mantener una presión constante sobre la pasta de fibra mientras alimenta la válvula de gramaje. La caja de prensado también permite la salida de burbujas de aire. La consistencia de la pasta de pulpa en la caja de prensado es de aproximadamente el 3%. El flujo desde la caja de prensado es por gravedad y está controlado por la válvula de gramaje en su camino hacia la succión de la bomba de ventilador, donde se inyecta en el flujo principal de agua hacia la bomba. El flujo principal de agua bombeado por la bomba de ventilador proviene de un tanque de aguas blancas que recoge toda el agua drenada de la sección de formación de la máquina de papel. Antes de que se introduzca el flujo de fibra de la caja de prensado, el agua blanca tiene un contenido de fibra muy bajo. El agua blanca es recirculada constantemente por la bomba de ventilador a través de la caja de cabecera y recogida del foso de alambre y de otros tanques y cajas que reciben el drenaje del alambre de formación y el drenaje asistido por vacío de las cajas de succión y los rodillos de manipulación de la banda de fibra húmeda. En su camino hacia la caja de entrada, la pulpa puede pasar por limpiadores centrífugos, que eliminan contaminantes pesados ​​como la arena, y cribas, que deshacen los grumos de fibra y eliminan los residuos de gran tamaño. La bomba de ventilador finalmente alimenta la caja de entrada, independientemente de si hay limpiadores centrífugos o cribas presentes. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

La función de la caja de entrada es crear turbulencia para evitar que las fibras se aglutinen y distribuir uniformemente la suspensión a lo ancho del alambre. Las fibras de madera tienden a atraerse entre sí, formando grumos; este efecto se denomina floculación. La floculación disminuye al reducir la consistencia o al agitar la suspensión; sin embargo, la defloculación se vuelve muy difícil con una consistencia muy superior al 0,5 %. Minimizar el grado de floculación durante la formación es importante para las propiedades físicas del papel . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La consistencia en la caja de entrada suele ser inferior al 0,4 % para la mayoría de los tipos de papel, y las fibras más largas requieren una consistencia menor que las fibras cortas. Una mayor consistencia provoca que más fibras se orienten en la dirección z , mientras que una menor consistencia promueve la orientación de las fibras en la dirección xy . Una mayor consistencia promueve un mayor calibre (espesor) y rigidez, mientras que una menor consistencia promueve una mayor resistencia a la tracción y otras propiedades de resistencia, además de mejorar la formación (uniformidad). ^{[ 7 ] [ 8 ]} Muchas propiedades de la hoja continúan mejorando hasta una consistencia inferior al 0,1 %; sin embargo, esta es una cantidad de agua poco práctica de manejar. (La mayoría de las máquinas de papel funcionan con una consistencia de caja de entrada superior a la óptima porque se han acelerado con el tiempo sin reemplazar la bomba del ventilador ni la caja de entrada. También existe una compensación económica con altos costos de bombeo para una menor consistencia).

La pasta de pasta, a menudo llamada agua blanca en este punto, sale de la caja de entrada a través de una abertura rectangular de altura ajustable llamada rebanada ; el chorro de agua blanca se llama chorro y se presuriza en máquinas de alta velocidad para que caiga suavemente sobre el bucle de tela o alambre en movimiento a una velocidad típicamente entre ±3% de la velocidad del alambre, denominadas aceleración y arrastre respectivamente. Una aceleración o arrastre excesivos provocan una mayor orientación de las fibras en la dirección de la máquina y dan lugar a propiedades físicas diferentes en las direcciones de la máquina y transversal; sin embargo, este fenómeno no es completamente evitable en las máquinas Fourdrinier. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En máquinas de baja velocidad, a 700 pies por minuto, la gravedad y la altura del material en la caja de entrada crean la presión suficiente para formar el chorro a través de la abertura de la rebanada. La altura del material es la cabeza, que da nombre a la caja de entrada. La velocidad del chorro en comparación con la velocidad del alambre se conoce como relación chorro-alambre . Cuando la relación chorro-alambre es menor que la unidad, las fibras del material se estiran en la dirección de la máquina. En máquinas más lentas, donde queda suficiente líquido en el material antes de drenarse, el alambre se puede mover hacia adelante y hacia atrás con un proceso conocido como agitación . Esto proporciona cierta aleatorización en la dirección de las fibras y le da a la lámina una resistencia más uniforme tanto en la dirección de la máquina como en la transversal. En máquinas rápidas, el material no permanece en el alambre en estado líquido el tiempo suficiente y las fibras largas se alinean con la máquina. Cuando la relación chorro-alambre supera la unidad, las fibras tienden a acumularse en grumos. ^{[ 7 ] [ 8 ]} La variación resultante en la densidad del papel proporciona el aspecto de papel antiguo o pergamino.

