Causas de baja resistencia a la adhesión de pines Por el Ing. Fernando Solera

Causas de baja resistencia a la adhesión ACTUALIDAD de pines NEGOCIOS

Por el Ing. Fernando Solera Corrugados Alta Vista Costa Rica

UN SECTOR UNA VOZ

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COMPETITIVIDAD Art. Principal L a capacidad de adhesión del medium con el liner se ve perjudicada por dos razones. La primera es que pequeñas cantidades de adhesivo se pueden gelatinizar y se secan Caso de éxito antes de que el medium corrugado entre en contacto con el liner; esto ocasiona una adhesión quebradiza.

La otra causa es que la cantidad de adhesivo no es suficiente para rellenar las cavidades en la superficie de los papeles ásperos.

Antes de estudiar los factores que perjudican la adhesión, debemos comprender cómo se desarrolla el mecanismo de pegado, el cual es un proceso que consta de varios eventos, cuyo orden es el siguiente: a. Aplicación de adhesivo: es la transferencia del adhesivo al sustrato por medio del rodillo aplicador.

b. Preadhesión: consiste en humectar la superficie del papel con el agua presente en el adhesivo y con la soda cáustica, para abrir los poros del papel, y obtener la penetración del adhesivo.

c. Adsorción: el almidón se adsorbe entre las cavidades del papel.

d. Gelatinización: el almidón crudo o nativo comienza a gelatinizarse ocasionando un aumento en la viscosidad del adhesivo, formando la pega inicial o “green bond”. e. Secado del adhesivo: empleando el calor de la máquina se evapora el agua presente.

Esta secuencia de pegado ocurre en dos ocasiones, cuando se aplica el adhesivo en la cresta de la flauta, y luego con el liner al cual se une.

1. FACTORES QUE AFECTAN LA ADHESIVIDAD

Los siguientes factores afectan la capacidad de adhesión entre el medium y el liner:

a. características del papel; b. calor; c. características del adhesivo; d. condiciones del proceso.

1.1 Características del papel La mayoría de las características de los papeles están interrelacionadas. En el siguiente diagrama se aprecia la relación entre la aspereza, la porosidad, el contenido de humedad y la relación de algunos coeficientes.

Características que influyen en la resistencia del pegado

1.1.1 Gramaje A mayor gramaje, la aplicación de adhesivo debe incrementarse; esta aplicación debe ser controlada, y una de las técnicas que se utiliza es la prueba de yodo. Como regla empírica, 1 g/m² de adhesivo aplicado es igual a un espesor de película de 25μm.

La prueba de yodo determina el grosor de la línea de goma y la continuidad de la misma. Va de la mano con la prueba de adhesión de pines, que viene a ser la prueba final para determinar la resistencia de la unión.

Mediante el uso de una plantilla, es posible medir el grosor de la línea. Con rangos de 60 mils plg a 70 mils plg para cartón normal, y de 70 mils plg a 80 mils plg para cartón agrícola. Debe vigilarse la aplicación, ya que la cantidad de adhesivo demandado difiere entre papeles de fibra primaria y papeles de fibra secundaria. Los papeles de fibra secundaria poseen menor adhesión entre sus fibras, tanto en el liner como en la onda; esto produce una adhesión más débil y se requerirá más aplicación de adhesivo.

Aspereza (Bendtsen)

Aplicación de adhesivo (g/m 2 ) Porosidad (Bendtsen)

Densidad aparente del papel

Tiempo de humedecimiento

Coeficiente de absorción Contenido de humedad

Evaporación

Temperatura del papel (90-100 C) 0

Resistencia de adhesión del pin

Por otro lado, existen papeles liner de alto desempeño, llamados también papeles de alto ring crush (HPL). El HPL es una categoría de liner que tiene un valor de ring crush al menos igual a 2 libras por cada libra de peso base. Estos papeles poseen mejor adhesión entre las fibras, mejoran la resistencia vertical del papel y por ende también mejoran el ECT.

