La Pasta di Fibra di Legno per la Produzione della Carta: Un Percorso Dettagliato

La carta è un materiale artificiale onnipresente nella nostra vita quotidiana, con una storia lunga secoli. Sebbene oggi sia spesso data per scontata, la sua produzione è un processo complesso che ha subito un'evoluzione significativa nel tempo.

Breve Storia della Carta

La produzione della carta ha una storia lunga secoli e si compone di diverse fasi. I primi a produrla furono i cinesi attorno all’anno 100 a.C, ma tennero a lungo ben nascosti i segreti sulle diverse fasi di lavorazione. Bisogna infatti aspettare molto tempo prima di trovare i primi esempi di produzione di carta nel mondo occidentale. In Europa furono gli Arabi ad introdurla nel XI secolo. La prima cartiera in territorio italiano risale al XII secolo ad opera della leggendaria figura di Polese da Fabriano, che costruì il primo opificio sul corso del fiume Reno nei pressi della città di Bologna. Da quel momento le cartiere si diffusero in tutta Europa fino ad arrivare ai metodi industriali più evoluti di fine ‘800.

Le Caratteristiche della Carta

Le diverse tipologie di carta presentano una varietà di caratteristiche che ne determinano l'uso e la qualità. Tra le principali troviamo:

• Grammatura: ossia il peso di 1m² di carta, che ci dà informazioni sullo spessore del foglio.
• Porosità: la presenza di vuoti all'interno della struttura della carta.
• Impermeabilità.
• Compattezza: è una caratteristica della carta poco porosa.
• Superficie: può essere lucida, opaca, liscia, ruvida, adesiva, abrasiva.
• Colore.
• Morbidezza.
• Resistenza a trazione.
• Resistenza a torsione.
• Resistenza a flessione (flessibilità).
• Attitudine alla stampa (stampabilità).
• Attitudine alla piega (piegabilità).

Le Materie Prime della Carta

La principale materia prima della carta è il LEGNO (fibre di cellulosa). Tuttavia, esistono anche procedure, meno usate perché più costose, in cui la carta viene fatta derivare da fibre diverse dal legno, come cotone, lino, canapa. Quando nell'impasto vengono inseriti cotone, canapa e lino ridotti in poltiglia, si parla di PASTA DI STRACCI. Oltre alle fibre, la carta richiede l'aggiunta di sostanze ausiliarie:

• Le SOSTANZE DI CARICA: elementi chimici che riempiono gli spazi vuoti presenti tra le fibre di cellulosa.
• I COLLANTI (colla, resine, caolino): che conferiscono alla carta la sua impermeabilità e quindi scrivibilità.
• I COLORANTI: eventualmente aggiunti per realizzare fogli colorati.
• L'ACQUA: che serve ad impastare e legare insieme tutti i componenti.

La Produzione della Pasta di Legno

La produzione della carta oggi deriva principalmente dalla pasta di legno. Le paste più utilizzate per la produzione della carta sono quelle ricavate dal legno degli alberi. Per ottenere la pasta di legno si parte dallo scortecciamento e dal taglio di tronchi “teneri”, principalmente di abete o pioppo. Il legno viene poi ridotto in schegge per permettere l’estrazione delle fibre (sfibratura). Esistono diversi procedimenti produttivi per la produzione della pasta, che influenzano direttamente le caratteristiche e la qualità del prodotto finale.

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Pasta Meccanica (o Pastalegno)

