RESUMO. Palavras chave: desagregação, reciclagem, embalagens cartonadas, polpa celulósica. ABSTRACT

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1 COMPARAÇÃO DE PROCESSOS DE DESAGREGAÇÃO DE EMBALAGENS CARTONADAS ASSÉPTICAS E SEUS REFLEXOS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DA POLPA CELULÓSICA Felipe Massucato 1, Edy Merendino 1,2, Fernando Neves 1,3, Marcelo Piva 1 1 Tetra Pak. Brasil 2 Msc 3 PhD RESUMO Este trabalho apresenta e discute as propriedades mecânicas de pastas celulósicas oriundas de diferentes processos de desagregação de embalagens pós-consumo da Tetra Pak. Foram avaliados os processos de desagregação em baixa e alta consistência e em processo alternativo com uso de centrífuga desenvolvida para processos em pequena escala. A partir dos ensaios físicos, obtiveram-se os valores de alongamento, permeância ao ar e rigidez, e os índices de tração, rasgo, esmagamento (Concora Medium Test e Ring Crush Test) e arrebentamento. As propriedades estudadas apresentaram variações pouco significantes nos processos a baixa e alta consistência, tendo sido produzidas, em ambos os casos, polpas compatíveis ao mercado de polpa celulósica para produção de papel ondulado, sacos de cimento, tubetes etc. Palavras chave: desagregação, reciclagem, embalagens cartonadas, polpa celulósica. ABSTRACT This paper presents and discusses the mechanical properties of pulps from distinct repulping processes upon Tetra Pak post-consumption packages. The repulping processes at low and high consistence were evaluated, as well as an alternative process using a small scale centrifuge. Through the tests, the values of stretch, air permeability, stiffness, index of tensile, tearing, crushing (CMT and RCT) and bursting were obtained. These properties have not showed significant variations between the processes at low and high consistence, and both cases produced are compatible with the regular pulp for the production of packaging papers, cement bags, paper core etc. Keywords: repulping, recycling, carton packages, pulp.

2 2 1. INTRODUÇÃO 1.1 Embalagem longa vida A crescente preocupação em busca do desenvolvimento sustentável tem se aliado ao desenvolvimento tecnológico para a produção de matérias-primas que agreguem valor aos produtos sem deixar de atender às demandas ambientais e sociais. As embalagens cartonadas Tetra Brik Aseptic, utilizadas para envase asséptico de alimentos após o processo de ultra-pasteurização, são constituídas por três matérias primas: papel duplex fibra virgem (75% em massa), polietileno de baixa densidade (20%) e alumínio (5%). Popularmente conhecida como longa vida, a embalagem é composta por seis camadas, sendo do interior para o exterior: polietileno, polietileno, alumínio, polietileno, papel e polietileno. As camadas internas de polietileno têm a função de impermeabilizar a embalagem internamente e evitar o contato do alimento com o alumínio, que por sua vez impede a entrada de luz e ar, garantindo a preservação do alimento. Por força de legislação, o papel com o qual são fabricadas as embalagens provém de celulose virgem, não podendo conter nem em parte fibras recicladas pós consumo. Este fato torna interessante o aproveitamento deste material como fonte de fibra virgem para ser utilizada no processo, agregando qualidade e ganhos em propriedades mecânicas interessantes ao papel reciclado que será produzido com esta matéria prima [1]. Através do desenvolvimento de tecnologias adequadas, do incentivo à coleta seletiva junto às prefeituras, cooperativas e comércios, e da educação ambiental da população, atingiu-se a taxa de 27% de embalagens longa vida recicladas no Brasil em 2011[2]. Este dado acompanha a evolução gradual do valor pago pela indústria nesse material, que era de R$ 40,00/ton em 1997, quando iniciou-se o seu uso para a produção de papel, e hoje está na faixa de R$ 300,00 a R$ 400,00/ton [2], dependendo da região e do produto final a qual o material é destinado. 1.2 Processos de desagregação A desagregação das embalagens longa vida pode ser feita em diversos tipos de processos. As primeiras plantas implantadas utilizaram-se de desagregação em drum pulper, onde as embalagens são alimentadas continuamente e a polpa também é extraída de forma contínua. Neste tipo de processo o polietileno e o alumínio saem ao final do sistema. Para a instalação é necessária uma grande área e um valor de investimento superior ao do hidrapulper. No Brasil, a maioria das empresas fabricantes de papel reciclado faz a desagregação em hidrapulper a baixa (4% a 6%), média (8% a 12%) ou alta consistência (15% a 19%). Atualmente há diversas empresas utilizando embalagens cartonadas longa vida como matériaprima para o processo de fabricação de papel. Para os mesmos valores de grau Shopper Riegler, a desagregação em alta consistência favorece a resistência ao alongamento das fibras enquanto que desagregação a baixa consistência favorece a resistência ao rasgo, já a resistência à tração e ao arrebentamento praticamente apresentam os mesmos valores para ambos os sistemas [3]. A Figura 1 e a Figura 2 mostram sistemas de desagregação em hidrapulper batelada para baixa e alta consistência. Figura 1: Processo em baixa consistência. Figura 2: Processo em alta consistência.

