Химия поверхности бумаги

Химический состав поверхности бумаги отвечает за многие важные свойства бумаги, такие как блеск, водонепроницаемость и пригодность для печати. используется множество компонентов В процессе изготовления бумаги , влияющих на поверхность.

Пигмент и дисперсионная среда

Компоненты покрытия подвержены взаимодействиям частица-частица, частица-растворитель и частица-полимер. ^[1] Ван-дер-Ваальса , электростатическое отталкивание и стерическая стабилизация. Причинами этих взаимодействий являются силы ^[2] Важно отметить, что характеристики адгезии и сцепления между компонентами формируют структуру базового покрытия. Карбонат кальция и каолин являются широко используемыми пигментами . ^[1]^[2] Пигменты поддерживают структуру мелкой пористости и образуют светорассеивающую поверхность. Поверхностный заряд пигмента играет важную роль в консистенции дисперсии . Поверхностный заряд карбоната кальция отрицателен и не зависит от pH , однако он может разлагаться в кислой среде. ^[3] Каолин имеет отрицательно заряженные грани, тогда как заряд его боковых сторон зависит от pH: он положителен в кислых условиях и отрицателен в основных условиях с изоэлектрической точкой 7,5. ^[1] Уравнение для определения изоэлектрической точки выглядит следующим образом:

pI={{pKa}+{pKb} \over 2}

В процессе изготовления бумаги рН дисперсий пигментов обычно поддерживается выше 8,0. ^[1]

Пигменты, связующие и сосвязующие

Связующие вещества способствуют связыванию частиц пигмента между собой и покровным слоем бумаги. ^[2] Связующие вещества представляют собой сферические частицы диаметром менее 1 мкм. Обычными связующими веществами являются сополимер стирола и малеинового ангидрида или сополимер стирола и акрилата. ^[1] Химический состав поверхности отличается адсорбцией акриловой кислоты или анионного поверхностно-активного вещества , оба из которых используются для стабилизации дисперсии в воде. ^[4] Сосвязующие вещества или загустители обычно представляют собой водорастворимые полимеры, которые влияют на цветовую вязкость бумаги, удержание воды, проклейку и блеск. Некоторыми распространенными примерами являются карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), катионная и анионная гидроксиэтилцеллюлоза (ЭГЭЦ), модифицированный крахмал и декстрин .

Размеры

При проклейке прочность и печатные свойства бумаги увеличиваются. Проклейка также улучшает гидрофильность , растекание жидкости и сродство к чернилам. Крахмал является наиболее распространенным проклеивающим веществом. Также применяются катионный крахмал и гидрофильные агенты, в том числе алкенилянтарный ангидрид (АСА) и димеры алкилкетена (АКД). ^[5]

Катионный крахмал увеличивает прочность, поскольку он связывается с анионными волокнами бумаги. ^[6] Добавляемое количество обычно составляет от десяти до тридцати фунтов на тонну. Когда количество крахмала превышает количество, которое могут связать волокна, это вызывает вспенивание в производственном процессе, а также снижение удерживания и обезвоживания. ^[6]

Модификация поверхности

Плазменная модификация поверхности

Модификация поверхности делает бумагу гидрофобной и олеофильной. ^[7] Эта комбинация позволяет чернильному маслу проникать в бумагу, но предотвращает поглощение воды , что повышает пригодность бумаги для печати.

Используются три различных взаимодействия плазмы и твердого тела: травление/абляция, плазменная активация и плазменное нанесение покрытия . ^[7] Травление или абляция — это удаление материала с поверхности твердого тела. Плазменная активация – это когда вещества в плазме, такие как ионы, электроны или радикалы, используются для химической или физической модификации поверхности. Наконец, плазменное нанесение — это когда материал наносится на поверхность в виде тонкой пленки. Плазменное покрытие можно использовать для добавления к поверхности углеводородов, которые могут сделать поверхность неполярной или гидрофобной. Конкретный тип плазменного покрытия, используемого для добавления углеводородов, называется процессом химического осаждения из паровой фазы с плазменным усилением или PCVD. ^[7]

Угол контакта

Идеальная гидрофобная поверхность должна иметь угол контакта с водой 180 градусов. Это означает, что углеводороды ровно прилегают к поверхности, создавая тонкий слой и предотвращая поглощение воды. Однако на практике вполне допустимо или даже предпочтительно иметь низкий уровень водопоглощения при увлажнении из-за явления, которое возникает, когда вода оседает на поверхности бумаги. ^[7] Это явление возникает, когда чернила не могут перенестись на бумагу из-за слоя воды на поверхности. С помощью измерителя угла смачивания значение угла смачивания углеводородов на грубой бумаге с пигментным покрытием составляет примерно 110°.

