Tipologie di presse e feltri umidi

Transcript

Tipologie
di presse
e feltri umidi
Franchini Cristian
(Toscolano)
Scuola Interregionale
di tecnologia
per tecnici Cartari
Via Don G. Minzoni, 50
37138 Verona
Relazione finale
6° Corso di Tecnologia per tecnici cartari
1998/99
Indice
1. Introduzione .................................................................................. pag.
1
2. Analisi degli elementi costituenti la zona presse ........................ pag.
2
3. Il fenomeno della freccia .............................................................. pag.
3.1 Correzione della curvatura
3.2 Rulli a Bombè variabili
3
4. Analisi delle sollecitazioni all’interno del “Nip” ........................ pag.
4.1 Primi sistemi di pressatura
4.2 Presse a flusso trasversale
6
5.
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Evoluzione della zona presse ....................................................... pag.
Pressa piana tradizionale a passaggio diretto
Pressa Fabric
Dry Press
Pressa scanalata (Venta-Nip)
Pressa a fori ciechi
Pressa aspirante
Pressa a scarpa
9
6.
6.1
6.2
6.3
Caratteristiche della carta influenzate dalla zona presse ......... pag.
Spessore
Liscio superficiale
Marcature superficiali (effetto dello shadow marking)
14
7.
7.1
7.2
7.3
7.4
Le variabili nella pressatura ........................................................ pag.
Pressione
Distinzione fra carte “Pressure controlled” e “Flow controlled”
Temperatura
Tipologie di impasto
16
8.
8.1
8.2
8.3
Problematiche legate alla pressatura .......................................... pag.
Vibrazioni del gruppo presse
Presse doppio feltrate
Tiro libero della carta
18
9.
9.1
9.2
9.3
Feltri umidi .................................................................................... pag.
Introduzione alla funzione del feltro
Caratteristiche costruttive
Strutture e vantaggi del feltro multibase
20
10.
10.1
10.2
10.3
Condizionamento dei feltri ........................................................ pag.
Origine e formazione di impurità nei feltri
Condizionamento in continuo
Lavaggi chimici
23
11. Inconvenienti nella pressatura dovuti ai feltri ......................... pag.
11.1 Vibrazioni
11.2 Marcature ed impronte sui feltri
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1. Introduzione
Questa relazione ha lo scopo di esaminare le varie parti costituenti la sezione
presse della macchina continua per la produzione della carta. Si può dichiarare
infatti che la zona presse, ha una funzione determinante nella formazione del foglio in quanto, con questa delicata operazione, viene eliminata una notevole
quantità di acqua contenuta nel manto fibroso, determinando in parte alcune delle
numerose caratteristiche del prodotto finito.
Con questa, se pur sintetica trattazione cercherò di analizzare la funzione e la
costituzione della sezione presse, a partire dalle prime soluzioni adottate fino a
quelle più moderne e complesse come la “pressa a scarpa”.
Discuterò anche del compito non secondario dei feltri umidi, della loro costituzione, e del loro condizionamento, esaminando in fine le varie problematiche
relative a questa importante quanto delicata operazione.
Premesso che un argomento ampio e complesso come questo preso in esame, richiederebbe un’esperienza pratica e teorica abbastanza elevata, cercherò
di chiarire, secondo le mie conoscenze, anche gli aspetti più complessi.
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2. Analisi degli elementi costituenti la zona presse
Soltanto una buona parte dell’acqua libera fra le fibre, viene eliminata fino al
cilindro aspirante. Per l’ulteriore disidratazione il foglio umido viene fatto passare fra due cilindri rotanti i quali vengono premuti con forza l’uno con l’altro. Il
foglio viene trasportato da un feltro il cui compito, oltre a quello di sostenerlo è
di assorbire tutta l’acqua strizzata scaricandola poi a sua volta sotto l’effetto della
pressione. La pressione applicata varia a seconda della posizione della pressa,
ovviamente sarà minore nella prima dove il foglio è ancora molto umido e deformabile.
Il numero delle presse varia a differenza delle esigenze, in base ai tipi di carta
che la continua deve fabbricare. Tale pressione viene misurata in kg al centimetro
lineare, anche se la zona di contatto è una striscia e non una linea. L’aumento
della velocità della macchina comporta una maggiore quantità di acqua che deve
essere eliminata nell’unità di tempo e per questo è necessario operare con pressione elevate e zone di contatto più ampie in modo d’avere più tempo a disposizione per l’eliminazione dell’acqua.
I cilindri della pressa possono essere rivestiti di materiali diversi e presentare superfici differenti: generalmente uno dei due è in granito lucidato o materiale sintetico equivalente assolutamente privo di microrugosità o porosità. In alcuni
casi le presse possono non essere separate una dall’altra, ma raccolte in gruppi
compatti variamente montati.
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3. Il fenomeno della freccia
Il cilindro viene supportato da due appoggi laterali e riceve un carico sulla
sua lunghezza subendo quindi una deformazione il cui picco massimo si ha al
centro del rullo. A questo inconveniente, chiamato “Freccia Massima”, si deve
rimediare per far sì che il profilo di umidità risulti uniforme e non risulti nettamente più alto nella zona centrale. Tale deformazione è calcolabile con una opportuna formula matematica che vedremo successivamente.
Si può verificare anche un altro fenomeno e cioè quello di ovalizzazione, in
quanto la camicia è di piccolo spessore in relazione al diametro del cilindro stesso.
L’effetto della curvatura e in generale quello della deformazione dei cilindri
va ad interessare entrambi i cilindri pressori e comporta una diversa distribuzione
dei carichi applicati sul foglio di carta che, nel caso del fenomeno di flessione, risulteranno minori lateralmente e più alti al centro, viceversa se prevale l’effetto
di ovalizzazione. Talvolta, nel caso si presentino entrambi i casi, avremo distribuzioni ancora più anomale.
