Agentes de neutralización en la fabricación de papel: tipos, mecanismos y aplicaciones modernas
Introducción
Las fibras del papel, compuestas principalmente de celulosa, contienen una gran cantidad de grupos hidroxilo (-OH) que forman fácilmente enlaces de hidrógeno con el agua, lo que le da al papel una fuerte tendencia hidrofílica. Cuando el papel se empapa en agua, pierde la mayor parte de su resistencia, una propiedad deseable para el papel de tissue y el medio corrugado, pero indeseable para la mayoría de los otros tipos de papel, como el papel de oficina, los empaques de alimentos, las cajas de cosméticos y las bolsas para alimentos.
El encolado es el proceso mediante el cual los fabricantes de papel confieren resistencia a la penetración del agua y de otros líquidos, impidiendo la difusión y la penetración de líquidos acuosos. Existen dos métodos principales de encolado: colocación interna (o en la pulpa), donde el agente de colación se agrega a la pulpa durante el batido o la preparación de la pasta, y aplicación de cola a la superficie, donde el agente se aplica después de que se ha formado la hoja de papel. Con la excepción de los papeles absorbentes, el papel de filtro, el papel encerado, el papel de cigarro y el papel de seda, casi todos los tipos de papel requieren encolado. El encolado mejora la resistencia del papel al agua, al aceite y a la tinta de impresión, al tiempo que mejora su suavidad, hidrofobicidad y capacidad de impresión.
Entre las diversas tecnologías de dimensionamiento, agentes de dimensionamiento neutros Se han convertido en la opción predominante en la fabricación moderna de papel, lo que ha permitido la transición de los sistemas de fabricación de papel ácidos a los neutros y alcalinos. Este artículo ofrece una visión general técnica exhaustiva de los agentes de encolado neutros: su clasificación, mecanismos de acción, ventajas, limitaciones y tendencias del mercado.
1. ¿Qué son los agentes de dimensionamiento neutros?
Los agentes de encolado neutros son una subcategoría de los agentes de encolado internos que se utilizan en la fabricación de papel. Están diseñados para funcionar en condiciones neutras o alcalinas (pH de 6,0 a 8,5 y superior), a diferencia de los sistemas de encolado ácidos tradicionales, que operan a un pH de 4,0 a 5,5.
El principio de funcionamiento de los agentes de apresto neutros se basa en el efecto sinérgico de los grupos hidrofílicos e hidrofóbicos. Cuando se utilizan junto con rellenos de carbonato de calcio, los agentes de apresto neutros mejoran la blancura y el volumen del papel, al tiempo que reducen el riesgo de corrosión del equipo.
1.1 ¿Por qué el cambio al sistema de tallas neutras?
La transición de la industria del papel de la fabricación ácida a la neutra o alcalina ha estado impulsada por varios factores de peso:
- Compatibilidad de los rellenos: Los sistemas neutros permiten el uso de carbonato de calcio, un material de relleno que es entre un 30 y un 50% más barato que el talco y que mejora significativamente la blancura del papel (+5–8% ISO), la opacidad (+10–15%) y el volumen
- Protección de la fibra: Las condiciones ácidas (pH < 6) provocan la hidrólisis de las fibras, lo que reduce la resistencia del papel. Las condiciones neutras preservan la integridad de las fibras, con una mejora del índice de tracción de 10–15% y de la resistencia al plegado de 20%
- Durabilidad del equipo: Los sistemas neutros son menos corrosivos para los equipos de las máquinas de papel, lo que prolonga su vida útil y reduce los costos de mantenimiento
- Beneficios ambientales: La neutralización del tamaño elimina o reduce considerablemente el uso de sulfato de aluminio, lo que disminuye la descarga de DQO en 40–60% por tonelada de papel
2. Clasificación de los agentes de dimensionamiento neutros
Los agentes de apresto neutros se clasifican generalmente en tres categorías principales:
- Agentes de encolado a base de colofonia (colofonia cationica dispersa, colofonia enriquecida)
- Agentes de apresto sintéticos (AKD, ASA)
- Agentes de encolado de tipo polímero (dispersiones de polímeros catiónicos)
Cada categoría tiene propiedades químicas, mecanismos de encolado y características de aplicación distintos.
3. Agentes de apresto neutros a base de colofonia
3.1 De los sistemas de resina ácidos a los neutros
El encolado tradicional con resina de pino utiliza sulfato de aluminio (alumbre) como agente de retención y precipitante, lo que requiere condiciones ácidas (pH 4,0–5,5) para que el encolado sea eficaz. En condiciones neutras o alcalinas, el alumbre pierde su eficacia, lo que limita la aplicación de los encolantes convencionales a base de resina de pino.
