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Abstract(s)
Tissue paper is truly rooted in the daily life of modern society due to the wide variety of products that make different applications possible. For this type of industry, it is a huge challenge to produce the best products to retain the final consumer. Tissue paper is a paper characterized mainly by its low grammage and tensile strength, and by its high softness, liquid absorption, and elasticity. Depending on the product segment to be produced, it is necessary to consider which of these characteristics are essential, for example, in toilet paper the focus is on softness and absorbency, in kitchen rolls it is on absorbency and wet strength, softness on napkins, absorption and wet strength and softness on facial tissues. These properties must be adapted to meet end consumer requirements, which vary greatly for the different countries in the world. The tissue paper production process uses virgin cellulose as the main raw material and involves two steps: the formation of the tissue paper sheet itself (tissue base paper) and its transformation into different types of finished products. This work essentially addresses this second stage, where the transformation of tissue base paper into finished products takes place and its impact on the properties of the products produced. During the tissue paper base sheet transformation process, also called the conversion process, the properties acquired in the previous step are altered, as the sheet is subjected to successive operations that will permanently deform it. The converting machine is characterized by several operations, the main ones being winding/unwinding, embossing/laminating, perforating, cutting, packaging, and palletizing. The converting process proves to be very complex and has a huge impact on the properties of the finished tissue paper. Embossing is the key operation in the tissue paper transformation process, as it is the one that most affects the final properties of the finished product. This operation consists in marking a pattern on the tissue paper base sheet by applying pressure, with the purpose of producing papers that are more appealing to the final consumer and/or being a mean to recognize a brand. In addition to visually affecting the paper, it also affects the final properties of the finished products, adding a more pronounced third Z dimension with a compression matrix, increasing its liquid absorption capacity and volume, but, on the other hand, reducing its softness and tensile strength.
Since embossing is the most impacting operation in the transformation of tissue paper and taking into account the industrial embossing process, a system was developed that would allow the study on a laboratory scale of the impact of this operation on the physical-mechanical properties of tissue paper, depending on the different operating parameters of the converting machine, such as the finishing of the dots and/or lines of the embossing pattern, hardness of the embossing rubber, pressure, temperature and humidity, both on laboratory sheets (isotropic handsheets) and on industrial base tissue paper (anisotropic and creped sheets). As this laboratory set-up makes it possible to control all the operating parameters individually, it was possible to optimize the embossing process at a laboratory level and its validation was carried out using the finite element method. Thus, for each new unique standard that the tissue paper industry intends to implement, they can test it in the laboratory before making the scale-up.
Using the laboratory embossing system, we started by studying how pressure affects the main properties of tissue paper. Industrial base tissue paper sheets were used and an optimum pressure of 2.8 bar was achieved for this system. It was possible to distinguish two effects that occur in the tissue paper sheet during the embossing operation with pressure, the densification of the sheet and the permanent deformation of the sheet with the mark of the pattern. The effect of pressure when densifying the paper sheet gives it a gain in mechanical strength, but without differences in terms of liquid absorption. The two embossing patterns (deco and micro) showed different behaviors with the effect of pressure, but both showed losses in both mechanical properties and softness. These losses were less pronounced for the pressure 2.8 bar since the densification is maximum for this pressure. On the other hand, the finite element method failed to show how pressure affects paper strength.
Another operating parameter that also impacts the final properties of tissue products is the influence of the hardness of the rubber used in the counter-roller to the embossed steel roll with an engraved pattern. Three different configurations of stacking rubber plates with different hardness on sheets of industrial tissue paper were studied. This study allowed us to conclude that to obtain greater softness, the best solution was where two rubber plates with different hardness were used, and the rubber plate with greater hardness was in contact with the tissue paper sheet. This result corroborates the future industrial trend in which the use of rubber rollers in the embossing operation with an inner layer of low hardness and an outer layer of high hardness is pointed out. The finite element method, in addition to validating the results obtained, proved to be a reliable tool to virtually test other configurations, such as, for example, three or more rubber plates with different hardness. The impact of the geometry of the finishing of the lines and dots of the patterns to be embossed, on the final properties of the tissue paper was another operating parameter object of study. This work was carried out using industrial base tissue paper sheets and it was concluded that although the patterns with straight finish geometry individually presented a higher softness value, when the prototype of a finished product with 2 plies (deco + micro) was assembled, the greater softness was obtained for the round finish geometry. It was confirmed that the softness value decreases with increasing bulk, being more pronounced for the micro embossing pattern. No relevant differences were found in the kinetics of liquid droplet scattering over time, from which it can be inferred that the finish geometry of the lines and dots of the embossing patterns does not affect this property in this type of products. The finite element method also in this case, allowed a better understanding of the effect of the pattern finishing geometry on the tissue paper sheet, and the simulation results matches with the experimental results, showing the same trend where the patterns with round geometry marked more tissue paper sheet than patterns with straight finishing.
