La carta – La macchina continua

Scritto da il 21 novembre 2011 in Corso di tecniche di stampa - 21 Commenti
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I capitoli precedenti hanno trattato delle materie prime (La Carta – Le materie prime), il legno, la cellulose e le paste chimiche e meccaniche; la seconda parte tratta della sbianca e degli additivi e materiali di processo (La Carta – La sbianca e materiali di processo). Questa terza parte descrive la fabbricazione con la continua.

La macchina continua

Suddividendo in modo molto schematico, tutto il ciclo produttivo della carta, potremmo essenzialmente fare riferimento a quattro fasi:
– preparazione della massa fibrosa o impasto
– formazione del supporto di base
– trattamento della superficie con patinatura
– finitura e allestimento.
A loro volta, ciascuna di queste fasi implica un insieme di lavorazioni tra loro correlate.
Con la preparazione dell’impasto, si approntano tutte le operazioni necessarie a ottenere la massa fibrosa, necessaria per l’alimentazione della macchina continua, partendo dallospappolamento del materiale fibroso, successivamente raffinato.
Alla sospensione fibrosa sono poi aggiunti composti ausiliari, per dare al prodotto finale, le caratteristiche richieste; infine, la giusta diluizione dell’impasto. Tra queste, l’operazione più importante è quella della raffinazione, da cui dipendono alcune caratteristiche finali del prodotto.
La formazione del supporto di base si può invece suddividere nella fase di alimentazione della sospensione fibrosa verso il distributore, detto “cassa di afflusso”.
Rilascio della sospensione sulla tela della macchina piana, o tra due tele nel caso del gap-former.
L’eliminazione dell’acqua attraverso le maglie della tela, sia per drenaggio, sia per aspirazione con un’ulteriore disidratazione per mezzo di presse a umido, le shoe-press. Dopo di che, l’asciugamento del nastro di carta avviene con il passaggio nella seccheria.
A seguire, la stesura su entrambe le superfici di composti amidacei (size press),   a cui normalmente segue la stesura del primo strato di patina o prepatina.
Infine si effettua la bobinatura del nastro di carta pronta per ulteriori trattamenti di patinatura o per l’invio al reparto di finitura e allestimento.

Preparazione dell’impasto
A seconda del tipo di carta che si vuole produrre, tanto le formulazioni quanto le materie prime differiscono tra loro. I vari tipi di cellulose giungono allo stabilimento sotto forma di balle formate da un certo numero di “fogli” di alto spessore, in genere fermati tra loro con regge metalliche. Accatastate nei vari magazzini dove devono essiccare, le balle vengono periodicamente prelevate e inviate al reparto della preparazione e quindi convogliate verso lo spappolatore detto comunemente “pulper”.
Il pulper è costituito da un capiente cilindro con la parte inferiore tronco-conica. Sul fondo si trova una girante munita di denti e di pale con profilo particolare per imprimere all’acqua, contenuta nel cilindro, un moto violento e vorticoso.
Di solito l’acqua introdotta nel pulper è quella riciclata dalla macchina continua e il materiale fibroso, ghermito dal vortice viene trascinato in rotazione verso il fondo e, imbevuto d’acqua, è sottoposto a violenti urti da parte delle pale e dei denti che, con sforzi di taglio e di attrito lo lacerano e lo sfioccano, dando luogo a un densa soluzione opalescente per la sospensione delle fibre.
Generalmente la quantità delle fibre presenti nella sospensione varia dal 3 al 5%, sempre a seconda del tipo di carta da produrre. Terminata la fase dello spappolamento, la sospensione viene prima filtrata, con lo scopo di trattenere le fibre non elementarizzate ed eventuali inquinanti non disintegrabili, per essere poi scaricata e stoccata in appositi contenitori.
Per avere la certezza di una massa fibrosa omogenea, l’impasto spappolato, viene sottoposto a un ulteriore trattamento per la separazione dei nodi in fibre singole. Per questa operazione si fa uso di macchine chiamate depastigliatori, perché nel gergo cartario, i nodi di fibre sono chiamati “pastiglie”.

