La rigidez es una propiedad extremadamente importante para muchos usos del papel, del cartoncillo y de la cartulina, siendo  conveniente que sea alta en unos casos, como es en papeles o cartoncillos para impresión o para cajas, en cambio en otros tipos, como papeles faciales, por el contrario, se requiere que sea muy baja.

Existen dos formas usuales para denominar la rigidez, una de ellas es  rigidez a la flexión y es la resistencia que opone un papel o un cartoncillo a ser flexionado por una fuerza que se aplica por una de sus caras; como en algunas de las otras propiedades mecánicas, se trata de la capacidad del papel o cartoncillo para evitar una deformación cuando se somete a esfuerzos.  La otra forma es la rigidez al manejo o al tacto, se puede describir como la capacidad del papel o del cartoncillo para mantenerse rígido cuando es sostenido en forma horizontal por uno de sus bordes.

Esta propiedad es muy importante en el comportamiento del papel o del cartoncillo. Por ejemplo en folders y tarjetas para índices, que se deben mantener en posición vertical, sin doblarse durante el tiempo de su uso.  Otros ejemplos de papeles o cartoncillos que requieren de alta rigidez, son: barajas, posters, vasos y platos.  El carteo del papel, depende de su rigidez. 

En papeles para impresión en hojas, se requiere cierto grado de rigidez para lograr una buena alimentación de la prensa; esto se aplica también a impresoras láser y copiadoras de oficina, sin embargo, cuando la rigidez es excesivamente alta, los papeles tienen poca posibilidad de ser comprimidos durante la impresión, por lo cual, no siempre son adecuados para obtener una buena calidad de imagen en tipografía; sin embargo esto no afecta en offset. Otro problema que se presenta cuando la rigidez es excesiva, es que el papel se vuelve quebradizo. En papeles o cartoncillos para empaque y fabricación de cajas la propiedad mecánica más importante, es la rigidez.

FACTORES QUE AFECTAN LA RIGIDEZ

Entre los factores que influyen en la rigidez del papel o el cartoncillo, se encuentran:  el espesor, (al aumentar el espesor, la rigidez aumenta tanto como aumentó el espesor elevado al cubo); la elasticidad, (a mayor elasticidad será menor la rigidez); el gramaje influye directamente en la rigidez, siempre que se mantenga la densidad aparente (relación peso base a espesor); la rigidez en sentido de fabricación aumenta al aumentar la tensión de la hoja durante el secado en la máquina de papel; un mayor contenido de  humedad, hace que disminuya la rigidez, así como una hoja muy seca tendrá mayor rigidez, pero en cambio se volverá quebradiza.  El aumento en las uniones entre fibras, que se logra con la refinación, hace que aumente la rigidez en una pequeña proporción; la orientación de las fibras afecta la rigidez, siendo más alta en el sentido en el que se orienta un mayor número de fibras, que es en el sentido de fabricación .  Algunos aditivos afectan la rigidez, como por ejemplo: la aplicación de almidón o silicato de sodio, hace que aumente la rigidez; la aplicación de cera, en la prensa de encolado, la hace disminuir y la impregnación del papel con látex o resinas para dar resistencia en húmedo, también hace que disminuya la rigidez. 

Las características de elasticidad son diferentes para cada tipo de pulpa celulósica, por lo tanto la fórmula de fabricación del papel o del cartoncillo, influye en su rigidez.  Por regla general las pulpas de fibra corta son más rígidas que las de fibra larga, aunque es necesario cierto grado de refinación para que se desarrolle la rigidez, siendo las fibras vírgenes sin refinar suaves.  Un aumento en la refinación de la pasta al fabricar el papel, hace que aumenten las uniones entre fibras, por lo que suele producirse un aumento en la rigidez, hasta llegar a un límite, pasado el cual, si se refina más, caerá esta propiedad; cuando se aumentan las cargas disminuye la rigidez debido a que se reducen las uniones entre fibras.  Al aumentar el calandrado en la máquina de papel, habrá una disminución en la rigidez, debido a que esta operación no aumenta el número de uniones entre fibras, pero sí disminuye el espesor.

Uno de los mayores problemas que se tienen es lograr que se mantenga una rigidez alta en el papel o el cartoncillo, en presencia de humedad relativa alta, ya que su contenido de humedad, influye mucho en la elasticidad, que a su vez afecta negativamente la rigidez, la cual puede reducirse hasta en un 50% al cambiar la humedad relativa de 22 a 85%, debido al aumento proporcional del contenido de humedad y también por este motivo, mejora la rigidez al aumentar el encolado interno del papel, haciéndolo menos absorbente.