3.1 Correzione della curvatura
Per ovviare all’inconveniente dei fenomeni di ovalizzazione e flessione si è
dovuto intervenire durante la delicata operazione di rettifica, creando sulla superficie del cilindro una curvatura chiamata “Bombe”. È da tenere presente che tale
bombatura verrà effettuata solo alla camicia e non verrà considerato né il tipo né
lo spessore del rivestimento usato. La curva della bombatura è una porzione di
sinusoide e il suo valore massimo misurato sul diametro è uguale al doppio della
freccia che può essere calcolata con la seguente formula:
F max = pt3 x (12i – 7t)/38,4ej
dove:
p = pressione al nip (in kg/cm)
t = larghezza della tavola (in cm)
i = distanza tra i supporti (in cm)
e = momento d’inerzia (cm^2)
j = modulo elastico (in kg/cm^2)
Come detto precedentemente, la deformazione del cilindro dipende esclusivamente dalle caratteristiche geometriche (grandezze i, t e j nella formula della
freccia) e fisiche del materiale di cui è costruita la camicia e non dipende affatto
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dal tipo di rivestimento. Infatti se tale rivestimento dovesse essere sostituito, il
valore del Bombè potrebbe rimanere uguale. Una volta calcolato il valore della
freccia si deve aggiungere quello dell’ovalizzazione.
Per eseguire questo calcolo si deve ricavare una “nip impression” cioè
l’impronta su carta carbone sulla linea di contatto. La differenza tra i carichi ipotizzati e quelli applicati nella realtà rendono molto difficile però tale misurazione.
La formula è la seguente:
C = (LC2 – LB2) x (d1 + d2) / (2d1 x d2)
dove:
LC = larghezza dell’impronta al centro
LB = larghezza dell’impronta ai bordi
d1 = diametro pressa 1
d2 = diametro pressa 2
3.2 Rulli a Bombè variabili
Fino a quando i carichi applicati rimangono costanti, i concetti esposti precedentemente sono eseguibili praticamente. Nei casi in cui le produzioni diverse
modifichino tali valori, si deve ricorrere a cilindri a Bombè variabili.
Questi cilindri sono costituiti da un robustissimo albero centrale su cui ruota la
camicia; tra questi due componenti sono montati opportuni elementi meccanici che
esercitano una spinta fra albero e la camicia determinando appunto la curvatura desiderata. Ecco i tipi di meccanismi più utilizzati per ottenere questo risultato:
- olio immesso in camera a pressione
- pistoncini che premono la camicia dall’interno con un meato d’olio interposto
- un pattino che preme la camicia dall’interno, sempre con l’aiuto dell’olio
- albero riscaldato solo su un lato in maniera tale da flettersi in seguito a dilatazione termica
Nello schema che segue si può vedere nella prima figura un cilindro a Bombè
variabile, dove sono evidenziati gli spintori idraulici alimentati da tubi contenenti
olio in pressione.
Nella pagina successiva si vede il problema dell’incurvatura dei rulli (fig.2) e
la soluzione (fig.3).
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4. Analisi delle sollecitazioni all’interno del Nip
Il Nip si può definire come la linea di contatto in cui i due cilindri vanno ad
esercitare la pressione necessaria per pressare la carta: tale pressione viene indicata in chilogrammi per centimetro lineare.
Il contatto fra i due cilindri non avviene, come si potrebbe immaginare lungo
una linea retta, ma tale zona si ampia ad una fascia più o meno larga; ciò cambia
col variare di tre diverse condizioni come la pressione esercitata, il materiale può
essere più o meno duro utilizzato nel rivestire la pressa e l’indice di deformabilità
delle superfici dei due cilindri.
Generalmente, come vedremo più avanti, una macchina continua è costituita
da una zona presse avente almeno due o tre Nip.
4.1 Primi sistemi di pressatura
Inizialmente le presse erano costituite da due cilindri e un feltro di lana. Tale
feltro in questi casi aveva la sola funzione di supporto, in quanto la carta e il feltro venivano pressati fino al punto in cui l’acqua contenuta nella carta non andava ad occupare tutti gli spazi a sua disposizione, muovendosi attraverso gli interstizi vuoti del foglio stesso.
Dopo queste operazioni l’acqua fuoriusciva e veniva scaricata in senso contrario della carta, in quanto essa passava nelle due presse mentre l’acqua appunto
non superava tale ostacolo.
L’aumento della produzione delle macchine continue e conseguente aumento
della loro velocità ha portato un grave problema: infatti la velocità delle presse è
diventata superiore a quella che l’acqua impiegava per essere drenata; così la
struttura del foglio veniva danneggiata in quanto, non potendo più essere drenata
naturalmente, l’acqua si concentrava sotto il feltro. Per eliminare questo inconveniente si sono studiate delle soluzioni modificanti feltri e presse.
Infatti si sono cominciati a costruire feltri aventi un elevato potere drenante,
dove l’acqua riusciva ad essere drenata molto velocemente venendo poi ospitata
all’interno di fori o fessure creati appositamente sulla superficie del cilindro.
Molti vantaggi sono stati riscontrati con l’avvento di tale sistema, non essendovi più i problemi di velocità in quanto lo spazio che l’acqua dovrà percorrere
sarà solo quello dello spessore del feltro, e di conseguenza anche la pressione necessaria sarà molto minore.
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4.2 Presse a flusso trasversale
La soluzione anticipata precedentemente cioè quella di utilizzare un feltro
molto drenante che possa essere attraversato molto velocemente dall’acqua, la
quale penetra poi negli alveoli creati sulla superficie del rullo pressa abbracciato
dal feltro prende il nome di: “Pressa a flusso trasversale”" in quanto indica il movimento che deve compiere l’acqua per essere eliminata.
Come vedremo più avanti, la creazione di rulli con opportuni ricettacoli, la
cui funzione è quella di ospitare l’acqua spremuta nel Nip, ha diverse soluzioni:
aspirante, scanalata, a fori ciechi e fabric. Anche lo sviluppo dei feltri combinati
ha portato un grande aiuto nella soluzione di tali problemi; questi feltri infatti
hanno la caratteristica di avere al loro interno una struttura aperta e rigida, cioè
incomprimibile. Ciò fa sì che lo spessore non si riduca sotto l’effetto della pressione con il notevole vantaggio di poter contenere grandi quantità d’acqua prima
di raggiungere la saturazione. Nel caso il feltro non si saturi nemmeno quando
venga sottoposto alla massima compressione dei due rulli, si parla di Sello (Dry
Press).