The laboratory embossing system was also used to investigate the effect of this converting operation on industrial base tissue paper sheets and handsheets. To evaluate the influence of the embossing patterns, the fiber composition and the creping process, industrial base tissue paper sheets, handsheets produced from a fibrous suspension obtained from the disintegration of the industrial sheet were used as samples (keeping the same fibrous composition) and handsheets produced from a never-dry bleached eucalyptus industrial kraft pulp. The handsheets were produced with a grammage of 17 g/m2 (grammage similar to the industrial base tissue paper) and not pressed. The results indicated that the embossing process produced more bulky and porous structures, at the expense of losses in mechanical and softness properties, which were more pronounced for the micro pattern than for the deco pattern. The effect of fibrous composition showed that an increase in mechanical properties negatively impacted the softness of handsheets. Handsheets composed of 100% eucalyptus showed greater softness than handsheets whose composition is a mixture of short and long fiber. It was found that the crepe existing in the sheet of industrial base tissue paper, gives it a high elongation capacity that is practically non-existent in the handsheets. Furthermore, due to this operation, industrial paper samples have a higher apparent porosity than handsheets samples. The analysis by the finite element method allowed the validation of the experimental results, proving that the micro pattern has a higher stress field value and, consequently, a lower mechanical strength. In addition to the use of the laboratory embossing system and to deepen the impact of embossing on the properties of finished tissue products, other studies were carried out on industrially and commercialized finished products. The absorption capacity, also being a fundamental property of tissue papers, was one of the studies developed. In this work, the absorption capacities of four different industrial base tissue papers were compared, as well as the respective 2-ply industrial toilet papers that they originated. It was concluded that the embossing operation increased the thickness and, consequently, the bulk of the toilet paper. Furthermore, it was also found that among the various samples of toilet paper there was no perceptible variation in the water absorption time, as the samples presented similar morphology and porosity. However, it was found that where bulk increased the most (about 150%), it resulted in an increase in water absorption capacity (about 60%).
Another important study to deepen the embossing operation was the impact of the sequence of stacking a toilet paper with an odd number of plies (in this case 5 plies). The two possible configurations, 1 and 2 (deco:micro pattern of 3:2 and 2:3 plies, respectively) were the object of study. The industrially produced products with both configurations were originated from the same base tissue mother-reels. Overall, the sheet stacking sequence was found to influence the properties of the finished toilet paper. For configurations 1 and 2, after the embossing process, bulk increases of 46% and 40%, respectively, and water absorption capacity increases of 2% and 17%, respectively, were recorded. Regarding the mechanical properties, both configurations had a greater negative impact caused by the deco embossing pattern. For commercial purposes and to meet the preferences of the final consumer, toilet paper with configuration 1 was more suitable for mechanical strength preferences and toilet paper with configuration 2 was the most suitable for preferences of absorbency. Regarding softness, the stacking sequence also affected the results, where configuration 2 proved to be the smoothest and most pleasant to the touch product, with an overall handfeel value of 75.3 HF, and the product produced with configuration 1 presented rougher and less pleasant to the touch, with an overall handfeel value of 68.0 HF.
Another operation that takes place in the converting machine and which also impacts both the properties of this type of product and the operability of the machine itself is the perforating operation. A system was then developed that would allow a laboratory-scale study of the impact of this operation on the perforation efficiency of the finished products. This perforation system applies to all tissue paper products, such as kitchen paper or toilet paper, that need to be portioned according to the needs of the end consumer. The perforations facilitate this portioning, promoting the separation of sheets or services, by the perforation line without tearing them. However, the perforated paper must be strong enough to hold together under a certain tension, but on the other hand it should be weak enough that the sheet or service can be detached from the roll easily, without tearing, with little effort along the straight or patterned horizontal perforated line. This balance is given by the perforation efficiency. The higher the perforation efficiency, the easier the service separation will be. In this context, the developed laboratory perforating system allows testing new types of cuts distances on a laboratory scale, allowing the results to be transposed to an industrial scale, and allows to evaluate problems associated with the perforation of products, as well as testing new cutting patterns.
As customer satisfaction can depend on the perforation performance, the laboratory perforation system was used to perforate different commercial toilet papers (in brands and number of plies) to evaluate their perforation efficiency. With this study, it was verified a stabilization of the perforation efficiency from a cut distance of 6 mm and a 15% increase in the cut distance for the laboratory blade to correspond to the industrial perforation efficiency. The finite element method was also used to simulate the progression curve of perforation efficiency as a function of cut distance. This analysis confirmed the behavior of the evolution of the perforation efficiency with the increase of the cut distance and its stabilization from the cut distance of 6 mm.
Another study with interest to understand the impact of perforation was its evaluation in commercial toilet products. In this work, the mechanical behavior of 15 commercial toilet papers from different European producers, with equally different compositions and number of plies, was studied. A qualitative analysis of the quality of the cuts, together with a quantitative analysis of the dimensions of the same cuts, was performed through an optical system. An analysis using the finite element method was carried out where it was possible to examine the behavior of the stress concentration in the cut hole and the influence of the cut distance. The results showed that a cut distance equal to or less than 2.0 mm should not be used in these types of papers, and the perforation efficiency increased with the increasing of the cut distance, regardless of the number of plies that make up the toilet paper. The stress concentration factor was also determined and a limit value of 0.11 was reached. Toilet papers to tear at the perforation line, as desired, need to have a stress concentration factor above this limit value.
Resuming, it is in the converting machine where value is added to tissue paper products, which is why these machines are constantly evolving. At the beginning of the tissue paper transformation, the paper was rewound by hand on a mandrel and when the first semi-automatic machine appeared, only a few LOGs were wound per minute. Currently, product design plays a very important role, as in addition to its apparent sophistication, it is also the key to optimizing its properties. Therefore, more and more products are embossed and printed, and design patterns are constantly changing and optimizing. Due to market demands, the adaptability of this type of machine and its rapid updating is imperative for the producer, as meeting the requirements of the final consumer is his main motivation. The fact that the automation of the converting machines goes all the way to the end of the line (palletization), allows the producer to better control the quality and price of the product he presents to the consumer, who, in the last analysis, has a greater probability of success for the producer who have the right products that reflect the needs and wants of customers. The advantage will be found in producers who use the latest technology, because with the slowdown in the economy, products will have to be redesigned to find a lower price, which means making an additional effort to produce the products at the lowest cost possible as well as lowering the cost of transportation through distribution channels. This work thus helps the producer to optimize the operating parameters along the converting machine, pointing out some modifications, such as replacing the single hardness rubber roller with one of variable hardness, or finding the optimal pressure of the machine in which the resistance mechanics is maximized, and that when implemented will improve the quality of the product produced, adding value.