3 3 A maioria das fábricas que utilizam a embalagem longa vida no Brasil usam processos em batelada, onde a cada carga, após a polpa ser bombeada para tanques de máquina, o polietileno juntamente com o alumínio são descarregados por uma saída lateral. Em trabalho realizado com desagregação a média consistência em fábrica de papel no Canadá [4], obtevese tempos de desagregação da ordem de 15 minutos. A média dos tempos de desagregação de embalagens em instalações existentes no Brasil e América Latina, sendo a maioria instalações de baixa consistência, foi também de 15 minutos, sendo ainda necessário mais 15 minutos para o bombeamento da polpa e limpeza do rejeito ainda no hidrapulper. A etapa de limpeza é feita inserindo mais água no equipamento após o bombeamento da polpa com o objetivo de extrair o máximo de material fibroso do rejeito. Algumas instalações, porém não possuem unidade de espessamento da polpa após o hidrapulper, sendo esta enviada diretamente para depuração e refino o que impossibilita esta operação acarretando grandes perdas de fibra junto com o rejeito. A solução mais simples é usar peneiras tipo Side Hill para drenar a água e espessar a polpa recuperada. A Figura 3 mostra uma peneira Side Hill fabricada de madeira que tem sido largamente utilizada por pequenas empresas com custo bastante reduzido e com excelentes resultados. Figura 3: Peneira Side Hill. Figura 4: Sistema de descarga do rejeito. Após vários ciclos de limpeza do rejeito com drenagem da água o polietileno com alumínio é descarregado através de uma saída lateral no hidrapulper. Em geral, o diâmetro desta tubulação fica entre 12 (Figura 4) e 16 polegadas. Com este sistema, um hidrapulper de baixa consistência pode desagregar uma batelada a cada 30 minutos efetuando entre 3 e 5 ciclos de limpeza após o bombeamento da polpa nos 15 minutos finais. Com este processo a quantidade de fibra agregada no rejeito representa entre 5% e 7% da massa residual. Considerando que a embalagem longa vida possui 75% de papel, esta perda representa cerca de 2% de perda de material fibroso. A Figura 5 mostra o processo durante os ciclos de limpeza do rejeito e o aspecto do material no final do processo. Figura 5: Polietileno & Alumínio após operação de extração de fibras. Outro fator importante no processo de desagregação de embalagens longa vida é o tipo de rotor utilizado, já que devem ser evitados rotores com cortes. O objetivo é retirar o rejeito ainda no hidrapulper. Rotores com cortes promovem a redução do plástico com alumínio que acabam por passar pela furação da peneira do hidrapulper. Os diâmetros do furo das peneiras verificados em testes e operações em bateladas variam de 4mm a 12mm. Para processos de média e alta consistência são utilizados rotores hélicos, conforme mostrado na Figura 6.