Nella figura che segue è raffigurata una pressa monofeltrata e cioè costituita da due soli cilindri e da un feltro che abbraccia il cilindro inferiore. In questo disegno sono riportati gli andamenti delle pressioni nel Nip; queste sono di
natura diversa in quanto si verifica una pressione idraulica, e una pressione di tipo meccanica su entrambi. Nel tratto “A-B” si verifica una pressione meccanica
sia sul feltro che sulla carta che elimina l’aria dagli alveoli non contenenti acqua.
La pressione idraulica nella carta inizia nel punto “B” dove la migrazione
dell’acqua nel feltro è immediata. Nel punto “C” anche sul feltro inizia il carico
idraulico, dove l’acqua viene scaricata negli alveoli della camicia del rullo inferiore. Questo fenomeno continua fino a raggiungere la massima intensità nel punto “D”, fase di maggiore pressione idraulica. Da qui in avanti il fenomeno diminuisce ma l’evacuazione continua fino al punto “F” dove la pressione idraulica
diventa negativa, in quanto da “E” in poi sia per la carta che per il feltro comincia
una fase di espansione. In “F” il carico idraulico del feltro diventa negativo e
questo comincia ad aspirare acqua oltre che dal foglio anche dalla parete del cilindro abbracciato. Nel punto “G” analoga situazione accade per la carta dove
comincerà ad assorbire parte del liquido perso, anche se in percentuale molto inferiore. La separazione avviene nel punto “H”.
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5. Evoluzione della zona presse
5.1 Pressa piana tradizionale a passaggio diretto
Questo tipo di pressa è costituito da un cilindro inferiore rivestito di un materiale duro, compatto e liscio e da uno superiore di granito lucido che va a premere
sul sottostante. La pressione viene determinata dal peso del cilindro superiore e
dall’azione di un sistema a molle pneumatiche e bracci di leva a cui sono collegati i due supporti. Il cilindro inferiore è fissato al basamento mediante supporti e
cuscinetti, mentre il superiore non è fisso, ma può essere alzato o abbassato; questo è anche munito di una raschia la quale ha due funzioni: la prima per pulire la
superficie dalle particelle che si staccano dal foglio e la seconda per staccare il
foglio, che in caso di avviamento o rottura, aderisce al cilindro e tende ad avvolgersi.
5.2 Pressa Fabric
Questa pressa è caratterizzata da una tela in plastica a maglie relativamente larghe che compie un percorso separato all’interno del giro feltro e va a interporsi fra il cilindro pressore e il feltro nella zona del Nip. L’unico aspetto positivo ricavato da questa soluzione è che, avendo sempre alveoli vuoti sotto il feltro,
basta una pressione ridotta per favorire un buon drenaggio. Tale pressa è però
ormai quasi in disuso perché, gli aspetti negativi, al contrario sono parecchi; tra
questi, ovviamente, il bisogno di un giro tela separato che richiede un rullo regolatore e uno tenditore e un cassetto aspirante nel caso la forza centrifuga non sia
sufficiente.
Tutti questi accessori e la presenza contemporanea di un feltro e una tela,
una volta in movimento determinano notevoli vibrazioni che disturbano le altre
parti meccaniche.
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6. Caratteristiche della carta influenzate
dalla zona presse
6.1 Spessore
Il problema dello spessore è influenzato da vari fattori quali il tipo di impasto, la temperatura e l’importanza che riveste il carico di pressione esercitato nella sezione presse (questi tre argomenti verranno trattati più approfonditamente
nel capitolo successivo). È molto importante definire come questo carico di pressione viene applicato ovvero in quanti Nip e in che quantità viene ripartito. Possiamo dire che aumentando il carico di pressione diminuisce lo spessore e aumenta la densità della carta, diminuendo quindi la distanza fra le fibre favorendo
i legami chimici e meccanici. Ciò produrrà una maggiore resistenza meccanica,
allo scoppio e alla compressione, alla rottura ad un maggiore allungamento e un
maggiore carico elastico. Diminuiranno invece la resistenza alla lacerazione, la
rigidità e l’opacità.
6.2 Liscio superficiale
All’uscita dell’ultimo Nip della zona presse il nastro di carta risulta, come finitura superficiale già definito. Per questo motivo se avessimo una sola pressa
oppure più Nip impostati allo stesso modo il lato feltro risulterebbe più compatto
e rugoso, avremmo invece l’altro lato (lato tela) più liscio in quanto va a contatto
con un cilindro con una superficie più liscia.
Diventa quindi necessario fare in modo che nel Nip successivo avvenga la situazione contraria per evitare fenomeni di doppio viso.
6.3 Marcature superficiali (effetto dello shadow marking)
Il difetto della marcatura superficiale riguarda principalmente i fogli che
vengono pressati mediante cilindri forati o scanalati (soprattutto le presse aspiranti) e si verificano sul loro lato feltro. Tale difetto chiamato anche shadow
marking si presenta sotto forma di piccoli cerchi riproducenti i fori del cilindro.
Questi cerchi hanno una diversa sfumatura perché in quel punto cariche, parti fibrose, fini ecc. sono state maggiormente asportate dall’aspirazione.
Il fenomeno sarà più evidente con l’utilizzo di paste chimiche in quanto meno opache rispetto alle paste meccaniche dove la maggiore opacità fa sì che il difetto non sia così accentuato. Lo shadow marking si può diminuire con un rive-
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stimento di gomma più morbida al cilindro aspirante e fori più piccoli nella
gomma, aumentandone il numero; questo per ridurre al minimo il percorso trasversale che l’acqua deve compiere per raggiungere un foro sulla superficie del
rullo.
Un’altra soluzione è quella di utilizzare un rivestimento non di soli fori ma di
fori e fessure combinati.
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7. Le variabili nella pressatura
7.1 Pressione
Come detto la pressatura serve per eliminare attraverso mezzi meccanici la
quantità maggiore possibile di acqua rispettando però requisiti importantissimi
quali lo spessore, la finitura superficiale, il grado di secco, ecc.
L’impulso di pressione è il parametro che ci permette di rimuovere la quantità di acqua in una pressa: questo non è altro che la relazione fra il carico lineare
applicato al Nip (chilogrammi al cm quadrato) e la velocità della continua (metri
al minuto).
