Postrzeganie mieszanki powlekającej papier jako nanokompozytu

Postrzeganie mieszanki powlekającej papier jako nanokompozytu

TECHNOLOGIA
Artykuł zawiera krótkie omówienie zasadniczych obserwacji i koncepcji stanowiących
podstawę budowy papieru i mieszanek
powlekających papier. Dokonano w nim porównania między znanymi strukturami, które
występują w obecnie stosowanych włóknach,
minerałach i substancjach wiążących oraz
wśród zjawisk w nanoskali. Zauważenie
zależności między nanoskalą a kompozytową
strukturą papieru pozwala na uzyskanie nowej
perspektywy, która wraz z pojawiającymi się
nowymi technologiami pozwoli wytwórcom
papieru lepiej zrozumieć przyszłe kierunki
rozwoju branży. W artykule zaprezentowano
przykłady optymalizacji nanoporów, budowy
nanostruktur na mikroskopijnych cząstkach
oraz roli substancji wiążących i polimerów
we wzajemnym oddziaływaniu koloidów.
Ponadto, określenie potencjału tworzyw nanocelulozowych w technologii materiałowej
uważa się za główne narzędzie pozwalające
uzyskać lepszej jakości kompozyty wieloskładnikowe.
Słowa kluczowe: nanopigmenty, wzajemne
oddziaływanie cieczy z nanopowierzchniami,
nanotechnologia w przemyśle papierniczym,
środki porowate w nanoskali, materiały naturalne w nanokompozytach.
This paper provides a short overview of the
fundamental observations and concepts
underlying the construction of paper and
paper coating. Parallels are drawn between
the known structure to be found already in
currently applied fibres, minerals and binders, and the world of nanoscale phenomena.
Providing this link between the nanoscale
and paper composite structures enables
a perspective to be developed, which,
together with emerging technologies, can
provide the papermaker with an insight for
future development. Examples are given of
nanopore optimisation, the construction of
nanostructures on microscopic particles, and
the roles of binder and polymers in colloidal
interactions. Additionally, identifying the
potential for nanocellulosics in the field of
materials technology is considered a major
tool for enhancement of multicomponent
composites.
Keywords: nanopigments, liquid interactions
with nano surfaces, nanotechnology in paper
industry, porous media on the nanoscale,
natural materials in nanocomposites.
Postrzeganie mieszanki
powlekającej papier
jako nanokompozytu uchyla drzwi
do nowej technologii materiałowej
Viewing paper coating as nanocomposite
opens the door to new materials technology
Patrick A.C. Gane
Omya Development AG
CH-4665 Oftringen
Szwajcaria
Wstęp
Nanocząstki i pory powszechnie występują podczas powlekania papieru. To
stwierdzenie może być zaskakujące dla
wielu osób, które postrzegają nanotechnologię jako nową, dopiero co kształtującą
się dziedzinę. Jednakże, wszystkie materiały i dopełniająca je określona przestrzeń
porów o wymiarach ≤ 0,1μm spełniają
kryterium potencjalnej nanofunkcyjności
(rozumianej jako określona całość ograniczona wymiarem <100 nm). Można tu
wymienić rozpuszczalne polimery takie,
jak: środki dyspergujące i zmieniające
lepkość/środki zatrzymujące wodę, naturalne środki wiążące, w tym skrobię
i białka, a także drobniejsze odmiany cząstek syntetycznych lateksów i w większej
liczbie, najdrobniejsze cząstki zawarte
w mineralnych pigmentach do mieszanek
powlekających.
Zarys ogólny
Tworzenie nanowiązań
Tradycyjny sposób formowania mieszanek powlekających i wyrażania wielkości
cząstek w jednostkach masy nie odzwierciedla obecności i znaczenia nanocząstek.
Użycie odpowiedniego oprzyrządowania
(1) i przedstawienie liczbowego rozkładu
wielkości cząstek i porów lepiej niż wyrażenie ułamkiem masowym (2) charakteryzuje polimery, cząstki i pustą przestrzeń
w wysuszonej warstwie powłoki, sięgające
powyżej 20% wymiarów składników.