Dos grandes rodillos suelen formar los extremos de la sección de drenaje, denominada mesa de drenaje . El rodillo de presión se encuentra debajo de la caja de flujo, y el chorro se dirige para que incida sobre él aproximadamente en la parte superior central. En el otro extremo de la mesa de drenaje se encuentra el rodillo de succión (o rodillo de apoyo ). Este rodillo es una carcasa hueca perforada con miles de orificios de aproximadamente 4 a 5  mm de diámetro, espaciados con precisión. El rodillo de carcasa hueca gira sobre una caja de succión fija, normalmente ubicada en la parte superior central o ligeramente desplazada hacia abajo de la máquina. Se genera vacío en la caja de succión, que extrae el agua de la banda hacia ella. Desde el rodillo de succión, la hoja se introduce en la sección de prensado. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Debajo del rodillo de succión, y a menor altura, se encuentra el rodillo de giro del alambre . Este rodillo es accionado y tira del alambre alrededor del bucle. El rodillo de giro del alambre tiene un ángulo de envoltura considerable para sujetar el alambre. ^{[ 7 ]}

El alambre se sostiene en la zona de la mesa de drenaje mediante varios elementos de drenaje. Además de sostener el alambre y favorecer el drenaje, estos elementos desfloculan la hoja. En máquinas de baja velocidad, estos elementos de la mesa son principalmente rodillos . A medida que aumenta la velocidad, la succión generada en el punto de contacto de un rodillo aumenta y, a una velocidad suficientemente alta, el alambre retrocede bruscamente tras salir de la zona de vacío, provocando que el material salte del alambre e interrumpiendo la formación. Para evitar esto, se utilizan láminas de drenaje. Estas láminas suelen tener una inclinación de entre cero y dos o tres grados, lo que proporciona una acción más suave. Cuando se utilizan rodillos y láminas, los rodillos se colocan cerca de la caja de entrada y las láminas más abajo en la máquina. ^{[ 7 ] [ 8 ]} También se pueden utilizar láminas ultrasónicas, que generan millones de pulsos de presión a partir de burbujas de cavitación que implosionan, manteniendo las fibras separadas y logrando una distribución más uniforme.

Cerca de la línea de secado en la mesa se encuentran las cajas de vacío bajas que se drenan mediante una pata barométrica por gravedad. Después de la línea de secado están las cajas de succión con vacío aplicado. Las cajas de succión se extienden hasta el rodillo de la mesa. En la mesa, la consistencia de la hoja debe ser de aproximadamente el 25 %. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El tipo de sección formadora suele depender del tipo de papel o cartón que se produce; sin embargo, muchas máquinas antiguas utilizan un diseño subóptimo. Estas máquinas pueden actualizarse para incluir secciones formadoras más adecuadas.

Se puede añadir una segunda caja de entrada a una máquina Fourdrinier convencional para colocar una mezcla de fibras diferente sobre una capa base. Esta caja de entrada secundaria suele ubicarse en el punto donde la lámina base está completamente drenada. No se considera una capa separada, ya que la acción del agua mezcla eficazmente las fibras de la capa superior e inferior. Las cajas de entrada secundarias son comunes en el cartón para revestimiento .

Una modificación de la mesa Fourdrinier básica, que consiste en añadir un segundo alambre sobre la mesa de drenaje, se conoce como formador de alambre superior . Los alambres superior e inferior convergen y parte del drenaje se produce a través del alambre superior. Un alambre superior mejora la formación y también proporciona un mayor drenaje, lo cual resulta útil para máquinas que han sido aceleradas.