Nella PASTA MECCANICA, o PASTALEGNO, i tronchi di legno vengono sfibrati mediante mole cilindriche. Si ottiene una carta di bassa qualità ma economica. Le paste meccaniche sono ottenute a freddo, con il solo procedimento meccanico. I tronchetti di legno vengono sfibrati grazie a una mola (cioè un grande cilindro abrasivo) e raffinati. La polpatura meccanica garantisce un’altissima resa in pasta di legno: si ottengono circa 95 kg di pasta ogni 100 kg di legno impiegato, cioè una resa del 95%. La polpa di legno macinata si ottiene mediante il processo di abrasione del legno sulla pietra a pressione atmosferica. Il legno (precedentemente scortecciato) viene ridotto in polpa utilizzando la pietra e poi lavato con acqua. La massa preparata viene essiccata in idrocicloni, da dove viene trasportata al compattatore. Nella fase successiva, la massa di legno densa viene trasportata alla vasca e l’acqua circolante (filtrato) viene riciclata alla cartiera. Durante la produzione di pasta di legno dal legno lavorato, vengono rilasciate sostanze resinose che si agglomerano facilmente e creano sedimenti sul macinatore o sulle pareti interne delle tubazioni. Spesso causano l’incrostazione della superficie della pietra, peggiorandone le proprietà abrasive. Per rimuovere questi cosiddetti "problemi di resina" vengono utilizzati vari agenti chimici. I prodotti delle serie ROKAcet e ROKAfenol sono eccellenti disperdenti dedicati all’industria della cellulosa e della carta. Oltre alle loro capacità disperdenti, questi prodotti possono agire come agenti detergenti, emulsionanti e antielettrostatici.

Pasta Termomeccanica (TMP) e Chemitemomeccanica (CTMP)

Il miglioramento del metodo SGW è la polpatura termomeccanica (TMP). Nel processo TMP, i trucioli di legno vengono inizialmente lavati per rimuovere sabbia, pietre e altre impurità dure, quindi riscaldati con vapore ad alta pressione e ulteriormente ridotti in poltiglia in un mulino a dischi. Nelle paste termomeccaniche i chips di legno vengono trattati a temperature inferiori ai 100°C: per questo motivo la lignina viene solo parzialmente ammorbidita, e non eliminata del tutto. Nella fase successiva, la massa viene trasportata alla vasca, dove avviene il raddrizzamento e l’eliminazione della deformazione delle fibre. Infine, viene convogliata al serbatoio di stoccaggio. Per ridurre la quantità di resine nocive formate nel processo TMP, vengono utilizzate sostanze chimiche simili a quelle del processo SGW.

Il processo CTMP combina il processo TMP con l’impregnazione chimica dei trucioli. Nella prima fase, i trucioli vengono lavati e setacciati, quindi impregnati. A seconda del tipo di legno, vengono utilizzate soluzioni chimiche appropriate. Il solfato di sodio viene solitamente utilizzato per il legno tenero, mentre i perossidi alcalini vengono solitamente selezionati per il legno duro. Una volta completato il processo di impregnazione, i trucioli vengono riscaldati e miscelati con acqua, che allenta i legami della lignina e rilascia le fibre. Il processo CTMP consente di ottenere una pasta pulita con sufficiente resistenza e proprietà ottiche appropriate.

Pasta Chimica (o Cellulosa)

La PASTA CHIMICA, o CELLULOSA, è un tipo di pasta composta da trucioli di legno che vengono cotti con sostanze chimiche per sciogliere la lignina, una sostanza che lega insieme le fibre di cellulosa. I processi di cellulosa chimica consistono principalmente nell’uso di vari reagenti chimici e calore per ammorbidire la lignina. Di conseguenza, questa viene disciolta e poi raffinata meccanicamente per separare le fibre. Nel procedimento chimico, i pezzetti di legno, detti chips, vengono bolliti o disgregati con vapore ad alta temperatura. Qui avviene l’isolamento della cellulosa grezza per effetto della temperatura e della pressione elevata durante la fase di cottura in una soluzione liquida chiamata liscivio. La cellulosa viene poi filtrata per liberarla dalle impurità. Viene separata la lignina, incrostante, e si ottiene un prodotto di alta qualità.