Una volta definito questo rapporto è facile intuire che per eliminare una
quantità maggiore di acqua si può muovere in due direzioni: la prima è di aumentare il carico lineare, lasciando invariata la velocità della macchina, mentre la seconda consiste nel diminuire la velocità della continua lasciando costante il carico applicato prolungando quindi il tempo di permanenza all’interno della zona di
pressione da parte del foglio.
In entrambi i casi si possono presentare degli svantaggi: aumentando infatti il
carico lineare si rischia di peggiorare le caratteristiche meccaniche della carta
provocando anche la formazione del doppio viso. Diminuendo invece la velocità
è facile capire che questo porterà anche ad una conseguente minor produzione
con una perdita dal punto di vista economico.
Per soddisfare tutte le richieste (elevato grado di secco all’uscita dall’ultimo
Nip, mantenimento delle caratteristiche del foglio e una velocità adeguata al tipo
di carta prodotta) bisogna distinguere in due gruppi i diversi tipi di carta esistenti.
7.2 Distinzione fra carte “pressure controlled” e “flow controlled”
Nel primo dei due gruppi sopracitati troviamo carte leggere e scolanti come
quelle da giornale (…) e carte fini in generale, dove è necessario applicare un alto valore di carico per ottenere un elevato impulso avendo su di esse poca influenza la velocità della macchina e quindi il tempo di permanenza nella zona di
pressione. Questo risultato si può ottenere utilizzando cilindri duri di piccoli
diametri.
Il secondo gruppo invece è rappresentato da carte pesanti o molto raffinate
(cartoncini o simili) in cui l’impulso deve essere mantenuto elevato grazie
all’aumentare del tempo di pressatura, quindi velocità più basse, rulli meno duri
con diametri maggiori.
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7.3 Temperatura
Comportamenti diversi della carta all’interno del Nip possono essere determinati anche dalla temperatura con la quale il foglio entra nella sezione presse.
Aumentando infatti la temperatura, la viscosità dell’acqua diminuisce e si ottiene
una maggiore evacuazione del liquido tra le fibre. Inoltre nell’utilizzo di paste
meccaniche l’elevata temperatura fa sì che la lignina si ammorbidisca portando
quindi ad un minor ritorno elastico del foglio e ad una diminuzione dello spessore all’uscita della pressa.
7.4 Tipologie d’impasto
La scelta dell’installazione della sezione presse di una macchina continua e il
modo di gestirla dipende in gran parte dalle tipologie d’impasto utilizzate per la
produzione del prodotto. Prendendo in considerazione due tipi di impasto diversi
come uno di pasta chimica e uno di pasta meccanica noteremo nella fase di pressatura due diverse reazioni. Nel primo caso le fibre di pasta chimica si dimostreranno facilmente comprimibili senza denotare però capacità elastiche; nel secondo caso invece le fibre di pasta meccanica una volta compresse dimostreranno un
buon ritorno elastico. Questo concetto risulta però in contraddizione rispetto a
quello illustrato parlando di carte “pressure e flow controlled” nei paragrafi precedenti.
Oggi infatti anche per le carte leggere si cerca di mantenere un certo spessore
e nel caso queste fossero costituite da paste chimiche richiederebbero carichi minori di quelli previsti appartenendo alla famiglia delle pressure controlled. È importantissima in questo caso l’esperienza del costruttore e del cartaio per trovare
la giusta soluzione costruttiva e di gestione considerando le molteplici variabili
presenti oggi e le evoluzioni previste.
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8. Problematiche legate alla pressatura
8.1 Vibrazioni del gruppo presse
Il primo problema che si può constatare nella pressatura della carta è quello delle
vibrazioni del gruppo presse. Tre sono i motivi dai quali possono essere causate:
1. Alcune strutture possono entrare in risonanza eccitate da piccoli sbilanciamenti
di alcuni rulli guida feltro. La soluzione di questo inconveniente è quella di irrigidire le strutture aumentandone la sezione o creare qualche vincolo supplementare con altre strutture più stabili della struttura generale.
2. Un’altra causa di eventuali vibrazioni potrebbe essere quella dello sbilanciamento dei cilindri ed eventuali deformazioni dei loro rivestimenti: in questo
caso la frequenza di queste vibrazioni corrisponderà con quella del cilindro
stesso. Nel caso la vibrazione interessi il cilindro pressore sulla carta si riscontreranno delle zone più compatte di altre. Il bilanciamento del cilindro oppure
un eventuale rettifica possono essere le uniche soluzioni.
3. L’ultima causa può essere anche il dispositivo di carico della pressa che può
generare vibrazioni che vanno dai 15 ai 25 Hz. La massa di tale sistema è data
dalla massa del rullo stesso, dal feltro, dal rivestimento e dal dispositivo che
applica il carico (pistone o molla ad aria).La reazione del feltro alla compressione rappresenterà la forza eccitante del sistema.
La frequenza di disiuniformità di massa, è diversa per ogni feltro e coincide con quella
del sistema vibrante in esame; due sono le soluzioni per ovviare a tale problema:
- l’utilizzo di feltri precompatti e precalibrati dotati dove sia possibile di uno strato di fibre ammortizzanti;
- portare il sistema di carico da pneumatico ad idraulico oppure con acqua o appositi oli le molle ad aria in modo da aumentare la bassa frequenza propria del
dispositivo di carico.
8.2 Presse doppio feltrate
Da quanto discusso fino ad ora si potrebbe pensare che ogni zona presse sia
costituita da più Nip, ognuno con presse monofeltrate. Da diversi anni invece a
differenza del tipo di carta da produrre vengono utilizzate soluzioni differenti:
molteplici vantaggi sono stati rilevati con l’utilizzo di presse doppio feltrate dove
entrambi i rulli sono dotati di giro feltro separato.
Il primo vantaggio di avere un feltro su entrambi i lati del foglio è quello di
dimezzare il percorso che l’acqua deve compiere per attraversarlo; praticamente è
come se si avesse un foglio di grammatura dimezzata rispetto a quella che real-
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mente si ha. Questa soluzione trova forte utilizzo non solo nelle carte di alta
grammatura ma anche in quelle più fini in quanto oggi si devono allontanare
sempre grandi quantità di acqua.