El desarrollo de agentes de encolado de colofonia dispersa catiónica ha superado esta limitación. Estos agentes se fijan por sí mismos en las fibras de celulosa con carga negativa debido a su naturaleza catiónica, lo que elimina la necesidad de utilizar alumbre como mordiente.
3.2 Propiedades y rendimiento
Los agentes de encolado neutros a base de colofonia catiónica presentan varias características clave:
- Estabilidad: Algunas formulaciones pueden conservarse durante más de seis meses
- Potencial zeta: Por lo general, alrededor de +25 mV, lo que indica un fuerte carácter catiónico
- rango de pH: Eficaz en un rango de pH de 6,0 a 8,0; algunas formulaciones ofrecen un buen rendimiento hasta un pH de 8,5
- Reducción del alúmina: En comparación con los aglutinantes de colofonia fortificados tradicionales, los agentes catiónicos a base de colofonia pueden reducir el consumo de sulfato de aluminio en aproximadamente 80%
- Eficiencia en el dimensionamiento: El doble que los tamaños convencionales de resina de jabón
3.3 Aplicaciones
Los agentes de encolado neutros a base de resina de colofonia catiónica son especialmente adecuados para:
- Tipos de papel de calidad media a alta en los que el uso de AKD o ASA puede resultar demasiado costoso
- Fábricas que están pasando de sistemas ácidos a neutros y desean seguir utilizando productos químicos a base de colofonia
- Aplicaciones en las que se requiere un curado rápido (los aglutinantes de colofonia se curan más rápido que el AKD)
Las investigaciones han demostrado que el desarrollo de agentes de encolado a base de resina dispersa neutra se ajusta tanto a las condiciones nacionales de China como a la tendencia mundial en el desarrollo de la industria papelera.
4. Agentes de apresto neutros sintéticos: AKD y ASA
El AKD (dímero de alquilceteno) y el ASA (anhídrido alquenilsuccínico) son los dos agentes de encolado sintéticos más comunes utilizados en la fabricación moderna de papel neutro y alcalino. Ambos son agentes de encolado reactivos que forman enlaces covalentes con las fibras de celulosa, pero difieren significativamente en cuanto a su reactividad, requisitos de curado y condiciones de aplicación.
4.1 AKD (dímero de alquilceteno)
Mecanismo químico
El AKD es un agente de apresto reactivo que se caracteriza por una estructura de anillo de β-propiolactona tensado. El mecanismo principal mediante el cual el AKD confiere hidrofobicidad a la celulosa es a través de una reacción de esterificación covalente. El anillo de β-propiolactona deformado de la molécula de AKD reacciona con los grupos hidroxilo de la cadena principal de la celulosa para formar un β-cetoéster. Este enlace covalente fija las largas cadenas alquílicas hidrofóbicas del AKD a la superficie de la celulosa, creando una barrera permanente contra la penetración del agua.
A partir de una serie de técnicas indirectas, los investigadores han concluido que el establecimiento de un enlace covalente entre la celulosa y el AKD es esencial para conferir hidrofobicidad permanente a las superficies celulósicas. El AKD puede reaccionar con la celulosa para formar enlaces β-cetoéster directos que son lo suficientemente fuertes como para resistir el ataque de ácidos o bases y que son casi inertes a estas sustancias químicas.
El mecanismo de tres etapas
El proceso de dimensionamiento de AKD se desarrolla en tres etapas fundamentales:
- Retención: Las partículas de la emulsión de AKD quedan retenidas en las fibras de celulosa en la sección húmeda
- Propagación: A medida que el papel se seca y se calienta, el AKD se derrite (punto de fusión: 44,5–52 °C) y se extiende sobre la superficie de las fibras
- Reacción: A temperaturas elevadas, el anillo de lactona del AKD reacciona con los grupos hidroxilo de la celulosa
Ventajas
AKD ofrece varias ventajas muy atractivas:
- Excelente estabilidad a largo plazo: Proporciona un apresto duradero y permanente que se conserva bien con el paso del tiempo
- Amplia compatibilidad con distintos valores de pH: Ofrece un rendimiento constante en una amplia gama de niveles de pH, desde neutros hasta alcalinos
- Compatibilidad con el carbonato de calcio: Permite el uso de materiales de relleno económicos
- Baja corrosividad: Menos dañino para los equipos de la fábrica que los sistemas ácidos
- Respeto al medio ambiente: No contiene solventes orgánicos y no es tóxico
Limitaciones
- Curado lento: Requiere entre 24 y 48 horas a 25 °C y una humedad de 50% para curarse por completo, lo que ocupa espacio en el almacén
- Sensibilidad a la hidrólisis: El AKD se hidroliza en presencia de agua, especialmente a temperaturas elevadas
- Limitaciones de almacenamiento: Temperatura de almacenamiento ≤35 °C; a 40 °C, la vida media es de solo 7 días
- Dependencia de los subsidios de retención: Requiere almidón catiónico o poliacrilamida para una retención eficaz
En condiciones de fabricación de papel en las que se utiliza carbonato de calcio como material de relleno, el uso de almidón catiónico es necesario para lograr un encolado AKD eficaz. El almidón catiónico ayuda a estabilizar el agente de encolado y favorece su retención en la celulosa.