Por su alta densidad, estos papeles absorben más rápidamente el calor, y es aquí donde el control adecuado de la viscosidad del adhesivo cobra mucha importancia para la penetración y adhesión de estos papeles de alto desempeño. Un adhesivo de baja viscosidad tiende a humedecer el papel o a ser absorbido por este más rápidamente que un adhesivo de mayor viscosidad. Baja viscosidad y un HPL caliente producen un cartón que se torna quebradizo después de ser curado. Una viscosidad adecuada en máquina va de 35 segundos S.H. a 45 segundos S.H. 1.1.2 Aspereza La cantidad mínima de adhesivo requerida para lograr una buena resistencia de adhesión del pin se ve afectada por las cavidades que debe llenarse en las superficies del medium y del liner. Esta cantidad se puede señalar por medio del coeficiente de aspereza, el cual se determina por la prueba de absorción de corto periodo.

La siguiente fórmula determina la cantidad mínima de adhesivo: Mmin= Ck 4Ak (KrM + Kr,L),

donde, Mmin = cantidad mínima requerida de adhesivo; Ck = contenido de sólidos del adhesivo; B= densidad del adhesivo; Ak = cociente del área de la línea de adhesivo al área del liner; KrM = coeficiente de aspereza del médium, mL/m²; Kr,L = coeficiente de aspereza del liner, mL/m².

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El valor Ak puede encontrarse por medio de la siguiente fórmula:

Ak = ng b/len donde: ng = número de líneas de adhesivo por metro corrugado (para flauta C,es 128); len= longitud de prueba; b= ancho de la línea de adhesivo.

1.1.3 Porosidad La porosidad del papel se define como la razón entre el volumen de los poros y el volumen total de la hoja. El término de porosidad frecuentemente es confundido con el término de permeabilidad al aire, lo cual es incorrecto.

Por lo general, en el laboratorio no se mide la porosidad, pero si la permeabilidad al aire. Para ello se mide la resistencia al paso del aire a través de un papel con dimensiones dadas y bajo ciertas condiciones de patrón de presión, temperatura y humedad relativa; y se expresa como el tiempo necesario para que 100 ml de aire atraviesen al papel.

Papeles altamente porosos ocasionan mayor consumo de adhesivo y de tinta en los procesos de impresión; además, las propiedades de resistencia a la tensión, Mullen y doble plegado, son menores que en los papeles de menor porosidad, causando así una menor resistencia de adhesión. Altos resultados en la prueba de Cobb nos dan una idea un poco indirecta de la porosidad del papel. 1.1.4 Contenido de humedad del papel El contenido de humedad es fundamental para determinar la temperatura de la superficie del papel. Hay que considerar que el calentamiento del papel es un proceso que involucra los efectos de evaporación, condensación y secado.

A mayor contenido de humedad del papel, la resistencia a la adhesión de los pines es menor. Un exceso de humedad impide el calentamiento, mientras que lo contrario produce sobrecalentamiento.

Pruebas desarrolladas en el Instituto para la Fabricación del Papel, en Alemania, mostraron que un papel calentado sobre un precalentador a 170° C, provoca una disminución lineal del contenido de humedad en 2.5%. En este rango lineal, la temperatura de la superficie del papel no puede sobrepasar un límite que es claramente inferior a la temperatura del precalentador.

El contenido de humedad óptimo debe estar entre 6% y 7%. 1.1.5 Absorción de agua La absorción de agua puede realizarse por dos mecanismos diferentes:

a.índice de deshidratación del adhesivo; b. índice de absorción. El siguiente gráfico muestra el coeficiente de absorción de agua:

La absorción de agua ejerce un efecto negativo en la adhesión, porque altera el proceso de gelatinización, que requiere agua y calor. La resistencia de adhesión interna del papel afecta la correlación entre las características del papel y la resistencia de adhesión de pin.

Se obtiene una menor resistencia de adhesión de pin cuando los coeficientes de absorción son más elevados. Esta tendencia es más evidente en el medium porque se ha pegado con el liner, que es menos absorbente.

Existen dos pruebas rápidas para medir el nivel de absorción en los papeles. En el papel liner se utiliza la prueba de Cobb, mientras que en el medium puede usarse la prueba de la gota. Siempre debe implementarse ambas pruebas, ya que nos

Resistencia de adhesión del pin, N/ m 1000

800

600

400

200 0

Médium

Liner

25 50 75 100

125 Coeficiente de absorción, mL/m 2 150 175

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previenen sobre la cantidad de adhesivo que debe ser aplicada ante un papel absorbente o poco absorbente.