Un altro vantaggio è quello di poter applicare un impulso maggiore in quanto
a parità di pressione specifica permette di applicare un carico maggiore e di avere
un Nip più morbido e perciò più lungo. Con carte di alta grammatura l’uguale divisione del passaggio dell’acqua da entrambi i lati del foglio permette di ridurre
l’intensità di flusso e diminuisce di conseguenza il grado di densificazione; per
questo motivo troveremo il foglio più aperto nei Nip successivi e quindi più disposto a rilasciare l’acqua.
Un ultimo ma non meno importante vantaggio è quello di evitare nel caso si
utilizzino impasti particolarmente sporchi, che fibre e particelle contaminanti aderiscano al cilindro liscio, lasciando sul foglio piccoli fori che, quando sottoposti a tiro libero, possono essere causa di rottura.
8.3 Tiro libero della carta
Il fenomeno del tiro libero si ha quando il foglio di carta viene trasferito da
una pressa all’altra oppure dall’ultimo Nip alla seccheria senza essere supportato
dal feltro. Essendovi nella carta ancora una notevole quantità di acqua e di conseguenza scarsa resistenza meccanica, si deve applicare una tensione non troppo
elevata per non danneggiarla. Con questa formula si ha la possibilità di calcolare
la tensione a cui viene sottoposto un foglio di carta durante il tiro libero:
T = (L/1 – cosα) + m*V2
dove:
L = lavoro per unità di superficie da compiere per separare i due corpi
α = angolo di separazione
m = grammatura
V = velocità della continua espressa in m/min
La prima cosa che si nota è che per staccare un foglio da un rullo, si deve
ogni volta esercitare un lavoro con un conseguente allungamento del nastro di
carta che però non dipende dal fatto di avere un tiro libero più o meno lungo.
Si nota inoltre che con l’aumentare dell’angolo di uscita aumenta pure la tensione: tale angolo dipende a sua volta dal tipo di adesione rullo-carta e quindi dal
tipo di rivestimento utilizzato. Appare evidente che il problema del tiro libero sia
più rilevante su macchine ad alta velocità, mentre meno determinante nel caso di
macchine lente.
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9. Feltri umidi
9.1 Introduzione alla funzione del feltro
Come evidenziato in precedenza il feltro ha una duplice funzione: infatti oltre
a quella di assorbire e scaricare sulla superficie del cilindro inferiore l’acqua
spremuta dal foglio di carta, ha il compito di supportare il nastro durante il passaggio all’interno delle presse. Ciò perché durante questa delicata operazione il
foglio presenta ancora scarse caratteristiche meccaniche causa di rotture. Nel
momento in cui esso abbandona la tela di formazione contiene ancora un’elevata
quantità di acqua che varia in base al tipo di impasto, macchina continua, grammatura ecc. tra il 60 e 80%.Per facilitare la disidratazione del foglio, l’acqua attraversa il feltro in contro corrente e viene scaricata, come detto prima, sul cilindro con cui il nastro è a contatto.
Quando la velocità della macchina è bassa tale principio trova pieno riscontro; al contrario con l’aumentare della velocità diminuirà il tempo a disposizione
del liquido per l’attraversamento del feltro e non potendo essere eliminata provocherà rotture del foglio. Il rimedio a questo problema è stata l’introduzione della
pressa a flusso trasversale, ma anche gli enormi sviluppi tecnologici nella realizzazione dei feltri umidi.
Tali sviluppi hanno consentito di sostituire i vecchi feltri di lana prima con
nastri in fibra di poliammide, poi con feltri in fibra di poliestere. I principali vantaggi ricavati dall’uso delle fibre sintetiche sono:
- una maggiore durata del feltro;
- un notevole aumento della resistenza sotto carico di pressione;
- maggiore flessibilità.
Altre caratteristiche importanti dei feltri moderni sono la resistenza all’abrasione ai reagenti chimici, alla compattazione e al calore. Tutte queste componenti
sono presenti nei feltri che hanno la funzione molto importante e delicata di staccare il foglio dalla tavola piana.
9.2 Caratteristiche costruttive
La costituzione del feltro è data da un tessuto di base incomprimibile di mono e multifilamenti, sul quale tramite agatura vengono fissati dei veli di fibra
comprimibili i quali hanno il compito di fare da veicolo per l’acqua e da filtro
contro le impurità. Questa composizione totalmente sintetica e la tecnica costruttiva hanno consentito ai feltri di poter lavorare anche nelle situazioni più critiche
e di adeguarsi alle necessità dei produttori di macchine continue. Fino a non mol-
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to tempo fa i feltri umidi erano costruiti solo ad anello chiuso mentre ora per ovviare all’inconveniente dell’elevato tempo necessario per la sostituzione del manufatto si sono cominciati a costruire ed utilizzare feltri aperti che vengono poi
uniti tramite una particolare cerniera che garantisce ovviamente di non marcare la
carta ad ogni passaggio della giunzione.
I filati per la fabbricazione di tali feltri si dividono in tre categorie:
- cardati;
- multifilati;
- monofilati.
I monofilamenti ed i multifilamenti sono di origine sintetica ottenuti dalla fusione del polimero di base che viene forzato attraverso una filiera. Questi fili
vengono stirati per indurirli ad alti carichi di rottura e basso valore di allungamento. La miscela delle fibre viene lavorata in una linea di cardatura che produce
gli stoppini: tale miscela in gergo viene chiamata mischia. Gli stoppini in bobina
vengono poi filati, stirati e ritorti per produrre il filato: tale filato ritorto mantiene
una forma cilindrica, meglio di un singolo filo cardato e viene poi posto su di un
telaio pronto per la tessitura.
La grammatura del feltro finito varia dai 700 ai 2000 grammi al metro quadrato e lo spessore è compresi fra i 2 e 5 mm. Per quanto riguarda la permeabilità
dell’aria è compresa fra i 20 e i 150 CFM, apposita unità di misura che determina
la chiusura di un feltro rispetto ad un altro. Ricordo che la permeabilità all’aria è
il volume d’aria in piedi cubici che attraversa un area in tessuto in piedi quadrati
in un minuto, ad una pressione di ½ pollice d’acqua.
