Papel de aluminio

Fondo

El papel de aluminio está hecho de una aleación de aluminio que contiene entre un 92 y un 99 por ciento de aluminio. Por lo general, entre 0,00017 y 0,0059 pulgadas de espesor, la lámina se produce en muchos anchos y resistencias para literalmente cientos de aplicaciones. Se utiliza para fabricar aislamiento térmico para la industria de la construcción, material de aletas para aires acondicionados, bobinas eléctricas para transformadores, condensadores para radios y televisores, aislamiento para tanques de almacenamiento, productos decorativos y contenedores y empaques. La popularidad del papel de aluminio para tantas aplicaciones se debe a varias ventajas principales, una de las principales es que las materias primas necesarias para su fabricación son abundantes. El papel de aluminio es barato, duradero, no tóxico y resistente a la grasa. Además, resiste el ataque químico y proporciona un excelente blindaje eléctrico y no magnético.

Los envíos (en 1991) de papel de aluminio totalizaron 913 millones de libras, con envases que representaban el setenta y cinco por ciento del mercado de papel de aluminio. La popularidad del papel de aluminio como material de embalaje se debe a su excelente impermeabilidad al vapor de agua y a los gases. También prolonga la vida útil, utiliza menos espacio de almacenamiento y genera menos residuos que muchos otros materiales de embalaje. En consecuencia, la preferencia por el aluminio en los envases flexibles se ha convertido en un fenómeno mundial. En Japón, el papel de aluminio se utiliza como componente de barrera en latas flexibles. En Europa, los envases flexibles de aluminio dominan el mercado de envases blíster farmacéuticos y envoltorios de caramelos. La caja de bebidas asépticas, que utiliza una fina capa de papel de aluminio como barrera contra el oxígeno, la luz y el olor, también es muy popular en todo el mundo.

El aluminio es el más recientemente descubierto de los metales que la industria moderna utiliza en grandes cantidades. Conocidos como» alúmina», los compuestos de aluminio se usaban para preparar medicamentos en el antiguo Egipto y para fijar tintes de tela durante la Edad Media. A principios del siglo XVIII, los científicos sospechaban que estos compuestos contenían un metal, y en 1807, el químico inglés Sir Humphry Davy intentó aislarlo. Aunque sus esfuerzos fracasaron, Davy confirmó que la alúmina tenía una base metálica, a la que inicialmente llamó «alumium». Davy más tarde cambió esto a» aluminio», y, mientras que los científicos en muchos países deletrean el término» aluminio», la mayoría de los estadounidenses usan la ortografía revisada de Davy. En 1825, un químico danés llamado Hans Christian Ørsted aisló con éxito el aluminio, y, veinte años más tarde, un físico alemán llamado Friedrich Wohler fue capaz de crear partículas más grandes del metal; sin embargo, las partículas de Wohler todavía eran del tamaño de cabezas de alfiler. En 1854, Henri Sainte-Claire Deville, un científico francés, refinó el método de Wohler lo suficiente para crear grumos de aluminio tan grandes como canicas. El proceso de Deville proporcionó una base para la industria moderna del aluminio, y las primeras barras de aluminio hechas se exhibieron en 1855 en la Exposición de París.

En este punto, el alto costo de aislar el metal recién descubierto limitaba sus usos industriales. Sin embargo, en 1866, dos científicos que trabajaban por separado en los Estados Unidos y Francia desarrollaron simultáneamente lo que se conoció como el método Hall-Héroult para separar la alúmina del oxígeno mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Mientras que tanto Charles Hall como Paul-Louis-Toussaint Héroult patentaron sus descubrimientos, en América y Francia respectivamente, Hall fue el primero en reconocer el potencial financiero de su proceso de purificación. En 1888

El proceso de refinación de bauxita de Bayer consta de cuatro pasos: digestión, clarificación, precipitación y calcinación. El resultado es un polvo blanco fino de óxido de aluminio.

él y varios socios fundaron Pittsburgh Reduction Company, que produjo los primeros lingotes de aluminio ese año. Utilizando la hidroelectricidad para alimentar una gran planta de conversión nueva cerca de las Cataratas del Niágara y abasteciendo la creciente demanda industrial de aluminio, la compañía de Hall, rebautizada como Aluminum Company of America (Alcoa) en 1907, prosperó. Héroult más tarde estableció la Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft en Suiza. Alentados por la creciente demanda de aluminio durante la Primera y Segunda Guerras Mundiales, la mayoría de las demás naciones industrializadas comenzaron a producir su propio aluminio. En 1903, Francia se convirtió en el primer país en producir láminas de aluminio purificado. Los Estados Unidos siguieron su ejemplo una década más tarde, su primer uso del nuevo producto fueron bandas para las piernas para identificar palomas de carreras. El papel de aluminio pronto se utilizó para envases y embalajes, y la Segunda Guerra Mundial aceleró esta tendencia, estableciendo el papel de aluminio como un material de embalaje importante. Hasta la Segunda Guerra Mundial, Alcoa siguió siendo el único fabricante estadounidense de aluminio purificado, pero hoy en día hay siete grandes productores de papel de aluminio ubicados en los Estados Unidos.