The digital twining of the various converting processes, presented here by the finite element method, proved to be a reliable modeling tool to test changes that are intended to be introduced in the process, virtually and with reduced costs. This procedure is a trend in the near future, because it allows optimization in a digital environment, without having to make several attempts and errors to determine the optimal parameters of the processes.
Due to the high competition and secrecy between different tissue paper producers and suppliers, there is little research and publications related to the production and its impact on the final properties of these types of tissue paper products. This thesis shows some advances that have been made in this area of research, since most of the studies referenced here are very recent, which indicates a slight opening of the industry to create partnerships to deepen these mechanical impacts on the properties of finished products.
O papel tissue está verdadeiramente enraizado no cotidiano da sociedade moderna devido à grande variedade de produtos que possibilitam diferentes aplicações. Para este tipo de indústria, é um enorme desafio produzir os melhores produtos para fidelizar o consumidor final. O papel tissue é um papel caracterizado principalmente pela sua baixa gramagem e resistência à tração, e pela sua elevada suavidade, absorção de líquidos e alongamento. Consoante o segmento de produto a ser produzido, tem de se ter em conta qual/quais destas características são essenciais, por exemplo, no papel higiénico o foco é a suavidade e absorção, já nos rolos de cozinha é a absorção e a resistência à tração em húmido, nos guardanapos a suavidade, a absorção e a resistência à tração em húmido e nos lenços faciais a suavidade. Essas propriedades devem ser adaptadas para atender aos requisitos do consumidor final, que variam muito para os diferentes países do mundo. O processo de produção do papel tissue usa a celulose virgem como principal matéria-prima e envolve duas etapas: a formação da própria folha de papel tissue (papel base tissue) e sua transformação em diferentes tipos de produtos acabados. Este trabalho aborda essencialmente esta segunda etapa, onde ocorre a transformação do papel base tissue em produtos acabados e o seu impacto nas propriedades dos produtos produzidos. Durante o processo de transformação da folha base de papel tissue, também chamado de processo de conversão (converting), as propriedades adquiridas na etapa anterior são alteradas, pois a folha é sujeita a sucessivas operações que a vão deformar de forma permanente. A máquina de conversão é caracterizada por diversas operações, sendo as principais: bobinagem/desenrolamento, embossing/laminação, perfuração, corte, embalagem e paletização. O processo de conversão manifesta ser muito complexo e com um enorme impacto nas propriedades do papel tissue acabado. O embossing é a operação chave do processo de transformação do papel tissue, pois é aquela que mais afeta as propriedades finais do produto acabado. Esta operação consiste na marcação de um padrão na folha base de papel tissue por aplicação de pressão, com o propósito de produzir papéis esteticamente mais apelativos ao consumidor final e/ou ser um meio de identificação de uma marca. Para além de afetar visualmente o papel, também afeta as propriedades finais dos produtos acabados, adicionando uma terceira dimensão z com uma matriz de compressão, aumentando sua capacidade de absorção de líquidos e seu volume, mas, por outro lado, reduzindo a sua suavidade e resistência à tração. Sendo a embossing a operação mais impactante da transformação do papel base tissue e tendo em conta o sistema de embossing industrial, foi desenvolvido um sistema que permitisse o estudo à escala laboratorial do impacto desta operação nas propriedades físico-mecânicas do papel tissue, em função dos diferentes parâmetros de operação da máquina de converting, como o acabamento dos pontos e/ou traço que compõem o padrão de embossing, dureza da borracha de embossing, pressão, temperatura e humidade, tanto em folhas laboratoriais (isotrópicas) como em folhas base de papel tissue industrial (anisotrópicas e crepadas). Como este set-up laboratorial permite controlar todos os parâmetros de operação individualmente, foi possível otimizar o processo de embossing a nível laboratorial e foi feita a sua validação pelo método dos elementos finitos. Assim, para cada novo padrão exclusivo que a indústria de papel tissue pretenda implementar, poderá testá-lo laboratorialmente antes de fazer o seu scale-up. Com o sistema de embossing laboratorial primeiramente iniciou-se um estudo para se perceber como a pressão afeta as principais propriedades do papel tissue. Foram usadas folhas de papel base tissue industrial e foi alcançada uma pressão ótima de 2.8 bar para este sistema de embossing laboratorial. Conseguiram-se distinguir dois efeitos que ocorrem na folha de papel base tissue durante a operação de embossing com a pressão, a densificação da folha e a deformação permanente da folha com a marcação do padrão de relevo. O efeito da pressão ao densificar a folha de papel confere-lhe um ganho de resistência mecânica, mas sem diferenças em termos de absorção de líquidos. Os dois padrões de embossing (deco e micro) apresentaram comportamentos diferentes com o efeito da pressão, mas ambos evidenciaram perdas tanto nas propriedades mecânicas como na suavidade. Estas perdas foram menos acentuadas para a pressão 2.8 bar, uma vez que a densificação é máxima para esta pressão. Por outro lado, o método dos elementos finitos (FEM) não conseguiu mostrar como a pressão afeta a resistência do papel. Outro parâmetro de operação que também tem impacto nas propriedades finais dos produtos tissue é a da dureza da borracha utilizada no contra-rolo ao rolo de aço de embossing com padrão gravado. Foram estudadas três configurações diferentes de empilhamento de placas de borracha com durezas diferentes em folhas de papel base tissue industrial. Este estudo permitiu concluir que para se obter uma maior suavidade, a melhor solução foi onde se usaram duas placas de borracha com durezas diferentes, e a placa de borracha com maior dureza estava em contacto com a folha de