9.3 Struttura e vantaggi del feltro multibase
La caratteristica principale del feltro multibase è quella di avere una struttura
più complessa rispetto alla solita e di avere una combinazione di più tessuti e non
un solo tessuto. A portare all’utilizzo di questo tipo di feltro, maggiormente drenante e più resistente, è stato il notevole aumento dei carichi applicati dovuto al
costante incremento delle velocità delle continue e dalla necessità del continuo
aumento delle produzioni.
Lo strato superiore di tale feltro è costituito da un velo agato stratificato il
quale viene posto sopra uno strato composto da un insieme di un monofilo ritorto
e un monofilo libero. Sotto queste due sezioni troviamo un terzo strato formato
anch’esso come il precedente, però più complesso. Come si può vedere dal disegno, l’ultimo strato del feltro è costituito da un altro velo agato.
I principali vantaggi ricavati con l’utilizzo di questo tipo di feltro sono i seguenti:
- resistenza alla compressione: grazie agli strati interni composti da fili non compenetranti l’uno con l’altro, la compattazione del feltro viene ritardata e ciò
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10. Condizionamento dei feltri
10.1 Origine e formazione di impurità nei feltri
Un feltro si dice “intasato” quando il 90% del volume dei suoi pori è occluso
da impurità di diversi tipi. Tali impurità si possono suddividere in quattro gruppi
in funzione di altrettanti settori della struttura del feltro.
- Superficie quaternaria: è costituita dalla parte interna delle fibre del feltro. Viene interessata da alcuni prodotti chimici come coloranti e imbiancanti ottici i
quali penetrano nelle fibre grazie al loro rigonfiamento.
- Superficie terziaria: è formata dalla parte esterna delle fibre. Viene rivestita in
polimeri sintetici e resinati naturali il cui compito è di far aderire tra loro le fibre diminuendone la flessibilità.
- Superficie secondaria: è costituita dallo spazio esistente tra fibra e fibra e viene
intasata prevalentemente da sostanze di carica.
- Superficie primaria: è formata dalla superficie del feltro stesso.Queste fibre
vengono rese appiccicose dai resinanti naturali e dai polimeri sintetici che le rivestono: in queste condizioni trattengono frammenti di cellulosa e pasta legno
che successivamente si trasferiscono sui rulli guida feltro dove si stratificano
operando in seguito un’azione di marcatura sui feltri.
Le impurità dei feltri si possono suddividere in due classi: la prima è quella
delle sostanze agglomeranti come colle, ritentivi, amidi e peci. La seconda invece
è rappresentata da cariche, riempitivi, fibre cellulosiche e terre coloranti.
Le misure atte a prevenire eliminare la deposizione sui feltri delle impurità
menzionate sono le seguenti:
- Cariche e riempitivi: ad eccezione del carbonato di calcio le sostanze di carica e
di riempitivi sono sostanze chimicamente inerti le quali possono essere disperse
ed eliminate solo dopo la rimozione delle sostanze che le inglobano. Nel caso la
sostanza intasante sia carbonato di calcio è sufficiente un lavaggio acido per trasformarlo in sale solubile.
- Collanti di colofonia: questi collanti reagiscono con i metalli contenuti
nell’acqua ed eventualmente con l’allume formando saponi insolubili. Per eliminare tali saponi si deve effettuare un lavaggio acido che li trasformi in acidi
resinici i quali sono facilmente allontanabili con l’impiego di opportuni detergenti.
- Resine resistenti ad umido: in genere non sono facilmente allontanabili dai feltri. Le difficoltà sono date dalla diversa natura delle resine impiegate.
Per ridurre le difficoltà del lavaggio dei feltri seguire le seguenti precauzioni
nell’utilizzo di tali resine:
1. utilizzare sali forti anziché allume per acidificare l’impasto;
23
L’acqua è il mezzo fondamentale del lavaggio e, nel limite del possibile è
opportuno tentare di risolvere il problema senza aggiungere altri prodotti che, tra
l’altro lo renderebbero anche più costoso. Per diluire le sostanze intasanti favorendone poi la rimozione da parte dei successivi spruzzi a spillo e l’asportazione
da parte delle cassette aspiranti, vengono utilizzati gli spruzzi a ventaglio. Molto
importante, ovviamente in base alle possibilità di spazio è situare tali spruzzi subito dopo l’uscita del feltro dalla pressa indirizzando il flusso nel cuneo formato
dal contatto del feltro con il rullo di rinvio. In questo modo si favorisce la penetrazione dell’acqua nel corpo del manufatto. Nel caso tale disposizione risulti impraticabile si può orientare il flusso direttamente sul feltro cercando di dare il
massimo spazio possibile fra gli spruzzi a ventaglio e quelli a spillo.
Le caratteristiche fondamentali sono:
- pressione = 1,5/2 bar per macchine fino a 400 m/min
3/5 bar per macchine oltre i 400 m/min
- portata =
15/20 litri /minuto/metro larghezza tavola per macchine fino
a 400 m/min in questo caso l’apporto di acqua sul feltro
è di 40/50 grammi al metro quadrato
30/40 litri /minuto/metro larghezza tavola per macchine
oltre i 400 m/min anche in questo caso l’apporto di acqua
sul feltro è di 40/50 grammi al metro quadrato
Vi sono a disposizione molte varietà di ugelli di diversi tipi e dimensioni;
molto importante è utilizzare ugelli che assicurino un’omogenea distribuzione
dell’acqua evitando zone scoperte o sovrapposizioni del getto. Una volta diluita
la sostanza entrano in azione gli spruzzi a spillo oscillanti i quali hanno la funzione di rimuoverla per favorirne l’eliminazione delle cassette aspiranti. Come
già detto tali spruzzi vanno situati dopo quelli a ventaglio e dopo le cassette posizionandoli al lato carta. Le loro caratteristiche fondamentali sono:
- Ugelli autopulenti con diametro di 1 mm
- Una distanza dal feltro di 100/200 mm circa, molto importante è che l’ugello sia
posto alla distanza precisa nella quale il getto a spillo si espande in gocce separate in modo da sfruttare il massimo dell’energia di lavaggio con il minor rischio di usura del feltro.