Esistono due processi principali per la produzione di pasta chimica:

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• Processo Kraft (o al solfato): È la tecnologia dominante, circa l’80% della produzione mondiale di polpa viene lavorata con questo metodo. Le fibre lavorate al solfato hanno una maggiore durabilità rispetto a quelle ottenute con altre tecnologie disponibili. Il processo kraft consiste nel combinare trucioli di legno con liscivia bianca (una soluzione acquosa di idrossido di sodio e solfuro di sodio). In condizioni di pressione e temperatura elevate, questa soluzione dissolve la lignina, rilasciando fibre cellulosiche. Dopo aver completato la reazione di digestione, si ottiene un liscivia nera e una polpa di cellulosa. La liscivia contiene sostanze organiche disciolte che vengono recuperate e possono essere riutilizzate nel processo chimico. La lignina viene rimossa dalla massa durante il processo di delignificazione con ossigeno (in presenza di ossigeno e idrossido di sodio). La pasta di legno chimica viene utilizzata principalmente per la produzione di carta di alta qualità, come carta da stampa e da scrittura, carta velina e cartone. Presenta numerosi vantaggi rispetto alla pasta di legno meccanica, come maggiore resistenza, brillantezza e durata.
• Processo al solfito: Consiste nell’utilizzare una soluzione acquosa di anidride solforosa in presenza di alcali (ad esempio calcio, magnesio, sodio e ammoniina). I prodotti ottenuti con questo processo sono più leggeri e facili da sbiancare, tuttavia hanno una resistenza molto inferiore rispetto alla polpa al solfato, più frequentemente utilizzata. Il processo al solfito richiede anche un’attenta selezione della materia prima legnosa: questo metodo è intollerante, ad esempio, al legno di pino. Rispetto alla polpa kraft, è più efficiente, produce meno gas sgradevoli e consente inoltre di ottenere una polpa molto leggera, facilmente lisciviabile.

Pasta Semichimica

La PASTA SEMICHIMICA è simile alla pasta chimica ma con una qualità inferiore poiché la lignina non viene separata totalmente in quanto la cottura è solo parziale.

Pasta da Macero (o di Cartaccia)

La PASTA DA MACERO, o PASTA DI CARTACCIA, deriva dall'utilizzo di carta riciclata (domestica e/o industriale). Tale carta viene macerata, disinchiostrata, ridotta in poltiglia e sbiancata. La fase successiva della lavorazione della pasta è la deinchiostrazione combinata con la rimozione meccanica delle impurità. Nella produzione della carta, il parametro più importante è il colore (il grado di bianco, nel caso della carta da stampa). Per questo motivo, la carta riciclata deve essere accuratamente pulita dall’inchiostro da stampa. La condizione fondamentale per la sua rimozione è il distacco delle particelle di colore dalle fibre e il loro mantenimento in uno stato di dispersione. Le particelle di inchiostro finemente suddivise vengono quindi separate dalla sospensione di fibre. Questo avviene solitamente sulla base delle differenze nelle proprietà fisiche dei materiali, come il peso specifico delle sostanze indesiderate rispetto alle fibre e all’acqua.

Tabella Comparativa dei Tipi di Pasta

Tipo di Pasta	Materia Prima Principale	Processo	Qualità	Resa (circa)	Utilizzo Principale
Meccanica	Tronchi di legno	Sfibratura meccanica a freddo (mola)	Bassa	95%	Carta economica (es. giornali)
Termomeccanica (TMP)	Trucioli di legno	Vapore ad alta pressione, sfibratura meccanica	Media	95%	Giornali, riviste
Chemitemomeccanica (CTMP)	Trucioli di legno	Impregnazione chimica, vapore, sfibratura	Buona	Variabile	Fogli per scrittura, cartone
Chimica (Kraft)	Trucioli di legno	Bollitura con liscivia bianca	Alta	40-50%	Carta da stampa, scrittura, cartone robusto
Chimica (Solfito)	Trucioli di legno	Bollitura con soluzione di anidride solforosa	Media-Alta	40-50%	Carta più leggera, facile da sbiancare
Semichimica	Trucioli di legno	Cottura parziale e sfibratura meccanica	Inferiore alla chimica	60-80%	Cartone ondulato
Da Macero	Carta riciclata	Macerazione, disinchiostrazione, sbiancamento	Variabile	Variabile	Carta riciclata, cartone
Di Stracci	Cotone, canapa, lino	Riduzione in poltiglia	Molto alta	Variabile	Carte speciali di pregio, banconote

Lavorazione della Pasta e Sbiancamento

Una volta ottenuta la pasta di legno, il composto deve subire un processo di sbiancamento (o imbianchimento). Allo stato grezzo infatti, tutte le paste per la produzione della carta hanno un colore molto scuro dovuto alla lignina. In questo processo si usano diversi trattamenti chimici e lo sbiancamento può avvenire secondo due tecniche, in base alla resistenza meccanica che si vuole ottenere. La presenza della lignina infatti, oltre a conferire la colorazione bruna alla pasta di legno, è la componente che dona maggiore resa alla carta.