papel de tissue. Este resultado corrobora a futura tendência industrial em que é apontado o uso de rolos de borracha na operação de embossing com uma camada interna de baixa dureza e uma camada externa de alta dureza. O método de elementos finitos para além de validar os resultados obtidos, mostrou-se uma ferramenta confiável para testar virtualmente outras configurações, como, por exemplo, três ou mais placas de borracha com durezas diferentes. O impacto da geometria do acabamento das linhas e pontos dos padrões a serem gravados nas propriedades finais do papel tissue foi outro parâmetro de operação objeto de estudo. Este trabalho foi desenvolvido recorrendo a folhas de papel base tissue industrial e concluiu-se que embora os padrões com geometria de acabamento reto apresentassem individualmente maior valor de suavidade, quando montado o protótipo de produto acabado com 2 folhas (deco + micro), a maior suavidade foi obtida para a geometria de acabamento redondo. Foi confirmado que o valor de suavidade diminui com o aumento do bulk, sendo mais acentuado para o padrão de embossing micro. Não se encontraram diferenças relevantes na cinética de espalhamento da gota de líquido ao longo do tempo, donde se pode inferir que a geometria de acabamento das linhas e pontos dos padrões de embossing não afeta esta propriedade neste tipo de produtos. O método de elementos finitos também neste caso, permitiu entender melhor o efeito da geometria de acabamento do padrão na folha de papel tissue, e os resultados da simulação estão de acordo com os resultados experimentais, mostrando a mesma tendência onde os padrões com geometria redonda marcaram mais a folha de papel tissue do que os padrões com formas retas. O sistema de embossing laboratorial, também foi usado de modo a investigar o efeito desta operação de converting, em folhas base tissue industriais e em folhas laboratoriais. Para avaliar a influência dos padrões de embossing, a composição das fibras e o processo de crepagem, foram utilizados como amostras folhas de papel base tissue industrial, folhas laboratoriais produzidas a partir de uma suspensão fibrosa obtida da desintegração da folha industrial (mantendo a mesma composição fibrosa) e folhas laboratoriais produzidas a partir de uma pasta kraft industrial de eucalipto branqueada nunca seca. A folhas laboratoriais foram produzidas com uma gramagem de 17 g/m2 (gramagem similar à da folha de papel base tissue industrial) e não prensadas. Os resultados indicaram que o processo de embossing produziu estruturas mais volumosas e mais porosas, à custa de perdas nas propriedades mecânicas e de suavidade, mais acentuadas para o padrão micro do que para o padrão deco. O efeito da composição fibrosa mostrou que um aumento na resistência mecânica impactou negativamente na suavidade das folhas laboratoriais. As folhas laboratoriais de composição 100% eucalipto apresentaram maior suavidade do que as folhas laboratoriais cuja composição é uma mistura de fibra curta e longa. Verificou-se que a crepagem existente na folha de papel base tissue industrial, confere-lhe uma alta capacidade de alongamento que é praticamente inexistente nas folhas de papel laboratorial. Além disso, devido a esta operação, as amostras de papel industriais apresentam uma porosidade aparente maior do que as amostras de papel laboratorial. A análise pelo método de elementos finitos (FEM) permitiu validar os resultados experimentais, comprovando que o padrão micro possui um valor de campo de tensão maior e, consequentemente, uma resistência mecânica menor. Para além do uso do sistema de embossing laboratorial e de modo a aprofundar o impacto da embossing nas propriedades de produtos acabados tissue, foram efetuados outros estudos a partir de produtos acabados industrialmente e comercializados. A capacidade de absorção sendo também uma propriedade fundamental dos papéis tissue, foi um dos estudos desenvolvidos. Neste trabalho, foram comparadas as capacidades de absorção de quatro papéis base tissue industriais diferentes, bem como os respetivos papéis higiénicos industriais de 2 folhas a que deram origem. Concluiu-se que a operação de embossing aumentou notoriamente a espessura e consequentemente, o bulk do papel higiénico. Além disso, verificou-se também que entre as várias amostras de papel higiénico não houve variação percetível no tempo de absorção de água, pois as amostras apresentaram morfologia e porosidade semelhantes. No entanto, verificou-se que onde bulk aumentou mais (cerca de 150%), resultou num aumento da capacidade de absorção de água (cerca de 60%). Outro estudo importante para aprofundar a operação de embossing foi o impacto da sequência de empilhamento de um papel higiénico com número de folhas ímpar (neste caso 5 folhas). As duas configurações possíveis, 1 e 2 (padrão deco:micro de 3:2 e 2:3 folhas, respetivamente) foram objeto de estudo. Os produtos produzidos industrialmente com as duas configurações, tiveram origem nas mesmas bobines mãe de papel base tissue. Globalmente, verificou-se que a sequência de empilhamento das folhas influenciou as propriedades do papel higiénico acabado. Para as configurações 1 e 2, após o processo de embossing, foram registados aumentos de bulk de 46% e 40%, respetivamente, e aumentos de capacidade de absorção de água de 2% e 17%, respetivamente. Em relação às propriedades mecânicas, ambas as configurações apresentaram maior impacto negativo causado pelo padrão de embossing deco. Para fins comerciais e para atender às preferências do consumidor final, o papel higiénico com a configuração 1 apresentou-se mais adequado para preferências de resistência mecânica e o papel higiénico com a configuração 2 foi o que se apresentou mais adequado para preferências de capacidade de absorção. Em relação à suavidade, a sequência de empilhamento também afetou os resultados, onde a configuração 2 se revelou o produto mais macio e agradável ao toque, com um valor global de handfeel de 75.3 HF, e o produto produzido com a configuração 1 apresentou-se mais áspero e menos agradável ao toque, com um valor global de handfeel de 68.0 HF. Outra operação que ocorre na máquina de converting e que também tem impacto tanto nas propriedades deste tipo de produtos, como na operabilidade