Raffinazione delle fibre
Le fibre di cellulosa ottenute non sono ancora idonee per la produzione di un buon foglio di carta. Se fossero utilizzate cosÌ come sono, avremmo certamente delle deficienze dal punto di vista fisico e anche nell’aspetto, se esaminato in trasparenza (speratura). Il foglio sarà caratterizzato da bassi valori nelle resistenze meccaniche con una superficie dal profilo irregolare nonché, da una struttura aperta con una spera assai disuniforme.
Per ottenere un foglio che soddisfi tutte le caratteristiche richieste per gli impieghi previsti, si rende necessaria un’ulteriore lavorazione, che consiste nel sottoporre le fibre a un trattamento meccanico in presenza d’acqua detto “raffinazione”, un trattamento meccanico generato dalla rotazione di due piastre, rotore e statore, entrambe munite di lame di metallo a sezione quadrangolare e poste le une di fronte alle altre.
Le lame del rotore procedono a pochissima distanza da quelle dello statore, senza però venirne a contatto, creando condizioni di trascinamento della sospensione fibrosa all’interno delle cavità, presenti tra una lama e l’altra. In questo modo le fibre si trovano costrette a passare nei piccoli spazi esistenti tra le due lame e sottoposte a elevate sollecitazioni di compressione, frizione e taglio, apportando alle fibre modifiche molto importanti alla loro struttura fisica, tanto da ritenere la raffinazione il processo fondamentalmente più importante per la produzione della carta.
La sospensione fibrosa, sottoposta a raffinazione, subisce ripetute sollecitazioni meccaniche di flessione e pressione, che vanno a modificare la struttura fisica della parete interna delle fibre. In tal modo si crea la rottura dei legami d’idrogeno esistenti all’interno della fibra per sostituirli con altri legami tra la fibra e l’acqua. Con questo trattamento, la fibra perde la sua originaria rigidità divenendo pi˙ flessibile e meglio conformabile, favorendo i presupposti necessari per la formazione di ampie zone in cui possano radicarsi i legami tra una fibra e l’altra. Sicuramente questo è l’effetto pi˙ importante della raffinazione perché a questo si deve la possibilità di ottenere, successivamente, un foglio omogeneo e consistente.

Epurazione
La sospensione fibrosa, ora diluita, passa all’epurazione, il cui scopo è quello di separare le impurezze più pesanti, sfruttando l’azione centrifuga. L’epurazione ha principalmente luogo negli epuratori a vortice, costituiti da un contenitore metallico, conico nella parte inferiore e cilindrico nella parte superiore, con le aperture d’entrata per l’impasto da trattare e di uscita per la pasta epurata.
La pasta entra nel contenitore da una certa altezza, tangenzialmente alle pareti del contenitore, in modo da imprimere alla sospensione fibrosa una rotazione elicoidale a vortice discendente verso il basso e lungo le pareti, fino al massimo restringimento della parte conica del cilindro.
In questa zona del contenitore, il moto s’inverte, facendo risalire la sospensione verso l’alto, fino al tubo coassiale di uscita. Le particelle aventi un volume maggiore a quello delle fibre vengono sospinte, sempre dalla forza centrifuga, contro le pareti scendendo verso il fondo e filtrate per il passaggio attraverso un foro calibrato, posto al fondo e quindi scaricate all’esterno. Dopo questo ulteriore trattamento, alla sospensione sono aggiunti i necessari additivi di carica prima di essere inviata alla cassa di afflusso, per dare inizio alla produzione vera e propria del foglio di carta.