4 4 Baixa consistência Média consistência Alta consistência Figura 6: Rotores sem cortes usados em sistemas em baixa, média e alta consistência para desagregação de Embalagens Longa Vida. Como alternativa aos pulpers, foi desenvolvido um processo de desagregação com equipamento centrífugo, denominado desagregador (Figura 7), que separa o do papel das embalagens longa vida em bateladas que levam de 5 a 10 minutos e utilizam uma quantidade baixa de água. Este é um equipamento viabilizado para média produção que originalmente foi desenvolvido para a lavagem do composto de polietileno e alumínio resultante do processo de desagregação em hidrapulper, mas que foi adaptado para o processamento de embalagens inteiras, provocando mais cortes nas fibras. Esse corte excessivo faz com que haja prejuízo nas propriedades das fibras. Figura 7: Desagregador para média produção e detalhe do rotor. 1.2 Propriedades do Papel O fato de ser a primeira reciclagem traz um grande benefício ao se utilizar embalagens longa vida no processo de fabricação de produtos que necessitem de características o mais próximo possível da celulose, como caixas de papelão e tubetes. As fibras das embalagens estão mais preservadas e com melhor interação entre elas, o que começa a mudar conforme realiza-se os ciclos de reciclagem (Figura 8). Em trabalho anterior [5], a inserção de material fibroso proveniente de embalagens longa vida na composição de cartões duplex reciclados interferiu positivamente nas características destes. O resultado obtido foi a manutenção das propriedades do cartão mesmo após cinco reciclos. Neste trabalho, conclui-se que existe uma relação entre o corte dos traqueídeos (fibra longa) durante o reciclo e as propriedades de resistência ao rasgo e arrebentamento, além disso, conclui-se que o uso de material fibroso de embalagens longa vida elevaram as resistências a dobras duplas, índices de tração, arrebentamento e rasgo.

5 5 Microfotografia no primeiro reciclo Microfotografia após o quarto reciclo Figura 8: Microfoto referente ao primeiro reciclo e após quatro reciclos de cartões duplex usando fibras de embalagens longa vida na composição do verso. 2. MÉTODOS Foram coletadas cinco diferentes amostras de embalagens longa vida para realização dos testes físicos: material laminado pré consumo, polpa reciclada em processo de desagregação à alta consistência, polpa reciclada em processo à baixa consistência e polpa reciclada em equipamento centrífugo desenvolvido especificamente para a desagregação da embalagem longa vida. As amostras foram enviadas ao Laboratório de Papel e Celulose do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), onde foram desagregadas para a formação das pastas celulósica, que foram denominadas ponto zero (sem refino). Para o levantamento dos demais pontos da curva, as amostras foram desagregadas e submetidas ao processo de refino em refinador Valley. O chamado grau de refino foi determinado pela resistência à drenagem das pastas, pelo aparelho Schopper Riegler. A partir destas pastas celulósicas foram formadas folhas em laboratório. A partir dos ensaios físicos, obtiveram-se cinco determinações dos valores de alongamento, permeância ao ar e rigidez, e os índices de tração, rasgo, esmagamento (Concora Medium Test e Ring Crush Test) e arrebentamento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para a análise dos dados, as amostras foram denominadas conforme exposto na Tabela 1. Tabela 1: Denominação das amostras. Origem do material Denominação Laminado pré consumo Amostra 1 Desagregação em centrífuga Amostra 2 Desagregação a alta consistência Amostra 3 Desagregação a baixa consistência Amostra 4 As fibras foram submetidas aos ensaios físicos de alongamento, arrebentamento, permeância ao ar, rigidez (resistência a flexão), tração, esmagamento (Concora Medium Test e Ring Crush Test) e rasgo [6]. Os valores médios de cinco determinações para cada amostra são apresentados nas Figuras 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 e 16.

6 6 Figura 9: Índice de rasgo da fibra vs SR Figura 10: Alongamento da fibra vs SR. Figura 11: Índice de arrebentamento vs SR. Figura 12: Permeância ao ar vs SR. Figura 13: Resistência à flexão da fibra vs SR. Figura 14: Índice de tração da fibra vs SR. Figura 15: CMT vs SR. Figura 16: RCT vs SR. Para os ensaios feitos, refinou-se as amostra até cerca de 60 SR, obtendo-se uma faixa de análise que abrange diversos produtos na indústria. Através dos gráficos, pode-se notar que o