da própria máquina, é a operação de perfuração ou picotagem. Foi também desenvolvido um sistema que permitisse o estudo à escala laboratorial do impacto desta operação na eficiência de perfuração dos produtos acabados. Este sistema de perfuração aplica-se a todos produtos de papel tissue, tais como papel de cozinha ou papel higiénico, que necessitem de ser particionados de acordo com as necessidades do consumidor final. As perfurações facilitam esse particionamento, promovendo a separação das folhas ou serviços, pela linha de perfuração sem os rasgar. Porém, o papel perfurado tem de ser suficientemente forte para se manter unido sob uma certa tensão, mas por outro lado tem de ser fraco o suficiente para que a folha ou serviço possa ser destacado do rolo de modo fácil, sem rasgar, com pouco esforço e ao longo da linha perfurada horizontal reta ou padronizada. Este equilíbrio é dado pela eficiência de perfuração. Quanto maior a eficiência de perfuração, mais fácil será a separação do serviço. Neste contexto, o sistema de perfuração laboratorial desenvolvido, permite testar novos tipos de perfuração à escala laboratorial, permitindo transpor os resultados à escala industrial, e avaliar problemas associados com a perfuração dos produtos, bem como testar novos padrões de perfuração. Como a satisfação do consumidor pode depender do desempenho da perfuração, foi utilizado o sistema de perfuração laboratorial para perfurar diferentes papéis higiénicos comerciais (em marcas e número de folhas) para avaliar sua eficiência de perfuração. Com este estudo verificou-se uma estabilização da eficiência de perfuração a partir de uma distância de corte de 6 mm e um acréscimo de 15% na distância de corte para a lâmina de laboratório para corresponder à eficiência de perfuração industrial. Foi também utilizado o método de elementos finitos (FEM) para simular a curva de progressão da eficiência de perfuração em função da distância de corte. Desta análise confirmou-se o comportamento da evolução da eficiência de perfuração com o aumento da distância de corte e a sua estabilização a partir da distância de corte de 6 mm. Outro estudo com interesse para compreender o impacto da perfuração, foi a avaliação da perfuração de produtos higiénicos comerciais. Neste trabalho, foram estudados os comportamentos mecânicos de 15 papéis comerciais de diferentes produtores europeus, com composições e número de folhas igualmente diferentes. Uma análise qualitativa da qualidade dos cortes, juntamente com uma análise quantitativa das dimensões dos mesmos cortes foi realizada através de um sistema ótico. Uma análise usando o método de elementos finitos foi efetuada onde se conseguiu examinar o comportamento da concentração de tensões no furo da perfuração e a influência da distância de corte. Os resultados mostraram que uma distância de corte igual ou inferior a 2.0 mm não deve ser utilizada nestes tipos de papéis, e a eficiência de perfuração aumentou com o aumento da distância de corte, independente do número de folhas que compõem o papel higiénico. O fator de concentração de tensões também foi determinado e chegou-se a um valor limite de 0.11. Papéis higiénicos para rasgarem na linha de perfuração, conforme desejado, precisam de ter um fator de concentração de tensões acima deste valor limite. Resumindo, é na máquina de converting onde se acrescenta valor aos produtos de papel tissue, e por isso estas máquinas estão em constante evolução. No início da transformação do papel tissue, o papel era rebobinado à mão num mandril e quando apareceu a primeira máquina semiautomática eram enrolados apenas alguns LOGs por minuto. Atualmente, o design do produto tem um papel muito importante, pois para além da aparente sofisticação é também a chave para a otimização das suas propriedades. Por isso, cada vez mais se usa o embossing e a impressão neste tipo de produtos, e os padrões de design estão em constante mudança e otimização. Devido às exigências de mercado, é imperativo para o produtor a adaptabilidade deste tipo máquina e a sua rápida atualização, pois responder aos requisitos do consumidor final é a sua principal motivação. O facto de a automação das máquinas de converting ir até ao fim da linha (paletização), permite ao produtor controlar melhor a qualidade e o preço do produto que apresenta ao consumidor, que, em última análise, tem maior probabilidade de sucesso o produtor que tiver os produtos certos e que reflitam as necessidades e desejos dos clientes. A vantagem vai se encontrar nos produtores que utilizam a tecnologia mais recente, pois com a desaceleração da economia, os produtos vão ter de ser redesenhados de modo a encontrar um preço mais baixo, o que significa fazer um esforço adicional para produzir os produtos ao menor custo assim como baixar o custo de transporte pelos canais de distribuição. Este trabalho permite assim auxiliar o produtor a otimizar os parâmetros de operação ao longo da máquina de converting, apontando algumas modificações, como substituir o rolo de borracha de dureza única por um de dureza variável, ou encontrar a pressão ótima da máquina em que a resistência mecânica é maximizada, e que ao serem implementadas vão melhorar a qualidade do produto produzido, agregando-lhe valor. O digital twining dos vários processos de converting, aqui apresentado pelo método de elementos finitos, demostrou ser uma ferramenta de modelação fiável para testar alterações que se queiram introduzir no processo, virtualmente e com custos reduzidos. Este procedimento é uma tendência num futuro próximo, porque permite a otimização em ambiente digital, sem necessitar de proceder a diversas tentativas erro para determinar os parâmetros ótimos dos processos. Devido à elevada concorrência e sigilo entre os diferentes produtores e fornecedores de papel tissue, existem poucas pesquisas e publicações relacionadas com a produção e seu impacto nas propriedades finais destes tipos de produtos de papel tissue. Esta tese, mostra alguns avanços que se fez e que se tem feito nesta área de pesquisa, pois a maioria dos estudos aqui referenciados são muito recentes o que indica uma ligeira abertura da indústria em criar parcerias para aprofundar estes impactos mecânicos nas propriedades dos produtos acabados.