- Un orientamento perpendicolare alla superficie del feltro oppure leggermente
inclinata(max 30°) in senso contrario alla marcia.
- Una distanza fra gli ugelli e la corsa di oscillazione da 200 a 250 mm. Come
detto prima è importante, onde evitare zone scoperte o sovrapposizioni che la
corsa sia perfettamente calibrata sulla distanza.
- Pressione di lavoro: 10/12 bar per lavaggio in continuo
30/35 bar per funzionamento discontinuo o per lavaggi shock
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- Portata: 1,8 litri al minuto per ugello a 12 bar
3 litri al minuto per ugello a 35 bar
Ad una velocità di 400 metri al minuto, nel primo caso l’apporto
di acqua sul feltro è di 18 grammi al metro quadrato e di 30
nel secondo caso.
- Tempo di lavaggio per funzionamento discontinuo: per evitare danneggiamenti
alla massa fibrosa del feltro è importante limitare l’azione degli spruzzi al minimo indispensabile quando si utilizzano elevate pressioni.
Ecco la formula per determinare tale calcolo:
TL = 2,7 x L x b
V d
dove:
TL = tempo minimo lavaggio in minuti
L = lunghezza feltro in metri
V = velocità feltro in m/min
b = distanza fra gli ugelli in mm
d = diametro degli ugelli in mm
Fra la prima e la seconda cassa aspirante vengono installati gli spruzzi nebulizzatori di umettatura. Questi hanno la funzione di formare un sottile velo
d’acqua sulla superficie del feltro per contenere l’attrito sulla bocca delle casse
aspiranti e favorirne la tenuta che permetta il massimo sfruttamento
dell’aspirazione. È necessario l’utilizzo di tale spruzzo anche all’entrata sulla
prima cassetta in caso di lavoro con un solo spruzzo a spillo.
- pressione dell’acqua 1,5/2 bar;
- portata 6/8 litri/minuto/metro larghezza tavola per macchine fino a 400 m/min,
12/15 litri/minuto/metro larghezza tavola per macchine oltre i 400.
Anche se nella pratica si utilizzano acque di riciclo depurate, è evidente che i
migliori risultati si ottengano con acque chiare non particolarmente dure.
Le casse aspiranti hanno invece il compito di prelevare la maggiore quantità di
acqua presente nel feltro, proveniente sia dalla pressatura del foglio che dagli
spruzzi e con essa favorire l’eliminazione delle sostanze intasanti. Possiamo affermare pertanto che sono mezzi di completamento del ciclo di lavaggio e strumenti
del condizionamento. Seguono le principali caratteristiche delle cassette aspiranti:
- larghezza della fessura di aspirazione: 8/10 mm per velocità fino a 400 m/min
10/12 mm per velocità da 400-800 m/min
12/15mm per velocità oltre 800 m/min
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- depressione: da 30 a 45 cm Hg per posizioni che vanno da quelle iniziali (pick
up) a quelli finali (terze presse)
- portata d’aria: 70 litri /minuto al centimetro quadrato per velocità fino a 800
m/min e 80 litri/minuto al centimetro quadrato per velocità superiori a 800
È importante che l’aspirazione sia uniformemente distribuita su tutta la larghezza e che le bocche siano rivestite con materiale a basso coefficiente d’attrito
(ceramica o plastica ad alta densità). È anche importante che ogni feltro abbia un
impianto autonomo del vuoto e comunque si possano differenziare i vuoti e le
portate nelle varie posizioni.
10.3 Lavaggi chimici
Sostenendo sempre la teoria che è meglio cercare di risolvere il problema di
un lavaggio efficace utilizzando solo acqua, ci si trova in casi in cui è opportuno
intervenire con prodotti chimici. In questi casi è molto importante verificare quali
siano le sostanze intasanti in modo da poter scegliere gli agenti più idonei per la
loro eliminazione; inoltre è necessaria una valutazione del ciclo di lavaggio in
termini tecnici-economici. Segue una traccia generale valida sia per i lavaggi durante la produzione sia per gli interventi a macchina ferma.
1. Lavaggio durante la produzione; prevede la necessità di apparecchiature piuttosto complesse costituite da serbatoi, agitatori, pompe dosatrici, temporizzatori ecc. Le esperienze dirette portano alla scelta del ciclo e dei tempi di intervento tenendo però conto delle seguenti indicazioni generali:
Lavaggio acido: serve per l’eliminazione di sostanze minerali (biossido di titanio, caolino, carbonato di calcio ecc.), resine sintetiche, pigmenti, mucillagini e ferro.
1000 grammi di acqua
3/5 grammi di acido cloridrico (al 36 %)
2/3 grammi di detergente non ionogeno
Lavaggio alcalino: serve per eliminare residui cellulosici, inchiostri, amidi agenti
di collatura alcalina. Solitamente viene preceduto dal lavaggio acido per fare sì
che l’idrossido di alluminio non si fissi stabilmente alla struttura del feltro.
1000 grammi di acqua
5/7 grammi di soda
Per fare in modo che vi sia un tempo di azione sufficiente fino agli spruzzi di risciacquo e alle casse aspiranti, le soluzioni vengono distribuite per mezzo di
spruzzi a ventaglio sistemati al lato carta subito dopo l’uscita del feltro dal Nip.
2. Lavaggio a macchina ferma: questo lavaggio non necessita di particolari apparecchiature, e anche come esecuzione è molto semplice. Può essere di importante aiuto per ripristinare integralmente la resilienza e la ricettività del feltro;
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inoltre serve ogni volta che il manufatto sia imbrattato in maniera considerevole. La soluzione viene preparata in un serbatoio collegato ad un tubo forato
posto al diritto del feltro subito dopo la pressa. Ecco le composizioni delle soluzioni di lavaggio:
- lavaggio acido: 1000 grammi di acqua
30/50 grammi di acido cloridrico (al 36 %)
- lavaggio alcalino: 1000 grammi di acqua
30/50 grammi di soda caustica
5/10 grammi di detergente non ionogeno.