W rzeczywistości, główne wzajemne
oddziaływania, pojawiające się zarówno
w mokrej mieszance powlekającej, jak
i w stanie suchym, wiążą się z nanostrukturami. Na przykład lepkosprężyste
zachowanie, widoczne we właściwościach
reologicznych mieszanek powlekających,
pochodzi z wzajemnego oddziaływania
między liczbowo kontrolowanym zespołem cząstek, polimerów i powierzchni.
Im mniejsza cząstka, tym większy wpływ
będzie miał udział powierzchni na objętość jednostkową. Flokulacja, adsorpcja
i tworzenie jonowych wiązań mostkowych
stanowią zaledwie kilka zjawisk mechanicznych pochodzących od nanostruktur
lub do nich prowadzących (3, 4), które
w zamian determinują końcową strukturę
warstwy powłoki, zgodnie z dobrze znanym działaniem stężenia krytycznego (5)
poprzez kryteria skurczu i uszczelniania
kapilarnego (6-8).
P.A.C. Gane jest również profesorem technologii drukowania na Uniwersytecie Technicznym im. A. Aalto (Wydział Nauk Ścisłych i Technologii, Instytut
Chemii i Materiałoznawstwa, Katedra Technologii Wyrobów Leśnych), P.O. Box 16300, FI-00076 Aalto, Finlandia
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · SIERPIEŃ 2010
463
TECHNOLOGIA
Nanointerakcje odgrywają ponadto dominującą rolę w procesach druku. Weźmy pod uwagę utrwalanie farby drukowej na
powierzchni papierów powlekanych. Tradycyjny proces druku
offsetowego zależy głównie od nanosekundowej adsorpcji do
niewielkich porów. Jest to opisane przez bezwładnościowy model
zwilżania i tzw. zjawisko „najlepszego szlaku”, identyfikowane
przez modelowanie sieci (9). Nowe technologie w dziedzinie
drukowania na papierach powlekanych wykorzystują obecnie
zdolność polepszenia nanofunkcyjności na powierzchni papieru.
Pozwala to uzyskać szybki, wielkoformatowy wydruk atramentowy ze zwoju na zwój (10) oraz elektrofotografię w wyniku
nowych odkryć w regulacji cieplnej i elektrycznej dyfuzyjności
w powłokach (11, 12), a nawet bardziej zaawansowane formy
takie, jak drukowana elektronika (13) i papier bioaktywny (14).
Aspekty prawne
Wszechobecne nanocząstki już istniejące w mieszankach
powlekających udowodniły „zaocznie”, że są bezpieczne dla
środowiska i jako takie odpowiadają wymogom prawnym, np.
regulacjom Amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA),
jeśli chodzi o kontakt z żywnością, a nawet suplementy diety.
Polimery stosowane w tych obszarach również spełniają limit
> 1000 D eliminujący ewentualność przenoszenia przez ściankę
przewodu pokarmowego. Wiele nanocząstek można uznać za
półrozpuszczalne, jak osady węglanu wapnia rozpuszczające
i wytrącające się w stanie równowagi dynamicznej w zawiesinach
pigmentów węglanowych – zarówno GCC i PCC – często w formie
chelatu lub żelu związanych z polimerami. Ten proces nie sprawia
większego kłopotu niż proces, który zachodzi podczas gotowania
twardej wody. Jest to niedogodność dla jednych (tworzenie się
kamienia) i wartościowe zjawisko dla innych (suplement kostny).
Niemniej, żywotne znaczenie ma fakt, że branże o ograniczonych
zasobach pieniężnych, takie jak przemysł papierniczy, jego dostawcy i użytkownicy wyrobów widzą sporo nierozwiązanych
problemów, m.in. związanych z ochroną środowiska, i unikają
narażania się na kosztowne i rujnujące spory. Jednak istnieją
ogromne możliwości związane z zastosowaniem, zarówno naturalnie pojawiających się materiałów, na przykład nanocelulozy,
jak i materiałów syntetycznych o nanostrukturze.
Dokąd zmierzamy?
