Rigidez y resistencia al Rasgado del Papel.

La rigidez del Papel 

La rigidez es una propiedad extremadamente importante para muchos usos del papel, del cartoncillo y de la cartulina, siendo conveniente que sea alta en unos casos, como es en papeles o cartoncillos para impresión o para cajas, en cambio en otros tipos, como papeles faciales, por el contrario, se requiere que sea muy baja.

Existen dos formas usuales para denominar la rigidez, una de ellas es rigidez a la flexión y es la resistencia que opone un papel o un cartoncillo a ser flexionado por una fuerza que se aplica por una de sus caras; como en algunas de las otras propiedades mecánicas, se trata de la capacidad del papel o cartoncillo para evitar una deformación cuando se somete a esfuerzos. La otra forma es la rigidez al manejo o al tacto, se puede describir como la capacidad del papel o del cartoncillo para mantenerse rígido cuando es sostenido en forma horizontal por uno de sus bordes.

Esta propiedad es muy importante en el comportamiento del papel o del cartoncillo. Por ejemplo en folders y tarjetas para índices, que se deben mantener en posición vertical, sin doblarse durante el tiempo de su uso. Otros ejemplos de papeles o cartoncillos que requieren de alta rigidez, son: barajas, posters, vasos y platos. El carteo del papel, depende de su rigidez.

En papeles para impresión en hojas, se requiere cierto grado de rigidez para lograr una buena alimentación de la prensa; esto se aplica también a impresoras láser y copiadoras de oficina, sin embargo, cuando la rigidez es excesivamente alta, los papeles tienen poca posibilidad de ser comprimidos durante la impresión, por lo cual, no siempre son adecuados para obtener una buena calidad de imagen en tipografía; sin embargo esto no afecta en offset. Otro problema que se presenta cuando la rigidez es excesiva, es que el papel se vuelve quebradizo. En papeles o cartoncillos para empaque y fabricación de cajas la propiedad mecánica más importante, es la rigidez. 

FACTORES QUE AFECTAN LA RIGIDEZ

Entre los factores que influyen en la rigidez del papel o el cartoncillo, se encuentran: el espesor, (al aumentar el espesor, la rigidez aumenta tanto como aumentó el espesor elevado al cubo); la elasticidad, (a mayor elasticidad será menor la rigidez); el gramaje influye directamente en la rigidez, siempre que se mantenga la densidad aparente (relación peso base a espesor); la rigidez en sentido de fabricación aumenta al aumentar la tensión de la hoja durante el secado en la máquina de papel; un mayor contenido de humedad, hace que disminuya la rigidez, así como una hoja muy seca tendrá mayor rigidez, pero en cambio se volverá quebradiza. El aumento en las uniones entre fibras, que se logra con la refinación, hace que aumente la rigidez en una pequeña proporción; la orientación de las fibras afecta la rigidez, siendo más alta en el sentido en el que se orienta un mayor número de fibras, que es en el sentido de fabricación . Algunos aditivos afectan la rigidez, como por ejemplo: la aplicación de almidón o silicato de sodio, hace que aumente la rigidez; la aplicación de cera, en la prensa de encolado, la hace disminuir y la impregnación del papel con látex o resinas para dar resistencia en húmedo, también hace que disminuya la rigidez.

Las características de elasticidad son diferentes para cada tipo de pulpa celulósica, por lo tanto la fórmula de fabricación del papel o del cartoncillo, influye en su rigidez. Por regla general las pulpas de fibra corta son más rígidas que las de fibra larga, aunque es necesario cierto grado de refinación para que se desarrolle la rigidez, siendo las fibras vírgenes sin refinar suaves. Un aumento en la refinación de la pasta al fabricar el papel, hace que aumenten las uniones entre fibras, por lo que suele producirse un aumento en la rigidez, hasta llegar a un límite, pasado el cual, si se refina más, caerá esta propiedad; cuando se aumentan las cargas disminuye la rigidez debido a que se reducen las uniones entre fibras. Al aumentar el calandrado en la máquina de papel, habrá una disminución en la rigidez, debido a que esta operación no aumenta el número de uniones entre fibras, pero sí disminuye el espesor.