O papel tissue está verdadeiramente enraizado no cotidiano da sociedade moderna devido à grande variedade de produtos que possibilitam diferentes aplicações. Para este tipo de indústria, é um enorme desafio produzir os melhores produtos para fidelizar o consumidor final. O papel tissue é um papel caracterizado principalmente pela sua baixa gramagem e resistência à tração, e pela sua elevada suavidade, absorção de líquidos e alongamento. Consoante o segmento de produto a ser produzido, tem de se ter em conta qual/quais destas características são essenciais, por exemplo, no papel higiénico o foco é a suavidade e absorção, já nos rolos de cozinha é a absorção e a resistência à tração em húmido, nos guardanapos a suavidade, a absorção e a resistência à tração em húmido e nos lenços faciais a suavidade. Essas propriedades devem ser adaptadas para atender aos requisitos do consumidor final, que variam muito para os diferentes países do mundo. O processo de produção do papel tissue usa a celulose virgem como principal matéria-prima e envolve duas etapas: a formação da própria folha de papel tissue (papel base tissue) e sua transformação em diferentes tipos de produtos acabados. Este trabalho aborda essencialmente esta segunda etapa, onde ocorre a transformação do papel base tissue em produtos acabados e o seu impacto nas propriedades dos produtos produzidos. Durante o processo de transformação da folha base de papel tissue, também chamado de processo de conversão (converting), as propriedades adquiridas na etapa anterior são alteradas, pois a folha é sujeita a sucessivas operações que a vão deformar de forma permanente. A máquina de conversão é caracterizada por diversas operações, sendo as principais: bobinagem/desenrolamento, embossing/laminação, perfuração, corte, embalagem e paletização. O processo de conversão manifesta ser muito complexo e com um enorme impacto nas propriedades do papel tissue acabado. O embossing é a operação chave do processo de transformação do papel tissue, pois é aquela que mais afeta as propriedades finais do produto acabado. Esta operação consiste na marcação de um padrão na folha base de papel tissue por aplicação de pressão, com o propósito de produzir papéis esteticamente mais apelativos ao consumidor final e/ou ser um meio de identificação de uma marca. Para além de afetar visualmente o papel, também afeta as propriedades finais dos produtos acabados, adicionando uma terceira dimensão z com uma matriz de compressão, aumentando sua capacidade de absorção de líquidos e seu volume, mas, por outro lado, reduzindo a sua suavidade e resistência à tração. Sendo a embossing a operação mais impactante da transformação do papel base tissue e tendo em conta o sistema de embossing industrial, foi desenvolvido um sistema que permitisse o estudo à escala laboratorial do impacto desta operação nas propriedades físico-mecânicas do papel tissue, em função dos diferentes parâmetros de operação da máquina de converting, como o acabamento dos pontos e/ou traço que compõem o padrão de embossing, dureza da borracha de embossing, pressão, temperatura e humidade, tanto em folhas laboratoriais (isotrópicas) como em folhas base de papel tissue industrial (anisotrópicas e crepadas). Como este set-up laboratorial permite controlar todos os parâmetros de operação individualmente, foi possível otimizar o processo de embossing a nível laboratorial e foi feita a sua validação pelo método dos elementos finitos. Assim, para cada novo padrão exclusivo que a indústria de papel tissue pretenda implementar, poderá testá-lo laboratorialmente antes de fazer o seu scale-up. Com o sistema de embossing laboratorial primeiramente iniciou-se um estudo para se perceber como a pressão afeta as principais propriedades do papel tissue. Foram usadas folhas de papel base tissue industrial e foi alcançada uma pressão ótima de 2.8 bar para este sistema de embossing laboratorial. Conseguiram-se distinguir dois efeitos que ocorrem na folha de papel base tissue durante a operação de embossing com a pressão, a densificação da folha e a deformação permanente da folha com a marcação do padrão de relevo. O efeito da pressão ao densificar a folha de papel confere-lhe um ganho de resistência mecânica, mas sem diferenças em termos de absorção de líquidos. Os dois padrões de embossing (deco e micro) apresentaram comportamentos diferentes com o efeito da pressão, mas ambos evidenciaram perdas tanto nas propriedades mecânicas como na suavidade. Estas perdas foram menos acentuadas para a pressão 2.8 bar, uma vez que a densificação é máxima para esta pressão. Por outro lado, o método dos elementos finitos (FEM) não conseguiu mostrar como a pressão afeta a resistência do papel. Outro parâmetro de operação que também tem impacto nas propriedades finais dos produtos tissue é a da dureza da borracha utilizada no contra-rolo ao rolo de aço de embossing com padrão gravado. Foram estudadas três configurações diferentes de empilhamento de placas de borracha com durezas diferentes em folhas de papel base tissue industrial. Este estudo permitiu concluir que para se obter uma maior suavidade, a melhor solução foi onde se usaram duas placas de borracha com durezas diferentes, e a placa de borracha com maior dureza estava em contacto com a folha de papel de tissue. Este resultado corrobora a futura tendência industrial em que é apontado o uso de rolos de borracha na operação de embossing com uma camada interna de baixa dureza e uma camada externa de alta dureza. O método de elementos finitos para além de validar os resultados obtidos, mostrou-se uma ferramenta confiável para testar virtualmente outras configurações, como, por exemplo, três ou mais placas de borracha com durezas diferentes. O impacto da geometria do acabamento das linhas e pontos dos padrões a serem gravados nas propriedades finais do papel tissue foi outro parâmetro de operação objeto de estudo. Este trabalho foi desenvolvido recorrendo a