Durante l’irrogazione la macchina viene fatta girare in marcia lenta, la pressa
viene sollevata, gli spruzzi e le casse aspiranti chiusi. Si opera impregnando il
feltro fino alla saturazione e si lascia agire la soluzione per 30/45 minuti; in
seguito si aprono gli spruzzi per effettuare un completo risciacquo e poi si
mettono in funzione le cassette aspiranti per eliminare ogni residuo chimico.
Se è necessario ripetere il lavaggio tenendo presente che è meglio effettuare
due cicli brevi piuttosto che aumentare genericamente i tempi e la quantità dei
prodotti.
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11. Inconvenienti nella pressatura dovuti ai feltri
11.1 Vibrazioni
Come già visto le cause provocanti vibrazioni possono essere molteplici;
quelle che portano a fenomeni di risonanza sono certamente le più dannose. Il
feltro, verso la fine della sua vita può provocare nelle presse vibrazioni a frequenze relativamente alte con una presenza continua e regolare, provocando sul
manufatto una successione di barrature trasversali. Solitamente tale fenomeno
non è chiaramente riferibile a cause ben determinate ma, nella maggior parte dei
casi nasce da una serie di problemi che si sommano fra loro come l’usura dei cuscinetti, lo sbilanciamento dei rulli, l’usura irregolare del rivestimento della pressa ecc. In questo caso le vibrazioni generate sono a bassissima frequenza.
È evidente che, anche nel caso di disiuniformità strutturale nel tessuto di base
o nel pelo di agatura possano far sì che il feltro divenga fonte di vibrazione diretta: in questo caso le frequenze rilevate variano generalmente dai 60 ai 130 Hz. In
qualsiasi caso a fine vita del feltro, qualunque sia la causa provocante, è in questa
fascia che si manifestano le vibrazioni con il classico effetto del “barring“.
Sia nella possibilità che gli effetti di vibrazione provengano da prodotti riferentesi al feltro, sia che risultino provocati dalla somma dei difetti degli altri elementi, sarà comunque il feltro stesso a memorizzare ed evidenziare tali difetti.
Quando la costante elasticità del feltro scende sotto i valori che permettono
di smorzare gli effetti delle vibrazioni a causa dell’invecchiamento, subisce delle
deformazioni provocando la marcatura ad ogni giro feltro, raggiungendo i limiti
critici di pericolo per le strutture meccaniche della macchina.
11.2 Marcature ed impronte sui feltri
Come detto in precedenza le esigenze estetiche della carta che i feltri devono
rispettare sono molteplici; queste possono essere alterate dalle impronte e dalle
marcature derivanti dalla composizione degli arredi con riferimento sia al tessuto
di fondo, che costituisce il supporto, sia al completamento mediante l’agatura ed il
finissaggio, oppure derivanti dalla malconduzione e manutenzione dei feltri. Quello della permeabilità è uno dei fattori da tenere più in considerazione che non è però influenzato soltanto dalle aree libere previste fra i filati componenti il feltro: infatti anche se molto aperti nella struttura portante i feltri possono risultare poco disidratanti se non sono eseguiti in modo da facilitare l’eliminazione dell’acqua accumulata. È chiaro che feltri con base molto aperta lasceranno facilmente delle impronte sempre maggiori con l’aumentare dei carichi di pressione; per ridurre que-
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sto inconveniente viene ridotta la sezione dei filati aumentandone il numero in
proporzione per mantenere uguale il volume degli spazi vuoti che diventano ovviamente più piccoli e più fitti, ma anche più facilmente intasabili.
Per ottenere una superficie liscia si effettua un particolare procedimento di
agatura per far sì che non si evidenzino le linee punteggiate dagli aghi che sono
risultate spesso un problema specialmente per carte soffici ad alto spessore. Molto importante risulta essere anche la scelta delle fibre componenti i veli di agatura
che devono essere di sezione tanto più piccola quanto più elevata è la quantità
della carta da produrre.Questo per quanto riguarda i possibili problemi derivanti
dalla costituzione dei feltri.
Con l’introduzione dei tipi di presse come le aspiranti, venta-nip, fabric, si è
presentato un nuovo fenomeno riguardante l’effetto del vuoto in linea di carico,
la forma e la durezza dei rivestimenti che si ripercuote sull’aspetto estetico della
carta. Questo fenomeno è lo shadow marking e si verifica quando i fori di aspirazione o le fessure trasmettono al foglio la propria impronta. Per evitare ciò si deve ricorrere a feltri ad alto spessore e meno comprimibili possibile per mantenere
distanziato il nastro di carta dalle fonti di vuoto. La soluzione maggiormente adottata per risolvere questo problema è quella dei feltri combinati, con una struttura portante totalmente costituita da monofili.
Un altro fenomeno legato soprattutto alla conformazione delle presse è quello
delle fusioni superficiali. Gli elevati carichi applicati su Nip ristretti dalle durezze
notevoli dei rivestimenti, possono fare in modo che i feltri non riescano ad assorbire i piccoli grumi di impasto. A volte essi non riescono ad inserirsi in linea di carico e tendono a fermarsi a monte, finché non vengono afferrati nel Nip per essere
trasferiti con il feltro oltre la zona di pressione. Tutto ciò crea un attrito fortissimo
il cui sviluppo di calore raggiunge una temperatura tale da provocare in quel punto
la fusione dello strato superficiale di agatura. In questa zona la permeabilità si riduce praticamente a zero e si riscontra il fenomeno delle franature in quanto
l’acqua spremuta dal foglio non può allontanarsi attraverso il feltro.
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Bibliografia
• AA.VV - “Introduzione alla fabbricazione della carta”
(Aticelca)
• G.Rattallino – “Quaderni di tecnologia cartaria; eliminazione dell’acqua
mediante pressatura”
• Ing. L. Pimazzoni – Relazione tenuta presso il 6° corso cartari
(Over maccanica)
• Materiale tecnico e dispense di “Voith Sulzer Paper Technology”
• Materiale tecnico e dispense di “Valmet”
• G. Micucci – Relazione tenuta presso il 6° corso cartari
(Feltrificio Veneto)
• Materiale tecnico fornito da “Feltri Marone”
• “Appunti di tecnologia cartaria”
(Paolo Zaninelli)

Tipologie di presse e feltri umidi

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