La cassa di afflusso
L’alimentazione della sospensione fibrosa alla macchina continua, deve essere quanto più uniforme possibile, con un flusso costante e omogeneo su tutta la larghezza della tela. Affinché siano ottenute queste condizioni, fondamentali per una buona formazione del foglio, sono stati realizzati numerosi distributori, consistenti tutti nella realizzazione, sempre più sofisticata, della zona di giunzione del condotto circolare di uscita dell’epuratore e l’ingresso della la sezione rettangolare della cassa di afflusso, larga quanto la tela della continua.
Schematicamente, la cassa è un contenitore a forma di parallelepipedo, chiusa e pressurizzata, posta in orizzontale immediatamente prima della tela di macchina. La sua funzione è quella di alimentare la macchina rilasciando sulla tela la sospensione fibrosa lungo tutto il suo profilo, in modo trasversale alla tela stessa.
L’impasto viene fatto uscire da una apertura posta nella parte inferiore regolabile per compensare le variazioni di grammatura lungo il profilo stesso.
La velocità della tela è vicina a quella del getto, e il rapporto tra loro è definito come rapporto di scorrimento.
Se la velocità della tela è superiore a quella del getto, le fibre tenderanno principalmente a orientarsi e allinearsi nello stesso senso di scorrimento della tela, per cui, le caratteristiche meccaniche del foglio in senso longitudinale, saranno molto diverse da quello trasversale.
Per contenere queste differenze, oltre a evitare la formazione di correnti preferenziali, generate dalla parte fluida, è essenziale ovviare alla naturale tendenza delle fibre a formare fiocchi. Questa propensione è agevolata dall’effetto di taglio, generato dalla diversa velocità dei flussi liquidi.
L’obiettivo ottimale può essere raggiunto creando opportune e controllate turbolenze, con successive espansioni nelle camere di equalizzazione. Ma queste turbolenze tendono a ridursi rapidamente, per cui le fibre tendono a riformare dei fiocchi. Per ovviare a questo inconveniente, è necessario che il feltro fibroso si debba formare quanto più vicino possibile alla cassa di afflusso.