Materias primas

El aluminio se encuentra entre los elementos más abundantes: después del oxígeno y el silicio, es el elemento más abundante que se encuentra en la superficie de la tierra, conformando más del ocho por ciento de la corteza a una profundidad de diez millas y apareciendo en casi todas las rocas comunes. Sin embargo, el aluminio no se presenta en su forma metálica pura, sino como óxido de aluminio hidratado (una mezcla de agua y alúmina) combinado con sílice, óxido de hierro y titania. El mineral de aluminio más importante es la bauxita, que lleva el nombre de la ciudad francesa de Les Baux, donde fue descubierta en 1821. La bauxita contiene hierro y óxido de aluminio hidratado, siendo este último su material constituyente más grande. En la actualidad, la bauxita es lo suficientemente abundante como para que solo se extraigan depósitos con un contenido de óxido de aluminio de cuarenta y cinco por ciento o más para fabricar aluminio. Los depósitos concentrados se encuentran en los hemisferios norte y sur, y la mayor parte del mineral utilizado en los Estados Unidos proviene de las Indias Occidentales, América del Norte y Australia. Dado que la bauxita se encuentra tan cerca de la superficie de la tierra, los procedimientos de extracción son relativamente simples. Los explosivos se utilizan para abrir grandes pozos en lechos de bauxita, después de lo cual se eliminan las capas superiores de tierra y roca. El mineral expuesto se extrae con cargadores frontales, se amontona en camiones o vagones de ferrocarril y se transporta a las plantas de procesamiento. La bauxita es pesada (generalmente, se puede producir una tonelada de aluminio de cuatro a seis toneladas del mineral), por lo que, para reducir

La colada continua es una alternativa a la fundición y fundición de aluminio. Una ventaja de la colada continua es que no requiere un paso de recocido (tratamiento térmico) antes del laminado de la lámina, al igual que el proceso de fusión y fundición.

el costo de transportarlo, estas plantas a menudo están situadas lo más cerca posible de las minas de bauxita.

El Proceso de fabricación

La extracción de aluminio puro de bauxita implica dos procesos. En primer lugar, el mineral se refina para eliminar impurezas como óxido de hierro, sílice, titania y agua. Luego, el óxido de aluminio resultante se funde para producir aluminio puro. Después de eso, el aluminio se enrolla para producir papel de aluminio.

Refinación — proceso de Bayer

• 1 El proceso de Bayer utilizado para refinar la bauxita consta de cuatro pasos: digestión, clarificación, precipitación y calcinación. Durante la etapa de digestión, la bauxita se muele y se mezcla con hidróxido de sodio antes de ser bombeada a tanques grandes y presurizados. En estos tanques, llamados digestores, la combinación de hidróxido de sodio, calor y presión rompe el mineral en una solución saturada de aluminato de sodio y contaminantes insolubles, que se depositan en el fondo.
• 2 La siguiente fase del proceso, la clarificación, consiste en enviar la solución y los contaminantes a través de un conjunto de tanques y prensas. Durante esta etapa, los filtros de tela atrapan los contaminantes, que luego se eliminan. Después de ser filtrada una vez más, la solución restante se transporta a una torre de enfriamiento.
• 3 En la siguiente etapa, la precipitación, la solución de óxido de aluminio se mueve a un gran silo, donde, en una adaptación del método Deville, el fluido se siembra con cristales de aluminio hidratado para promover la formación de partículas de aluminio. A medida que los cristales de semillas atraen a otros cristales en la solución, comienzan a formarse grandes grupos de hidrato de aluminio. Primero se filtran y luego se enjuagan.
• 4 La calcinación, el paso final en el proceso de refinamiento de Bayer, implica exponer el hidrato de aluminio a altas temperaturas. Este calor extremo deshidrata el material, dejando un residuo de polvo blanco fino: óxido de aluminio.

