Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco
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Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco
XVI corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2008/2009 Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco di Cicconi Elena Scuola Interregionale di tecnologia per tecnici Cartari Istituto Salesiano «San Zeno» - Via Don Minzoni, 50 - 37138 Verona www.scuolagraficasanzeno.com - [email protected] Il presente lavoro ripercorre il percorso evolutivo della colorazione della carta effettuato nello stabilimento Miliani al fine di risparmi significativi sui costi di produzione e della riduzione delle problematiche legate alla formulazione delle tinte stesse. La nuova gamma di coloranti per carta si è dimostrata, oltre che meno costosa, maggiormente affine alla fibra di cellulosa. INDICE 1. BREVI CENNI SUL COLORE 1.1 Che cos’è il colore 1.2 Lo spettro del visibile 1.3 La misura del colore: lo spettrofotometro 1.4 I colori tristimolo 1.5 Come si riproducono i colori? RGB CMY 1.6 Sistema XYZ 1.7 Lo spazio colorimetrico xyY 1.8 Lo spazio colorimetrico L a b 1.9 Le tre caratteristiche fondamentali del colore 2. BREVI CENNI SUI COLORANTI 2.1 Generalità sulle varie materie coloranti 2.2 Tipi di coloranti 2.3 Condizioni di ancoraggio tra coloranti e fibra 2.4 Tipi di coloranti organici sintetici 3. LA COLORAZIONE NELLO STABILIMENTO FEDRIGONI DI PIORACO 3.1 Utilizzo dei coloranti in polvere 3.2 L’importanza della raffinazione 3.3 Uso dei sali Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 1 1. BREVI CENNI SUL COLORE 1.1 CHE COS’È IL COLORE Il colore non esiste in natura, ma è una delle caratteristiche della percezione visiva. Il colore è una nostra rappresentazione psicologica dell’energia luminosa riflessa da un oggetto. È legato ad una “sensazione” che interessa occhio, cervello e psicologia. Gli enti in gioco nel fenomeno della visione del colore sono: La sorgente luminosa L’oggetto L’osservatore La sorgente luminosa emette le radiazioni, l’oggetto le assorbe e in parte le riflette, l’osservatore le elabora. Si può notare che il colore non é insito nelle radiazioni visibili, che dal punto di vista fisico sono energia elettromagnetica; esso è una sensazione che prova il nostro cervello e che è causata da uno stimolo proveniente dall’occhio, quando questo percepisce la luce. Gli oggetti su cui incide la luce riflettono, assorbono e trasmettono le radiazioni in funzione della lunghezza d’onda. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 2 1.2 LO SPETTRO DEL VISIBILE Le radiazioni visibili sono quelle che stimolano il nostro cervello e che, di conseguenza danno la sensazione del colore. Si può notare che il colore non é insito nelle radiazioni visibili, che dal punto di vista fisico sono energia elettromagnetica; esso è una sensazione che prova il nostro cervello e che è causata da uno stimolo proveniente dall’occhio, quando questo percepisce la luce. La colorimetria identifica e misura i colori con una metodologia sistematica, a prescindere dalla risposta fisiopatologica dell’osservatore. Il colore di un oggetto è individuato dalla composizione spettrale della radiazione visibile proveniente da esso. Fu l’esperimento di Newton del 1704 a dimostrare che, facendo passare un raggio di luce attraverso un prisma di cristallo, essa si decomponeva in una sequenza di raggi monocromatici i cui colori andavano dal violetto al rosso. Questa sequenza colorata è detta spettro visibile. La misura di tale composizione è oggetto della spettrofotometria. L’essere umano percepisce le radiazioni che vanno da 380 a 750 nm perché alcune molecole interagiscono con queste lunghezze d’onda. UV 400 450 500 560 590 650 750 IR Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 3 Il colore è matematicamente calcolato conoscendo 1. La sorgente che illumina: sono state standardizzate dalla CIE alcune sorgenti artificiali • Illuminante A = lampada a filamento di tungsteno incandescente avente una temperatura di colore di 2854 K. • Illuminante B, che impartisce al foglio una temperatura di colore di circa 4870 K. Esso è un’approssimazione alla luce solare a mezzogiorno. • L’ illuminante C, avente temperatura di colore di circa 6740 K. È considerata un’approssimazione della luce del cielo coperto. • Illuminante D65, con una temperatura di colore di circa 6500 K. Sebbene la sua temperatura di colore sia molto simile a quella dell’illuminante C, ne differisce sostanzialmente, perché la sua disposizione spettrale è simile a quella della luce diurna naturale (bianco freddo). La luce pertanto contiene una sensibile quantità di raggi UV che eccitano la fluorescenza delle sostanze fluorescenti presenti in molti manufatti bianchi come sicuramente è la carta. • Illuminante TL84 = lampada a fluorescenza usata negli uffici e magazzini 2. La caratteristica di un oggetto di riflettere o assorbire la luce 3. L’osservatore Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 4 La natura ondulatoria della luce Sappiamo di certo che la luce è una radiazione elettromagnetica (cioè una variazione del campo elettrico e magnetico) Lunghezza d’onda Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 5 1.3. LA MISURA DEL COLORE: LO SPETTROFOTOMETRO Per ottenere la curva spettrofotometrica della luce riflessa da una superficie, cioè la curva del fattore di riflettanza rispetto alla lunghezza d’onda, si utilizza uno spettrofotometro. (La riflettanza indica, in ottica, la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere) Per cosi ottenere, tramite non semplici operazioni matematiche, che vengono svolte dal calcolatore dello spettrofotometro, le coordinate L, a, b, che collocate in un grafico tridimensionale, individua un punto, il quale starà ad indicare un colore ben preciso e unico. • una sorgente luminosa di luce bianca, per esempio una lampada ad incandescenza la quale in modo specifico, emette radiazioni in tutto il visibile e nel vicino infrarosso. La luce è policromatica; • un dispositivo atto a disperdere la luce e formare uno spettro della luce visibile, come un prisma o un reticolo. La luce viene separata; • un monocromatore, un filtro, una fessura che isoli una parte ristretta dello spettro, corrispondente ad una gamma di lunghezza d’onda di pochi nm, in modo che la luce che esce dal monocromatore possa essere considerata monocromatica; • il corpo in esame, sul quale incide la luce proveniente dal monocromatore; • una cella fotoelettrica, la quale produce una corrente fotoelettrica di intensità dipendente dall’energia contenuta nella luce incidente e dalla risposta spettrale della cella. • uno strumento, indicatore o digitale o registratore, che misuri l’intensità della corrente o un’altra grandezza elettrica da essa dipendente; lo strumento è spesso graduato direttamente in unità fotometriche. Specchio Sorgente luminosa Fessura di uscita Sorgente luminosa Superficie in esame Prisma Fotodiodo Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 6 1.4. I COLORI TRISTIMOLO Il primo metodo di specificazione del colore oggettivo che fu introdotto è stato quello delle “componenti tricromatiche” o valori tristimolo