La máquina de doble alambre o formadora de huecos utiliza dos alambres verticales en la sección de formación, aumentando así la tasa de deshidratación de la suspensión de fibra y proporcionando además una uniformidad en ambos lados. ^{[ 9 ]}

También existen máquinas con secciones Fourdrinier completas montadas sobre una Fourdrinier tradicional. Esto permite fabricar papel multicapa con características especiales. Estas se denominan Fourdrinier superiores y se utilizan para fabricar papel o cartón multicapa . Generalmente, se emplean para crear una capa superior de fibra blanqueada que se coloca sobre una capa sin blanquear.

Otro tipo de sección de formación es la máquina de moldeo cilíndrico inventada por John Dickinson en 1809, originalmente como competidora de la máquina Fourdrinier. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Esta máquina utiliza un cilindro giratorio cubierto de malla parcialmente sumergido en un tanque de suspensión de fibra en el extremo húmedo para formar una napa de papel, lo que da una distribución más aleatoria de las fibras de celulosa . Las máquinas cilíndricas pueden formar una hoja con mayor consistencia, lo que da una orientación de fibra más tridimensional que las consistencias más bajas, resultando en un mayor calibre (espesor) y mayor rigidez en la dirección de la máquina (MD). La alta rigidez MD es útil en envases de alimentos como cajas de cereales y otras cajas como detergente para ropa en polvo.

Las máquinas de papel tisú suelen formar la napa de papel entre un alambre y un tejido especial (fieltro) mientras se enrolla alrededor de un rodillo formador. La napa se presiona desde el fieltro directamente sobre un secador de gran diámetro llamado yankee . El papel se adhiere al secador yankee y se retira con una cuchilla raspadora llamada doctor . Las máquinas de papel tisú operan a velocidades de hasta 2000  m/min.

La segunda sección de la máquina de papel es la sección de prensado, que elimina gran parte del agua restante mediante un sistema de rodillos que se presionan entre sí, con la ayuda de fieltros de prensado que sostienen la hoja y absorben el agua prensada. La consistencia de la napa de papel a la salida de la sección de prensado puede superar el 40 %. ^{[ 12 ]} El prensado es el segundo método más eficiente para deshidratar la hoja (después del drenaje libre en la sección de formación), ya que solo requiere acción mecánica.

El número de rodillos de prensa, su disposición y la disposición y el tipo de fieltros utilizados están influenciados por los grados de papel que se producen y las características operativas deseadas de la máquina. ^{[ 13 ]}

Históricamente, los fieltros para prensas se fabricaban con lana. Sin embargo, hoy en día son casi 100% sintéticos. Están compuestos de un tejido de poliamida con una gruesa capa de fibra aplicada con un diseño específico para maximizar la absorción de agua.

Las prensas pueden ser de fieltro simple o doble. Una prensa de fieltro simple tiene fieltro en un lado y un rodillo liso en el otro. Una prensa de fieltro doble tiene ambos lados de la hoja en contacto con el fieltro. Los rodillos de fieltro simple son útiles cuando se combinan con un rodillo liso (generalmente en la posición superior), lo que crea un efecto de doble cara, haciendo que el lado superior parezca más liso que el inferior. Los rodillos de fieltro doble imprimen rugosidad en ambos lados de la hoja. Las prensas de fieltro doble son recomendables para la primera sección de prensado de cartón grueso.

Los rodillos de prensado simples pueden tener una superficie ranurada o perforada ciegamente . Los rodillos de prensado más avanzados son los rodillos de succión. Estos son rodillos con carcasa y cubierta perforadas. La carcasa, hecha de material metálico como bronce o acero inoxidable, está recubierta de caucho o un material sintético. Tanto la carcasa como la cubierta están perforadas en toda su superficie. Una caja de succión fija se instala en el núcleo del rodillo de succión para soportar la carcasa que se está prensando. Se utilizan sellos mecánicos en la cara final para la interfaz entre la superficie interior de la carcasa y la caja de succión. Los rodillos lisos suelen estar hechos de granito. ^{[ 14 ]} Los rodillos de granito pueden tener hasta 9,1 m (30 pies) de largo y 1,8 m (6 pies) de diámetro. ^{[ 15 ]}  

Las prensas de rodillos convencionales están configuradas de manera que uno de los rodillos de presión se encuentra en una posición fija, y el otro rodillo se carga contra este. El fieltro pasa por los puntos de contacto de los rodillos de presión y continúa su recorrido alrededor de un circuito de fieltro, que normalmente consta de varios rodillos. Durante el tiempo de permanencia en el punto de contacto, la humedad de la hoja se transfiere al fieltro de presión. Cuando el fieltro de presión sale del punto de contacto y continúa su recorrido, una caja de vacío, conocida como caja Uhle, aplica vacío (normalmente -60 kPa) al fieltro de presión para eliminar la humedad, de modo que cuando el fieltro regresa al punto de contacto en el siguiente ciclo, no añade humedad a la hoja.

