La carta: Sbianca e materiali di processo

Scritto da il 22 novembre 2011 in Corso di tecniche di stampa - Nessun commento
caolino: immagine storica

La prima parte – La carta: le materie prime – descrive le materie prime e la preparazione delle paste chimiche, meccaniche e semichimiche.

Nell’immagine in evidenza una foto di archeologia industriale di  una miniera   di caolino a Schio

Il valore di bianco delle fibre, viene determinato dalla quantità di luce monocromatica riflessa, con riferimento a un bianco standard di valore noto.
Le fibre o paste totalmente bianchite, possono raggiungere valori di bianco   molto elevati che superano il 92-94%.

La sbianca delle fibre

Quello invece delle paste grezze è molto ridotto, con valori che a stento possono raggiungere il 30-35%. Tali valori sono influenzati sia dal genere del processo utilizzato, sia dal tipo di legno trattato. In genere, con il processo al solfito si ha la possibilità di ottenere paste chimiche grezze molto più bianche che, ad esempio nel caso dell’abete, possono raggiungere anche valori del 65%. Nelle paste meccaniche invece, il valore del bianco è dato solo dal genere di legno trattato. La cellulosa non dà alcun apporto alla colorazione della pasta che, come sappiamo, è data dalla presenza di gruppi cromofori nella lignina, in gran parte eliminata nel processo di estrazione chimica.

Scopo dell’imbianchimento
L’obiettivo dei processi di sbianca è quello di rendere la pasta più bianca, non soltanto per ragioni che potremmo definire apparenti, ma principalmente per specifiche ragioni tecniche, come una maggiore definizione e contrasto di stampa. Oltre a questo, ottenere una pasta più bianca è importante per il mantenimento e la stabilità nel tempo del valore di bianco, tenendo ben presente che il processo deve essere tale da conservare, il più possibile, le caratteristiche meccaniche della fibra.

Il miglioramento del bianco delle fibre si può ottenere sia per eliminazione sia per modificazione di quei composti, presenti nella pasta, che sono motivo della sua colorazione. La colorazione di queste paste è essenzialmente dovuta alla presenza della lignina residua. I processi che dovranno eliminarne o ridurne la presenza, si possono definire come processi di sbianca della lignina o sbianca di tipo conservativo. In quest’ultimo caso, la lignina è solo parzialmente distrutta o resa inattiva.
Per raggiungere questi risultati di solito si fa uso di idrosolfito o perossido di idrogeno (acqua ossigenata) o una loro miscela. Sebbene i risultati ottenibili siano più che sufficienti, qualora si vogliano invece paste con un bianco molto elevato e stabile, è necessario ricorrere a un genere di sbianca che possa eliminare totalmente la lignina. Il risvolto negativo di questo trattamento è la significativa riduzione della resa. Per questa ragione, l’impiego di queste sbianche è limitata alle sole paste chimiche, in quelle paste cioè dove, la quantità di lignina, è stata sensibilmente ridotta dall’azione del liscivio riducente. L’utilizzo di sbianche conservative si rapporta all’impiego di paste meccaniche, termomeccaniche, semichimiche e chimico-meccaniche che vengono bianchite utilizzando processi la cui blanda azione si limita alla sola decolorazione della lignina e non alla sua eliminazione.
I sistemi adottati in questo tipo di sbianca si avvalgono dell’azione degli idrosolfiti (azione riducente) o dei perossidi (azione ossidante) con il raggiungimento di un valore di bianco in genere tra il 60 e il 70%.
I risultati migliori si sono ottenuti con gli idrosolfiti di sodio o di zinco con miglioramenti, nelle piante conifere, del punto di bianco di oltre 15 punti percentuali, mentre nelle latifoglie i valori ottenibili sono più scarsi.
Questo trattamento di sbianca riducente consente di ottenere una buona stabilità del bianco nel tempo oltre a non avere effetti negativi sulle proprietà meccaniche della fibre. La sbianca al perossido (azione ossidante), ha sostituito, già da molti anni, il trattamento che faceva uso di reattivi quali l’ipoclorito di sodio o di calcio, con acqua ossigenata o perossido di calcio, molto più convenienti, efficaci ed ecologici. L’aspetto più importante di questo cambiamento è dato dal fatto che, contrariamente agli ossidanti a base di cloro, non provocano effetti inquinanti di rilievo. I perossidi si mostrano particolarmente efficaci nella sbianca di paste contenenti quantità elevate di lignina come quelle meccaniche e di tutte quelle ad alta resa. Contrariamente a quanto accade per le sbianche conservative, quelle per l’eliminazione della lignina consentono di ottenere un grado di bianco molto elevato e più stabile.