X Y Z che rappresentano tre quantità di luce ideale riproducenti il colore misurato. Il sistema si basa sulla percezione dell’occhio umano: I colori degli oggetti derivano dalle caratteristiche spettrali della luce che incide su essi e dalle proprietà monocromatiche di assorbimento, riflessione e trasmissione degli oggetti stessi. Sulla retina sono presenti due tipi di cellule nervose: coni : visione a colori (fotopica) bastoncelli : visione in bianco e nero (scotopica) La composizione spettrale delle radiazioni provenienti dall’oggetto stimola in misura differente i 3 tipi di coni presenti sulla retina, sensibili a 3 colori dello spettro: rosso, verde, blu (colori o luci primarie) VISIONE TRICROMATICA Dalla eccitazione in diverse proporzioni dei tre tipi di recettori deriva la percezione di tutta la gamma cromatica Le tre tipologie di coni presenti sulla retina hanno una sensibilità diversa al variare della lunghezza d’onda: la visione di un particolare colore è data dalla combinazione dei tre stimoli, di differente intensità, provenienti dai tre recettori. I recettori sono indicati comunemente con le lettere S M L (short medium long ) Si supponga che sulla retina incida una radiazione monocromatica a 575 nm: gli stimoli relativi rispetto alla massima sensibilità di ciascun recettore sono: Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 7 S = 0 = 0% M = 0,10 =10% L = 0,62=62% Ad ogni lunghezza d’onda, è quindi associata una tripletta di valori. La I legge di Grassmann deve essere intesa nel seguente modo: una certa sensazione cromatica Kappa equivale (risulta cioè cromaticamente indistinguibile) alla sensazione cromatica prodotta da una miscela composta da R unità tricromatiche [R] di primario rosso, da V unità tricromatiche [V] di primario verde da B unità tricromatiche [B] di primario blu. Le quantità R, V, B sono dette componenti cromatiche o valori del tristimolo. Poiché l’occhio rileva 3 componenti di luce definite primarie è possibile definire e realizzare tutti i colori mediante dosi opportune di queste luci = SINTESI ADDITIVA o Sistema colorimetrico RVB o RGB (red, green, blue): un qualunque colore Kappa può essere identificato mediante le tre componenti cromatiche R, V, B. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 8 1.5. COME SI RIPRODUCONO I COLORI? (RGB e CMY) Le due forme basilari di mescolanza dei colori sono chiamate additiva e sottrattiva. Nell’ambito della sintesi dei colori si deve evidenziare la distinzione tra il caso in cui si sommano luci e quello in cui si mescolano pigmenti colorati. Nel primo caso il numero delle componenti cromatiche che raggiungono l’occhio aumenta, e si parla di sintesi additiva; nel secondo caso, essendo i pigmenti sostanze assorbenti, il numero delle componenti cromatiche che raggiungono l’occhio diminuisce, e si parla di sintesi sottrattiva. La sostanziale differenza è che nel primo caso le lunghezze d’onda del colore aggiunto si sommano mentre nel secondo caso si sottraggono al colore di partenza. RGB è il nome di un modello di colori le cui specifiche sono state descritte nel 1931 dalla CIE (Commission internationale de l'éclairage). Tale modello di colori è di tipo additivo e si basa sui tre colori rosso (Red), verde (Green) e blu (Blue), da cui appunto il nome RGB. Un'immagine può infatti essere scomposta, attraverso filtri o altre tecniche, in questi colori base che, miscelati tra loro, danno quasi tutto lo spettro dei colori visibili, con l'eccezione delle porpore. Più specificamente i 3 colori principali corrispondo a forme d'onda (radiazioni luminose) di periodo fissato. A una lunghezza d'onda di 700 nm corrisponde il rosso, a 546.1 nm il verde, a 455.8 nm il blu. L'RGB è un modello additivo: unendo i tre colori con la loro intensità massima si ottiene il bianco (tutta la luce viene riflessa). La combinazione delle coppie di colori dà il ciano, il magenta e il giallo. Si possono produrre tutte le sensazioni cromatiche modulando tre luci fondamentali. La sintesi additiva è quando si sommano le radiazioni luminose caratterizzate da differenti frequenze. Il metodo additivo viene applicato in tutte quelle circostanze in cui i colori sono generati da raggi di luce o da pixel luminosi (monitor, tv, ecc.)partendo da uno sfondo nero Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 9 Per assorbire più o meno queste tre luci si usano tre colori, definiti “colori primari”. Essi sono gli unici colori materiali capaci di assorbire ognuno una sola delle tre luci primarie (blu, verde e rossa): - GIALLO: controlla (assorbe) la luce blu; - MAGENTA: controlla (assorbe) la luce verde; - CIANO: controlla (assorbe) la luce rossa. CMY I primari sottrattivi sono ciano (un colore simile al blu), magenta (un rosso più chiaro) e giallo. Mescolando colori sottrattivamente si arriva al nero. La mescolanza sottrattiva di due stimoli di colore, nota anche come sintesi sottrattiva o miscela sottrattiva è la mescolanza di stimoli di colore che giungono modificati all'occhio. La sintesi sottrattiva avviene quando la luce che colpisce i recettori sulla retina non proviene direttamente da una sorgente ma è riflessa da una superficie interposta. Il colore Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 10 visibile di una qualsiasi superficie dipende infatti dal potere di quella superficie di assorbire una parte della luce ricevuta dall’ambiente e di rimandare verso l’osservatore la parte non assorbita sotto forma di luce riflessa. L'esempio classico è quello della sovrapposizione di due inchiostri, per esempio inchiostro giallo sovrapposto ad inchiostro ciano, su un foglio bianco. In questo caso i due strati di inchiostro si comportano come filtri per la luce. L'inchiostro giallo assorbe una parte della luce. La parte rimanente attraversa l'inchiostro ciano che ne assorbe un'altra parte. La parte rimanente viene riflessa dalla carta bianca e costituisce lo stimolo di colore che arriva al nostro occhio. Altri esempi di mescolanza sottrattiva: un fascio di luce che attraversa una soluzione di coloranti, la mescolanza di due pitture. Ogni colorante assorbe una parte di luce e la luce emergente, cioè lo stimolo di colore, è ciò che rimane della luce iniziale. La sintesi sottrattiva è utilizzata nella fotografia tradizionale su pellicola e, in parte, nella stampa retinata. Quando due stimoli si mescolano sottrattivamente, il colore percepito è determinato da cause fisiche (assorbimento della luce da parte dei corpi). Diversamente, il colore percepito di una mescolanza additiva di stimoli ha cause biologiche. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 11 Rappresentazione dei colori Cubo RGB Per rappresentazione dei colori si intende un metodo per identificare nella maniera più precisa possibile un colore, a partire da un codice definito da tavole di associazione standard, oppure da un numero o una serie di numeri associati direttamente alle grandezze fisiche che stanno alla base della visione dei colori; questa esigenza è necessaria in molteplici attività umane, come ad esempio la produzione di contenuti grafici ed editoriali o l'edilizia. Alla base della rappresentazione dei colori vi sono quindi i metodi di codifica che associano ad ogni colore un codice arbitrario oppure un codice calcolato. Un esempio di metodo di codifica arbitrario sono le sigle che i produttori di vernici appongono sopra le confezioni di prodotto, la tavola di associazione è quindi il catalogo del produttore dove ad ogni campione di colore è associata una sigla che rappresenta il suo codice univoco; un altro esempio noto di questo metodo di codifica è la scala Pantone. Un metodo di codifica calcolato invece, si basa sulla definizione delle grandezze fisiche concorrenti a realizzare il colore (come l'intensità di un fascio di luce o la densità di un inchiostro) e sulle formule matematiche con cui ottenere da queste un codice numerico univoco; in matematica si può rappresentare un fenomeno che dipenda da più grandezze con un grafico a più dimensioni, tale rappresentazione si definisce spazio dei colori; esiste però il problema che i dispositivi di visualizzazione dei colori abbiano anomalie strumentali per cui una stessa codifica calcolata sia resa in modi diversi da due dispositivi che pure si basano sugli stessi meccanismi. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 12 1.6. SISTEMA XYZ Il Sistema XYZ normalizzato CIE è stato ottenuto dal quello RGB mediante la seguente trasformazione matematica: X = 2,7689 R + 1,7519 G + 1,1302 B Y = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 B Z = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5945 B Il colore Kappa può essere identificato nel sistema XYZ mediante le tre componenti cromatiche x,y,z: X= rosso Y=verde Z=blu K*(colore considerato)= X + Y + Z La sintesi additiva dei 3 primari non consente di generare tutto lo spazio colorimetrico per questo nel 1931 la CIE propone un grafico per rappresentare lo spazio colorimetrico attraverso 3 funzioni. Si chiamerà spazio colorimetrico xyY. È possibile passare dalle coordinate RGB a coordinate xyY mediante trasformazioni lineari. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 13 1.7. LO SPAZIO COLORIMETRICO xyY Curva dei nanometri Punto bianco 1) Luce bianca di eguale energia: punto E = (xE, yE) = (1/3, 1/3) 2) Curva dei colori puri o spettrali (spectrum locus): curva a "campana", graduata in lunghezze d'onda [nm] ⇒ individua la cromaticità di sorgenti luminose monocromatiche emettenti alle diverse lunghezze d'onda nel campo del visibile. 3) Linea dei porpora: unisce i punti relativi a λ = 0.38 μm e λ = 0.76 μm⇒ rappresenta la miscela delle luci rosse e viola. Y = misura della sensazione visiva (quantità) luminosità x,y = misura della sensazione cromatica (qualità) tinta e saturazione Traduce su un grafico tridimensionale i colori primari RGB, trasformandoli in coordinate, rispettivamente X, Y e Z, varianti da 0 a 1. La combinazione di queste tre coordinate produrrà un colore preciso. Anche questo tipo dovrebbe essere indicato tridimensionalmente ma, data la sua difficile lettura, si preferisce una rappresentazione 2D dove le coordinate diventano “xyY” con Y che rappresenta la luminanza. Questo tipo di grafico non è però uniforme, a distanze uguali corrispondono distanze percepite differenti. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 14 1.8. LO SPAZIO COLORIMETRICO L* a* b* La CIE ha proposto anche altri sistemi e diagrammi cromatici per tenere conto che nel diagramma del 1931 ci sono ampie zone in cui la sensibilità dell’occhio varia poco e invece zone in cui a due punti molto vicini vi sono differenze cromatiche percepite dall’occhio notevolissime. Lo spazio colorimetrico L*a*b (chiamato anche CIELAB ) è attualmente uno dei più conosciuti spazi colorimetrici per la misurazione del colore di un oggetto ed è ampiamente usato in tutti i campi. È uno degli spazi colorimetrici uniformi definiti nel 1976 dalla CIE, al fine di ridurre uno dei più grandi problemi dell’originale spazio colorimetrico Yxy: le distanze uguali sul diagramma di cromaticità x, y non corrispondevano alle differenze di colore percepite come uguali. Per spazio colorimetrico si intende uno spazio a tre dimensioni nel quale tutti i colori In questo spazio colorimetrico, L* indica la luminosità, mentre a* e b* sono le coordinate di cromaticità. La figura 8 indica il diagramma di cromaticità a*, b*. In questo diagramma, a* e b* indicano le direzioni del colore: +a* è la direzione del rosso, -a* è la direzione del verde, +b* è la direzione del giallo –b* è la direzione del blu. Il centro è acromatico; quando i valori a* e b* aumentano ed il punto si sposta dal centro, la saturazione del colore aumenta Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 15 La figura rappresenta il solido dei colori per lo spazio colorimetrico L*a*b*; la figura 8 visualizza lo stesso solido in sezione orizzontale con il valore costante L*. Se misuriamo la mela usando lo spazio colorimetrico L*a*b*, otteniamo i seguenti valori. Per vedere quale colore rappresentino tali valori, riportiamo su un diagramma innanzitutto i valori a* e b* (a* = +47.63, b* = +14.12) sul diagramma a* e b* nella figura per ottenere il punto A che indica la cromaticità della mela. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 16 1.9. LE TRE CARATTERISTICHE FONDAMENTALI DEL COLORE TINTA o lunghezza d’onda dominante è la sensazione cromatica dominante cioè la sensazione percepita che dà il nome al colore. Al contrario il bianco e il nero sono sensazioni acromatiche legate solo alla luminosità SATURAZIONE o purezza Indica quanto la dominante è evidente rispetto agli altri stimoli, indica la concentrazione della tinta rispetto a un contenuto acromatico- LUMINOSITA’ o brillantezza Indica quanto il colore si avvicina al bianco o al nero, se è scuro o chiaro. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 17 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 18 2. BREVI CENNI SUI COLORANTI 2.1 GENERALITÀ SULLE MATERIE COLORANTI Con il termine “materie coloranti” si intende il complesso di tutte quelle sostanze che, se applicate o presenti in un materiale, provocano una sensazione di colore. Le materie coloranti rappresentano una famiglia di prodotti industriali tra le più articolate, oggetto di una continua evoluzione da più di un secolo, anche se la colorazione in quanto tale è da sempre conosciuta ed utilizzata dall’uomo. Si stima che sul mercato siano presenti circa 3000 differenti composti chimici usati come materie coloranti. Questo gran numero di materie coloranti commercializzate è dovuto a: - diversità dei substrati da colorare (ogni substrato richiede prodotti specifici); - grande varietà di tecniche di colorazione per ogni substrato (a seconda delle varie tecniche sono necessari prodotti di caratteristiche diverse); - svariatissimi toni di colore richiesti sul mercato; - diversi prezzi dei prodotti a seconda della caratteristica e degli impieghi. Le carte ed i cartoni colorati nelle loro destinazioni più diverse fanno parte della nostra vita quotidiana. Essi per esempio facilitano la classificazione dei documenti, permettendo di rintracciare rapidamente le parti dell’annuario che interessano, influenzano psicologicamente la massaia nella sua scelta nell’atto dell’acquisto, ecc… La scelta delle materie coloranti e le loro combinazioni quando si vuole ottenere un colore uguale a quello di un campione di riferimento sono problemi complessi, la cui risoluzione richiede una grande pratica ed un occhio molto ben esercitato. Anche se le condizioni di applicazioni sono totalmente diverse, l’industria cartaria ha beneficiato più in larga misura degli studi e delle esperienze realizzati nel settore delle fibre tessili. Il colore è dato dalla capacità di assorbire la luce in una particolare regione dello spettro e dipende dal numero e dalle caratteristiche degli elettroni presenti nella molecola, dal tipo dei sostituenti legati alle strutture aromatiche: una certa parte della molecola è quindi responsabile del colore. La capacità di colorare dipende dalla sostantività o dalla affinità del colorante con il substrato (per “sostantività” si intende la proprietà del colorante di essere assorbito dalle fibre: per “affinità” si intende invece la capacità del colorante di legarsi alle fibre). Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 19 Le materie coloranti usate per l’industria cartaria devono soddisfare numerose esigenze e cioè, per esempio: 1. essere impiegabili fino a temperature di 45 °C; 2. completare l’assorbimento sulla fibra in brevissimo tempo (da 2 sec a 2 min); 3. essere accettate dalle leggi ecologiche vigenti; 4. essere stabili nell’intervallo di pH usato nell’industria cartaria (da pH 4,5 a pH 9,0); 5. avere una buona solidità alla luce, all’acqua, ai grassi, all’alcool, e verso altri reattivi; 6. avere una buona solidità al calore (per le temperature della seccheria); 7. non dar luogo, o il meno possibile, al doppio viso; 8. avere una buona sbiancabilità, ovvero essere eliminabili con agenti ossidanti o riducenti durate il processo di ottenimento di fibre secondarie da cartaccia. Per colorare la carta si impiegano in pratica i seguenti metodi: 1. tintura nell’impasto; 2. tintura in pressa collante; size press 3. tintura per immersione; in vari punti del processo 4. tintura mediante patinatura 5. tintura mediante stampa. TINTURA IN SUPERFICIE La colorazione data in superficie offre dei vantaggi considerevoli, e cioè: • correzioni e cambiamenti di tinta molto rapidi; • pochissimo o nessun inquinamento delle acque; • economia di materia colorante soprattutto per i prodotti cartari ad elevato spessore; • applicabilità su carte ottenute sia con processo acido che alcalino. TINTURA IN MASSA: IN CONTINUO E IN DISCONTINUO Da un punto di vista coloristico la tintura nell’impasto è da considerarsi il metodo ideale in quanto il colorante è distribuito in modo uniforme su tutto lo spessore del foglio. Gli altri procedimenti danno luogo a colorazioni superficiali di maggiore o minore penetrazione. Con il termine “colorazione in massa” già precedentemente descritto, intendo la colorazione ottenuta mediante l’aggiunta del colorante nell’impasto cartario, costituito da cellulosa acqua e vari aditivi. L’aggiunta può essere fatta in qualsiasi punto dell’impianto che va dal pulper alla cassa d’afflusso. La colorazione in massa può essere effettuata in due modi: in discontinuo e in continuo. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 20 Colorazione in discontinuo Colorare in discontinuo vuol dire aggiungere il colorante della ricetta in un recipiente nel quale è contenuto un predeterminato quantitativo d’impasto; l’impasto resterà nel recipiente per tutte le operazioni di colorazione. A colorazione ultimata la pasta colorata verrà inviata alle successive fasi produttive. L’aggiunta del colorante verrà fatta in un posto dove c’è buona agitazione e dove l’impasto può stazionare per un tempo necessario all’aggiunta dei coloranti. Il colorante liquido potrà essere aggiunto tal quale, se l’agitazione della pasta è elevata e il colorante non dà concettatura, altrimenti dovrà essere diluito. Il colorante in polvere potrà essere aggiunto tal quale se esso è sufficientemente solubile altrimenti si dovrà effettuare la soluzione. Nel caso dell’aggiunta in polvere si consiglia di farlo in pulper perché, la forte agitazione e l’aumento della temperatura derivante dalla successiva raffinazione, facilita la solubilizzazione del colorante. Vantaggi della colorazione in discontinuo Il vantaggio sta soprattutto nei lunghi tempi di contatto tra il colorante e la fibra, questo permette un maggior esaurimento del bagno di tintura (il bagno di tintura si dice esaurito quando il colorante è passato dalla soluzione acquosa alla fibra) e quindi si possono effettuare colorazioni intense con buona resa dei coloranti e acque del sottotela pulite. La colorazione viene fatta a monte del circuito e quindi vi sono ampi spazi per l’aggiunta di altri additivi che possono quindi essere ubicati nei punti di maggior efficacia o dove riducono al minimo i difetti di colorazione Svantaggi della colorazione in discontinuo I principali difetti che possono aver luogo con la colorazione in discontinuo sono la concettatura dovuta alla scarsa agitazione e il doppio viso dovuto alla presenza di eventuali fissativi. Inoltre l’effetto della colorazione, è chiaramente visibile all’arrotolatore soltanto dopo 15-20 minuti. Colorazione in continuo Nella colorazione in continuo la soluzione del colorante viene aggiunta in modo continuo mediante pompa dosatrice alla sospensione del materiale fibroso in un punto dove ci sia una buona agitazione della pasta (ad esempio prima di una pompa o di un raffinatore). In teoria l’aggiunta del colorante può essere fatta in un qualsiasi punto del percorso della pasta verso la tela purché nel punto prescelto il flusso di pasta sia costante. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 21 L’ubicazione migliore delle mandate delle pompe dosatrici si determina allora con uno studio appropriato, che tiene conto del circuito della pasta, del tipo di carta da fabbricare e quindi delle altre aggiunte necessarie, dell’intensità della tinta e quindi dell’effetto che la densità della pasta e il tempo di contatto ha sul fissaggio dei coloranti impiegati. Vantaggi della colorazione in continuo La colorazione in continuo è vantaggiosa soprattutto quando si vogliono produrre piccole partite di carta colorata su macchine moderne ad alta produzione. Le colorazioni effettuate sono visibili all’arrotolatore dopo pochissimi minuti e si ha quindi meno scarto per fuori tinta e maggior produttività. Svantaggi della colorazione in continuo Gli svantaggi di questo sistema di colorazione derivano soprattutto dal limitato tempo di contatto fra il colorante e la fibra prima della formazione del foglio. Per questo motivo non è generalmente economico e non è possibile ottenere tinte molto intense a causa delle acque reflue molto colorate con il procedimento della colorazione in continuo. In molte cartiere si sta sviluppando un sistema di colorazione misto dove si effettua la colorazione in discontinuo e ci si limita all’aggiunta in continuo del solo colorante necessario alle correzioni. Tale sistema accomuna i vantaggi dei due metodi di colorazione: si possono ottenere colorazioni intense con coloranti tradizionali e si possono usare coloranti ad alta sostantività per la sola correzione in continuo. I tempi di correzione vengono così ridotti, la tinta è più facilmente gestibile perché si può intervenire immediatamente se la casualità o l’errore umano nel corso della produzione fanno variare la tinta. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 22 2.2 TIPI DI COLORANTI VARIE TIPOLOGIE INORGANICI NATURALI ORGANICI SINTETICI NATURALI SINTETICI INORGANICI NATURALI = Sono fondamentalmente delle terre colorate. Queste presentano il grande vantaggio di essere solide alla luce e ai prodotti chimici. In compenso però i loro difetti sono numerosi; infatti come terre si comportano analogamente alle sostanze di carica. Ciò a dire più se ne aggiunge più diminuisce la resistenza della carta che presenterà un doppio viso di colorazione piuttosto accentuato per effetto della ritenzione (dispersioni grossolane). D’altra parte la loro intensità di colore è limitata: se si vogliono ottenere delle tonalità sufficientemente intense occorre metterne un alto quantitativo (bassa resa tintoria). Il loro costo è limitato quindi, tenuto conto delle motivazioni che precedono, possono essere utilizzate per carte economiche. Queste sostanze sono esistenti in natura allo stato di purezza più o meno elevato e richiedono poche e semplici operazioni industriali (estrazione, macinazione, setacciatura, levigazione, ventilazione) per essere pronte all’impiego senza sottoporle ad alcuna operazione chimica. Fra i coloranti inorganici naturali ricordiamo l’ocra, il rosso inglese, la terra di Siena, la terra d’ombra e le terra verde o di Verona INORGANICI SINTETICI = Sono i cosiddetti “pigmenti minerali”. Essi presentano un potere tintorio più elevato delle terre e come queste un’ottima solidità alla luce e agli agenti chimici. Trovano impiego nella tintura di carte pregiate es. carte per laminati plastici. Importanti da ricordare sono: - Ossidi di ferro che si possono ottenere nelle tonalità: giallo rosso, bruno e nero bruciando minerali di ferro e ceneri di pirite, oppure per via umida. - Nerofumo usato sia in polvere che disperso per ottenere tinte intense. A questo gruppo di coloranti solitamente il cartaio fa ricorso quando la carta richiede particolari caratteristiche di solidità, perché altrimenti per lo scarso potere tintoriale e per la difficile ritenzione sulla fibra, non risultano vantaggiosi. ORGANICI NATURALI = Per estrazione da materie prime vegetali o animali. Poco usati nel settore cartario a causa del costo elevato di estrazione. Ricordiamo: Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 23 - L’indaco contenuto nelle foglie di alcune leguminose indiane che, fatte macerare liberano una colorazione azzurro vivace. La porpora, sostanza organica di colore violetto con riflessi rossi che si ricava da molluschi mediterranei. La robbia, sostanza colorante ricavata dalla radice di una pianta che vegeta nei Paesi del bacino mediterraneo. ORGANICI SINTETICI = Si chiamano coloranti organici artificiali o sintetici, quelli che si ricavano dal catrame e dalla distillazione del carbon fossile. Questo catrame contiene degli idrocarburi come benzolo, toluolo e xilolo e dalle basi come l’anilina e dei fenoli. Da queste materie, mediante opportune reazioni chimiche, si possono ricavare un numero considerevole di sostanze coloranti. Sono i coloranti più altamente impiegati, in genere sono capaci di fissarsi sulla materia che si vuol tingere ovvero contengono nella molecola dei gruppi reattivi ossia capaci di formare legami o affinità con la cellulosa. Sono sostanze organiche contenenti composti elementari come il carbonio, l’idrogeno, l’ossigeno, lo zolfo, l’azoto e possono contenere alogeni e metalli. La maggior parte dei coloranti organici contengono il carbonio sotto forma di anelli benzenici per cui appartengono ai composti ciclici. Il composto da cui si parte per ottenere i coloranti solitamente è il benzolo C₆H₆ ottenuto dalla distillazione del catrame. Da qui si ottiene l’anilina che fu utilizzata per preparare i primi coloranti organici (detti colori di anilina). Questi coloranti in genere sono caratterizzati nella loro struttura chimica, da un sistema di doppi legami congiunti. Gli elettroni concatenati dei doppi legami possono entrare in vibrazione nella molecola per effetto dell’energia luminosa incidente, consumando parte dell’energia irradiata. Il colorante assorbe cioè una parte della lunghezza d’onda dello spettro, mentre vengono riflesse le lunghezze d’onda rimanenti e percepite dal nostro occhio come colore. La parte dello spettro che il colorante assorbe dipende dalla libertà di movimento degli elettroni e dalla lunghezza del sistema dei doppi legami coniugati. Secondo Witt perché una sostanza sia colorante deve contenere nella molecola determinati gruppi che egli divise in due categorie: A. GRUPPO CROMOFORO Molecola che ha la facoltà di assorbire la luce in modo selettivo cioè acquisisce una frazione della radiazione visibile. Per far questo deve contenere elettroni mobili che passeranno dallo stato fondamentale ad uno stato eccitato B. GRUPPO AUXOCROMO Rende sostantiva la molecola del colorante, in modo che il colorante si fissi alla fibra e sono in genere gruppi salificabili. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 24 2.3 CONDIZIONI DI ANCORAGGIO TRA COLORANTE E FIBRA Prendiamo in esame il colorante sotto forma di soluzione nel bagno di tintura e rapportiamolo alla materia prima che ci interessa, la cellulosa. 1. CELLULOSA La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi. È costituita da un gran numero di molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro da un legame β-1--->4 glicosidico. La catena polimerica non è ramificata Le catene sono disposte parallelamente le une alle altre e si legano fra loro per mezzo di legami ad idrogeno, formando fibrille. Queste fibrille localmente sono molto ordinate al punto da raggiungere una struttura cristallina per il 50-70%. Il restante 30-50% sono regioni amorfe facilmente penetrabili dall’acqua e perciò dal colore (come mostra l’analisi a raggi x). La parte cristallina è idrofoba, ossia non assorbe acqua quindi non permetterà al colore di incanalarsi. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 25 Alla superficie della fibra prevale lo strato di alta cristallinità che non assorbe colorante. In questo strato esistono numerose interruzioni, attraverso le quali il colorante può introdursi e diffondersi nelle zone amorfe con l’aiuto dell’agitazione. L’introduzione nelle molecole della fibra è solo casuale, non esiste nessuna forma di attrazione. Naturalmente per introdursi le molecole devono essere di dimensioni tali da superare queste porte sulla fibra, altrimenti si ottiene una tintura superficiale poco solida agli agenti fisici. Una volta entrate nella fibra le molecole di colorante, se trovano condizioni adatte, vi si fissano per l’instaurarsi di legami omopolari o covalenti, legami ionici, forze attrattive di Vander Waalls, ponti idrogeno. La differente forma delle molecole di colorante, la maggiore o minore presenza di gruppi capaci di formare legami con la fibra, caratterizzano i coloranti. Quando ho formato tutti i legami possibili con la fibra il colorante rimane disperso nelle acque;, a questo punto si mette del fissativo cationico per far sì che le acque prime siano pulite. Agiscono nella colorazione: 1. raffinazione della fibra 2. solubilità del colorante e modalità di aggregazioni più o meno grandi 3. pH e durezza dell’acqua 4. presenza di sali = abbassano il potenziale della fibra favorendo l’assorbimento del colorante e migliorando la solidità all’acqua 5. temperatura = aumenta la mobilità delle molecole del colorante e quindi la probabilità d’impatto con le zone amorfe della fibra 6. agitazione = tutto ciò che facilita lo scontro è positivo 7. concentrazione fibrosa = se l’impasto è concentrato ho maggiori possibilità di adesione Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 26 2.4 TIPI DI COLORANTI ORGANICI SINTETICI COLORANTI BASICI o CATIONICI Costituiti da Sali di basi di coloranti. Queste basi sono tali per la presenza di gruppi amminici, alchilamminici arilamminicie ammonici NH₂; -NH-R; -NR₂;NR₃OH solitamente salificati da cloro. La presenza della carica positiva non provoca impedimenti potenziometrici, ma a causa della loro struttura molecolare non si fissano sulle cellulose bianchite. I coloranti basici hanno buona compatibilità sulle fibre lignificate infatti le sostanze incrostanti contengono gruppi ossidrilici con carica negativa, che reagiscono con la cellulosa negativa, e sulle cartacce che hanno subito incrostazioni anioniche (colle, amidi) Il colorante basico che va sulla fibra reagisce con essa formando per salificazione delle lacche stabili in soluzione acquosa Come già detto, con il colorante basico si ha un vero e proprio legame chimico (legame polare). Nel caso della cellulosa greggia il colorante entra in contatto con la fibra, penetra nelle zone amorfe di questa e reagisce con i gruppi fenolici della lignina. Per fissare un colorante basico ad una cellulosa bianchita occorre l’aggiunta di un 3% di naftalen solfonato sodico che si lega bene al colorante e di un 2% di solfato di alluminio che blocca il tutto sulla fibra, con la classe di appartenenza ai tannini il quale reagisce con il colorante non legato alla fibra, si forma una lacca che viene ritenuta sulla fibra (mordente). Pregi del colorante: • questi coloranti sono molto brillanti. • possiedono un elevato potere tintoriale. • hanno un’ottima sostantività alle fibre lignificate con le quali danno tinte resistenti all’acqua. si usano nella nuanzatura delle carte bianche e nella colorazione di carte per uso scolastico, nella colorazione di carte di recupero. Svantaggi del colorante: • non sono sostantivi per le cellulose bianchite. • la solidità alla luce è in genere molto bassa. • per molti di essi vi è tendenza alla concettatura. • il colorante è sostantivo per le cariche, tale sostantività fa si che alcuni coloranti modifichino la loro tonalità in presenza di cariche. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 27 • non sono stabili in ambiente alcalino, al punto che alcuni di essi a pH elevato si decolorano. Fibra lignificata Colorante (CH₃)₃ C Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 28 COLORANTI ACIDI O ANIONICI Sono in genere Sali di sodio di acidi solfonici colorati. Sono coloranti anionici. I coloranti acidi per le loro caratteristiche non si fissano né sulla fibra bianchita (struttura molecolare incompatibile per formare legami chimici o idrogeno) né sulla fibra lignificata (eguale ionicità). Per questi motivi è poco usato nell’ambito cartario a meno che non vengano aggiunte macromolecole a carattere cationico che montano direttamente sulla fibra permettendo il fissaggio del colorante tramite precipitazione (fissativi cationici). Si ottiene un ingrossamento della molecola colorante conferendo una migliore solidità all’acqua La collatura con colofonia unitamente al solfato di alluminio e aggiunta di fissativo danno risultati ancora migliori. Danno colorazioni brillanti, facilmente solubili in acqua, buona solidità alla luce. Danno buoni risultati nella colorazione in size press perché essendo costituiti da micro molecole di diffondono in maniera uniforme. Danno acque del sottotela sporche quindi si usano se il ciclo delle acque è sufficientemente chiuso. fissativo Colorante N N NaO₃ Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 29 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 30 COLORANTI DIRETTI I coloranti diretti o sostantivi sono detti così in quanto colorano le fibre senza bisogno di mordenti, sono solitamente coloranti anionici, mentre la fibra cellulosica nel veicolo acquoso presenta un potenziale negativo: normalmente quindi esiste una repulsione tra l’anione colorante e la fibra carica negativamente. Possiedono una sostantività propria che non prevede l’uso di fissativi. Si possono usare dei fissativi (gruppi cationici, allume) per migliorare la ritenzione e ottenere di conseguenza acque sotto tela più pulite. Nel bagno di tintura le molecole libere di colorante, superata la barriera elettrostatica causata dalla carica del colorante e dal potenziale della fibra, penetrano nelle strutture amorfe intramolecolare e danno luogo a legami idrogeno che ne permettono il legame alla fibra. Hanno un breve tempo di fissaggio per cui sono molto indicati per la colorazione in continuo La sostantività dei coloranti è dettata dalla particolare struttura del colorante ricca di gruppi amminici e ossidrilici che possono dar luogo a ponti idrogeno; è solitamente a struttura lunga con poche diramazioni e soprattutto planare in questo modo si può orientare parallelamente alle catene cellulosiche (legami a ponte idrogeno deboli) Colorante OH NaO₃S N=N N=N OH NHOC SO₃Na Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 31 PIGMENTI Sono particelle colorate insolubili in acqua che vanno a ricoprire la superficie come nel caso delle cariche minerali. Più aumenta la superficie specifica più diventano coprenti. Subiscono una prima macerazione fatta con mulini a secco e una successiva macerazione a umido con biglie di vetro e tensioattivo che lo rende fine e bagnabile. Questo determina alcuni vantaggi. Riduzione dei costi: • Unificazione delle tinte: la stessa tinta viene riprodotta nella serie FA Colore, ElleErre, Copy tinta con gli stessi parametri L a b Grazie a questo si sono ridotti i tempi di cambio fabbricazione perché se possibile venivano prodotti in serie i diversi prodotti aventi la stessa tinta in modo da risparmiare sulla pulizia dell’impianto. • Eliminata la colorazione in size press: grazie alla generazione di coloranti in polvere meno costosi e più sostantivi con la fibra si riesce a produrre tinte intense colorate preparate direttamente in massa. Il risultato si dimostra migliore che nel metodo precedente riguardo l’omogeneità di tinta e la scomparsa del sanguinamento (effetto di perdita colore della carta per caduta di una goccia d’acqua sul supporto). Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 32 La scomparsa del metodo di colorazione in size ha risolto il problema smaltimento dello scarto di amido colorato. Miglioramento della qualità delle acque sottotela • I coloranti sono più sostantivi. • Si esegue un controllo costante delle acque sottotele attraverso i parametri PtCo, potenziale z, domanda cationica per ottimizzare l’uso di fissativo, PAC e amido cationico ottenendo una qualità delle acque migliore possibile. • Scelta delle cellulose. • Uso del sale e studio del punto ottimale di immissione. Prove di laboratorio eseguite • Verifica dell’affinità tra cellulose e colorante per la scelta della cellulosa migliore. • Comparazione della resa tintoriale fra colorante liquido e polvere e verifica dei costi. • Verifica dell’ influenza della raffinazione sulla resa tintoriale. • Verifica dell’importanza dell’aggiunta del sale *Cloruro di Sodio* (NaCl) e ottimizzazione del punto di aggiunta. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 33 Prove di laboratorio: AFFINITA’ FRA VARIE CELLULOSE E COLORANTI PER CARTA Nella produzione di carte intensamente colorate, oltre ai problemi legati alla buona qualità della carta ed al giusto tono di tinta, un ulteriore parametro da seguire è l’intensità della colorazione delle acque del sottotela, perché porta con sé eventuali problemi allo scarico delle acque effluenti dallo stabilimento e la resa del colorante dosato. Per verificare l’affinità di varie cellulose ai coloranti usati in cartiera, è stato valutato il parametro dell’intensità di colorazione delle acque del sottotela. o o o o Sono state usate le seguenti cellulose, tutte con cottura al solfato e bianchite: Jariliptus 100% Eucalipto Pacifico 100% fibra lunga di Pino Riau Andalan 100% Acacia Aquitaine Mista di Faggio e Pioppo Con le cellulose sopra elencate sono state preparate diverse miscele di cellulose, tutte lavorate in olandese Valley da laboratorio, alla concentrazione del 2% fino ad un grado finale di raffinazione di 39°SR Miscela 1 Miscela 2 100% Jariliptus 66% Jariliptus 34% Pacifico Miscela 3 33% Jariliptus 33% Pacifico 34% Riau Andalan Miscela 4 100% Aquitaine Miscela 5 66% Aquitaine 34% Pacifico Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 34 Dopo aver preparato le varie miscele di cellulose, sono stati realizzati dei foglietti di laboratorio, colorati secondo la ricetta seguente: Rosso Cartasol 3BFN liq. 1.6% Rosso Carta CNX p 3.0% Giallo Cartasol RFC liq. 1.0% Blue Cartasol 3RF liq. 3.4% Cloruro di sodio 5.0% Fissativo Cartafix WE liq. 2.0% Collante in massa AKD 1.0% Amido Cationico 1.0% La ricetta corrisponde ad un colore viola-rosso molto intenso. Al momento di realizzare il foglietto usando un telaio a mano, venivano raccolte le acque di drenaggio; la metodica è stata uguale per tutti i foglietti prodotti (stessa diluizione). Le fotografie delle acque drenate sono riportate qui di seguito: Acque drenate da foglietti prodotti con miscele 1, 2 e 3 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 35 Acque drenate da foglietti prodotti con miscele 4 e 5 Dalle acque drenate sono stati misurati i valori dell’indice PtCo (Platino-Cobalto) che esprime numericamente l’intensità della colorazione dell’acqua; quanto misurato è riportato qui di seguito: Miscela 1 Valore PtCo 190 Miscela 2 82 Miscela 3 93 Miscela 4 53 Miscela 5 78 Da quanto esposto sopra, si evidenzia che la fibra di Eucalipto è quella che dà il risultato peggiore sulla qualità delle acque del sottotela; la situazione migliora decisamente con l’utilizzo della cellulosa a fibra lunga di pino (Pacifico). Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 36 Il risultato migliore della cellulosa Aquitaine (Miscela 4, faggio e pioppo) dalla quale si ottengono acque decisamente pulite (da considerare che un valore PtCo = 50 è una colorazione praticamente invisibile ad occhio, rilevabile solo strumentalmente). Per verificare ulteriormente le buone prestazioni della cellulosa Aquitaine, sono state messe a confronto le miscele 1 e 4, cioè 100% Jariliptus (Eucalipto) e 100% Aquitaine (faggio-pioppo); sono stati preparati foglietti di laboratorio dosando la seguente ricetta: Nero diretto RX q. 2.0% Collante in massa AKD Amido Cationico 1.0% 0.6% La formulazione usata in questo secondo caso manca volutamente di fissativo allo scopo di verificare l’effettiva affinità della fibra con il colore dosato. Le acque di drenaggio ottenute sono le seguenti: Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 37 I valori dell’indice PtCo sono riportati qui di seguito: Valore PtCo Miscela 1 280 Miscela 4 165 Si conferma la buona prestazione della cellulosa Aquitaine. Da quanto esposto sopra, si propone l’utilizzo della cellulosa Aquitaine per le carte colorate intensamente (quantità di colore maggiore del 2% su carta). Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 38 3. LA COLORAZIONE NELLO STABILIMENTO DI PIORACO L’unità produttiva è costituita da due macchine piane: • La MC1 adibita alla produzione delle rinomate carte da disegno per usi artistici e professionali • La MC2 utilizzata per produrre carte filigranate per titoli e assegni e altre carte di sicurezza, oltre ai numerosi tipi di carta dedicati all’uso in ufficio come il Copy 2. La gamma di carte colorate si divide in : . Fabriano colore ...............................................................................................200 g/m² Destinata a disegno, uso scolastico, cartellonistica . Murillo ...........................................................................................190 260 360 g/m² Utilizzata per stampe d’arte, inserti, pieghevoli, calendari, edizioni pregiate e disegno . Fabriano elle erre ............................................................................................220 g/m² Destinata a scuole, designer e per tutti gli usi grafici e cartotecnici. Marcata sul retro e naturale sul verso . Tiziano.............................................................................................................160 g/m² Per stampe di pregio, con presenza di cotone . Copy tinta .........................................................................................80 160 200 g/m² I coloranti impiegati sono per il 95% coloranti diretti e il 5% pigmenti predispersi. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 39 3.1 UTILIZZO DEI COLORANTI IN POLVERE La Cartiera di Pioraco ha usato per lungo tempo coloranti liquidi con sistema tradizionale di colorazione in discontinuo, dosaggio volumetrico in tina di miscelazione. Dal 2004 si è deciso di affrontare il tema coloranti in polvere valutandone le differenze dai soliti liquidi. Lo studio del laboratorio si è concentrato su 4 tinte intense giudicate costose per l’azienda: - Bleu - Rosso - Nero - Bruno Si è deciso di sostituirli in ogni ricetta con coloranti in polvere. Il risultato è stato positivo e si è notato che se il colore è solubilizzato la resa è più elevata e la colorazione è più satura, più brillante e le acque del sottotela sono più pulite. Lo studio effettuato ha dimostrato che si possono impiegare con successo i coloranti polvere. Essi non sono alternativi ai coloranti liquidi ma possono in parte sostituirli in casi di colorazioni intense per una effettiva riduzione dei costi. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 40 PROVE DI CONFRONTO IN LABORATORIO riferimento LIQUIDO Rosso Cartasol 2GFN POLVERE 2% Rosso Cartasol 2GFy 0,4% L= 61,5 a= 50,9 b= 18,2 L= 61,8 a= 49,5 b= 17,6 ∆E=1,57 Acque sottotela Pt Co 69 Acque sottotela Pt Co 80 Costo 100 Costo 295 Per ottenere un foglietto con le stesse caratteristiche date dal colore liquido 2GFN alla concentrazione del 2%, ho impiegato lo 0,4% di colore in polvere 2GFY. (rapporto 1 : 5) I valori L* a* b* sono pressoché uguali e anche il Platino Cobalto delle acque del sottotela risulta trascurabile. costo 100 Conc. × × 2 quantità = 200 costo 295 × × 0,4 Conc. = quantità 118 100% Risparmio del 41% Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 41 59% Riferimento LIQUIDO POLVERE Turchese FBLU 2% L= 81,9 a= -19 b= -15,7 Acque sottotela Pt Co 50 Costo 100 Turchese FRL ∆E=1,8 0,5% L= 82,5 a= -18,2 b= -14,2 Acque sottotela Pt Co 55 Costo 286 Per ottenere un foglietto con le stesse caratteristiche date dal colore liquido FBLU alla concentrazione del 2%, ho impiegato lo 0,5% di colore in polvere FRL. (rapporto 1 : 4) I valori L* a* b* sono pressoché uguali e anche il Platino Cobalto delle acque del sottotela risulta trascurabile. costo 100 × × Conc. 2 = quantità costo 200 100% 286 × × Conc. 0,5 = quantità 143 71,5% Risparmio del 28,5% Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 42 Riferimento POLVERE Bruno scuro LIQUIDO 1% L= 57,8 a= 16,2 b= -9,7 Acque sottotela Pt Co 134 Costo 100 Giallo Cartasol G 0,72% Rosso Cartasol 2GFN 0,72% Bleu Cartasol GDF 0,5% ∆E=1,8 L= 82,5 a= -18,2 b= -14,2 Acque sottotela Pt Co Costo Giallo 30 Costo Rosso 52 Costo Bleu 55 130 Per ottenere un foglietto con le stesse caratteristiche date dal colore polvere Bruno scuro alla concentrazione dell’ 1%, ho impiegato lo 0,72% di giallo, lo 0,72% di rosso e lo 0, 5% di bleu liquidi (rapporto 1 : 4) I valori L* a* b* sono pressoché uguali e anche il Platino Cobalto delle acque del sottotela risulta trascurabile. costo 100 × × Conc. 2 = quantità costo 200 100% 286 × × Conc. 0,5 quantità = 143 71,5% Risparmio del 28,5% Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 43 MODALITA’ DI IMMISSIONE COLORE: ciclo discontinuo Inserimento manuale di sacchetti in PVA da 5 kg vapore SERBATOIO DI DISPERSIONE Volume 2200 L ALLA TINA DI MISCELAZIONE condensa Dati Base: • Concentrazione della dispersione 2.5 - 3% • Temperatura di dispersione 70⁰C • Quantità di colorante 50 kg • Volume finale 1600 litri Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 44 In un serbatoio di piccole dimensioni dotato di agitatore, riempito con acqua demineralizzata e vapore in aggiunta, vengono dispersi i coloranti diretti in polvere. Questi coloranti vengono venduti in sacchi di alcol polivinilico (da 5-10-15 Kg l’uno) che a contatto con il calore biodegradano. In questo modo l’operatore getta i sacchetti interi senza correre il rischio che la polvere colorante sia nociva per la sua salute. Le soluzioni per essere stabili devono essere preparate con acqua preferibilmente calda e demineralizzata cioè addolcita (senza sali di calcio e magnesio che influiscono sulle caratteristiche di solubilizzazione dei coloranti). Ogni colorante ha il suo limite di saturazione oltre il quale si crea precipitato (colore insolubilizzato). In laboratorio sono state fatte prove per stabilire il limite di solubilizzazione dei vari coloranti e alla luce dei risultati si è deciso di fare delle soluzioni a una concentrazione massima del 2% Il colorante viene immesso a Bach: la colorazione infatti viene fatta in discontinuo; l’aggiunta del colorante verrà fatta in un punto dove c’è buona agitazione e dove l’impasto può stazionare per il tempo necessario. Problematiche relative a questa scelta: 1. Il colorante contamina gran parte dell’impianto che deve essere perciò pulito a ogni cambio fabbricazione. 2. Se all’uscita della seccheria ci accorgiamo che la tonalità di colore differenzia da quella desiderata (come spesso accade) la correzione fatta in discontinuo sarà visibile all’arrotolatore dopo 15-20 min. È per questo che tale metodo è applicato a continue piccole e con basse velocità. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 45 3.2 L’IMPORTANZA DELLA RAFFINAZIONE Presi 450 g di cellulosa St. Gaudens Viene spappolata per 15’’ (impasto al 2,4%) L’impasto viene poi raffinato nell’olandese fino ai 35°S per 1h RAFFINATO PULPERATO Colore 1,5% Rosso 2GFY p Pt Co 2570 Rosso 2GFY p Pt Co 748 L = 58.07 a = 51.49 b = 18.27 L = 49.27 a = 54.03 b = 24.20 Rosso CMX Pt Co 2215 Rosso CMX Pt Co 538 L = 56.49 a = 49.54 b = 20.47 L = 48.7 a = 51.88 b = 23.10 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 46 Considerazioni: Da questa prova fatta colorando un impasto composto unicamente da cellulosa ed acqua è possibile osservare l’enorme contributo che dà la raffinazione alla colorazione. Questo perché la raffinazione compie un lavoro di sfibrillamento, cioè di apertura delle fibre, e di rigonfiamento in quanto aumenta il volume dei pori interni che vengono occupati dall’acqua 3.3 USO DEI SALI Il cloruro di sodio è un elemento importante per il fissaggio del colore alla fibre. La sua cationicità infatti agisce sul potenziale zeta (che misura la carica superficiale della fibra) neutralizzando le forze di repulsione tra l’impasto che è potenzialmente anionico a causa dei legami OH¯ e il colore che anch’esso è leggermente anionico. Questa situazione non favorisce l’ancoraggio del colore che in buona parte si perde nel ciclo delle acque. Per ovviare a questo viene aggiunto un 5% di sale. La differenza elettrostatica diminuisce e la fibra diventa più accessibile. Attualmente il sale viene aggiunto in tina di miscelazione dopo l’aggiunta dal colorante. Per un problema logistico di scomodità di manovre lavorative si è discussa l’ipotesi di provare ad aggiungere il sale prima del colorante ossia nella tina del pulperato. Prima di procedere a questo la prova è stata sperimentata in laboratorio. RAFFINATO PULPERATO Colore 1,5% sale Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 47 Rosso 2GFY p Pt Co 2250 Rosso 2GFY p Pt Co 329 L = 54.92 a = 54.5 b = 22.42 L = 47.39 a = 53.78 b = 26.01 Rosso CNX p Pt Co 1690 Rosso CMX p Pt Co 114 L = 57.30 a = 49.36 b = 20.48 L = 49.09 a = 52.22 b = 24.84 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 48 RAFFINATO PULPERATO Sale 5 % Colore 1,5% Rosso 2GFY p Pt Co 1775 Rosso 2GFY p Pt Co 361 L = 58.86 a = 54.21 b = 22.05 L = 47.67 a = 54.13 b = 25.66 Rosso CMX p Pt Co 1800 Rosso CMX p Pt Co 150 L = 56.29 a = 50.23 b = 20.76 L = 48.92 a = 52.23 b = 23.2 Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 49 Considerazioni: Spostato il punto di aggiunta del sale nell’impasto non si sono riscontrati cambiamenti rilevanti. La resa è rimasta invariata così come i valori delle coordinate a e b. Le acque del sottotela danno valori di platino-cobalto molto simili quindi possiamo dire che il colore si è legato alla fibra allo stesso modo. Il sale aggiunto prima o dopo del colorante svolge in egual modo la sua funzione di legante in quanto nel primo caso prepara la fibra ad accettare il colore e nel secondo caso interviene dopo che i punti di accesso risultano saturi creando la condizione ottimale per assorbire la maggior quantità di colore. Cicconi Elena – Ottimizzazione coloristica nella cartiera Fedrigoni di Pioraco - 50