Уравнение Юнга можно использовать для расчета поверхностной энергии жидкости на бумаге. Уравнение Юнга:

\gamma _{\mathrm {SL} }+\gamma _{\mathrm {LG} }\cos {\theta _{\mathrm {c} }}=\gamma _{\mathrm {SG} }\,

где $\gamma _{\mathrm {SL} }$ - межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью, $\gamma _{\mathrm {LG} }$ - межфазное натяжение между жидкостью и паром, а $\gamma _{\mathrm {SG} }$ – межфазное натяжение между твердым телом и паром.

Идеальная олеофильная поверхность должна иметь угол контакта с маслом 0°, что позволяет чернилам переноситься на бумагу и впитываться. Покрытие из углеводородной плазмы придает бумаге олеофильную поверхность за счет уменьшения угла контакта бумаги с маслом в чернилах. Покрытие углеводородной плазмой увеличивает неполярные взаимодействия, одновременно уменьшая полярные взаимодействия, которые позволяют бумаге впитывать чернила, предотвращая при этом поглощение влаги. ^[7]

Приложения

Качество печати во многом зависит от различных обработок и методов, используемых при создании бумаги и улучшении ее поверхности. Потребителей больше всего беспокоит взаимодействие бумаги с чернилами, которое варьируется для определенных типов бумаги из-за разных химических свойств поверхности. ^[8] Бумага для струйной печати является наиболее коммерчески используемым типом бумаги. Фильтровальная бумага — еще один ключевой тип бумаги, химия поверхности которой влияет на ее различные формы и использование. На способность клея прикрепляться к поверхности бумаги также влияет химический состав поверхности.

Бумага для струйной печати

Состирол-малеиновый ангидрид и состиролакрилат являются обычными связующими веществами, связанными с катионным крахмальным пигментом в бумаге для струйной печати. ^[8] В таблице 1 показано их поверхностное натяжение в данных условиях.

Сложный	Пропорция мономера	рН	Поверхностное натяжение (мН/м)
Катионный крахмал	-	5.0	32.9
Состирол-малеиновый ангидрид	3:1	7.6	38.51
Состиролакрилат	3:4	4.3	49.99

Было проведено несколько исследований, посвященных тому, как качество печати на бумаге зависит от концентрации этих связующих веществ и пигмента чернил. Данные экспериментов совпадают и указаны в таблице 2 как скорректированный угол смачивания воды, ^[9] исправленный угол контакта черных чернил, ^[8] и полная поверхностная энергия. ^[10]

Образец	Проклеивающий состав (% по весу)	Угол контакта с водой (˚)	Угол контакта черных чернил (˚)	Общая поверхностная энергия (мН/м)
1	без обработки поверхности	103.1	81.7	39.5
2	100% катионный крахмал	39.2	36.1	51.25
3	80% катионный крахмал/20% состирол-малеиновый ангидрид	80.5	65.2	38.39
4	80% катионный крахмал/ 20% состиролакрилат	60.2	60.5	42.39

Измерение угла контакта оказалось очень полезным инструментом для оценки влияния проклеивающего состава на печатные свойства. Свободная поверхностная энергия также оказалась очень ценной для объяснения различий в поведении образцов. ^[8]

