DG Industria, Artigianato, Edilizia e Cooperazione SCHEDE TECNICHE INTERVENTI CONCLUSI ATI KEMIND - KEMIND Srl Parabiago MI - BURGO Group SpA Toscolano BS - CARTIERA FORNACI SpA Fagnano Olona VA - CHEMIBA Srl Genova GE - STAZIONE SPERIMENTALE CARTA CARTONI e PASTE per Carta Milano MI - TIBER SpA Brescia BS ID4321/2007 PROGETTO R&S Nuove Brightness. AREA MD NUOVI MATERIALI DURATA MESI 24 QUADRO ECONOMICO PREVISIONE INIZIALE...... 2.376.000,00 COSTO FINALE........... 2.463.498,55 INTERVENTO FINANZIARIO EROGATO...... 941.687,50 DESCRIZIONE L ambizioso obiettivo del progetto consisteva nel rendere concreto e possibile l utilizzo di materie prime scadenti per la fabbricazione di carte e cartoni caratterizzati da proprietà meccaniche ed ottiche di pregio, con il conseguente impatto economico positivo. Per ottenere questo risultato sono stati sviluppati differenti formulati di particolari imbiancanti ottici capaci di migliorare il bianco, e conseguentemente l aspetto, di carte e cartoni prodotti con elevate percentuali di paste di legno e/o carte riciclate in sostituzione della cellulosa. Fino al completamento di questo progetto di ricerca ciò non era realizzabile a causa dell elevato contenuto di lignina presente nelle paste di legno e nelle carte riciclate di bassa qualità, che vanificava l azione dei candeggianti
ottici tradizionali, non permettendo loro di riflettere i raggi U.V. nel campo della luce visibile. RICADUTA DEGLI EFFETTI DEL PROGETTO Ricerca di nuovi principi attivi capaci di esercitare il massimo effetto di riflessione dei raggi ultravioletti con relativo aumento del grado di bianco ottenuto ed eliminazione del tono giallastro tipico conferito dalle paste di legno. Ricerca di opportuni modificatori dei formulati in grado di: rivestire le fibre, isolando la lignina presente (neutralizzandone così le capacità di assorbimento della luce U.V.); ovviare ai problemi di stampabilità tipici di carte e cartoni con elevato contenuto di paste di legno; ovviare al problema dell aspetto superficiale che tende ad essere meno liscio, rendendo i prodotti finiti del tutto confrontabili ed in diversi casi migliori di quelli ottenuti con carte e cartoni prodotti con materie prime fibrose convenzionali (basate sull utilizzo predominante della cellulosa). Riduzione dell impatto ambientale: derivante del fatto che la resa delle paste di legno è di circa il 50% superiore a quello delle cellulose ed inoltre, dato che le paste di legno aumentano l opacità della carta, possibilità di produrre carte di grammatura inferiore a parità di utilizzo finale, permettendo una notevole riduzione del taglio di alberi, nonché un risparmio energetico durante il processo di essiccamento della carta. Aumento della competitività: le cartiere utilizzatrici di questa nuova tecnologia saranno in grado di incrementare la loro competitività grazie ai rilevanti vantaggi economici, a parità di caratteristiche delle carte finite, determinati dalla sostituzione di una consistente percentuale di cellulosa con paste legno caratterizzate da quotazioni di mercato inferiori del 30-50%. IL PROGETTO Lo sviluppo è stato condotto in diverse fasi distinte con la collaborazione continua di tutti i partecipanti all ATI, sfruttandone le competenze specifiche, per indirizzare i risultati via via ottenuti al conseguimento delle finalità programmate anche avvalendosi di consulenze esterne. Il percorso di progettazione seguito è sintetizzato in: 1. Nuovi sistemi di candeggiante ottico 2. Nuova pasta legno e nuovi maceri 3. Nuove carte bianche da stampa contenenti pasta legno 4. Nuovi cartoncini da stampa contenenti carta da macero trattata Suddividendo tale percorso in fasi distinte di ricerca industriale e sviluppo precompetitivo.
