Химия поверхности бумаги - Surface chemistry of paper

В химия поверхности бумаги отвечает за многие важные свойства бумаги, такие как глянец, водонепроницаемость и пригодность для печати. Многие компоненты используются в изготовление бумаги процесс, влияющий на поверхность.

Пигмент и дисперсионная среда

Компоненты покрытия подвержены взаимодействиям частицы-частицы, частицы-растворители и частицы-полимеры.^[1] Ван дер Ваальс силы, электростатическое отталкивание и стерическая стабилизация являются причинами этих взаимодействий.^[2] Важно отметить, что характеристики адгезия и сплоченность между компонентами образуют базовую структуру покрытия. Карбонат кальция и каолин обычно используются пигменты.^[1][2] Пигменты поддерживают структуру мелкой пористости и образуют рассеяние света поверхность. В поверхностный заряд пигмента играет важную роль в разброс последовательность. Поверхностный заряд карбоната кальция отрицательный и не зависит от pH, однако он может разлагаться под кислый условия.^[3] Каолин имеет отрицательно заряженные грани, в то время как заряд его боковых сторон зависит от pH, будучи положительным в кислых условиях и отрицательным в основных условиях с изоэлектрическая точка на 7,5.^[1] Уравнение для определения изоэлектрической точки выглядит следующим образом:

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

В процессе изготовления бумаги дисперсии пигментов обычно поддерживают при pH выше 8,0.^[1]

Пигменты, связующие и со-связующие

Связующие сферы, покрытые акриловой кислотой (а) и анионным поверхностно-активным веществом (б).

Молекулярная структура катионного крахмала. Повторяющаяся единица крахмала происходит из глюкозы, связанной с гликозидные связи.

Связующие способствуют связыванию частиц пигмента между собой и слоем покрытия бумаги.^[2] Связующие представляют собой сферические частицы диаметром менее 1 мкм. Обычные связующие малеиновый ангидрид стирола сополимер или сополимер стирола и акрилата.^[1] Химический состав поверхности отличается адсорбция из акриловая кислота или анионный поверхностно-активное вещество, оба из которых используются для стабилизации дисперсии в воде.^[4] Со-связующие или загустители, как правило, представляют собой водорастворимые полимеры, которые влияют на вязкость цвета бумаги, удерживание воды, калибровка, и глянец. Некоторые общие примеры: карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), катионные и анионные гидроксиэтилцеллюлоза (EHEC), модифицированный крахмал, и декстрин.

Размеры

Краевой угол - это угол между каплей жидкости и поверхностью бумаги.

Молекулярная структура стиролакрилата

Молекулярная структура стирол-малеинового ангидрида

В калибровка, увеличивается прочность и печатаемость бумаги. Калибровка также улучшает гидрофильный характер, растекание жидкости и близость к чернилам. Крахмал - самый распространенный проклеивающий агент. Также применяются катионоактивный крахмал и гидрофильные агенты, в том числе алкенилянтарный ангидрид (ASA) и димеры алкилкетена (АКД).^[5]

Катионный крахмал увеличивает прочность, поскольку связывается с анионными волокнами бумаги.^[6] Добавляемое количество обычно составляет от десяти до тридцати фунтов на тонну. Когда количество крахмала превышает количество, с которым волокна могут связываться, это вызывает вспенивание в производственном процессе, а также снижает удерживание и дренаж.^[6]

Модификация поверхности

Плазменная модификация поверхности

Модификация поверхности делает бумагу гидрофобный и олеофильный.^[7] Эта комбинация позволяет чернильному маслу проникать в бумагу, но предотвращает намокание водой. поглощение, что повышает удобство печати на бумаге.

Используются три различных взаимодействия плазмы и твердого тела: травление / абляция, плазма. активация, и плазма покрытие.^[7] Травление или абляция - это когда материал удаляется с поверхности твердого тела. Активация плазмы - это когда частицы в плазме, такие как ионы, электроны или радикалы, используются для химического или физического изменения поверхности. Наконец, плазменное покрытие - это когда материал наносится на поверхность в виде тонкой пленки. Плазменное покрытие может использоваться для добавления углеводородов к поверхностям, которые могут сделать поверхность неполярной или гидрофобной. Конкретный тип плазменного покрытия, используемого для добавления углеводородов, называется процессом химического осаждения из газовой фазы, усиленным плазмой, или PCVD.^[7]

Контактный угол

Идеальная гидрофобная поверхность должна иметь угол контакта 180 градусов до воды. Это означает, что углеводороды прилегают к поверхности, создавая тонкий слой и предотвращая увлажнение впитывание воды. Однако на практике хорошо или даже предпочтительно иметь низкий уровень поглощения влаги из-за явления, которое происходит, когда вода оседает на поверхности бумаги.^[7] Это явление возникает, когда краска не может перейти на бумагу из-за слоя воды на ее поверхности. Значение угла смачивания для углеводородов на грубой бумаге с пигментным покрытием может быть найдено примерно 110 ° с помощью измерителя угла смачивания.