Фильтровальная бумага

Различные композиционные покрытия были проанализированы на фильтровальной бумаге в эксперименте, проведенном Wang et al. ^[11] Возможность разделения гомогенных жидких растворов на основе изменения поверхностного натяжения имеет большое практическое применение. Создание супергидрофобной и суперолеофильной фильтровальной бумаги было достигнуто путем обработки поверхности имеющейся в продаже фильтровальной бумаги гидрофобными наночастицами кремнезема и раствором полистирола в толуоле. ^[11] Масло и вода были успешно отделены благодаря использованию фильтровальной бумаги с эффективностью более 96%. В гомогенном растворе фильтровальная бумага также успешно разделяла жидкости за счет дифференциации поверхностного натяжения. Хотя и с меньшей эффективностью, водный этанол также экстрагировался из раствора при тестировании на фильтровальной бумаге. ^[11]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Фардим, Педро (2000). «Химия бумаги и поверхности. Часть 2. Покрытие и возможность печати». Институт Кимики : 1–13.
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Фардим, Педро (2000). «Химия бумаги и поверхности. Часть 1. Химия поверхности волокна и мокрой части». Институт Кимики : 1–14.
^ Годро, Роджер; Вайц (сентябрь 2009 г.). «Структура и прочность хлопьев осажденного карбоната кальция, вызванная различными полимерами, используемыми в производстве бумаги». Симпозиум фундаментальных исследований . 14 : 1193–1219.
^ Гранье (1994). «Адгезия частиц латекса на неорганических поверхностях». ТАППИ Дж . 77 (5): 419.
^ Хаббе, Мартин. «Катионный крахмал» .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Хаббе, Мартин. «Научно-исследовательские химикаты: как они влияют на производство бумаги» .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Пиконен, М; Йоханссон, К.; Дюбрей, М.; Стром, Г. (2010). «Оценка гидрофобных покрытий, нанесенных плазменным осаждением на бумагу с пигментным покрытием, на предмет снижения водопоглощения при увлажнении». Адгезионная наука и технология . 24 (3): 511–537. дои : 10.1163/016942409x12598231568302 . S2CID 95410935 .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Моутинью, Изабель (15 июля 2007 г.). «Влияние размера поверхности на качество струйной печати» (PDF) . Исследования в области промышленной и инженерной химии . 46 (19): 6183–6188. дои : 10.1021/ie070356k . HDL : 10316/15600 .
^ Грютер, Уолтер (16 декабря 2009 г.). «Влияние проклейки поверхности на химический состав поверхности бумаги, содержащей эвкалиптовую целлюлозу». Хольцфоршунг . 63 (3): 282–289. дои : 10.1515/hf.2009.046 . hdl : 10316/13404 . S2CID 54576006 .
^ Моутинью, Изабель (27 сентября 2011 г.). «Химия поверхности бумаги как инструмент улучшения качества струйной печати». Биоресурсы . 6 (4): 4259–4270. дои : 10.15376/biores.6.4.4259-4270 . hdl : 10316/16440 .
^ Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Ван; Ли (март 2010 г.). «Фильтровальная бумага с избирательным поглощением и разделением жидкостей, различающихся поверхностным натяжением». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 2 (3): 677–683. дои : 10.1021/am900704u . ПМИД 20356268 .

[Surface2-1] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Фардим, Педро (2000). «Химия бумаги и поверхности. Часть 2. Покрытие и возможность печати». Институт Кимики : 1–13.

[Surface1-2] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Фардим, Педро (2000). «Химия бумаги и поверхности. Часть 1. Химия поверхности волокна и мокрой части». Институт Кимики : 1–14.

[Gaudreault-3] Годро, Роджер; Вайц (сентябрь 2009 г.). «Структура и прочность хлопьев осажденного карбоната кальция, вызванная различными полимерами, используемыми в производстве бумаги». Симпозиум фундаментальных исследований . 14 : 1193–1219.

[Granier-4] Гранье (1994). «Адгезия частиц латекса на неорганических поверхностях». ТАППИ Дж . 77 (5): 419.

[Hubbe-5] Хаббе, Мартин. «Катионный крахмал» .

[Hubbe1-6] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б Хаббе, Мартин. «Научно-исследовательские химикаты: как они влияют на производство бумаги» .

[Pykonen-7] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Пиконен, М; Йоханссон, К.; Дюбрей, М.; Стром, Г. (2010). «Оценка гидрофобных покрытий, нанесенных плазменным осаждением на бумагу с пигментным покрытием, на предмет снижения водопоглощения при увлажнении». Адгезионная наука и технология . 24 (3): 511–537. дои : 10.1163/016942409x12598231568302 . S2CID 95410935 .

[Moutinho1-8] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Моутинью, Изабель (15 июля 2007 г.). «Влияние размера поверхности на качество струйной печати» (PDF) . Исследования в области промышленной и инженерной химии . 46 (19): 6183–6188. дои : 10.1021/ie070356k . HDL : 10316/15600 .

[Gruyter-9] Грютер, Уолтер (16 декабря 2009 г.). «Влияние проклейки поверхности на химический состав поверхности бумаги, содержащей эвкалиптовую целлюлозу». Хольцфоршунг . 63 (3): 282–289. дои : 10.1515/hf.2009.046 . hdl : 10316/13404 . S2CID 54576006 .

[Moutinho2-10] Моутинью, Изабель (27 сентября 2011 г.). «Химия поверхности бумаги как инструмент улучшения качества струйной печати». Биоресурсы . 6 (4): 4259–4270. дои : 10.15376/biores.6.4.4259-4270 . hdl : 10316/16440 .

[Wang-11] Jump up to: Перейти обратно: ^а ^б ^с Ван; Ли (март 2010 г.). «Фильтровальная бумага с избирательным поглощением и разделением жидкостей, различающихся поверхностным натяжением». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 2 (3): 677–683. дои : 10.1021/am900704u . ПМИД 20356268 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]