7 7 ponto zero das amostras 1, 2 e 4 corresponde a aproximadamente 20 SR, enquanto a amostra 3 apresenta um grau de refino inicial de 30ºSR. Tal comportamento é inerente ao processo de desagregação em alta consistência, visto que a maior interação física entre as fibras causa por si só esse aumento no grau de refino. Observa-se que para o material laminado pré consumo (amostra 1) os resultados de todas as propriedades são superiores, o que é coerente com a literatura, visto que o ciclo no hidrapulper faz com que haja corte das fibras recicladas, reduzindo a quantidade de traqueídeos em relação às fibras virgens [5], e o material laminado pré consumo sofre um ciclo de reciclagem a menos que as outras amostras. O corte excessivo o qual a amostra 2 foi submetida no desagregador causou uma redução dos valores de todas as propriedades em relação aos processos convencionais com pulper. Essa tendência do efeito do corte nas fibras pode ser observada claramente nas Figuras 10 e 11, em que o alongamento e índice de arrebentamento apresentam valores mais altos para amostras com menos corte, na seqüência: material pré consumo, material desagregado em alta consistência, material desagregado em baixa consistência e material desagregado no desagregador. Para a permeância ao ar, apresentada na Figura 12, esperava-se que o corte das fibras fizesse com que o valor da propriedade diminuísse, pois haveria a geração de grande quantidade de fibras finas que ocupariam espaços vazios com mais facilidade. Porém, a tendência observada é justamente contrária, e a hipótese levantada é que o corte das fibras aumenta a quantidade de espaços vazios, aumentando a permeância ao ar. Feita uma análise geral, pode-se agora comparar detalhadamente as propriedades das fibras dos processos de desagregação a alta e baixa resistência, respectivamente amostras 3 e 4. As Figuras 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 e 24 apresentam a comparação gráfica entre as amostras 3 e 4, com as barras de erros relativas ao desvio padrão de 5 testes. A análise das curvas será feita a partir do patamar 30º SR, pois esse é o valor referente ao ponto zero da fibra do processo em alta resistência. Figura 17: Alongamento vs SR (amostras 3 e 4). Figura 18: Arrebentamento (amostras 3 e 4).

8 8 Figura 19: Permeância ao ar (amostras 3 e 4). Figura 20: Tração vs SR (amostras 3 e 4). Figura 21: Resistência à flexão vs SR (amostras 3 e 4). Para as propriedades de alongamento, índice de resistência ao arrebentamento, índice de resistência à tração, resistência à flexão e permeância ao ar, obteve-se resultados estatisticamente iguais para ambos os processos. Em estudo anterior para processos de desagregação de embalagens longa vida com maior percentual de fibras longas em relação às do presente estudo, também não houve diferença significativa entre as propriedades de índice de resistência ao arrebentamento e de índice de resistência à tração de ambos os processos [1], demonstrando que essa diminuição do percentual de fibras longas não foi suficiente para afetar esse comportamento. Figura 22: Índice de rasgo vs SR (amostras 3 e 4). Figura 23: CMT vs SR (amostras 3 e 4). Para o índice de resistência ao rasgo, o desempenho do processo a baixa consistência mostrou-se superior ao de alta, comportamento já observado anteriormente na literatura [3].