Cellulosa esente da cloro
Per raggiungere questo risultato si rende necessaria la totale eliminazione di tutti i cromofori presenti nella fibra, vale a dire la totale eliminazione della lignina residua dal processo di estrazione. Ne deriva che questi processi di sbianca non possono essere applicati alle paste meccaniche le quali, contenendo elevate quantità di lignina, comporterebbero, per la sua dissoluzione, elevate quantità di reattivo con conseguente e drastica riduzione della resa. Per tale motivo, le sbianche a totale eliminazione della lignina fanno riferimento solo e unicamente alle paste chimiche nelle quali, grazie all’azione riducente del reattivo, nella fase di estrazione della fibra dal contesto legnoso, la quantità di lignina da rimuovere è solo una parte residua, la quale potrebbe essere eliminata prolungando i tempi di cottura durante il processo di estrazione, ma ciò non farebbe che favorire un massiccio degrado delle fibre a causa dell’eccessiva dissoluzione dei carboidrati in rapporto alla lignina, con conseguente drastica riduzione delle proprietà meccaniche delle fibre.
La sostituzione del cloro con i perossidi e idrossidi, è stata una improrogabile necessità per la salvaguardia dell’ambiente perché il trattamento con cloro, ha un importante effetto inquinante delle acque reflue, a causa della formazione di composti organici clorati appartenenti alla famiglia delle diossine. Alcuni produttori di cellulosa, non potendo far uso di idrossidi e perossidi, hanno dovuto sostituire il cloro con ossido di cloro. La quantità di composti alogeni è determinata dal valore di AOX.
Nel nostro caso, utilizzando ossido di cloro, si ha AOX < 0,3, mentre con gli idrossidi e perossidi si riduce drasticamente a AOX < 0,1. In funzione di questi valori, la cellulosa imbianchita con ossido di cloro viene definita ECF (elementary chlorine free) parzialmente esente da cloro, mentre la seconda viene definita come TCF (total chlorine free), totalmente esente da cloro.
Infine, è necessaria una precisazione per chiarire il significato di una serie di sigle che pongono in evidenza le varie fasi che sono state utilizzate nel processo di sbianca:
C = Clorazione
E = Estrazione alcalina
H = Ipoclorito
D = Biossido di cloro
O = Ossigeno
P = Perossido
Ad esempio: una pasta imbianchita C-H avrà avuto un trattamento con clorazione e ipoclorito, oppure un’altra, bianchita con O-P significa che il trattamento è stato con ossigeno e perossido.

Materiali di processo
La quasi totalità delle carte non sono fatte di sole fibre, ma contengono anche altre sostanze che possono essere aggiunte in fase di preparazione dell’impasto o, successivamente, con lo scopo di migliorare le caratteristiche della carta.
Si utilizzano sostanze amidacee per facilitare la raffinazione e accrescere i legami delle fibre che possano consentire una maggiore resistenza meccanica, ritentivi per consentire la permanenza di cariche e fibre minute all’interno del feltro fibroso, pigmenti di carica per migliorare l’opacità, particolari tipi di resine per conferire una elevata resistenza all’umido quando la carta verrà sottoposta a una prolungata immersione in acqua e cosÌ via.

