Rappresentazione della struttura molecolare della cellulosa. Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
Struttura chimica e proprietà fisiche
La cellulosa è un polisaccaride lineare formato da unità di glucosio legate tra loro tramite legami glicosidici beta-1,4. Questa configurazione molecolare conferisce alla cellulosa una struttura rigida e fibrosa, diversa da quella dell'amido — anch'esso composto da glucosio — che presenta invece una geometria più ramificata e flessibile.
Le catene di cellulosa si aggregano in microfibrille tenute insieme da legami idrogeno, formando strutture cristalline alternate a zone amorfe. È questa organizzazione gerarchica a conferire alle fibre di cellulosa un'elevata resistenza meccanica pur mantenendo un basso peso specifico. Le fibre vegetali — e in particolare quelle di legno — hanno diametri dell'ordine di 20-40 micrometri e lunghezze comprese tra 1 e 4 millimetri per le fibre corte (latifoglie) e tra 3 e 5 millimetri per le fibre lunghe (conifere).
Fonti di cellulosa per la produzione cartaria
Storicamente la carta veniva prodotta da fibre tessili di scarto — lino, canapa, cotone — che costituivano la materia prima prevalente fino alla metà dell'Ottocento. L'introduzione della pasta di legno ha poi trasformato radicalmente il settore, rendendo possibile una produzione su scala industriale.
Pasta di legno chimica (kraft e solfito)
Il processo kraft, o al solfato, è oggi il metodo dominante per la produzione di cellulosa vergine. Il legno sminuzzato in cippato viene trattato ad alta temperatura e pressione con una soluzione alcalina (lisciva bianca), che scioglie la lignina e le emicellulose lasciando la cellulosa quasi intatta. Il risultato è una pasta ad alta resistenza meccanica, adatta a carte di qualità elevata.
La pasta al solfito, meno diffusa, utilizza invece una soluzione acida a base di solfiti. Produce fibre più brillanti e facilmente sbiancabili, impiegate in settori dove la bianchezza è prioritaria, come la carta patinata di alta qualità.
Pasta meccanica
La pasta meccanica si ottiene dalla macinazione del legno contro una pietra abrasiva o dal trattamento in raffinatori a dischi. Il processo preserva la quasi totalità del legno originale — lignina compresa — producendo una resa elevata ma una pasta con minore resistenza meccanica e maggiore tendenza all'ingiallimento nel tempo. È usata prevalentemente nella produzione di carta da giornale e carta per editoria a basso costo.
Pasta termochimica (CTMP)
La pasta termochimica — CTMP (Chemi-ThermoMechanical Pulp) — rappresenta un approccio intermedio tra la pasta chimica e quella meccanica. Un pretrattamento chimico ammorbidisce le fibre prima della raffinazione meccanica, migliorando la resistenza della pasta senza la perdita di resa tipica del processo kraft.
Cellulosa riciclata
La fibra riciclata, derivante dal trattamento della carta da macero, costituisce una quota rilevante delle materie prime utilizzate dalle cartiere italiane. La qualità della fibra riciclata dipende dalla provenienza del macero (pre-consumo o post-consumo), dal numero di cicli di riciclo già subiti e dalle tecnologie di deinking impiegate per rimuovere gli inchiostri.
Le fibre accorciano progressivamente ad ogni ciclo di riciclo, il che limita il numero di volte in cui possono essere riutilizzate. Per questo motivo, anche nei sistemi ad alto tasso di riciclo è necessario integrare periodicamente fibra vergine per mantenere le caratteristiche meccaniche del foglio.
Confronto tra tipologie di pasta
- Pasta kraft (chimica) — Alta resistenza, colore naturale brunastro, richiede sbianca
- Pasta meccanica — Resa elevata, minor resistenza, tende all'ingiallimento
- CTMP — Compromesso tra resa e resistenza
- Fibra riciclata — Sostenibile, variabile in qualità, fibre accorciate
Provenienza geografica della cellulosa usata in Italia
L'Italia importa la quasi totalità della cellulosa vergine che utilizza nel processo produttivo. Le forniture provengono principalmente dalla Scandinavia (Finlandia, Svezia e Norvegia), dal Brasile e dal Canada. I paesi nordici forniscono prevalentemente fibre di conifera (fibra lunga) e di betulla (fibra corta), mentre il Brasile è uno dei principali fornitori di pasta di eucalipto, una fibra corta ad alto contenuto di cellulosa apprezzata per la produzione di carta tissue.
La dipendenza dall'importazione espone le cartiere italiane alla volatilità dei prezzi internazionali della cellulosa, che hanno mostrato oscillazioni significative negli anni recenti in risposta a variazioni della domanda globale, interruzioni logistiche e fattori climatici che hanno condizionato la disponibilità di materia prima nei paesi produttori.
Sbiancamento della cellulosa
La pasta chimica grezza ha un colore marrone-scuro per la presenza di lignina residua e di sostanze colorate prodotte durante il processo di cottura. La sbianca rimuove queste sostanze attraverso una sequenza di stadi chimici. I processi moderni sono orientati verso soluzioni senza cloro elementare (ECF, Elemental Chlorine Free) o completamente prive di cloro (TCF, Totally Chlorine Free), in conformità con i requisiti ambientali europei.