4.2 ASA (anhídrido alquenilsuccínico)
Mecanismo químico
El ASA es un agente de apresto neutro reactivo de alta eficiencia y actividad. Se caracteriza por una estructura molecular única con grupos de anhídrido dicarboxílico cíclico. Al igual que el AKD, el ASA forma enlaces éster con los grupos hidroxilo de las fibras de celulosa.
Características principales
- Reactividad rápida: El ASA reacciona mucho más rápido con las fibras de celulosa que el AKD, a menudo durante las etapas de la fase húmeda de la fabricación de papel
- Determinación inmediata de la talla: Aplica 80%+ de su apresto antes de que la banda llegue a la prensa de apresto
- No requiere curado: Unlike AKD, ASA does not require heat treatment or ripening time
- rango de pH: Effective at pH 6.5–8.0
Ventajas
ASA offers distinct benefits for specific applications:
- Rapid sizing development: Ideal for high-speed paper machines (>1500 m/min)
- No curing delay: Finished paper can be processed immediately
- Low friction coefficient: No paper slipping issues
- Suitable for recycled fiber: Particularly effective for heavy sizing paper based on waste paper
Limitaciones
- Emulsion instability: ASA emulsions are less stable than AKD emulsions and require careful handling
- Rapid hydrolysis: ASA hydrolyzes quickly to alkenyl succinic acids
- Fresh preparation required: Emulsion must be freshly prepared and used within 2 hours
- Equipment maintenance: Requires daily cleaning of pipelines with 50°C water and 0.1% NaOH to prevent gel blockage
- Sensitivity: Performance is more sensitive to variations in pH and process conditions
4.3 AKD vs. ASA: A Comparative Summary
| Característica | AKD | ASA |
|---|---|---|
| Reactivity | Moderate (slower) | High (very fast) |
| Curado | Requires 24–48 hours | No curing needed |
| Sizing development | Off-machine | On-machine |
| Emulsion stability | Bien | Poor (requires fresh preparation) |
| rango de pH | Broad (neutral to alkaline) | Narrower (6.5–8.0) |
| Hydrolysis | Slow | Fast |
| Storage | ≤35°C; limited shelf life | Must be used within hours |
| Best suited for | Medium-to-low speed machines (<800 m/min) | High-speed machines (>1500 m/min) |
5. Polymer-Type Neutral Sizing Agents
5.1 Cationic Polymer Dispersions
Cationic polymer dispersions represent a third category of neutral sizing agents. These agents function through a combination of mechanisms:
- Electrostatic attraction: The cationic nature of the polymer ensures strong retention on anionic cellulose fibers
- Film formation: The polymer forms a hydrophobic film on the fiber surface
- Synergistic effects: Often used in combination with polymeric retention aids for enhanced performance
5.2 Applications
Cationic polymer dispersions are used for:
- Internal sizing of raw paper pulps at neutral pH
- Combination with rosin sizes in neutral-alkaline systems
- Specialty paper applications requiring specific surface properties
5.3 Emerging Polymer Technologies
Recent developments include the use of water-soluble chitosan as a sizing agent incorporated in paper composites. Chitosan and its derivatives offer:
- Excellent film-forming properties and film strength
- Strong hydrogen bonding with cellulose carboxyl groups
- Schiff base formation with aldehyde groups
- Environmentally friendly characteristics (natural origin, biodegradability)
6. The Role of Retention Aids
A critical factor in the effectiveness of neutral sizing agents—particularly AKD—is the use of retention aids. Cationic starch is the most widely used retention aid for AKD systems. Under papermaking conditions using calcium carbonate as a filler, the use of cationic starch is necessary to achieve effective AKD sizing.
Some cationic polymers work not only to improve AKD sizing performance but also to prevent press and smoothing roll deposits. Surface-active substances such as defoamers and deaerators have no significant effect on size retention, but agglomeration and hydrolysis can be reduced by increased starch addition or by the introduction of long-chain polymers such as polyacrylamides.