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

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

куда ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }}$ - межфазное натяжение между твердым телом и жидкостью, ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {LG} }}$ - межфазное натяжение между жидкостью и паром, а ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SG} }}$ - 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 из углеводородной плазмы увеличивает неполярные взаимодействия, уменьшая полярные взаимодействия, которые позволяют бумаге впитывать чернила, предотвращая при этом поглощение воды.^[7]

Приложения

На качество печати во многом влияют различные обработки и методы, используемые при создании бумаги и улучшении ее поверхности. Потребителей больше всего беспокоит взаимодействие бумаги с чернилами, которое различается для определенных типов бумаги из-за различных химических свойств поверхности.^[8] Бумага для струйной печати это наиболее коммерчески используемый тип бумаги. Фильтровальная бумага - еще один ключевой тип бумаги, химический состав поверхности которой влияет на ее различные формы и способы использования. Способность клеи на приклеивание к поверхности бумаги также влияет химический состав поверхности.

Бумага для струйной печати

Со-стирол-малеиновый ангидрид и со-стиролакрилат являются общими связующими, связанными с катионным крахмальным пигментом в Струйный бумага для печати.^[8] В таблице 1 показано их поверхностное натяжение при данных условиях.

Сложный	Пропорция мономера	pH	Поверхностное натяжение (мН / м)
Катионный крахмал	-	5.0	32.9
Со-стирол-малеиновый ангидрид	3:1	7.6	38.51
Со-стиролакрилат	3:4	4.3	49.99

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

Образец	Состав проклейки (% масс.)	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% катионного крахмала / 20% стирол-малеинового ангидрида	80.5	65.2	38.39
4	80% катионного крахмала / 20% стиролакрилата	60.2	60.5	42.39

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

Фильтровальная бумага

Различные композитные покрытия были проанализированы на фильтровальная бумага в эксперименте, проведенном Wang et al.^[11] Возможность разделения однородных жидких растворов на основе различных поверхностное натяжение имеет большое практическое применение. Создание супергидрофобной и суперолеофильной фильтровальной бумаги было достигнуто обработкой поверхности коммерчески доступной фильтровальной бумаги гидрофобными наночастицами диоксида кремния и раствором полистирола в толуоле.^[11] Масло и вода были успешно отделены с помощью фильтровальной бумаги, созданной с эффективностью более 96%. В гомогенном растворе фильтровальная бумага также успешно разделяла жидкости за счет дифференцирования поверхностного натяжения. Хотя и с меньшей эффективностью, водный этанол также экстрагировался из раствора при испытании на фильтровальной бумаге.^[11]

Смотрите также

• Бумажные химикаты
• Производство бумаги
• Размеры

Рекомендации

1. Фардим, Педро (2000). «Бумага и химия поверхности. Часть 2 - Покрытие и возможность печати». Институт Quimica: 1–13.
2. Фардим, Педро (2000). «Бумага и химия поверхности, часть 1 - химия поверхности волокна и влажного конца». Институт Quimica: 1–14.
3. Годро, Роджер; Вайц (сентябрь 2009 г.). «Структура и прочность хлопьев осажденного карбоната кальция, индуцированного различными полимерами, используемыми в производстве бумаги». Симпозиум фундаментальных исследований. 14: 1193–1219.
4. Гранье (1994). «Адгезия латексных частиц на неорганические поверхности». Таппи Дж.. 77 (5): 419.
5. Hubbe, Мартин. «Катионный крахмал».
6. Hubbe, Мартин. «Исследования и разработки в области химии: как они влияют на производство бумаги».
7. Пиконен, М; Johansson, K .; Dubreuil, M .; Стром, Г. (2010). «Оценка гидрофобных покрытий, нанесенных плазмой на бумагу с пигментным покрытием для снижения поглощения влаги». Наука и технологии адгезии. 24 (3): 511–537. Дои:10.1163 / 016942409x12598231568302.
8. 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.
9. Грюйтер, Уолтер (16 декабря 2009 г.). «Влияние проклейки на химический состав поверхности бумаги, содержащей эвкалиптовую массу». Holzforschung. 63 (3): 282–289. Дои:10.1515 / hf.2009.046.
10. Моутинью, Изабель (27 сентября 2011 г.). «Химия поверхности бумаги как инструмент повышения качества струйной печати». Биоресурсы. 6 (4): 4259–4270.
11. Ванга; 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. PMID  20356268.