9 9 Figura 24: RCT vs SR (amostras 3 e 4). Verifica-se que a partir de 45 SR, os valores de RCT aumentam, enquanto os de CMT diminuem, e é justamente a partir desse ponto que a diferença estatística entre os processos acentuam-se no presente trabalho. A definição da consistência de desagregação a ser utilizada depende de diversos fatores, como custo de instalação e manutenção, valor agregado do produto final, energia consumida e grau de refino a ser utilizado. Os dois últimos fatores serão detalhados no presente estudo. Na produção de caixas de papelão e tubetes, por exemplo, utiliza-se SR [8], faixa na qual as propriedades de índice de rasgo e resistência à flexão são melhores para processo a baixa consistência, e o processo a alta consistência favorece o alongamento e índice de arrebentamento, sendo a diferença percentual entre esses valores muito baixa. Assim, o consumo energético será determinante para a escolha da consistência da desagregação. Já para a produção de sacos de cimento e palmilhas de calçados, em que se utiliza a polpa refinada em torno de 60 SR [7], obtém-se um ganho no índice de resistência ao rasgo para processo a baixa consistência, enquanto a resistência ao esmagamento (CMT e RCT) é beneficiada pelo processo em alta resistência. Para esses produtos, a desagregação em baixa consistência é interessante, pois favorece justamente a propriedade de interesse (índice de rasgo), enquanto CMT e RCT são mais desejáveis para caixas de papelão. Quanto à energia específica consumida nos processos, pode-se estimá-las a partir de dados fornecidos pelas indústrias recicladoras [8,9], expostos na Tabela 2, e através da Equação 1. Tabela 2: Dados de processos a alta e baixa consistência de indústrias recicladoras. Processo Consistência (%) Volume no pulper (m³) Massa no pulper (ton) Potência do motor (CV) Tempo de batelada (h) Baixa ,5 Alta ,5 O volume de material no pulper em alta consistência corresponde à metade do volume de operação, pois deverá ser adicionada água para a descarga. consumo específico potência do motor x tempo de batelada ( kwh/ kg) (1) massa no pulper x consistência Dessa forma, tem-se que o consumo específico de energia do processo a baixa consistência é inferior ao do processo em alta consistência, conforme Tabela 3. Tabela 3: Consumo específico de energia em cada processo. Processo Consumo específico de energia (kwh/ton) Baixa 69,91 Alta 110,32

10 10 4. CONCLUSÃO Como esperado, as análises atestaram a superioridade do desempenho do material pré consumo em relação aos que sofreram reciclo, em razão do corte das fibras durante essa etapa. Apesar do processo em desagregador alternativo ter apresentado valores de propriedades inferiores às outras amostras, recomenda-se um estudo aprofundado do processo a fim de verificar se essa perda é comprometedora para o produto final. A partir dos resultados obtidos nas análises, também verificou-se que a diferença entre as propriedades das fibras desagregadas em alta consistência e baixa consistência é pequena. As propriedades de alongamento, índice de arrebentamento, permeância ao ar, índice de tração e resistência à flexão são estatisticamente iguais em ambos os processos, enquanto o processo a baixa consistência favorece o índice de resistência ao rasgo e o processo a alta consistência favorece a resistência ao esmagamento (CMT e RCT). Além disso, analisou-se o consumo energético dos processos. Em alta consistência o consumo específico de energia foi maior que em baixa (110 kwh/ton e 70 kwh/ton, respectivamente). As propriedades também foram analisadas para graus de refino específicos. Para a faixa de 30 a 35 SR (produção de caixas de papelão e tubetes), as propriedades de índice de rasgo e resistência à flexão são melhores para processo a baixa consistência, e o processo a alta consistência favorece o alongamento e índice de arrebentamento. Visto o custo energético do processo em alta, a desagregação energética em baixa torna-se interessante. Já para 60 SR (sacos de cimento e palmilhas de calçados) a propriedade de interesse, índice de resistência ao rasgo, tem maiores valores para processo a baixa consistência, enquanto a resistência ao esmagamento (CMT e RCT) é beneficiada pelo processo em alta resistência. REFERÊNCIAS 1. MERENDINO, E.M; NEVES, F.L. Comparação das propriedades mecânicas do papel obtido a partir da reciclagem de embalagens longa vida pós-consumo e de aparas de papelão ondulado. Anais do 39º Congresso Internacional de Celulose e Papel. Outubro, São Paulo. 2. Relatório de Sustentabilidade Tetra Pak , disponível em 3. NEVES, F.L. Reciclagem de embalagens cartonadas Tetra Pak. O Papel, fev., 1999, p ABREU, M. Reciclagem de embalagens cartonadas Tetra Pak para Alimentos Líquidos. O Papel, abril, 2002, p NEVES, F.L; NEVES, J.M. Efeito da reciclagem nas características físico-mecânicas de cartões multifolhados obtidos a partir de embalagens longa vida. O Papel, maio, Relatório Técnico Nº Comparação entre pastas celulósicas. IPT, fev., HCR. Comunicação verbal sobre grau de refino nos produtos. Taió: HCR, KLABIN. Comunicação verbal sobre aspectos do processo. Piracicaba: Klabin, 2012; 9. MERCOPLÀS. Comunicação verbal sobre aspectos do processo. Valinhos: Mercoplás, 2012;