La formazione del supporto
Le condizioni che danno origine alla formazione del foglio, sono nell’insieme molto complesse. Fondamentalmente si tratta di rilasciare sulla tela la sospensione, le cui fibre s’intrecciano e si sovrappongono man mano che l’acqua drena attraverso le maglie della tela. Si tenga presente che il telo è costituito da circa il 97-95% di acqua e solo il 3-5% di fibre.
Inizialmente il drenaggio avviene per gravitazione, formando un primo sottile feltro che aumenta via via di spessore. Con il diminuire del drenaggio naturale dell’acqua, si rende indispensabile l’applicazione di opportuni sistemi per una aspirazione sempre più intensa, al fine di ottenere un’ulteriore rimozione dell’acqua dallo strato fibroso.
Le caratteristiche più importanti della carta come, la speratura, la resistenza uguale in tutte le direzioni, la distribuzione delle parti fini e delle materie di carica e l’impronta della tela su cui si forma il supporto, si determinano nella fase iniziale del drenaggio. Questo avviene perché la sospensione proveniente dalla cassa di afflusso è molto diluita e tutti gli elementi di dimensioni più minute (parti fini e cariche) hanno buon gioco a passare attraverso le maglie della tela. Questo accade fino a quando il feltro fibroso non ha raggiunto una consistenza tale da riuscire a trattenere anche i componenti di dimensioni più ridotte.
Questa diversa ritenzione, che si viene a determinare durante il processo di produzione del nastro, dà luogo a delle modificazioni in senso ortogonale al feltro, sia nella struttura che nella composizione. L’effetto più evidente è il doppio viso, vale a dire una certa dissomiglianza tra i due lati della carta.
A questo si può talvolta associare anche una ulteriore anisotropia nello spessore dello strato quando, le prime fibre depositate sulla tela siano maggiormente orientate nel senso di scorrimento della macchina rispetto a quelle successivamente deposte.
Questo fenomeno può dar luogo a differenti tensioni interne al foglio favorendone l’ondulazione al variare delle condizioni ambientali. Anche la speratura, più o meno marcata, si caratterizza nella prima fase del drenaggio perché è direttamente dipendente dalla distribuzione delle fibre nell’impasto.
Anche la velocità della continua può contribuire all’insorgenza di queste problematiche obbligando a una sua limitazione. Infatti, se si superano certe velocità nella parte umida, si facilita la formazione di perturbazioni sul feltro non ancora consolidato, aggravando le caratteristiche prima menzionate.
Per trovare una soluzione a questi problemi, sono stati progettati altri tipi di formatori, non più con tavola piana, ma basati sul concetto della doppia tela a scorrimento verticale, detto a tele gemelle o gap-former. In verità, le due tele non scorrono in senso verticale vero e proprio, ma con una angolazione di circa 45°. Con questo modo di produrre, l’impasto fibroso non viene steso, come per il caso precedente, ma introdotto tra le due tele.
Il drenaggio iniziale avviene per effetto della pressione esercitata dalle due tele a cui fa seguito quello delle casse di aspirazione.
La pressione fra le tele è ottenuta modificandone il senso di marcia nel momento in cui vengono mantenute in contatto con il feltro fibroso. Questo fa sì che la loro tensione si traduca in pressione agente sulle fibre in sospensione.
Una ulteriore diminuzione dell’acqua, diretta verso il lato esterno della tela è ottenuta per la forza centrifuga a cui viene sottoposto l’impasto, nel momento in cui le tele si vanno a trovare nel percorso curvo. Affinché la rimozione dell’acqua non avvenga solo dalla parte della tela esterna, è necessario che questa forza centrifuga sia bilanciata da una tensione sulla stessa tela esterna.
La possibilità di avere il drenaggio dell’impasto sui due lati consente di ottenere la ripartizione simmetrica delle cariche e delle parti fini nel senso dello spessore della carta per cui i due lati non potranno che avere simmetriche caratteristiche di stampabilità in confronto al foglio prodotto con tavola piana.
Quando il contesto fibroso giunge al termine della tavola, o al punto di separazione delle due tele, una certa quantità d’acqua, presente tra le fibre, è già stata precedentemente eliminata. Si consideri che la quantità ancora da estrarre si aggiri attorno al 80%.
Per ridurre ulteriormente questa quantità residua, si ricorre all’utilizzo delle presse, costituite da cilindri tra cui passa il telo.
Il crescente aumento della velocità delle macchine continue richiede o elevate pressioni tra i cilindri o aumentando l’area di contatto, per consentire al nastro una maggior permanenza sotto l’effetto della pressione e, di conseguenza, una maggior quantità di acqua estratta. Si sono quindi sviluppate le cosiddette “presse a pattino” o shoe-press, realizzate convertendo la zona di pressione, ottenuta non più dal contatto tra i due cilindri, ma pressando quello trasportatore su una placca metallica, con fori di diametro opportuno e sostenuta da rulli, per consentire il regolare scorrimento della superficie piana, con quella ricurva del cilindro. Il supporto fibroso, accompagnato dal feltro, si trova quindi a scorrere in un’area di contatto piuttosto estesa (nip-press) che gli consente una maggiore disidratazione.

Asciugamento della carta
Dopo il passaggio del nastro nella sezione delle presse a umido, il foglio contiene ancora una certa quantità di acqua dovuta all’intimo legame di questa con le fibre. Questa umidità residua, che può variare tra il 50 e il 60%, non può più essere rimossa con mezzi meccanici, ma eliminata solamente per evaporazione. Quest’ultima fase di preparazione del supporto di base, consiste nel portare il foglio a diretto contatto con la superficie di cilindri rotanti e riscaldati internamente con il vapore. Affinché il nastro possa aderire perfettamente ai cilindri, si usano feltri essiccatori o tele essiccatrici, per premerlo contro la loro superficie.
L’essiccazione della carta avviene in tre fasi.
La prima consiste nel portare la temperatura della carta fino al punto di evaporazione dell’acqua, a una temperatura compresa tra i 60 e 70°C, dopo di che la temperatura viene innalzata a oltre 100°C quanto più rapidamente possibile.
Nella seconda fase la temperatura dei cilindri raggiunge e supera i 120°C dove, a causa dell’equilibrio tra il calore fornito e quello sottratto per evaporazione, si ha una fase di temperatura costante con una stabile evaporazione dell’acqua fin quando è presente nella carta.
Nella terza fase, nella parte finale della seccheria, il valore di umidità della carta, scende al di sotto di quella soglia che consente la facile migrazione dell’acqua, verso la sua superficie.
A questo punto si rende necessaria una diminuzione della temperatura poiché l’acqua libera è ormai evaporata e quella residua altro non è che quella congiunta alle fibre, con legami chimici e meccanici sempre pi˙ forti. Inutile e dannoso sarebbe disidratare ulteriormente la carta, non solo per lo spreco energetico, ma per i contraccolpi negativi che la qualità della carta potrebbe subire.