For ASA sizing, cationic additives—especially starch and aluminum products—have a very positive effect on sizing performance.
7. Market Landscape and Growth Trends
7.1 Global Market Size
The global sizing agents market is substantial and growing steadily:
- The global Sizing Agents market was valued at USD 4.43 billion in 2025 and is expected to register a revenue CAGR of 4.5% during the forecast period
- The global Pulp and Paper Sizing Agents market was valued at USD 1,789 million in 2025 and is forecast to reach USD 2,460 million by 2032 at a CAGR of 4.6%
- The Neutral Sizing Agent market was valued at USD 1.2 billion in 2024 and is projected to reach USD 2.5 billion by 2034, registering a CAGR of 7.5%
7.2 AKD and ASA Market Share
Among synthetic sizing agents:
- AKD holds the largest market share, contributing nearly 38% of global revenue in the paper sizing chemical market in 2024
- The global ASA Sizing Agent market is projected to grow from USD 877 million in 2024 to USD 1,159 million by 2031 at a CAGR of 4.4%
7.3 Key Market Drivers
Sustainable Paper Packaging
The shift from plastic packaging toward recyclable fiber-based formats is increasing demand for high-performance sizing chemistry across food packaging, e-commerce shipping, and industrial wrapping applications. Containerboard shipments continue to expand as online retail and packaged food demand increases, directly increasing consumption of AKD and polymer sizing agents because recycled fibers absorb moisture more easily than virgin pulp.
Neutral Sizing as the Mainstream Choice
Neutral sizing agents have become the mainstream choice for mid-to-high-grade paper grades due to their wide pH adaptability, environmental friendliness, and aging resistance. A key trend is the shift toward neutral sizing agents, with AKD leading the charge.
Innovation in Bio-Based Solutions
In September 2024, Kemira (Finland) expanded production capacity for water-based barrier and sizing chemistries at its European paper chemicals network to support food packaging converters shifting away from fluorochemical coatings. In April 2024, Solenis (U.S.) introduced upgraded barrier and sizing solutions for molded fiber packaging applications.
8. Application Guidelines for Neutral Sizing Agents
8.1 Recommended Dosage
The dosage of neutral sizing agents varies by product type and paper grade:
- Cationic rosin sizes: 0.3–1.2% based on dry pulp
- AKD: Typically 0.6–3.5% based on dry pulp
- ASA: Dosage adjusted based on target sizing degree and furnish composition
8.2 Addition Sequence
The typical addition sequence for neutral sizing is:
- Neutral sizing agent
- Precipitant/retention aid (if required)
- Filler
8.3 Critical Process Parameters
| Parámetro | AKD | ASA | Cationic Rosin |
|---|---|---|---|
| Optimal pH | 7.5–8.5 | 6.5–8.0 | 6.0–8.0 |
| Curado | 24–48 hours | Inmediato | Inmediato |
| Retention aid | Essential (cationic starch) | Recommended | Self-retaining |
| Storage | ≤35°C | Use within 2 hours of emulsification | ≥6 months |
8.4 Troubleshooting Common Issues
| Issue | Possible Cause | Recommended Action |
|---|---|---|
| Poor sizing (AKD) | Low retention; pH too high or low | Improve retention aid system; optimize pH |
| Hydrolysis (AKD) | High temperature; prolonged retention | Reduce temperature; improve single-pass retention |
| Emulsion instability (ASA) | Delayed application; contamination | Prepare fresh emulsion; use immediately |
| Inconsistent sizing | pH fluctuations; retention variations | Stabilize wet-end chemistry; monitor retention |
9. Conclusion
Neutral sizing agents represent a cornerstone technology in modern papermaking, enabling the transition from acidic to neutral and alkaline systems that deliver superior paper quality, reduced environmental impact, and enhanced operational efficiency.
The three main categories—rosin-based, synthetic (AKD/ASA), and polymer-type—offer papermakers a range of options to suit different paper grades, production conditions, and economic considerations. AKD, with its durable covalent bonding and broad pH compatibility, has emerged as the dominant choice, holding nearly 38% of the global market. ASA offers rapid sizing development for high-speed machines, while cationic rosin sizes provide a cost-effective bridge for mills transitioning from acidic systems.
As the paper industry continues to embrace sustainability, with growing demand for recyclable packaging and reduced chemical footprints, neutral sizing technologies—particularly AKD and emerging bio-based alternatives—are well-positioned to meet the challenges of the future. Understanding the chemistry, advantages, and limitations of each neutral sizing agent type is essential for papermakers seeking to optimize product quality, production efficiency, and environmental performance in an increasingly competitive global market.
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