En la prueba de la gota para papel medium, se deja caer una gota desde una altura aproximada de una pulgada y se mide el tiempo que dura la gota en ser absorbida sobre la superficie del papel. En cada prueba se deja caer al menos cinco gotas en diferentes posiciones del papel y se calcula el tiempo promedio. Papeles absorbentes tienen valores de gota entre 20 segundos y 40 segundos, pero también existen papeles medium semiencolados, cuyo valor de gota puede llegar a 400 segundos o más. En la prueba de Cobb, se coloca una muestra de papel, previamente pesada, sobre un dispositivo sujetador; se adicionan 100 ml de agua y se mide el tiempo. Este tiempo puede variar dependiendo de lo que se quiera medir y oscila entre de 2,5 minutos y 30 minutos.

Al finalizar el tiempo, se elimina el agua y se seca el exceso de humedad con un papel secante; se vuelve a pesar, y la diferencia de peso multiplicada por cien, es el número de Cobb. Se sugiere utilizar una balanza con precisión de 0,01 gramos.

Valores de Cobb adecuados deben oscilar entre 35 y 55 en la cara top del papel, y entre 50 y 70 en la cara back o lado malla.

1.2 Calor El calor es fundamental en el proceso de corrugado, ya que favorece la gelatinización; por ello se sugiere actuar de manera preventiva en el control de temperatura.

Se suele utilizar sensores de presión en la máquina corrugadora, con el fin de prevenir que caídas de presión ocasionen una pérdida de temperatura en la máquina y se afecte la adhesión entre los papeles. El sensor se ajusta a la presión mínima de trabajo, y acciona una alarma al llegar a ese nivel de presión, lo cual le permite al operador detener la máquina o bien disminuir la velocidad.

Cuando se aplica el adhesivo, el calor provoca que los gránulos de almidón crudo en la solución se conviertan en gelatina, y que la viscosidad de la pasta aumente drásticamente. Esta propiedad única del almidón es responsable del desarrollo de la fuerza inicial de adhesión.

El calentamiento del papel es un proceso complejo, la temperatura de operación depende de la presión de vapor disponible.

La temperatura de vapor teórica es como se expresa en las siguientes tablas:

Presión de Vapor (psi) 125 150 175 200

Temperatura del Vapor ( F) 0 345 358 371 382

La siguiente es la gama de temperaturas de operación preferidas para superficies de rodillos calentados:

Rodillo Rodillos de corrugación Rodillo de presión Rodillo precalentador Rodillo preacondicionador

Temperatura, ( F) 0

320 - 340 335 - 360 350 - 360 245 - 255

Durante la operatividad de la máquina, es importante controlar la temperatura en la superficie del papel; en operaciones de alta velocidad, la superficie debe estar caliente y húmeda al ir aplicándose el pegamento.

En liners de peso más ligero, por ejemplo hasta 155 g/m², generalmente la humedad debe dirigirse por todo el papel hasta el lado del adhesivo. En liners más pesados o HPL, el paso de la humedad a través del papel no es tan rápido, causando que la humedad permanece en el lado caliente. Por lo tanto, estos papeles deben enrollarse en el precalentador, quedando el lado del pegamento en contacto con el cilindro.

La explicación de esto es que la temperatura de la superficie del medium ejerce una influencia más fuerte en la gelatinización del adhesivo que la temperatura del liner, porque el medium tiene el primer contacto con el adhesivo. El medium tiene que gelatinizar una pequeña porción del adhesivo, sin secarlo, antes de unirse con el liner para que se efectúe la adhesión húmeda. Se recomienda una temperatura de superficie del medium de 100° C medida justamente antes de aplicar el adhesivo.

1.3 Características del adhesivo El adhesivo posee tres características que deben ser medidas de forma regular, tanto durante la preparación como durante el proceso de corrugado:

a. temperatura; b. viscosidad: c. punto de gelatinización.