Additivi per migliorare la resistenza a secco
Il risultato più importante da raggiungere, nella produzione di una carta, è quello di preparare un contesto fibroso tale da facilitare l’intimo contatto tra fibre e fibrille e, conseguentemente, la formazione dei “legami di idrogeno”, capaci di conferire maggiore resistenza alla carta.
Questi legami possono essere migliorati sia con una maggior raffinazione della pasta, sia aggiungendo nell’impasto appropriati prodotti che agiscano come collanti. Il primo caso è generalmente scartato a causa di una maggiore trasparenza e idroespansività a cui fa seguito una minore porosità e comprimibilità, oltre a maggiori costi di produzione. Per questo trova una maggiore accoglienza il procedimento che fa uso di collanti per migliorare la resistenza a secco del foglio. Per idratare le fibre, relativamente poco raffinate, con il processo chimico, è necessario però impartire loro alcune caratteristiche colloidali, simili a quelle ottenibili con la raffinazione meccanica.
I risultati positivi che si raggiungono, sono relativi a un miglioramento nella stesura delle fibre, a un sostanziale incremento dei contatti interfibrali e a una maggiore resistenza dei legami stessi. I prodotti maggiormente utilizzati nel processo chimico sono gli amidi e le gomme vegetali, dette anche mucillaggini.
L’amido (come la cellulosa), è isolabile da molte piante, delle quali costituisce una sostanza di riserva. Si trova sotto forma di piccoli granuli nei tuberi, nei semi e nelle radici delle piante.
L’impiego dell’amido nella fabbricazione della carta trova due importanti ragioni:
– migliora le caratteristiche di resistenza meccanica quali trazione, scoppio e piega, resistenza all’abrasione, allo strappo superficiale, riduzione dello spolvero e una maggiore rigidità;
– facilita l’operazione di raffinazione.
Da alcuni anni sono in uso amidi cosiddetti “cationici” ottenuti da una reazione chimica tra gli amidi nativi con le ammine. Con questa reazione l’amido acquista una carica positiva, facilitando l’assorbimento da parte della fibra la quale, in ambiente acquoso, assume una carica negativa. Pur possedendo buone caratteristiche di adesività, gli amidi possono però creare problemi di flocculazione delle fibre con la possibile conseguenza di una non buona formazione del foglio detta “speratura”.
Le gomme vegetali, invece, oltre che conferire una buona resistenza, agiscono anche come elementi deflocculanti grazie alla possibilità di ricoprire le fibre con uno strato mucillagginoso che funge da lubrificante, favorendo lo scorrimento delle fibre le une sulle altre evitando il reciproco intrecciamento.

I ritentivi
Nel momento in cui si procede nella formazione del foglio, gli elementi più minuti dell’impasto, fibrille e pigmenti di carica, tendono a passare attraverso le maglie della tela con una distribuzione irregolare all’interno del feltro fibroso.
Ne consegue che si ottengono due superfici diverse, fenomeno comunemente detto “doppio viso”.
Per evitare la formazione del doppio viso, e che una non trascurabile quantità di questi elementi fini vada a finire nelle acque di riciclo, si ricorre all’impiego di specifici prodotti, detti ritentivi, tali da favorire la permanenza di queste particelle minute all’interno del foglio.
L’azione così svolta è detta di “ritenzione”, la quale è anche la misura della quantità di solidi rimasta nel foglio, a confronto con quella presente nella cassa di afflusso. Il meccanismo più importate della loro azione è dovuto a una correlazione esistente tra le proprie caratteristiche colloidali con il potenziale elettrocinetico presente tra le particelle. Grazie quindi alle forze interfacciali, che si vengono a creare tra loro, scaturisce una aggregazione tale da favorire la ritenzione meccanica della massa fibrosa durante la sua formazione, evitando in tal modo il difetto del doppio viso.
Nelle ultime generazioni di prodotti flocculanti e di drenaggio si fa uso di polimeri naturali o sintetici e di microparticelle inorganiche che vengono utilizzati con formulazioni diverse. Si può avere quindi un sistema composto da amido cationico con silice colloidale anionica, del poliammide acrilato e bentonite; oppure, amido cationico con idrossido di alluminio.
Nonostante queste differenzazioni, tali sistemi sono simili per il modo in cui i polimeri cationici usati inducono a una iniziale flocculazione, alla quale segue, per la presenza di microparticelle inorganiche, il consolidamento del fiocco di cellulosa formatosi. Inoltre, quando in una parte del sistema viene usato l’amido cationico si ha un aumento della resistenza a secco del foglio.