Fundición

• 5 La fundición, que separa el compuesto aluminio-oxígeno (alúmina) producido por el proceso Bayer, es el siguiente paso para extraer aluminio metálico puro de la bauxita. Aunque el procedimiento utilizado actualmente deriva del método electrolítico inventado contemporáneamente por Charles Hall y Paul-Louis-Toussaint Héroult a finales del siglo XIX, se ha modernizado. En primer lugar, la alúmina se disuelve en una celda de fundición, un molde de acero profundo forrado con carbono y lleno de un conductor líquido calentado que consiste principalmente en el compuesto de aluminio criolita.
• 6 A continuación, se pasa una corriente eléctrica a través de la criolita, causando que se forme una costra sobre la parte superior de la masa fundida de alúmina. Cuando se mezcla periódicamente alúmina adicional en la mezcla, esta corteza se rompe y se revuelve también. A medida que la alúmina se disuelve, se descompone electrolíticamente para producir una capa de aluminio fundido puro en la parte inferior de la celda de fundición. El oxígeno se fusiona con el carbono utilizado para revestir la célula y se escapa en forma de dióxido de carbono.
• 7 Aún en forma fundida, el aluminio purificado se extrae de las celdas de fundición, se transfiere a crisoles y se vacía en hornos. En esta etapa, se pueden agregar otros elementos para producir aleaciones de aluminio con características apropiadas para el producto final, aunque la lámina generalmente está hecha de aluminio puro de 99,8 o 99,9 por ciento. El líquido se vierte en directo chill fundición de dispositivos, donde se enfría en grandes losas llamado «lingotes» o «relanzamiento de stock.»Después de ser recocidos, tratados térmicamente para mejorar la trabajabilidad, los lingotes son adecuados para enrollarse en una lámina.
  

  La lámina se produce a partir de material de aluminio rodándola entre rodillos pesados. El laminado produce dos acabados naturales en la lámina, brillante y mate. A medida que la lámina emerge de los rodillos, los cuchillos circulares la cortan en piezas rectangulares.

• Un método alternativo para fundir y fundir el aluminio se llama » colada continua.»Este proceso implica una línea de producción que consiste en un horno de fusión, un hogar de retención para contener el metal fundido, un sistema de transferencia, una unidad de fundición, una unidad combinada que consiste en rollos de pellizco, cizalla y brida, y un carro de rebobinado y bobina. Ambos métodos producen existencias de espesores que van de 0,125 a 0,250 pulgadas (0,317 a 0,635 centímetros) y de varios anchos. La ventaja del método de colada continua es que no requiere un paso de recocido antes del laminado de la lámina, al igual que el proceso de fusión y fundición, porque el recocido se logra automáticamente durante el proceso de fundición.

Lámina rodante

• 8 Una vez hecho el material de lámina, debe reducirse su grosor para hacer la lámina. Esto se logra en un laminador, donde el material se pasa varias veces a través de rollos de metal llamados rollos de trabajo. A medida que las hojas (o bandas) de aluminio pasan a través de los rollos, se exprimen más delgadas y se extruyen a través del espacio entre los rollos. Los rollos de trabajo se combinan con rollos más pesados llamados rollos de respaldo, que aplican presión para ayudar a mantener la estabilidad de los rollos de trabajo. Esto ayuda a mantener las dimensiones del producto dentro de las tolerancias. Los rodillos de trabajo y de respaldo giran en direcciones opuestas. Se añaden lubricantes para facilitar el proceso de laminación. Durante este proceso de laminación, el aluminio ocasionalmente debe recocirse (tratarse térmicamente) para mantener su trabajabilidad.
• La reducción de la lámina se controla ajustando las rpm de los rodillos y la viscosidad (la resistencia al flujo), la cantidad y la temperatura de los lubricantes de rodadura. El espacio del rodillo determina tanto el grosor como la longitud de la lámina que sale del molino. Este espacio se puede ajustar subiendo o bajando el rodillo de trabajo superior. El laminado produce dos acabados naturales en la lámina, brillante y mate. El acabado brillante se produce cuando la lámina entra en contacto con las superficies de los rodillos de trabajo. Para producir el acabado mate, dos hojas deben embalarse juntas y enrollarse simultáneamente; cuando esto se hace, los lados que se tocan entre sí terminan con un acabado mate. Otros métodos de acabado mecánico, generalmente producidos durante las operaciones de conversión, se pueden utilizar para producir ciertos patrones.
• 9 A medida que las hojas de aluminio pasan a través de los rodillos, se recortan y se cortan con cuchillas circulares o en forma de navaja instaladas en el molino de rodillos. El recorte se refiere a los bordes de la lámina, mientras que el corte implica cortar la lámina en varias hojas. Estos pasos se utilizan para producir anchos en espiral estrechos, para recortar los bordes de material recubierto o laminado y para producir piezas rectangulares. Para ciertas operaciones de fabricación y conversión, las bandas que se han roto durante el laminado deben unirse de nuevo o empalmarse. Los tipos comunes de empalmes para unir bandas de lámina lisa y/o lámina con respaldo incluyen cinta ultrasónica, termoselladora, cinta selladora a presión y soldada eléctrica. El empalme ultrasónico utiliza una soldadura de estado sólido, hecha con un transductor ultrasónico, en el metal superpuesto.