La temperatura va de la mano con la viscosidad; a mayor temperatura, la viscosidad disminuye, por lo que debe establecerse un patrón de relación entre ambas variables.

Un adhesivo a baja viscosidad produce una unión débil y quebradiza.

La viscosidad del adhesivo también puede caerse por otros factores que no sean de temperatura; estos factores son: exceso de agua, mayor esfuerzo cortante por exceso de velocidad en la agitación, bombeo, bacterias y por el almidón carrier.

El punto de gelatinización se ve afectado por la cantidad de soda cáustica; a mayor cantidad, disminuye el punto de gel, lo cual favorece la productividad de la máquina, logrando además una mejor transferencia de calor. En papeles encolados o resistentes a la humedad, la penetración del adhesivo es menor; la soda cáustica rompe esta barrera mejorando las características de la unión.

El efecto de los sólidos presentes en el adhesivo también juega un importante papel en la resistencia a

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la adhesión de pines; es un efecto de costo de oportunidad: un alto porcentaje de sólidos genera un mayor costo, pero el beneficio es mayor; al tener menor cantidad de agua se minimiza la adición de humedad al cartón, ya que menos agua debe evaporarse; así mismo se mejora la resistencia green bond, aumenta la resistencia al pin y se puede operar la máquina a mayor velocidad. Algunas recomendaciones para la aplicación de adhesivo son las siguientes: a.Es preferible utilizar gomas frescas, ya que la temperatura de gelatinización se eleva lentamente a medida que la goma envejece, y por lo tanto debe disminuirse la velocidad del pegamento. Si queda adhesivo un fin de semana, debe medirse el punto de gel antes de utilizarlo, y si este es mayor a 65° C se debe vigilar el pegado del papel, o bien disminuir la velocidad de la máquina. b.Si la viscosidad del adhesivo quedó muy alta al finalizar la preparación, no adicione agua, ya que el contenido de sólidos y el punto de gel son más importantes que la viscosidad. Dé más tiempo de agitación en el tanque para disminuir la viscosidad.

c.Mantenga un buen flujo de adhesivo en las bandejas, esto

evita gomas “frías” en el proceso. d.Utilice filtros adecuado para prevenir que restos de papel y grumos gelatinizados lleguen a las líneas de retorno de la goma, ya que se adhieren al rodillo corrugador y esto puede provocar líneas secas.

1.4 Condiciones del proceso Se evalúa diferentes condiciones que influyen en la resistencia a la adhesión del pin; ellas son las siguientes:

CAUSA

Exceso de Agua ORIGEN

1. El agua de lavado en la unidad corrugadora o doble engomador se mezcla con el adhesivo. 2. La chaqueta de enfriamiento tiene una fuga de agua hacia la bandeja de adhesivo. 3. Exceso de condensado en la carga del pegamento. Primero deben purgarse las líneas de vapor antes de preparar el adhesivo.

Alto esfuerzo cortante

1. Los agitadores en el tanque de almacenamiento se dejan funcionando por largos periodos. 2. Las bombas de agitación y retorno con altas revoluciones.

Bacterias

44 Almidón carrier

1. Por su condición orgánica, el almidón cocido es un medio ideal para el desarrollo de bacterias, las que degradan el almidón en azúcares. Esto se puede prevenir con un programa de limpieza usando fosfato trisódico y luego con hipoclorito de sodio, o bien adicionando preservativos cuando el adhesivo permanece por periodos prolongados o un fin de semana.

1. El almidón carrier es la porción cocida del adhesivo y es el principal factor que contribuye a la viscosidad. Entre las causas de pérdida de viscosidad están: exceso de agitación, temperatura excesiva durante el proceso de cocimiento o bien, una cantidad mal pesada del mismo. 1.4.1 Preacondiciona- miento del medium El preacondicionamiento del medium debe darse en dos etapas: primero, aplicar calor con el preacondicionador a fin de abrir los poros del papel y mejorar su recepción del adhesivo, y luego aplicar vapor para suavizar el papel medium y tener una mejor formación de flautas.