Uno de los mayores problemas que se tienen es lograr que se mantenga una rigidez alta en el papel o el cartoncillo, en presencia de humedad relativa alta, ya que su contenido de humedad, influye mucho en la elasticidad, que a su vez afecta negativamente la rigidez, la cual puede reducirse hasta en un 50% al cambiar la humedad relativa de 22 a 85%, debido al aumento proporcional del contenido de humedad y también por este motivo, mejora la rigidez al aumentar el encolado interno del papel, haciéndolo menos absorbente.

La rigidez es más alta en el sentido de la orientación del mayor número de fibras, que es en el sentido de fabricación o de la máquina (SF o SM) y en consecuencia es menor en el sentido transversal (ST). En los papeles fabricados en máquinas de formadores es más acentuada esta diferencia, por lo que se puede sacar ventaja en la elaboración de cajas de su mayor rigidez en SF. Las cajas plegadizas se elaboran de manera que el hilo, o SF, vaya perpendicular a la pestaña de pegue de la caja, la rigidez mayor en SF, asegurará que la caja se abra adecuadamente en la línea de llenado, manteniendo sus ángulos en escuadra; en igual forma, el SF a lo largo de la dimensión más corta en los lados largos de la caja, minimizará el abombamiento debido al peso del contenido de la caja y en los lados cortos ayudará la rigidez de las esquinas para que no se aplasten las cajas en las estibas.

Esta diferencia en la rigidez entre las dos direcciones del papel o del cartoncillo, debe tenerse en mente al hacer la conversión del papel o la cartulina, teniendo en cuenta el uso final del producto. Cuando el papel fue fabricado en máquina fourdrinier, esta relación de la rigidez entre los dos sentidos, es normalmente de 2:1, mientras que en papel hecho en máquina de formadores, suele ser de 3:1 o mayor. 

DETERMINACIÓN DE LA RIGIDEZ

Las pruebas de la rigidez, se basan en la medida de la fuerza requerida para flexionar una muestra de papel o cartoncillo de un tamaño determinado en las dos direcciones (caras), hasta un ángulo determinado, siendo mayor la rigidez cuanto más alto es el resultado. Existen varios métodos y diferentes aparatos para determinar la rigidez en papel o cartoncillo, entre los equipos usuales están los probadores Gurley y Taber.

El probador de rigidez Gurley se presenta en la Figura 1, y mide el momento de flexión que se ejerce en un espécimen, cuando éste desvía un péndulo. El espécimen se coloca en un brazo que gira en el mismo eje que el péndulo, sujeto por su extremo superior, de manera que el extremo inferior del espécimen queda libre y se traslapa en 6.4 mm (¼ de pulgada) con el extremo superior del péndulo, que tiene una lámina triangular de contacto, Durante la prueba, el brazo es movido por un motor y mueve al espécimen a través de un arco, el extremo inferior, suelto del espécimen, empuja el extremo superior del péndulo hacia abajo y hace que su extremo inferior que tiene una pesa se mueva hacia arriba, ejerciendo una fuerza cada vez mayor por una de las caras del espécimen. En determinado momento, la fuerza ejercida sobre el papel por la parte superior del péndulo, es suficiente para flexionar el espécimen y hacer que resbale, zafándose del péndulo.

El valor de la prueba corresponde a la máxima desviación del péndulo en el momento en que se zafa el espécimen y se lee en la escala del aparato; se hacen lecturas por las dos caras y en los dos sentidos del papel o del cartoncillo. Actualmente hay aparatos que dan lectura digital, automáticamente almacenan los datos y calculan el resultado promedio. La rigidez se obtiene en miligramos fuerza (mgf), también se acostumbra reportar como unidades Gurley que son equivalentes a los mgf; se calcula multiplicando el promedio de desviación del péndulo por un factor tomado de una tabla que se encuentra impresa en la base del instrumento y cuyo valor depende de la pesa del péndulo y su posición, así como de la longitud del espécimen.

El probador de rigidez Gurley, es muy versátil y puede utilizarse para probar un rango amplio de papeles y cartoncillos. Tiene 4 pesas de diferente valor, que pueden ajustarse a 3 distancias del extremo inferior del péndulo, con lo que se pueden hacer 150 combinaciones diferentes de longitud del espécimen y carga. 