La rigidez es más alta en el sentido de la orientación del mayor número de fibras, que es en el sentido de fabricación o de la máquina (SF o SM) y en consecuencia es menor en el sentido transversal (ST).  En los papeles fabricados en máquinas de formadores es más acentuada esta diferencia, por lo que se puede sacar ventaja en la elaboración de cajas de su mayor rigidez en SF.  Las cajas plegadizas se elaboran de manera que el hilo, o SF, vaya  perpendicular a la pestaña de pegue de la caja, la rigidez mayor en SF, asegurará que la caja se abra adecuadamente en la línea de llenado, manteniendo sus ángulos en escuadra; en igual forma, el SF a lo largo de la dimensión más corta en los lados largos de la caja, minimizará el abombamiento debido al peso del contenido de la caja y en los lados cortos ayudará la rigidez de las esquinas para que no se aplasten las cajas en las estibas.

Esta diferencia en la rigidez entre las dos direcciones del papel o del cartoncillo, debe tenerse en mente al hacer la conversión del papel o la cartulina, teniendo en cuenta el uso final del producto.  Cuando el papel fue fabricado en máquina fourdrinier, esta relación de la rigidez entre los dos sentidos, es normalmente de 2:1, mientras que en papel hecho en máquina de formadores, suele ser de 3:1 o mayor.

DETERMINACIÓN DE LA RIGIDEZ

Las pruebas de la rigidez, se basan en la medida de la fuerza requerida para flexionar una muestra de papel o cartoncillo de un tamaño determinado en las dos direcciones (caras), hasta un ángulo determinado, siendo mayor la rigidez cuanto más alto es el resultado.  Existen varios métodos y diferentes aparatos para determinar la rigidez en papel o cartoncillo, entre los equipos usuales están los probadores Gurley y Taber.

El probador de rigidez Gurley se presenta en la Figura 1, y mide el momento de flexión que se ejerce en un espécimen, cuando éste desvía un péndulo.  El espécimen se coloca en un brazo que gira en el mismo eje que el péndulo, sujeto por su extremo superior, de manera que el extremo inferior del espécimen queda libre y se traslapa en 6.4 mm (¼ de pulgada) con el extremo superior del péndulo, que tiene una lámina triangular de contacto,  Durante la prueba, el brazo es movido por un motor y mueve al espécimen a través de un arco, el extremo inferior, suelto del espécimen, empuja el extremo superior del péndulo hacia abajo y hace que su extremo inferior que tiene una pesa se mueva hacia arriba, ejerciendo una fuerza cada vez mayor por una de las caras del espécimen.  En determinado momento, la fuerza ejercida sobre el papel por la parte superior del péndulo, es suficiente para flexionar el espécimen y hacer que resbale, zafándose del péndulo. 

El valor de la prueba corresponde a la máxima desviación del péndulo en el momento en que se zafa el espécimen y se lee en la escala del aparato; se hacen lecturas por las dos caras y en los dos sentidos del papel o del cartoncillo.  Actualmente hay aparatos que dan lectura digital,  automáticamente almacenan los datos y calculan el resultado promedio.  La rigidez se obtiene en miligramos fuerza (mgf), también se acostumbra reportar como unidades Gurley que son equivalentes a los mgf; se calcula multiplicando el promedio de desviación del péndulo por un factor tomado de una tabla que se encuentra impresa en la base del instrumento y cuyo valor depende de la pesa del péndulo y su posición, así como de la longitud del espécimen. 

El probador de rigidez Gurley, es muy versátil y puede utilizarse para probar un rango amplio de papeles y cartoncillos.  Tiene 4 pesas de diferente valor, que pueden ajustarse a 3 distancias del extremo inferior del péndulo, con lo que se pueden hacer 150 combinaciones diferentes de longitud del espécimen y carga.

Figura 1. Probador de rigidez Gurley 

Figura 2. Probador de rigidez Taber

El medidor de rigidez Taber, que se muestra en la Figura 2, se utiliza mucho para medir la rigidez a la flexión del cartoncillo o cartulina.  El aparato Taber es similar al Gurley en que mide el momento de flexión requerido para flexionar el extremo libre de un espécimen bajo una serie de condiciones fijadas arbitrariamente.  En este equipo la distancia que hay de la mordaza en la que se sujeta el espécimen al punto en el que se aplica la fuerza para flexionarlo, es de 50 mm y el espécimen es de 38 mm de ancho.  El máximo grado de desviación es de 15° en relación con la vertical.  La fuerza para lograr la flexión, en gramos fuerza-centimetro (gf-cm), se lee en la escala.  Se pueden colocar pesas para darle mayor aplicabilidad; en este caso, el promedio de las lecturas, hacia la izquierda y hacia la derecha de la vertical, se multiplica por un factor para obtener el resultado.  Actualmente existen aparatos que proporcionan lectura digital y facilitan esta operación.  En el Laboratorio de pruebas de la UILMAC, se cuenta con un aparato de este tipo.

BIBLIOGRAFIA

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- Scott, W.E. Properties of Paper: An Introduction  TAPPI Press.  Atlanta, GA. 1989.

- Casals, R.   Características del Papel   Howson Algraphy, S.A. Barcelona.

TAPPI (Technical Association of the Pulp and Paper Industry) Test Methods 1994-1995.