1.4.2 Dedos del rodillo de adhesivo Los dedos de limpieza de la ranura del rodillo engomador deben ser ajustados; en caso contrario, la unión en sus líneas será débil. Los dedos desgastados deberán ser sustituidos de inmediato.

1.4.3 Rodillos corrugadores La temperatura de la superficie de corrugación debe estar entre 320° F y 340° F durante la operación; esta temperatura debe ser medida regularmente.

El rodillo de presión debe contar con la presión ascendente correcta para reaccionar ante la presión descendente del rodillo corrugador.

El resultado final debe garantizar que exista una presión lineal del pin uniforme a todo lo largo entre los dos rodillos corrugadores, y que esto suceda entre el rodillo de corrugación inferior y el rodillo de presión.

El paralelismo en los rodillos corrugadores debe evaluarse a fin de evitar fracturas o cortes sobre los lados de las estrías, corrugaciones

inclinadas, desgaste anormal del rodillo y el efecto de presión inútil. Se recomienda efectuar la medida de paralelismo durante la instalación y al menos una vez al mes. Una forma de hacer las mediciones es con papel NCR, en cada extremo y al centro del rodillo. Las indicaciones del papel deben ser iguales en espesor y localización.

La medición de la redondez, o TIR, debe evaluarse al menos cada 6 meses, ya que esto actúa contra problemas de vibración y formación de altos y bajos, que son causa de baja resistencia a la adhesión de pines. La medición debe realizarse al momento de instalar y al menos dos veces al año. Si los rodillos se levantan más de 0.015 plg, los rodamientos deben ser cambiados.

1.4.4 Rodillos precalentadores El nivel de arropado del liner debe ser controlado para evitar un sobrecalentamiento, principalmente en los liners livianos, debido a que puede causar adhesiones débiles y cristalización del adhesivo.

Se debe medir la temperatura del papel a la salida del precalentador, y mantenerse entre estándares fijos. Si la máquina permanece detenida por un tiempo relevante, se aconseja desenrollar el papel, pues la temperatura en esa zona causará problemas de pegado. 1.4.5 Glue machine La aplicación excesiva de adhesivo sobre las crestas de las flautas adiciona agua, provocando curvatura en el cartón. La abertura entre el rodillo aplicador y el rodillo doctor debe monitorearse regularmente, a fin de asegurar el paralelismo entre ellos.

1.4.6 Planchas calientes Las planchas deben estar niveladas, ya que un desnivel en alguna de ellas, aunque sea ligero, disminuirá la rapidez de la adhesión. Los rodillos de peso faltantes reducirán la transferencia de calor.

2. PRUEBA DE RESISTENCIA A LA ADHESIÓN DEL PIN

Con esta prueba podemos determinar fallas originadas por las siguientes causas:

a. altos y bajos; b. continuidad de la línea de goma; c. adhesivo cristalizado por exceso de calor aplicado (por arropado o tiempo elevado de permanencia del cartón en la mesa de secado); d. poca aplicación de adhesivo; e. adhesivo no gelatinizado provocando una pega falsa; f. delaminación de los papeles. Esta prueba determina la fuerza necesaria para separar las capas de papel.

Para flauta C, se corta una muestra de 6x2 plg y se inserta un juego de pines entre las flautas; para flauta B, la muestra debe ser de 4 x ¼ plg. La estructura formada es sometida a una fuerza de aplastamiento hasta que los pines se separan. La fuerza aplicada mide la resistencia de la unión entre los papeles liner y medium. Los valores mínimos de aceptación serían 50 lbf/ft en flauta C y 60 lbf/ft en flauta B.

Espero que la información suministrada haya sido de gran ayuda para considerar las principales causas que generan una pobre adhesión en los papeles, así como también las acciones a seguir para mejorar la resistencia a la prueba de pines.

FUENTES CONSULTADAS

– Seminario de adhesivos para corrugado,

Aranal. – Seminario de operaciones de una planta cartonera, Robert Schmitt. – Revista Mari, setiembre-octubre 1992. – Revista Mari, enero-febrero 2002. – Daub, Hoke y Gottsching, Estudios de adhesión del médium con el liner corrugado,

Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania. – Henley y Rosen. Cálculo de balances de materia y energía.