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Estabilidad dimensional del papel

21-08-2017

La estabilidad dimensional podría definirse como la capacidad del papel de conservar sus dimensiones cuando se ve sometido a cambios en la humedad circundante. Tal como hemos explicado en artículos anteriores, el papel está compuesto por fibras de celulosa entrelazadas y afieltradas. También hemos visto que dichas fibras, que presentan una elevada relación de aspecto (largo/ancho), tienden a orientarse en la dirección de fabricación del papel (MD, “Machine direction” en inglés). El resultado es un material anisotrópico que presenta propiedades diferentes según se considere la dirección máquina o la dirección transversal (CD, “Cross direction” en inglés).

Cuando la humedad en la atmosfera que rodea al papel aumenta, las fibras se hinchan, y los cambios en las dimensiones de las fibras son más grandes en el ancho que en su longitud. Ello se debe a que las cadenas de celulosa corren paralelas al eje de la fibra y el agua se interpone entre estas cadenas, aumentando las dimensiones de la fibra según su espesor. Debido a ello, las dimensiones del conjunto de la hoja de papel se ven también alteradas.

Como las fibras del papel tienden a orientarse en el sentido de fabricación, resulta que los cambios en el conjunto de la hoja son mayores en la dirección transversal que en la dirección máquina. Así mientras las variaciones en la dirección longitudinal o de máquina (sentido fibra) son muy pequeñas, el el sentido transversal (contrafibra) las variaciones pueden llegar hasta alrededor del 4%, en ello tiene mucho que ver el llamado refinado de las fibras (a más refinado, más uniones entre fibras, más densidad del papel y en consecuencia menor estabilidad).Es decir, en el caso que partiésemos de una hoja de papel perfectamente “cuadrada” un aumento en la humedad de la atmósfera que rodea esa hoja provocaría que la hoja pasase a ser de forma rectangular.

Pero resulta que el fenómeno es aún más complejo. Como hemos comentado en artículos anteriores, la distribución de las fibras, elementos finos y cargas a lo largo de la dirección z del papel (espesor) tampoco es la misma. Las fibras de la cara tela acostumbran a ser más largas que las de la cara fieltro y además tienen una orientación mayor, mientras que las cargas y los elementos finos son más abundantes en la cara fieltro. Así pues, un aumento de humedad provocará que las zonas con mayor contenido en fibras (cara tela) se dilaten más, haciendo que la hoja se deforme y pierda su planitud, dando lugar al fenómeno conocido como “abarquillado del papel”.

CELBIOTECH

La higroinestabilidad del papel puede provocar problemas en determinados usos del papel, por ejemplo, en la impresión. Durante la impresión del papel mediante sistemas que utilizan tintas líquidas, base agua, o en el sistema offset que requiere de solución de mojado, la hoja de papel se moja. Este hecho puede provocar que bajo determinadas condiciones y en máquinas con diversos cuerpos de impresión el papel sufra cambios dimensionales entre los sucesivos cuerpos y, como consecuencia, los colores no queden bien registrados.

El conocimiento y parametrización del fenómeno de la higroinestabilidad es necesario para poder compensar los cambios dimensionales de la hoja en los sistemas de impresión. Por ejemplo, en la impresión Offset, el fenómeno puede compensarse imprimiendo el papel de forma que la dirección máquina del papel (dirección de fibra) sea paralela al eje de los cilindros, y colocando alzas bajo la plancha y la mantilla para modificar el desarrollo de los cilindros. En el caso de hojas de papel rectangulares la dirección contrafibra suele ser siempre menor, ello hace que las variaciones dimensionales absolutas sean también siempre menores.

La higroinestabilidad del papel también tiene repercusiones en el gramaje, las propiedades mecánicas del papel (estallido, resistencia a la tracción, desgarro, pliegue, rigidez…), y en los procesos de transformación. Así pues, por ejemplo, durante la encuadernación el montaje de las páginas debe hacerse de tal forma que el borde del lomo coincida con la dirección de la fibra. De esta forma se reducen las variaciones dimensionales debido a los adhesivos de base acuosa que pueden dar problemas durante la encuadernación, y desde el punto de vista de la rigidez, una menor rigidez del papel en el sentido perpendicular al lomo facilita la apertura del libro.

Por todo ello es también muy importante que las diversas pruebas (especialmente las diversas resistencias mecánicas) que se hagan con el papel sean siempre después de acondicionarlo en una atmosfera normalizada (humedad relativa y temperatura) lo que permite que las comparaciones de resultados se puedan hacer con garantía.

Hoy la principal materia prima utilizada en la fabricación de papel es el reciclado. Comentemos que la utilización de fibras secundarias afecta favorablente la estabilidad dimensional del papel. En efecto, los sucesivos ciclos de secado-mojado de las fibras hacen que éstas se hagan más inertes a los cambios de humedad. Este fenómeno ha sido denominado en inglés “hornification” (de horn, cuerno) que algunos han traducido, creemos con acierto, por cornificación. Con los sucesivos secados las fibras absorben cada vez menos agua y por ello se estabilizan frente a los cambios de humedad. En este aspecto esto resulta una ventaja a favor del reciclado.

En un principio parece que la higroinestabilidad del papel es un defecto inevitable difícilmente convertible en virtud. No obstante, esto podría cambiar en un futuro próximo, ya que estudios recientes ya han reportado métodos para utilizar esta propiedad-defecto para fabricar sensores de humedad de bajo coste basados en papel, obteniéndose excelentes resultados. La estrategia utilizada por Niarchos et al. (2017) ha consistido en fabricar microdispositivos mediante la deposición de capas de metal sobre la superficie de los sustratos de papel, relacionando la respuesta eléctrica de los dispositivos con los cambios en las condiciones de humedad.

Una vez más, ha quedado demostrado que, a través del ingenio e inquietud humana, y a través de un mayor conocimiento de este maravilloso material los defectos del papel pueden convertirse en una ventaja.

Prof. José F. Colom Pastor
Dr. Oriol Cusola Aumedes
CELBIOTECH-Engineering and Biotechnology of Lignocellulosic and Paper Materials. UPC-Barcelona Tech
www.celbiotech.upc.edu


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