Collanti
Le fibre di cellulosa, grazie alle loro naturali caratteristiche, fisiche e chimiche, sono particolarmente adatte per la produzione della carta, poiché oltre a essere facilmente disperdibili in acqua, hanno anche la proprietà di creare quei legami interfibrali, detti legami d’idrogeno, che ne aumentano la resistenza.
Ciò nonostante, la carta, prodotta con la sola cellulosa non è in grado di soddisfare certe esigenze che si richiedono ad alcuni tipi di carta. Citiamo, ad esempio, le carte usa e getta, le carte per la stampa con inchiostri a base d’acqua, carte per la scrittura, ecc.
Al fine di ridurre la penetrazione e quindi l’assorbimento di liquidi da parte delle fibre, si fa ricorso a un trattamento detto di collatura. Con questo processo, si va a modificare la proprietà idrofila della superficie della cellulosa, in idrofoba. Si deve però tener conto che l’elemento carta non è solamente un insieme di fibre con caratteristiche igroscopiche, ma anche un insieme di pori e spazi posti tra le fibre che hanno, per la proprietà di permeabilità della carta, un ruolo decisamente importante.
Si deve infatti tener conto che una cosa è l’assorbimento tramite i pori e gli spazi interfibrali, altro è l’assorbimento dovuto alla natura igroscopica delle fibre. Questa differenziazione la si può riscontrare in carte molto collate dove il liquido, non riuscendo a penetrare nel sistema poroso, può essere assorbito solo grazie alla igroscopicità delle fibre con conseguente rigonfiamento delle stesse.
Il processo di collatura può essere fatto direttamente nell’impasto o con trattamento superficiale, detto di “pressa collante”, sul feltro fibroso appena formato. Per la collatura in impasto si fa uso di collanti a base di colofonia con aggiunta di agenti precipatanti e ritentivi, di emulsioni a base di resine acriliche e poliuretaniche, sia anioniche che cationiche, emulsioni di cere microcristalline, prodotti fluorochimici e amidi modificati. Per il trattamento in superficie si fa uso di alcool polivinilico, di carbossimetilcellulosa (CMC) metilcellulosa (MC) e agenti alginati con alto potere filmogeno.

Materie di carica

Le materie di carica per la fabbricazione della carta sono sostanze minerali, il cui utilizzo conferisce importanti e sostanziali miglioramenti di alcune proprietà della carta quali: l’opacità, il liscio superficiale e la capacità di assorbimento dell’inchiostro. In pratica, tutte le carte in uso per la scrittura e per la stampa, contengono cariche minerali che possono variare dal 20% fino a un massimo del 40% in peso.
I due maggiori gruppi di minerali utilizzati a questo scopo sono il caolino (china clay) e il carbonato di calcio (CaCO3). C’è una terza categoria composta da una miscellanea di minerali come il talco, il solfato di bario e di calcio sempre tra i prodotti naturali mentre, per le cariche sintetiche troviamo il biossido di titanio (TiO2), il silicato di calcio e alluminio, il solfato di bario e calcio e, infine, il carbonato di calcio precipitato.

Il Caolino
Il caolino è l’elemento assolutamente più pregiato tra tutti gli elementi di carica. Prende il nome da una regione della Cina, conosciuta come Kao-Ling situata nella provincia dello Jianxi. Da qui la comune definizione di China clay, o argilla cinese, da cui prende il nome. Per caolinite s’intende il nome mineralogico, dato a un’argilla bianca, costituita da silicato di idrato alluminio mentre, il termine caolino, fa riferimento a un deposito di significative quantità di caolinite. I caolini si suddividono in due distinte categorie, caolini primari e caolini secondari.
I caolini primari possono essere formati da una attività idrotermica o dalla decomposizione fisica o chimica di depositi rocciosi, non escludendo anche, la possibilità di una combinazione di entrambi.
I caolini secondari hanno origine da depositi primari che, trasportati da corsi alluvionali si vanno poi a sedimentare in luoghi anche molto lontani da dove hanno avuto origine.
Allo stato naturale, tutti i caolini contengono una certa quantità di impurità minerali, come alcuni composti del ferro e di titanio, che danno una certa colorazione giallastra, o di quarzo e feldspato, che possono creare problemi di abrasività. Per questi motivi, i caolini da utilizzare per la produzione della carta devono essere sottoposti a trattamenti di purificazione con procedimenti a secco o a umido. In genere, il caolino si presenta essenzialmente con una struttura fisica sottoforma di particelle molto piatte a forma esagonale. Da ciò si può desumere anche, quale importanza può avere l’uso del caolino, nella patinatura della carta per la scorrevolezza in macchina.