folhas de papel base tissue industrial e concluiu-se que embora os padrões com geometria de acabamento reto apresentassem individualmente maior valor de suavidade, quando montado o protótipo de produto acabado com 2 folhas (deco + micro), a maior suavidade foi obtida para a geometria de acabamento redondo. Foi confirmado que o valor de suavidade diminui com o aumento do bulk, sendo mais acentuado para o padrão de embossing micro. Não se encontraram diferenças relevantes na cinética de espalhamento da gota de líquido ao longo do tempo, donde se pode inferir que a geometria de acabamento das linhas e pontos dos padrões de embossing não afeta esta propriedade neste tipo de produtos. O método de elementos finitos também neste caso, permitiu entender melhor o efeito da geometria de acabamento do padrão na folha de papel tissue, e os resultados da simulação estão de acordo com os resultados experimentais, mostrando a mesma tendência onde os padrões com geometria redonda marcaram mais a folha de papel tissue do que os padrões com formas retas. O sistema de embossing laboratorial, também foi usado de modo a investigar o efeito desta operação de converting, em folhas base tissue industriais e em folhas laboratoriais. Para avaliar a influência dos padrões de embossing, a composição das fibras e o processo de crepagem, foram utilizados como amostras folhas de papel base tissue industrial, folhas laboratoriais produzidas a partir de uma suspensão fibrosa obtida da desintegração da folha industrial (mantendo a mesma composição fibrosa) e folhas laboratoriais produzidas a partir de uma pasta kraft industrial de eucalipto branqueada nunca seca. A folhas laboratoriais foram produzidas com uma gramagem de 17 g/m2 (gramagem similar à da folha de papel base tissue industrial) e não prensadas. Os resultados indicaram que o processo de embossing produziu estruturas mais volumosas e mais porosas, à custa de perdas nas propriedades mecânicas e de suavidade, mais acentuadas para o padrão micro do que para o padrão deco. O efeito da composição fibrosa mostrou que um aumento na resistência mecânica impactou negativamente na suavidade das folhas laboratoriais. As folhas laboratoriais de composição 100% eucalipto apresentaram maior suavidade do que as folhas laboratoriais cuja composição é uma mistura de fibra curta e longa. Verificou-se que a crepagem existente na folha de papel base tissue industrial, confere-lhe uma alta capacidade de alongamento que é praticamente inexistente nas folhas de papel laboratorial. Além disso, devido a esta operação, as amostras de papel industriais apresentam uma porosidade aparente maior do que as amostras de papel laboratorial. A análise pelo método de elementos finitos (FEM) permitiu validar os resultados experimentais, comprovando que o padrão micro possui um valor de campo de tensão maior e, consequentemente, uma resistência mecânica menor. Para além do uso do sistema de embossing laboratorial e de modo a aprofundar o impacto da embossing nas propriedades de produtos acabados tissue, foram efetuados outros estudos a partir de produtos acabados industrialmente e comercializados. A capacidade de absorção sendo também uma propriedade fundamental dos papéis tissue, foi um dos estudos desenvolvidos. Neste trabalho, foram comparadas as capacidades de absorção de quatro papéis base tissue industriais diferentes, bem como os respetivos papéis higiénicos industriais de 2 folhas a que deram origem. Concluiu-se que a operação de embossing aumentou notoriamente a espessura e consequentemente, o bulk do papel higiénico. Além disso, verificou-se também que entre as várias amostras de papel higiénico não houve variação percetível no tempo de absorção de água, pois as amostras apresentaram morfologia e porosidade semelhantes. No entanto, verificou-se que onde bulk aumentou mais (cerca de 150%), resultou num aumento da capacidade de absorção de água (cerca de 60%). Outro estudo importante para aprofundar a operação de embossing foi o impacto da sequência de empilhamento de um papel higiénico com número de folhas ímpar (neste caso 5 folhas). As duas configurações possíveis, 1 e 2 (padrão deco:micro de 3:2 e 2:3 folhas, respetivamente) foram objeto de estudo. Os produtos produzidos industrialmente com as duas configurações, tiveram origem nas mesmas bobines mãe de papel base tissue. Globalmente, verificou-se que a sequência de empilhamento das folhas influenciou as propriedades do papel higiénico acabado. Para as configurações 1 e 2, após o processo de embossing, foram registados aumentos de bulk de 46% e 40%, respetivamente, e aumentos de capacidade de absorção de água de 2% e 17%, respetivamente. Em relação às propriedades mecânicas, ambas as configurações apresentaram maior impacto negativo causado pelo padrão de embossing deco. Para fins comerciais e para atender às preferências do consumidor final, o papel higiénico com a configuração 1 apresentou-se mais adequado para preferências de resistência mecânica e o papel higiénico com a configuração 2 foi o que se apresentou mais adequado para preferências de capacidade de absorção. Em relação à suavidade, a sequência de empilhamento também afetou os resultados, onde a configuração 2 se revelou o produto mais macio e agradável ao toque, com um valor global de handfeel de 75.3 HF, e o produto produzido com a configuração 1 apresentou-se mais áspero e menos agradável ao toque, com um valor global de handfeel de 68.0 HF. Outra operação que ocorre na máquina de converting e que também tem impacto tanto nas propriedades deste tipo de produtos, como na operabilidade da própria máquina, é a operação de perfuração ou picotagem. Foi também desenvolvido um sistema que permitisse o estudo à escala laboratorial do impacto desta operação na eficiência de perfuração dos produtos acabados. Este sistema de perfuração aplica-se a todos produtos de papel tissue, tais como papel de cozinha ou papel higiénico, que necessitem de ser