La seccheria
La seccheria è un insieme di cilindri essiccatori suddivisi in gruppi detti “batterie” sostenuti da complesse infrastrutture e sofisticati annessi. È importante ricordare che durante l’asciugamento, il nastro di carta subisce una certa contrazione. Per ovviare a questo inconveniente è necessario suddividere i gruppi della seccheria in modo tale da porci nelle condizioni di poter controllare l’entità del restringimento e trovarne rimedio mediante piccole variazioni di velocità tra le sezioni stesse. La possibilità di controllare queste modificazioni dimensionali ci pone al riparo da possibili rotture o grinzature del nastro.
Durante l’asciugamento della carta, avvengono due processi fisici fondamentali: il primo è il trasferimento del calore, dato dal vapore saturo presente all’interno dei cilindri, alla carta e al feltro; il secondo è il trasferimento dell’acqua dall’interno del nastro al feltro e successivamente in ambiente esterno.
Nel primo processo, il calore che si determina, grazie alla condensazione del vapore saturo all’interno dei cilindri, si trasmette per conduzione al nastro di carta, per fornire l’energia necessaria per l’evaporazione dell’acqua ancora presente nel supporto.
La quantità di calore trasmesso per conduzione, potrà quindi essere tanto maggiore quanto più intimo e completo sarà il contatto tra la superficie del cilindro e quella della carta, favorito anche dai feltri essiccatori.
Nel secondo processo, per diffusione e ventilazione, s’intende invece il trasferimento del vapore dalla carta all’ambiente esterno; la ventilazione ha lo scopo di rimuovere il vapor d’acqua e scongiurare quindi la possibilità di saturare l’aria immediatamente vicina, con la conseguenza di non completare l’asciugamento della carta in modo ottimale.
Tutte le seccherie sono coperte e racchiuse in cappe che consentono di mantenere l’ambiente esterno piacevole per gli addetti e di ottenere un’efficace circolazione d’aria calda e di aspirazione del vapore che si forma. L’aria calda, insufflata a bassa pressione all’interno delle sacche tra i cilindri, consente di evitare la saturazione e la condensazione del vapore per il ricambio continuo dell’aria, e ne facilita l’evaporazione.
In questo testo abbiamo volutamente evitato di usare il termine essiccazione, ma di asciugamento della carta, poiché la carta non deve mai essere essiccata, portata cioè al secco assoluto, ma solamente fino a un limite di umidità quanto basta per ottenere una superficie non solo priva di ondulazioni ma anche ben adattabile sia ai trattamenti successivi che alle future condizioni di utilizzo.

Segue

21 Commenti on "La carta – La macchina continua"

  1. Nevinabianca 3 febbraio 2012 alle 14:46 · Rispondi

    Molto completa!! 🙂

  2. tony222 16 maggio 2012 alle 19:01 · Rispondi

    Fin troppo ehehehe,

    • agostino 27 giugno 2013 alle 13:40 · Rispondi

      grande tony cosi si fa

  3. agostino 27 giugno 2013 alle 13:39 · Rispondi

    io consiglio di mettere anche una definizione di macchina continua nn tutto il processo della carta!!

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