Il carbonato di calcio
Questo elemento di carica viene, generalmente, suddiviso in due categorie: naturale e sintetico. Il primo lo si può trovare nella formazione di rocce, come calcare e come marmo. Il secondo, sintetico, è ottenuto per precipitazione, facendo reagire il cloruro di calcio con un carbonato solubile. In genere quest’ultimo ha una granulometria molto più fine e uniforme rispetto a quello naturale, sebbene, con il progredire delle tecniche di raffinazione a umido, le differenze si siano di molto ridotte, ottenendo un carbonato naturale con una finezza e caratteristiche comparabili al sintetico.
Nel raffronto con il caolino, il carbonato di calcio contribuisce a dare alla carta una opacità superiore, un incremento del fattore di riflettanza, un grado di lucido nettamente inferiore, un maggior assorbimento degli inchiostri, sebbene questa caratteristica risulti poi negativa ai fini della resistenza all’abrasione – come avremo modo di vedere quando parleremo della patinatura delle carte moderne – e la tendenza a ridurre l’inquinamento del bianco per effetto della calandratura. Il carbonato di calcio ha assunto, negli ultimi anni, una importanza crescente, per la riduzione dei costi relativi alla materia prima, all’incremento della produttività e a una minore richiesta di acqua d’esercizio, rispetto ai caolini. Inoltre, grazie all’impiego di collature neutre, il carbonato funge anche da riserva alcalina, consentendo alla carta una elevata resistenza all’invecchiamento. Problema questo molto pressante per alcune biblioteche, dove un numero considerevole di volumi di pregevole valore sta rischiando l’autodistruzione.

Biossido di Titanio
Il titanio è un minerale così diffuso in natura che si pone al nono posto tra gli elementi costituenti la crosta terrestre. In natura lo si trova come biossido di titanio (TiO2) e come un ossido misto di ferro e titanio, la ilmenite (FeTiO3).
Il più importante composto del titanio è il biossido, largamente usato come bianco di titanio, pigmento bianco di elevato potere coprente e come opacizzante di fibre artificiali. Presenta, inoltre, la caratteristica di assorbire le radiazioni ultraviolette per cui limita, in un certo qual modo, l’effetto degli sbiancanti ottici. Il biossido di titanio, naturale o ottenuto con processo di sintesi, si trova in commercio in due diverse strutture cristalline, l’anatasio e il rutilio.
L’anatasio ha una struttura cristallina meno compatta, con indice di rifrazione leggermente minore rispetto al rutilio. Inoltre, avendo un grado di durezza inferiore, minore è anche il gradiente di abrasività. Per il suo alto potere opacizzante, il biossido di titanio è impiegato in numerosi tipi di carte, ma soprattutto in carte di grammatura molto leggera.

Talco
Il talco puro è costituito da silicato idrato di magnesio, sebbene la sua composizione, e conseguentemente le sue proprietà, possa variare a seconda del genere di giacimento e dalla raffinazione cui è sottoposto. Si presenta sotto forma di un materiale fogliaceo più o meno compatto, untuoso al tatto, fondamentalmente di colore bianco. Con il nome di steatite si indica una varietà di talco generalmente quasi puro e più compatto del talco comune.
In natura, esiste anche un altro tipo di talco, in forma di patine verdastre chiamato gavite, il cui nome ha origine dal luogo in cui lo si trova; nelle rocce serpentinose della Gava, presso Voltri (Genova).
Il talco è chimicamente inerte sia in ambiente acido che alcalino, ha un apprezzabile punto di bianco, una limitata abrasività, impartendo alla carta un particolare effetto tattile.
Buono il grado di lucido e di liscio nelle carte calandrate. Talvolta, talchi molto raffinati vengono miscelati con biossido di titanio per facilitare l’agglomerazione delle sue particelle, favorendo in tal modo sia il miglioramento della opacità, sia una diminuzione della quantità di biossido di titanio da utilizzare.