Un processo aggiuntivo frequente è lo sbiancamento, utilizzato in prodotti che richiedono elevata purezza e in cui l’ingiallimento non è auspicabile (ad esempio, carta per scrittura e stampa). L’ipoclorito di sodio è una sostanza molto diffusa per lo sbiancamento. Può essere utilizzato anche per la produzione di carbossimetilcellulosa (CMC) dalla segatura. In questo processo vengono utilizzate anche soluzioni di idrossido di sodio e acido cloroacetico (MCAA). Lo sbiancamento prevede l’uso di sostanze chimiche appropriate, aggiunte direttamente al disperdente per aumentare il grado di bianco della massa. Il tipo di fibre utilizzate e le proprietà finali desiderate del prodotto influenzano notevolmente il grado di sbiancamento della polpa. Le masse contenenti materiali ad alta densità sono difficili da sbiancare e richiedono dosi elevate di sostanze chimiche.

Le acque reflue provenienti dagli impianti di sbiancamento prima del riciclo richiedono una serie di agenti chimici che mirano a ridurne la formazione di schiuma, la corrosività o la capacità di formare incrostazioni. I prodotti del Gruppo PCC, come ROKAmers, sono perfetti per l’uso in processi in cui si verifica la formazione di schiuma nelle acque reflue e tecnologiche. I prodotti ROKAmer sono copolimeri a blocchi di ossido di etilene e propilene.

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La Produzione della Carta nella Macchina Continua

Dopo i processi di dissoluzione, flottazione e sbiancamento, la polpa di cellulosa finita viene trasformata in pasta di carta, che viene poi utilizzata per la produzione di carta. La fabbricazione della carta umida utilizza l'acqua come mezzo ed è la più ampiamente utilizzata. Si tratta dell'uso di un'azione meccanica per trattare le fibre di pasta di legno sospese in acqua, in modo da adattarle alla produzione di carta sulla macchina continua e far sì che la produzione di carta raggiunga la qualità desiderata del processo operativo. Le paste ottenute per via meccanica subiscono poi un’ulteriore lavorazione meccanica che prende il nome di raffinazione. La polpazione può aumentare la superficie delle fibre di polpa di legno, migliorando così la combinazione e l'intreccio tra le fibre di polpa di legno, migliorando la resistenza e l'uniformità della carta.

Il processo si svolge come segue:

1. Ottenuta la pasta, questa passa nel raffinatore che sminuzza ulteriormente l'impasto.
2. Vengono aggiunte le sostanze di carica, la colla, l'acqua ed eventuali coloranti.
3. Il tutto confluisce nel serbatoio per miscelare tutti i componenti e per poi convogliarli nella cassa di afflusso, primo elemento della macchina continua.
4. Dalla cassa di afflusso, l'impasto viene fatto calare su un nastro trasportatore a rete metallica, attraverso cui si perde quasi totalmente il contenuto di acqua.
5. Viene in seguito pressato e inviato all'interno di cilindri riscaldati che lo asciugano completamente.
6. Una calandra, formata da una serie di rulli opportunamente distanziati, conferisce una superficie liscia al foglio che viene infine avvolto intorno ad una bobina.
7. La bobina costituisce il prodotto semilavorato poiché necessita di ulteriori tagli per ottenere il prodotto finito, i fogli dalle dimensioni volute da spedire ai vari punti vendita.

Additivi Funzionali e Incollaggio

Nel processo di produzione della carta dalla polpa di legno, è necessario utilizzare una varietà di additivi funzionali, come ad esempio coadiuvanti di ritenzione della carta e di filtrazione, agenti essiccanti e rinforzanti della carta e agenti bagnanti e rinforzanti della carta.