Procesos de acabado

• 10 Para muchas aplicaciones, la lámina se utiliza en combinación con otros materiales. Se puede recubrir con una amplia gama de materiales, como polímeros y resinas, con fines decorativos, protectores o de sellado térmico. Se puede laminar en papeles, cartones y películas de plástico. También se puede cortar, formar en cualquier forma, imprimir, grabar en relieve, cortar en tiras, en láminas, grabado al agua fuerte y anodizado. Una vez que la lámina está en su estado final, se empaqueta en consecuencia y se envía al cliente.

Control de calidad

Además del control en proceso de parámetros como la temperatura y el tiempo, el producto de lámina terminado debe cumplir ciertos requisitos. Por ejemplo, se ha encontrado que los diferentes procesos de conversión y usos finales requieren diversos grados de sequedad en la superficie de la lámina para un rendimiento satisfactorio. Se utiliza una prueba de humectabilidad para determinar la sequedad. En esta prueba, se vierten diferentes soluciones de alcohol etílico en agua destilada, en incrementos del diez por ciento en volumen, en un chorro uniforme sobre la superficie de la lámina. Si no se forman gotas, la humectabilidad es cero. El proceso continúa hasta que se determina qué porcentaje mínimo de solución de alcohol mojará completamente la superficie de la lámina.

Otras propiedades importantes son el grosor y la resistencia a la tracción. La American Society For Testing and Materials (ASTM) ha desarrollado métodos de prueba estándar. El espesor se determina pesando una muestra y midiendo su área, y luego dividiendo el peso por el producto del área por la densidad de la aleación. Las pruebas de tensión de la lámina deben controlarse cuidadosamente porque los resultados de las pruebas pueden verse afectados por bordes ásperos y la presencia de pequeños defectos, así como por otras variables. La muestra se coloca en un agarre y se aplica una fuerza de tracción o tracción hasta que se produce la fractura de la muestra. Se mide la fuerza o fuerza requerida para romper la muestra.

El futuro

La popularidad del papel de aluminio, especialmente para envases flexibles, seguirá creciendo. Las bolsas de cuatro lados selladas con aletas han ganado gran popularidad para aplicaciones de alimentos militares, médicos y minoristas y, en tamaños más grandes, para paquetes de servicio de alimentos institucionales. También se han introducido bolsas para empacar de 1,06 a 4,75 galones (4-18 litros) de vino para mercados minoristas y de restaurantes, y para otros mercados de servicios de alimentos. Además, se siguen desarrollando otros productos para otras aplicaciones. El aumento de la popularidad de los hornos de microondas ha dado lugar al desarrollo de varias formas de recipientes semirrígidos a base de aluminio diseñados específicamente para estos hornos. Más recientemente, se han desarrollado láminas de cocción especiales para barbacoas.

Sin embargo, incluso el papel de aluminio está siendo examinado con respecto a su «amabilidad ambiental».»Por lo tanto, los fabricantes están aumentando sus esfuerzos en el área de reciclaje; de hecho, todos los productores de láminas de EE.UU. han comenzado programas de reciclaje a pesar de que el tonelaje total y la tasa de captura del papel de aluminio son mucho más bajos que los de las latas de aluminio fáciles de reciclar. El papel de aluminio ya tiene la ventaja de ser ligero y pequeño, lo que ayuda a reducir su contribución al flujo de residuos sólidos. De hecho, los envases de papel de aluminio laminado representan solo el 17% de los residuos sólidos de los Estados Unidos.

Para los residuos de envases, la solución más prometedora puede ser la reducción de la fuente. Por ejemplo, el envasado de 65 libras (29.51 kilogramos) de café en latas de acero requiere de 20 libras (9.08 kilogramos) de acero, pero sólo tres libras (4.08 kilogramos) de laminado de empaque incluyendo papel de aluminio. Este tipo de embalaje también ocupa menos espacio en el vertedero. La División de Papel de Aluminio de la Asociación de Aluminio incluso está desarrollando un programa educativo sobre papel de aluminio para universidades y diseñadores de envases profesionales con el fin de ayudar a informar a dichos diseñadores de los beneficios de cambiar a envases flexibles.

El papel de aluminio también utiliza menos energía tanto durante la fabricación como durante la distribución, y se recicla la chatarra en la planta. De hecho, el aluminio reciclado, incluidas las latas y el papel de aluminio, representa más del 30 por ciento del suministro anual de metal de la industria. Este número ha ido en aumento durante varios años y se espera que continúe. Además, se están mejorando los procesos utilizados durante la fabricación de láminas para reducir la contaminación del aire y los desechos peligrosos.