Figura 2. Probador de rigidez Taber

El medidor de rigidez Taber, que se muestra en la Figura 2, se utiliza mucho para medir la rigidez a la flexión del cartoncillo o cartulina.  El aparato Taber es similar al Gurley en que mide el momento de flexión requerido para flexionar el extremo libre de un espécimen bajo una serie de condiciones fijadas arbitrariamente.  En este equipo la distancia que hay de la mordaza en la que se sujeta el espécimen al punto en el que se aplica la fuerza para flexionarlo, es de 50 mm y el espécimen es de 38 mm de ancho.  El máximo grado de desviación es de 15° en relación con la vertical.  La fuerza para lograr la flexión, en gramos fuerza-centimetro (gf-cm), se lee en la escala.  Se pueden colocar pesas para darle mayor aplicabilidad; en este caso, el promedio de las lecturas, hacia la izquierda y hacia la derecha de la vertical, se multiplica por un factor para obtener el resultado.  Actualmente existen aparatos que proporcionan lectura digital y facilitan esta operación.  En el Laboratorio de pruebas de la UILMAC, se cuenta con un aparato de este tipo.

BIBLIOGRAFIA

- Casey, J.P. Pulp and Paper Chemistry and Chemical Technology.  3a. Edición 1980.

- Scott, W.E. Properties of Paper: An Introduction  TAPPI Press.  Atlanta, GA. 1989.

- Casals, R.   Características del Papel   Howson Algraphy, S.A. Barcelona.

TAPPI (Technical Association of the Pulp and Paper Industry) Test Methods 1994-1995.

Resistencia al Rasgado del Papel.

La falta de resistencia al rasgado puede causar problemas en el uso del papel, pero debido a la dificultad para simular los esfuerzos que soporta el papel en este sentido, no es fácil probar esta propiedad. la primera dificultad está en la diferencia entre la fuerza que se requiere para iniciar un rasgado y la fuerza que se requiere para continuar un rasgado que ya ha sido iniciado.  Cuando la resistencia se mide en un papel en que no se ha iniciado el rasgado, se denomina resistencia al rasgado del borde, y cuando ya se ha iniciado el rasgado, se llama resistencia interna al rasgado.  Existen diferentes pruebas para evaluar estas dos propiedades. sin embargo, en la práctica, la prueba más utilizada es la resistencia interna al rasgado, que es la fuerza requerida para continuar un rasgado.

Esta resistencia tiene gran importancia en la evaluación del papel que se verá sujeto a esfuerzos que lo puedan rasgar durante su transformación y uso, como, por ejemplo, para: bolsas, envolturas, toallas de papel, mapas, libros y revistas.  En el caso de papeles para impresión es muy importante tener una resistencia al rasgado alta cuando se imprime en bobinas.

RESISTENCIA INTERNA AL RASGADO

La resistencia interna al rasgado a menudo se conoce simplemente como prueba de rasgado o también como prueba de Elmendorf, tomando el nombre del inventor del aparato estándar que se emplea para su determinación.   La resistencia interna al rasgado es el trabajo realizado para rasgar un papel a través de una distancia determinada, después de haber iniciado la rotura del papel por medio de un corte.

Esta se utiliza como una prueba de control, debido a que refleja la naturaleza general de las fibras presentes en el papel, así como el grado de refinación al que han sido sometidas.

RESISTENCIA AL RASGADO DEL BORDE

Rara vez se determina como una prueba de rutina por la dificultad de su medición y porque la mayoría de las roturas en los bordes del papel se producen por causas accidentales muy difíciles de controlar y que en el resultado de la prueba no aparecen: o bien, porque la mayoría de los papeles no resistirían la aplicación de una tensión excesiva.  En general, esta resistencia es más alta que la resistencia interna al rasgado y, además, ésta se ve favorecida por la elasticidad del papel.

FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA AL RASGADO

Esta resistencia se ve afectada por el sentido en el que se prueba el papel.  Se dice que la medición se hace en el sentido de fabricación o al hilo cuando el rasgado que se produce en el papel al realizar la prueba es paralelo al sentido de fabricación del papel.  Por regla general, en este sentido se obtienen valores más bajos que si el rasgado es en el sentido transversal, en cuyo caso se dice que es a contrahilo o en sentido transversal, lo anterior se debe a que hay un mayor número de fibras alineadas en el sentido de fabricación del papel, que en el sentido transversal.

