La polpa è un materiale fibroso lignocellulosico preparato separando, chimicamente o meccanicamente, le fibre di cellulosa dal legno, dai raccolti di fibre, dalla carta straccia o dagli stracci di tessuto. Miscelata con acqua e altri additivi, chimici o vegetali, è la principale materia prima utilizzata nella fabbricazione della carta e nella produzione industriale di altri prodotti a base di carta.
Storia Prima dell'invenzione, diffusamente riconosciuta, della fabbricazione della carta da parte di Cai Lun in Cina intorno all'anno 105, i materiali per scrivere simili alla carta, come papiro e amatl, venivano prodotti dalle civiltà dell'antico Egitto e della mesoamerica utilizzando materiali vegetali che erano in gran parte poco lavorati. Strisce di corteccia o di rafia venivano intrecciate insieme, battute in fogli ruvidi, essiccate e lucidate a mano. La polpa utilizzata nella fabbricazione della carta moderna si distingue per il processo di macerazione che produce un impasto più fine e omogeneo di fibre di cellulosa che vengono estratte dalla soluzione con un setaccio ed essiccate per formare fogli o rotoli. La prima carta prodotta in Cina consisteva in fibre della pianta di gelso ("kozo") insieme a stracci di canapa e altri scarti. Nel VI secolo, il gelso fu coltivato dagli agricoltori cinesi allo scopo di produrre polpa da utilizzare nel processo di fabbricazione della carta. Oltre al gelso, la polpa era prodotta anche dalla canna di bambù, dalla corteccia dell'ibisco, dal legno di sandalo blu, dalla paglia e dal cotone. La fabbricazione della carta utilizzando pasta di canapa e fibre di lino da indumenti dismessi, reti da pesca e borse di stoffa, si diffuse in Europa nel XIII secolo, con un uso sempre crescente di stracci che erano essenziali per l'ampia disponibilità e il costo irrisorio della carta straccia, che furono un fattore di sviluppo della stampa. Nel XIX secolo le esigenze di produzione della carta e della stampa di nuova industrializzazione portarono a uno spostamento dell'approvvigionamento delle materie prime in altre direzioni, in particolare verso l'uso di pasta di legno e altri prodotti degli alberi che oggi costituiscono oltre il 95% della produzione mondiale di pasta di cellulosa.
L'uso della pasta di legno e l'invenzione di macchine per la produzione della carta, alla fine del XVIII e all'inizio del XIX secolo, contribuirono a far divenire la carta una merce poco costosa nei tempi moderni. Mentre alcuni dei primi esempi di carta prodotta con pasta di legno sono i supporti su cui sono state stampate le opere pubblicate da Jacob Christian Schäffer nel 1765 e Matthias Koops nel 1800, la produzione, su larga scala, di carta dal legno iniziò soltanto negli anni 1840 con sviluppi nella produzione di pasta meccanica realizzati da Friedrich Gottlob Keller in Germania e da Charles Fenerty in Nuova Scozia.Burger, PeterCharles Fenerty and his Paper Invention. Toronto: Peter Burger, 2007. pp.25–30 Rapidamente vennero realizzati alcuni nuovi processi chimici, prima con l'uso di acido solforoso, da parte di J. Roth, per trattare il legno, poi con il brevetto statunitense di Benjamin Tilghman sull'uso del bisolfito di calcio, Ca (HSO3)2, per la pasta di legno nel 1867. Quasi un decennio dopo, in Svezia, fu costruita la prima fabbrica industriale di pasta al solfito. Utilizzava il magnesio come contro-ione ed era basata sul lavoro di Carl Daniel Ekman. Nel 1900, la polpa al solfito era diventata il materiale principale per la produzione di pasta di legno, superando i metodi di produzione di pasta meccanica. Il processo di spappolamento chimico concorrente, quello al solfato, o processo Kraft, fu sviluppato da Carl F. Dahl nel 1879. La prima fabbrica di polpa secondo il metodo Kraft venne aperta, in Svezia, nel 1890. L'invenzione della caldaia di recupero, da parte di G.H. Tomlinson, all'inizio degli anni trenta del XX secolo, permise alle cartiere di riciclare quasi tutti i loro prodotti chimici per la produzione di pasta. Questo, insieme alla capacità del processo Kraft di accettare una più ampia varietà di tipi di legno e di produrre fibre più resistenti,History of Paper. indiapapermarket.com rese dominante questo processo di spappolamento, a partire dagli anni quaranta.
La produzione globale di pasta di legno nel 2006 è stata di 175 milioni di tonnellate. Nell'anno precedente, erano state vendute 63 milioni di tonnellate di pasta di legno (non trasformate in carta nello stesso impianto) e il Canada era stato la fonte principale di produzione con il 21% del totale, seguito dagli Stati Uniti d'America con il 16%. Le fonti di fibra di legno necessarie per la produzione di pasta erano "45% da residui di segheria, 21% da tronchi e trucioli e 34% da carta riciclata" (dati del Canada, 2014). La pasta chimica costituiva il 93% della pasta di mercato.
Pasta di legno
Le risorse di legname utilizzate per produrre pasta di legno sono indicate come legno da pasta. Mentre in teoria qualsiasi albero può essere utilizzato per la produzione di pasta, le conifere sono le piante preferite perché le fibre di cellulosa nella polpa di queste specie botaniche sono più lunghe e quindi rendono la carta più resistente. Alcuni degli alberi di conifere più comunemente usati per la fabbricazione della carta comprendono abete rosso, pino, abete, larice e tsuga e legni duri come eucalipto, pioppo e betulla. C'è anche un crescente interesse per le specie arboree geneticamente modificate (come l'eucalipto GM e il pioppo GM) per via di numerosi vantaggi importanti che possono fornire, come una maggiore facilità di abbattere la lignina e un aumento del tasso di crescita.