Additivi per migliorare la resistenza a umido
Ogni volta che una carta viene bagnata con acqua o con una soluzione acquosa, o posta nelle condizioni di assorbire acqua dall’ambiente atmosferico, le fibre, a causa della loro igroscopicità, tendono ad assorbirne una certa quantità aumentando la loro sezione. In queste condizioni i legami d’idrogeno interfibrali tendono a ridurre la loro aderenza riducendo sia la resistenza meccanica, sia la resistenza allo spappolamento.
Queste in genere sono le comuni condizioni a cui molte carte sono sottoposte.
Si possono citare ad esempio, le carte per affissioni e le carte per il settore alimentare surgelato o pr etichette da vino bianco e spumanti.
Per compensare le resistenze, relative allo stato bagnato della carta, si possono aggiungere all’impasto fibroso o in superficie, sostanze che possano proteggere e conservare i legami interfibrali. Lo studio di questi prodotti e la loro applicazione hanno avuto notevoli sviluppi solo negli ultimi decenni, e in particolare con l’introduzione della resina melamminicagrande apporto nei confronti delle fibre di cellulosa. Ovviamente queste resine sono applicate con un certo grado di polimerizzazione per consentire la loro solubilità in acqua.
Perché si abbia una carta con una efficace resistenza allo stato bagnato è necessario che siano rispettate alcune condizioni, come una buona ritenzione della resina da parte delle fibre, un appropriato valore di pH della sospensione fibrosa, nonché una completa insolubilizzazione della resina, per dar luogo alla formazione di legami resistenti all’acqua.
Per ottenere questa insolubilizzazione o polimerizzazione, si rende necessario, oltre che il rispetto di un determinato valore di pH , anche di una elevata temperatura e un tempo, che è in relazione con la temperatura della seccheria della macchina continua per carta.
Le seccherie, però, non operano né a temperatura sufficientemente elevata, né con un tempo adeguato, per consentire la totale polimerizzazione della resina.
Ne segue che all’uscita della continua, la carta non ha ancora i valori di resistenza a umido desiderati. Ma le resine normalmente utilizzate hanno la proprietà, una volta innescata la reazione, di completarla inseguito a temperatura ambiente. Pertanto, con un sufficiente periodo di attesa, la carta raggiunge i valori ottimali previsti per la resistenza a umido. I prodotti da impiegare per tale scopo si suddividono in resine da utilizzare in ambiente acido e resine da impiegare in ambiente neutro o alcalino.

Azzurranti e sbiancanti ottici
Tutte le carte, anche se prodotte con paste molto bianche, mostrano sempre una nuance leggermente giallognola, dovuta al rinvio di radiazioni gialle/arancio piuttosto che blu/violetto come sarebbe auspicabile. Per modificare questa tonalità giallastra, si fa uso di piccole quantità di elementi azzurranti che neutralizzano la tonalità giallastra della carta. L’azzurraggio della carta avviene per assorbimento di luce diretta con conseguente perdita di luce diffusa riflessa.
Gli sbiancanti ottici sono invece dei composti fluorescenti che hanno la caratteristica di assorbire l’energia data dai raggi ultravioletti e trasformarla in luce visibile, sotto forma di emissione di raggi blu/violacei.
In questo modo, oltre che alla eliminazione della nuance giallognola si ottiene anche una maggior “chiarezza” del foglio data da un più alto valore dell’emissione di luce riflessa. Il bianco dato da questi coloranti ottici dipende però dalla quantità di luce ultravioletta fornita dalla sorgente illuminante, sotto la quale è posta la carta in esame.
Si può infatti dire che una medesima carta, per uno stesso esaminatore può apparire bianca se esposta alla luce solare, leggermente inferiore se la sorgente luminosa è quella di una lampada fluorescente, e decisamente inferiore se la lampada è del tipo a filamento incandescente, carente di radiazioni ultraviolette.

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