Nella prima parte del progetto sono state selezionate le molecole più idonee all ottenimento del risultato perseguito, rilevando i migliori risultati con le famiglie esasulfo, tetrasulfo e disulfo in funzione dell impiego finale come trattamento superficiale o in massa, vale a dire nell impasto utilizzato per la fabbricazione delle carte e dei cartoni. In seguito si è provveduto alla ricerca di nuovi polimeri di grafting alle fibre della pasta legno selezionandole tra una vasta gamma di proteine naturali e di molecole di sintesi quali alcool polivinilico, CMC, alginati, capaci altresì di esaltare l effetto dell imbiancante ottico. Nel complesso sono stati messi a punto 332 formulati, valutati anche per la loro stabilità nel tempo. Nella prima fase di valutazione al formafoglio (durante la quale sono stati ottenuti miglioramenti continui dell incremento del bianco ottenuto e di abbattimento del giallo, come si rileva dal grafico sottostante) sono stati selezionati i formulati denominati Chemibrite 215 e 216, che dopo le prime esperienze preindustriali condotte sia su carte da stampa che su cartoncino multistrato, hanno suggerito alcune modifiche che hanno portato a
sviluppare il Chemibrite 241 per le carta da stampa e i Chemibrite 252 e 267 per i cartoncini a base di macero. I risultati ottenuti sono stati molto incoraggianti sia in termini di bianco che di liscio della carta, come si rileva dalle fotografie di seguito riportate. Rispettivamente: senza Chemibrite e con 1% Chemibrite Le prove di stampa eseguite hanno confermato la possibilità di produrre carte con elevate percentuali di paste legno e cartoncini con maceri meno selezionati e quindi di qualità più scadente, mantenendo un elevato risultato di stampa in entrambe i casi. Con successive prove è stato evidenziato che grazie all utilizzo di alcuni formulati Chemibrite opportunamente modificati (241 e 287) si era in grado di ridurre lo spolvero in fase di stampa, eliminando così uno degli ostacoli fondamentali che impedivano l utilizzo di maggiori quantità di paste di legno nelle carte da stampa, realizzando in questo modo una nuova materia prima a disposizione dell industria cartaria. Prove eseguite sia sulla carta da stampa che sui cartoncini con l Abrasimetro TABER, seguendo il Metodo TAPPI T476, hanno dimostrato un miglioramento molto rilevante, come si nota nella tabella seguente, avvalorato dalle numerose prove di stampa. TABER Rotary Platform Abrasion Tester 21/05/2009 Metodo TAPPI - T 476 Prova N Caratteristiche Campione Grammatura Indice Spolvero % Scostamento Note (vs. Prova) 1 Tal Quale STANDARD 100,5 g/m 2 332 NTU +21,2 STANDARD (produzione precedente) 2 Tal Quale STANDARD 69,5 g/m 2 402 NTU +46,7 STANDARD (prima dell'inizio prova) 3 Prova con 0,53% Chemibrite 241 80,0 g/m 2 274 NTU -31,8 Prova con Chemibrite 241 ( 1% su Fibra corta e Chips)
Nel caso dei cartoncini multistarato l utilizzo di maceri ad alto contenuto di paste di legno (che per di più permettevano un incremento dell opacità) hanno reso possibile una riduzione della grammatura della copertina bianca da 90 a 70 g/m 2 con conseguente vantaggio economico. Per poter utilizzare maceri molto scadenti e poco selezionati ma molto economici, dove il bianco ottenuto può variare di tonalità, sono stati preparati formulati in grado di modificare i valori delle componenti cromatiche della luce visibile riflessa dalle fibre: a* (blu) b* (giallo) L* (luminosità) Avendo individuato la modalità di intervento è risultato ovviamente possibile effettuare molte altre varianti in funzione delle esigenze richieste. Nel diagramma sottostante è possibile intuire come variando le lunghezze d onda della luce riflessa sia possibile variare la tonalità del bianco visualizzato; se ad esempio si richiede il grado di bianco A sarà necessario correggere la lunghezza d onda di riflessione B per ottenere l esatta percezione della tonalità richiesta: Nel caso di utilizzo di fibre di recupero disinchiostrate si è evidenziata l utilità di modificare specificatamente anche la caratteristica ottica rappresentata dalla Luminosità (L*), dato che questo parametro segue la regola fisica indicata come: uno spostamento tridimensionale all interno del corpo cromatico, come si rileva dal grafico riportato:
Grande cura è stata posta nella ricerca dei migliori punti di aggiunta nelle paste da trattare, privilegiando i tempi di contatto con i nuovi polimeri, prevedendo una ulteriore piccola aggiunta all uscita della tina di macchina per permettere velocità di intervento correttivo. È stato necessario considerare i parametri di raffinazione delle fibre ed i tipi di fibra cellulosica da utilizzare per permetterne la massima sostituzione con le paste di legno senza subire alterazioni qualitative dal punto di vista dell utilizzatore finale ed al contrario registrando dei miglioramenti. Per minimizzare l incremento di rugosità superficiale, tipicamente conferita delle paste di legno, si è proceduto (oltre alle ovvie modifiche apportate ai formulati) con una serie di interventi sia meccanici che fisici riguardanti tele, feltri e rivestimenti delle presse. È stata perfezionata la distribuzione e la ritenzione di fibre, fini e cariche nello spessore del foglio per ridurre al minimo l effetto del doppio viso sui due lati della carta. Questo aspetto del lavoro svolto ha potuto essere costantemente monitorato grazie alle verifiche tecniche e pratiche, dove per ogni passaggio del progetto sono stati verificati: Compatibilità chimica con gli inchiostri e gli additivi di bagnatura Tipo di stampante utilizzabile e sue regolazioni Assorbimento di acqua ed inchiostri Cessione superficiale e strappo con analisi del rilascio Allargamento del punto (dot gain) Anche per quanto concerne la copertina bianca dei cartoncini multistrato sono stati selezionati i tipi di macero ad alto contenuto di paste legno che oltre ad essere notevolmente più economici, perché considerati qualitativamente scadenti, hanno il vantaggio di creare uno strato di copertina più opaco permettendo di ridurre la grammatura a parità di coprenza. Con l aiuto di tutti i partecipanti all ATI è stato possibile realizzare, con una lunga serie di prove al formafoglio e successive prove in macchina nuovi tipi di cartoncini caratterizzati da copertine ridotte di circa il 20% ed allo stesso tempo con un miglioramento del grado di bianco di 8 punti e una diminuzione del tono giallastro (b*) di 5 punti: = Tal Quale (Nessun Trattamento) = Chemibrite 215 = Chemibrite 252 = Chemibrite 252 = Chemibrite 215/252 = Chemibrite 215/252 = Chemibrite 252 = Chemibrite 215/252 = Chemibrite 267
b* value b*- C. Fornaci - 18/09-02/10/08 b* 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4-5 T.Q. 5-11 37-48 55 66 73 92 96 104 C. Fornaci- 18/09-02/10/08 Bianco Bianco 85 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 T.Q. 4 6A 8 11 15 40 45 48 53 59 70 73 88 94 98 104 Anche per il cartoncino è risultato importantissimo aver influito sul drastico miglioramento dello spolvero, non solo per la stampa, ma anche per i processi di lavorazione quali taglio e imbutitura. Le prove di stampa flexografica sono state definite molto soddisfacenti in termini di nitidezza delle immagini e di problematiche di spolvero. CONCLUSIONI I risultati ottenuti sono andati ben al di là delle aspettative sia dal punto di vista tecnico scientifico sia come risparmio economico realizzabile. Di seguito riassumiamo i risultati più significativi: Sono stati messi a punto nuovi candeggianti ottici sconosciuti prima d ora nel settore cartario da impiegare con le paste di legno e i maceri contenenti alte percentuali di pasta meccanica. Si sono realizzate nuove carte da stampa impiegando maggiori percentuali di paste di legno, in sostituzione della cellulosa, ottenendo eccellenti risultati qualitativi ed al contempo rilevanti
risparmi economici, superando l obiettivo iniziale di aumentare il grado di bianco con il contemporaneo incremento di liscio, omogeneità e resistenza superficiale. Sono stati realizzati nuovi cartoncini multistrato da stampa con copertine (strato esterno e nobile ) prodotte con elevate percentuali di maceri di bassa qualità contenenti pasta legno; questo fattore ha permesso una forte economia produttiva sia per la riduzione del costo degli impasti, sia per la riduzione della grammatura dovuta alla migliore opacità di questi impasti. Anche i risultati di stampa ottenuti si sono rilevati eccellenti e superiori a quelli realizzabili con impasti tradizionali. L elevato grado innovativo ed al contempo l importante vantaggio competitivo in termine di costi di questi nuovi prodotti (nuovi candeggianti ottici, nuove carte e cartoncini da stampa) potranno avere uno sviluppo di rilievo anche nei mercati esteri come indicato dalle prime richieste di informazione pervenute da importanti gruppi internazionali. I notevoli risultati conseguiti dalla presente ricerca sono stati raggiunti grazie alla costruttiva collaborazione e compartecipazione da parte di tutti gli attori del progetto. Le sinergie sviluppate nel corso dei due anni hanno permesso di raggiungere obiettivi addirittura superiori a quanto ipotizzato in sede di progettazione iniziale, emersi proprio grazie a questa collaborazione ed alle competenze specifiche dei partners.