Algunos tipos de papel utilizan rodillos de recogida por succión que emplean vacío para transferir la hoja desde la mesa de impresión hasta un fieltro guía en la primera prensa o entre secciones de prensa. Las prensas con rodillos de recogida suelen tener una caja de vacío con dos zonas (vacío bajo y vacío alto). Estos rodillos tienen numerosos orificios perforados en la cubierta para permitir que el vacío pase desde la caja de vacío fija a través de la cubierta giratoria del rodillo. La zona de vacío bajo recoge la hoja y la transfiere, mientras que la zona de vacío alto intenta eliminar la humedad. Desafortunadamente, a una velocidad suficientemente alta, la fuerza centrífuga expulsa el agua aspirada, lo que reduce la eficacia del proceso de deshidratación. Las prensas con rodillos de recogida también cuentan con filas de fieltro estándar con cajas Uhle. Sin embargo, el diseño de la prensa con rodillos de recogida es bastante diferente, ya que el movimiento del aire es importante para las funciones de recogida y deshidratación.

Los rodillos de control de curvatura (también conocidos como rodillos CC) suelen ser los rodillos de acoplamiento en una prensa. Cuentan con cilindros hidráulicos que evitan que el rodillo se curve. Estos cilindros se conectan a una o varias zapatas para mantener plana la curvatura del rodillo y contrarrestar la deformación natural que se produce al aplicar carga en los bordes.

Las prensas de rodillos extendidos (o ENP) son una alternativa relativamente moderna a las prensas de rodillos convencionales. El rodillo superior suele ser estándar, mientras que el inferior es un rodillo CC grande con una zapata extendida que se adapta a la forma del rodillo superior, rodeado por una cinta de goma giratoria en lugar de una cubierta de rodillo estándar. El objetivo de la ENP es prolongar el tiempo de contacto de la lámina entre los dos rodillos, maximizando así la deshidratación. En comparación con una prensa de rodillos estándar que alcanza hasta un 35 % de sólidos después del prensado, una ENP lo eleva hasta un 45 % o más, lo que se traduce en un ahorro significativo de vapor o un aumento de velocidad. Las ENP densifican la lámina, incrementando así la resistencia a la tracción y otras propiedades físicas.

La sección de secado de la máquina de papel, como su nombre indica, seca el papel mediante una serie de cilindros calentados internamente por vapor que evaporan la humedad. Las presiones de vapor pueden alcanzar hasta 160 psig. El vapor entra por el extremo del cabezal del secador (tapa del cilindro) a través de una junta de vapor y el condensado sale por un sifón que va desde la carcasa interna hasta un tubo central. Desde el tubo central, el condensado sale por una junta en el cabezal del secador. Las máquinas anchas requieren varios sifones. En las máquinas más rápidas, la fuerza centrífuga mantiene la capa de condensado inmóvil contra la carcasa y se suelen utilizar barras generadoras de turbulencia para agitar la capa de condensado y mejorar la transferencia de calor. ^{[ 12 ]}

La sábana suele sujetarse a las secadoras mediante largas presillas de fieltro en la parte superior e inferior de cada sección. El fieltro mejora considerablemente la transferencia de calor. Los fieltros para secadoras están hechos de hilo grueso y tienen un tejido muy abierto, casi transparente. Es común que la primera sección inferior de la secadora no tenga fieltro para evitar que se rompa en el suelo del sótano al cambiar la sábana o al enhebrarla.

Las secadoras de papel suelen estar dispuestas en grupos llamados secciones para que puedan funcionar a una velocidad progresivamente menor y así compensar la contracción de la hoja durante el secado. Algunos tipos de papel también pueden estirarse al pasar por la máquina, lo que requiere aumentar la velocidad entre secciones. Los espacios entre secciones se denominan estirados .