Ahora bien, la estructura de las fibras que componen el papel tiene gran influencia en el rasgado, sobre todo su longitud.  A mayor longitud de fibras, será mayor la resistencia al rasgado.  Al refinar la celulosa para fabricar el papel aumenta el número de uniones, lo cual ocasiona normalmente un aumento en las resistencias del papel, con excepción de la resistencia al rasgado, que disminuye al aumentar la refinación debido a que se acorta la longitud de las fibras, cuya influencia es mayor en esta resistencia que en el número de uniones entre fibras.

Influyen en la resistencia interna al rasgado los aditivos no fibrosos que se utilizan para dar o mejorar ciertas propiedades. por ejemplo, las cargas aumentan la opacidad, blancura y lisura del papel, y disminuyen las resistencias.

Por otra parte, el manejo de los diferentes pasos del proceso de fabricación del papel también influye en la resistencia al rasgado, debido a que dichos pasos suelen modificar la estructura del papel.  Los de mayor influencia son: la refinación, el ajuste de la caja de entrada, la formación de la hoja y la operación de las secciones de prensado, secado y calandrado del papel.

Asimismo, la humedad relativa del ambiente, al hacer que varíe el contenido de humedad del papel, también influye en las resistencias.  La resistencia al rasgado al ir aumentando paulatinamente la humedad relativa entre 20% y 80%, también va aumentando.

Habrá que considerar siempre la interrelación que existe entre las propiedades del papel, la cual hace que no se puedan tener siempre los valores óptimos en todas sus características.  Es decir, si se quiere mantener en valores altos la resistencia al rasgado, otras características tendrán que ser bajadas, como, por ejemplo: las demás resistencias, la rigidez, y algunas otras propiedades que afectan la apariencia del papel y resultan importantes para la impresión, ya que para lograr que no baje el rasgado se refinará poco la celulosa, lo cual ocasionará que la formación y lisura no sean buenas y que, además, no se desarrollen las resistencias a la tensión, explosión y al doblez.

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA INTERNA AL RASGADO

El instrumento más comúnmente utilizado para medir la resistencia interna al rasgado, es el probador de rasgado Elmendorf.

Dicho probador es un aparato de péndulo que tiene una mordaza fija al péndulo y otra en el soporte.  El péndulo se mantiene fuera de su posición de reposo por medio de un tope.  El papel de prueba, de 63mm. de ancho, se fija en las mordazas que coinciden una frente a la otra.  Entre las dos mordazas hay una navaja que sirve para iniciar el rasgado por medio de un corte de 20mm. en la orilla interior del papel.  Una vez hecho el corte se libera el péndulo, el cual rasga el papel por su propio peso al bajar a su posición de reposo.  El trabajo realizado en este rasgado queda señalado por una aguja en una escala que tiene el aparato en la cara del péndulo, o bien, aparece en una pantalla en el caso de los aparatos modernos que dan lectura digital, como el aparato del Laboratorio de Pruebas de la Union de Industriales Litógragos de México A.C.  (UILMAC).

El resultado de esta prueba se reporta en gramos fuerza (g`f), para rasgar una hoja sencilla.  En el sistema internacional de unidades (SI), se reporta en milinewtons (mN).  Para convertir estas unidades los g`f se multiplican por el factor 9.81 para obtener mN, los mN se dividen entre este mismo factor para obtener g`f.  Frecuentemente se utiliza el factor o índice de rasgado, que permite comparar la resistencia interna al rasgado, entre papeles que tienen diferentes peso base.  Dicho factor se obtiene con las siguientes fórmulas, de acuerdo con la unidad empleada:

DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA AL RASGADO DEL BORDE

Recordemos que cuando la resistencia se mide en un papel en que no se ha iniciado el rasgado se denomina resistencia al rasgado del borde, y que esta resistencia es más alta que la resistencia interna.  Su prueba se puede efectuar en un medidor de resistencia a la tensión con un aditamento que se coloca en una de las mordazas.  Este aditamento tiene una lámina horizontal de manera que el papel girando alrededor de dicha lámina se dobla apoyado en ella y sus dos extremos se fijan unidos en la otra mordaza.

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