• Gli additivi per la ritenzione della carta possono aumentare il tasso di ritenzione della polpa, ma anche migliorare la filtrazione dell'acqua, aumentando così la produzione di carta, riducendo il consumo di energia e riducendo i costi.
• L'agente di resistenza a secco della carta può migliorare significativamente la resistenza a secco dei prodotti di carta. Gli agenti di resistenza a secco comunemente usati sono amido modificato, carbossimetilcellulosa e così via.
• Il ruolo dell'agente di resistenza all'umidità della carta è nell'interfaccia delle fibre attraverso la formazione di una struttura di rete di reticolazione per limitare l'attività tra le fibre per ridurre il rigonfiamento delle fibre al fine di migliorare la resistenza all'umidità della carta.

Incollaggio (Dimensionamento)

L'incollaggio si tratta dell'uso di agenti collanti per realizzare la carta e ottenere le proprietà idrorepellenti del processo. La calibrazione si divide in due categorie:

• Dimensionamento Interno: Durante la fase di polpaggio o di produzione in lotti, l'agente collante verrà miscelato alla polpa di legno, in modo da far sì che le fibre della polpa di legno assorbano la colla, per poi trasformarla in carta. Gli agenti di collaggio interni tradizionali sono la colofonia saponificata e i suoi derivati.
• Collatura Superficiale: è l'applicazione di uno strato uniforme e sottile di adesivo su un foglio di carta essiccato.

Controllo della Schiuma e altri Agenti

Anche l’utilizzo di antischiuma in ogni fase della produzione della carta è fondamentale. Le sostanze antischiuma vengono utilizzate nel processo di fabbricazione di tutti i tipi di prodotti cartacei. La schiuma si crea miscelando gas con polpa di cellulosa e viene trattenuta in essa grazie alla presenza di tensioattivi. I prodotti offerti dal Gruppo PCC possono essere utilizzati con successo per la rimozione della schiuma prodotta nelle fasi successive della produzione della carta. Tra questi, i copolimeri a blocchi EO/PO (ROKAmer) e una serie di alcoli grassi alcossilati (ROKAnol LP). I ROKAfenols sono perfetti per i processi di emulsione e rimozione delle macchie di pasta di carta e cellulosa. Il Gruppo PCC offre inoltre la serie di prodotti ROKAcet, in grado di svolgere funzioni di emulsionanti e detergenti.

Finitura e Tipologie di Carta

A seconda della destinazione d’uso, la carta grezza viene trattata in superficie con diversi additivi per conferirle le caratteristiche desiderate. Questi additivi sono solitamente agenti patinanti che servono per rendere la carta adatta a scriverci sopra o ad assorbire l’inchiostro della stampa. Un altro obiettivo di questi trattamenti può essere quello di dare una finitura più liscia. Una volta trattati, tutti i fogli prodotti vengono ulteriormente essiccati attraverso calandre riscaldate che hanno anche una funzione lisciante. Adesso la carta è pronta per essere arrotolata su un’anima che funge da supporto. Nella fase finale, la massa viene trasformata in un prodotto cartaceo utilizzando macchinari speciali. Al termine del processo, la carta viene arrotolata per proteggerla da danni e sporco. Il laminato in carta PE è il più comunemente utilizzato per l’imballaggio della carta. Questo tipo di imballaggio offre un’ottima protezione contro danni meccanici, polvere e umidità.

I prodotti cartari sono tanti e differiscono per qualità, aspetto, resistenza. A seconda del prodotto finito desiderato, diversa sarà la produzione della pasta e l'eventuale finitura della superficie. Alcuni esempi:

• CARTA PER PULIRE: Carta igienica, carta assorbente, tovaglioli.
• CARTA PER IMBALLARE: Carta da pacchi, carta per i fritti, sacchetti di carta per il pane.
• CARTA PER CUCINARE: Carta da forno.
• CARTA PER SCRIVERE: Quaderni, album da disegno, carta da lettera, cartoncini colorati.
• CARTA PER STAMPARE: Giornali, riviste, libri.
• CARTA PER IL BRICOLAGE: Carta vetrata.

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