Las secciones de secado suelen estar cerradas para conservar el calor. Generalmente, se suministra aire caliente a los compartimentos donde la sábana deja de estar en contacto con las secadoras. Esto acelera el secado. Los tubos de ventilación de los compartimentos tienen ranuras a lo largo de toda su longitud que dan hacia el interior del compartimento. La ventilación de las campanas de secado se realiza mediante una serie de ventiladores instalados en el techo que dirigen el aire hacia abajo, a lo largo de la sección de secado.

Se pueden agregar agentes de encolado adicionales , como resinas , pegamento o almidón , a la banda para modificar sus características. El encolado mejora la resistencia al agua del papel, disminuye su tendencia a deshilacharse, reduce la abrasividad y mejora sus propiedades de impresión y la fuerza de adhesión superficial. Estos pueden aplicarse en húmedo (encolado interno) o en seco (encolado superficial), o en ambos. En seco, el encolado se aplica generalmente con una prensa de encolado . La prensa de encolado puede ser un aplicador de rodillos (con boquilla inundada) o un aplicador de boquillas. Generalmente se coloca antes de la última sección de secado. Algunas máquinas de papel también utilizan un recubridor para aplicar una capa de cargas como carbonato de calcio o caolín, generalmente suspendidas en un aglutinante de almidón cocido y látex de estireno-butadieno . El recubrimiento produce una superficie muy lisa y brillante con las más altas cualidades de impresión.

Una calandra consta de dos o más rodillos que ejercen presión sobre el papel en movimiento. Las calandras se utilizan para conseguir una superficie de papel extra lisa y brillante, además de un grosor más uniforme. La presión que ejercen los rodillos sobre la hoja de papel determina el acabado final.

Tras el calandrado, la banda tiene un contenido de humedad de aproximadamente el 6 % (dependiendo del tipo de papel). El papel se enrolla en bobinas metálicas mediante un gran cilindro llamado tambor de bobinado . Se mantiene una presión constante entre el tambor de bobinado y la bobina, lo que permite que la fricción resultante haga girar la bobina. El papel pasa por encima del tambor de bobinado y se enrolla en la bobina para formar un rollo maestro .

Para que la máquina de papel funcione de forma continua, la bobinadora debe poder cambiar rápidamente de un rollo terminado a una bobina vacía sin interrumpir el flujo de papel. Para ello, cada sección de la bobinadora tendrá dos o más bobinas que giran durante el proceso. Mediante una grúa aérea, las bobinas vacías se cargan en dos brazos principales situados sobre el tambor de la bobinadora. Cuando el rollo maestro alcanza su diámetro máximo, los brazos bajan la nueva bobina hasta que entra en contacto con el tambor y una máquina situada detrás del tambor pasa una cinta a lo largo de la hoja de papel en movimiento, rasgándola rápidamente y fijando el papel entrante a la nueva bobina. A continuación, la bobina se baja a los brazos secundarios , que la guían de forma constante alejándola del tambor de la bobinadora a medida que aumenta el diámetro del papel en la bobina.

Se debe comprobar, obtener y ajustar la dureza del rodillo para asegurar que se encuentre dentro del rango aceptable para el producto.

Antes del bobinado o de cualquier otro proceso de transformación, algunas líneas de producción incluyen pasos adicionales para reducir la contaminación superficial de la banda, por ejemplo, mediante sistemas de extracción de aire o de limpieza de la banda .

Las bobinas de papel que se enrollan al final del proceso de secado tienen el ancho total recortado, menos la contracción debida al secado, de la banda que sale del alambre. En la sección de bobinado, las bobinas de papel se cortan en rollos más pequeños con un ancho y diámetro especificados en el pedido del cliente. Para ello, la bobina se coloca en un soporte de desenrollado y se ajustan las distancias entre las cuchillas de corte (ruedas afiladas) a los anchos especificados para los pedidos. La bobinadora funciona hasta alcanzar el diámetro deseado y los rollos se etiquetan según su tamaño y pedido antes de enviarlos al almacén o a la zona de expedición. Una bobina suele tener el diámetro suficiente para fabricar dos o más juegos de rollos.