Una cartiera è un impianto di produzione che converte i trucioli di legno o altra fonte di fibre vegetali in un pannello di fibra di un certo spessore che può essere spedito a una cartiera per una successiva lavorazione. La polpa può essere prodotta utilizzando metodi meccanici, semi-chimici o completamente chimici (processi Kraft e ai solfiti). Il prodotto finito può poi essere sbiancato o non, a seconda delle esigenze del cliente e del tipo di carta che deve essere prodotta.
Il legno e altri materiali vegetali utilizzati per produrre la polpa contengono tre componenti principali (oltre all'acqua): fibre di cellulosa (necessarie per la fabbricazione della carta), lignina (un polimero tridimensionale che lega insieme le fibre di cellulosa) ed emicellulosa (polimeri di carboidrati ramificati a catena più corta). Lo scopo della spappolatura è quello di scomporre la struttura di massa della fonte di fibra, che si tratti di trucioli, steli o altre parti di piante, nelle fibre costituenti.
La polpa chimica si ottiene degradando la lignina e l'emicellulosa in piccole molecole idrosolubili che possono essere eliminate dalle fibre di cellulosa senza creare la depolimerizzazione delle stesse (depolimerizzare chimicamente la cellulosa indebolisce le fibre). I vari metodi di spappolamento meccanico, come la pasta di legno macinato (GW) e raffinata meccanicamente (RMP), strappano fisicamente le fibre di cellulosa l'una dall'altra e gran parte della lignina rimane aderente alle stesse. La resistenza è ridotta perché le fibre possono essere tagliate durante il trattamento. Esistono numerosi metodi di spappolamento ibridi correlati che utilizzano una combinazione di trattamento chimico e termico per avviare un processo chimico abbreviato, seguito immediatamente da un trattamento meccanico per separare le fibre. Questi metodi ibridi comprendono la polpa termomeccanica, nota anche come TMP, e la pasta chimico-meccanica, nota anche come CTMP. I trattamenti chimici e termici riducono la quantità di energia successivamente richiesta per il trattamento meccanico, e la perdita di forza subita dalle fibre.
+Produzione globale di cellulosa per categoria (2000) Categoria della polpa Produzione [M ton ] Chimico 131,2 Kraft 117,0 Solfito 7,0 Semichimico 7,2 Meccanico 37,8 Non legno 18,0 Fibre vergini totali 187,0 Fibre recuperate 147,0 Polpa totale 334,0 Alberi da raccolta La maggior parte delle cartiere utilizzano delle buone pratiche di gestione forestale nella raccolta degli alberi per garantire che possano essere una fonte sostenibile di materie prime nel tempo. Una delle principali lagnanze sulla raccolta del legno per le cartiere è che riduce la biodiversità della foresta. Le piantagioni di cellulosa rappresentano il 16% della produzione mondiale, le foreste di vecchia crescita il 9% e quelle di seconda, terza o più generazioni il resto. Il rimboschimento è praticato nella maggior parte delle aree, quindi gli alberi sono una risorsa rinnovabile. Il FSC (Forest Stewardship Council), lo SFI (Sustainable Forestry Initiative), il PEFC (Program for the Endorsement of Forest Certification) e altri organismi certificano la carta prodotta da alberi raccolti secondo le linee guida intese a garantire buone pratiche forestali.
Il numero di alberi consumati dipende dall'utilizzo di processi meccanici o chimici. È stato stimato che sulla base di una miscela di conifere e latifoglie alte 12 metri e con un tronco con un diametro di 15-20 centimetri, occorrerebbero in media 24 alberi per produrre 0,9 tonnellate di carta da stampa o da scrittura, utilizzando il processo Kraft (pasta chimica). La spappolatura meccanica ha circa il doppio dell'efficienza poiché quasi tutto il legno viene utilizzato per produrre fibre, quindi occorrono circa 12 alberi per produrre 0.9 tonnellate di pasta meccanica o carta da giornale.Trees Into Paper. Conservatree. Retrieved on 2017-01-09.
Preparazione per la spappolatura L'industria della cippatura del legno serve per la produzione della polpa, ma anche per altri prodotti in legno lavorato e pacciame. Solo il durame e l'alburno sono utili per la produzione della polpa. La corteccia contiene relativamente poche fibre utili e viene rimossa e utilizzata come combustibile per fornire vapore da utilizzare nella cartiera. La maggior parte dei processi di spappolamento richiedono che il legno venga tagliato e setacciato per fornire trucioli di dimensioni uniformi.
Spappolamento Esistono diversi procedimenti utilizzabili per separare la fibra di legno.
Pasta meccanica Le macine prodotte con carburo di silicio o ossido di alluminio possono essere utilizzate per spappolare piccoli tronchi di legno chiamati "bulloni" per produrre la così detta pasta di pietra (SGW). Se il legno viene cotto a vapore prima della spappolatura, la pasta viene denominata pasta di legno macinata a pressione (PGW). La maggior parte dei mulini moderni utilizzano trucioli piuttosto che tronchi e dischi di metallo increspati, chiamati piastre raffinatrici, invece di macine. Se i trucioli vengono semplicemente macinati con le piastre, la polpa viene chiamata pasta meccanica raffinata (RMP) e se vengono cotti a vapore mentre vengono raffinati la polpa viene chiamata pasta termomeccanica (TMP). Il trattamento a vapore riduce notevolmente l'energia necessaria per produrre la polpa e diminuisce il danno (taglio) alle fibre. Le paste meccaniche vengono utilizzate per prodotti che richiedono meno forza, come carta da giornale e cartoncini.
Pasta termomeccanica