particionados de acordo com as necessidades do consumidor final. As perfurações facilitam esse particionamento, promovendo a separação das folhas ou serviços, pela linha de perfuração sem os rasgar. Porém, o papel perfurado tem de ser suficientemente forte para se manter unido sob uma certa tensão, mas por outro lado tem de ser fraco o suficiente para que a folha ou serviço possa ser destacado do rolo de modo fácil, sem rasgar, com pouco esforço e ao longo da linha perfurada horizontal reta ou padronizada. Este equilíbrio é dado pela eficiência de perfuração. Quanto maior a eficiência de perfuração, mais fácil será a separação do serviço. Neste contexto, o sistema de perfuração laboratorial desenvolvido, permite testar novos tipos de perfuração à escala laboratorial, permitindo transpor os resultados à escala industrial, e avaliar problemas associados com a perfuração dos produtos, bem como testar novos padrões de perfuração. Como a satisfação do consumidor pode depender do desempenho da perfuração, foi utilizado o sistema de perfuração laboratorial para perfurar diferentes papéis higiénicos comerciais (em marcas e número de folhas) para avaliar sua eficiência de perfuração. Com este estudo verificou-se uma estabilização da eficiência de perfuração a partir de uma distância de corte de 6 mm e um acréscimo de 15% na distância de corte para a lâmina de laboratório para corresponder à eficiência de perfuração industrial. Foi também utilizado o método de elementos finitos (FEM) para simular a curva de progressão da eficiência de perfuração em função da distância de corte. Desta análise confirmou-se o comportamento da evolução da eficiência de perfuração com o aumento da distância de corte e a sua estabilização a partir da distância de corte de 6 mm. Outro estudo com interesse para compreender o impacto da perfuração, foi a avaliação da perfuração de produtos higiénicos comerciais. Neste trabalho, foram estudados os comportamentos mecânicos de 15 papéis comerciais de diferentes produtores europeus, com composições e número de folhas igualmente diferentes. Uma análise qualitativa da qualidade dos cortes, juntamente com uma análise quantitativa das dimensões dos mesmos cortes foi realizada através de um sistema ótico. Uma análise usando o método de elementos finitos foi efetuada onde se conseguiu examinar o comportamento da concentração de tensões no furo da perfuração e a influência da distância de corte. Os resultados mostraram que uma distância de corte igual ou inferior a 2.0 mm não deve ser utilizada nestes tipos de papéis, e a eficiência de perfuração aumentou com o aumento da distância de corte, independente do número de folhas que compõem o papel higiénico. O fator de concentração de tensões também foi determinado e chegou-se a um valor limite de 0.11. Papéis higiénicos para rasgarem na linha de perfuração, conforme desejado, precisam de ter um fator de concentração de tensões acima deste valor limite. Resumindo, é na máquina de converting onde se acrescenta valor aos produtos de papel tissue, e por isso estas máquinas estão em constante evolução. No início da transformação do papel tissue, o papel era rebobinado à mão num mandril e quando apareceu a primeira máquina semiautomática eram enrolados apenas alguns LOGs por minuto. Atualmente, o design do produto tem um papel muito importante, pois para além da aparente sofisticação é também a chave para a otimização das suas propriedades. Por isso, cada vez mais se usa o embossing e a impressão neste tipo de produtos, e os padrões de design estão em constante mudança e otimização. Devido às exigências de mercado, é imperativo para o produtor a adaptabilidade deste tipo máquina e a sua rápida atualização, pois responder aos requisitos do consumidor final é a sua principal motivação. O facto de a automação das máquinas de converting ir até ao fim da linha (paletização), permite ao produtor controlar melhor a qualidade e o preço do produto que apresenta ao consumidor, que, em última análise, tem maior probabilidade de sucesso o produtor que tiver os produtos certos e que reflitam as necessidades e desejos dos clientes. A vantagem vai se encontrar nos produtores que utilizam a tecnologia mais recente, pois com a desaceleração da economia, os produtos vão ter de ser redesenhados de modo a encontrar um preço mais baixo, o que significa fazer um esforço adicional para produzir os produtos ao menor custo assim como baixar o custo de transporte pelos canais de distribuição. Este trabalho permite assim auxiliar o produtor a otimizar os parâmetros de operação ao longo da máquina de converting, apontando algumas modificações, como substituir o rolo de borracha de dureza única por um de dureza variável, ou encontrar a pressão ótima da máquina em que a resistência mecânica é maximizada, e que ao serem implementadas vão melhorar a qualidade do produto produzido, agregando-lhe valor. O digital twining dos vários processos de converting, aqui apresentado pelo método de elementos finitos, demostrou ser uma ferramenta de modelação fiável para testar alterações que se queiram introduzir no processo, virtualmente e com custos reduzidos. Este procedimento é uma tendência num futuro próximo, porque permite a otimização em ambiente digital, sem necessitar de proceder a diversas tentativas erro para determinar os parâmetros ótimos dos processos. Devido à elevada concorrência e sigilo entre os diferentes produtores e fornecedores de papel tissue, existem poucas pesquisas e publicações relacionadas com a produção e seu impacto nas propriedades finais destes tipos de produtos de papel tissue. Esta tese, mostra alguns avanços que se fez e que se tem feito nesta área de pesquisa, pois a maioria dos estudos aqui referenciados são muito recentes o que indica uma ligeira abertura da indústria em criar parcerias para aprofundar estes impactos mecânicos nas propriedades dos produtos acabados.
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