Krokiem do przodu, w rozumieniu autora, jest wykorzystanie
właściwości funkcjonalnych. Jednym z celów badań jest polepszenie nanofunkcyjności na powierzchni i wewnątrz mikrocząstek. Układ struktur o nieciągłej kapilarności i przenikalności,
jak na przykład powierzchniowo modyfikowany węglan wapnia
i inne nanoformowane struktury (16, 17), umożliwiają wyłonienie
nowych zastosowań o większej wartości dodanej w oparciu
o właściwości szybkiej absorpcji i adsorpcji związanej z regulacją
przenikania cieczy i gazów. Takie podejście umożliwia modelowanie wzajemnej dyfuzji w zależności od czasu i/lub zróżnicowania
464
określonych porów w celu przyjęcia specjalnych materiałów
poprawiających katalizę lub reakcje enzymatyczne (18).
Samouporządkowanie nanostruktur jest widoczne w naturze
i doświadczane przez nas ciągle, na przykład podczas stosowania
środków powierzchniowo czynnych, gdy formują one warstwy
podwójne gromadzone na powierzchni substancji hydrofobowej
w wodzie. To zjawisko wykorzystywane jest podczas produkcji
polimerów emulsyjnych, np. lateksowych substancji wiążących.
Codzienne prace związane ze sprzątaniem domu polegają na
redukcji napięcia powierzchniowego wody w celu usunięcia tłuszczu, etc. Samouporządkowanie w warstwowe struktury może
dać nadzwyczajne właściwości optyczne i wytrzymałościowe.
Jest to w naturze najlepiej zobrazowane przez muszlę uchowca
(19), którą charakteryzuje zjawisko opalescencji i niewiarygodna
wytrzymałość, równoważna ze zbrojeniem przeciwpancernym
(20). Wziąwszy pod uwagę wysoki poziom produkcji nanocelulozowych krystalicznych i fibrylarnych żeli, które we współpracy
z nanocząstkami mogą dać nową generację odnawialnych kompozytów posiadających zaawansowane właściwości strukturalne,
mechaniczne i optyczne, zwłaszcza przed branżą leśną otwierają
się całkiem nowe możliwości.
Wnioski
Uznanie faktu, że struktury i funkcje w nanoskali licznie
występują w naturze dowodzi, że wiele optymalnych rozwiązań
w dziedzinie materiałów przejmuje podstawowe interakcje kojarzone z nanostrukturami. To powinno sprawić, że wykorzystanie
naturalnie występujących materiałów, powszechnie używanych
przez przemysł papierniczy sprosta przyszłym regulacjom prawnym. Wyzwaniem jest upowszechnienie wagi zagadnienia w celu
odpowiedniego wykorzystania tych materiałów przez przemysł
i instytucje badawcze. Papier i mieszanki powlekające do papieru
są z definicji po części nanokompozytami. Dzięki wydzieleniu
istotnych składników tworzących te kompozyty, możliwe jest
opracowanie nowych technologii, które pozwolą na tworzenie
kolejnych kompozytów.
LITERATURA
1. Schoelkopf J., Gantenbein D., Dukhin A.S., Goetz P.J., Gane P.A.C.: “Novel
Particle Size Characterization of Coating Pigments: comparing acoustic
spectroscopy with laser light scattering and sedimentation techniques”,
Tappi Coating Fundamentals Symposium, Montréal 2008, TAPPI Press,
pp. 427-441.
2. Gane P.A.C., Salo M., Kettle J.P., Ridgway C.J.: “Comparison of YoungLaplace Pore Size and Microscopic Void Area Distributions in Topologically Similar Structures: a new method for characterising connectivity in
pigmented coatings”, Tappi Coating Fundamentals Symposium, Montréal
2008, TAPPI Press, pp106-123.
3. Tadros, Tharwat F.: “Control of stability/flocculation and rheology of
concentrated suspensions”, Pure & Appl. Chern. 64, 11, 1715-1720
(1992).
4. Gane P.A.C., Watters P., McGenity P.M.: “Factors influencing the runnability of coating colours at high speed”, Tappi Coating Conference, Orlando
1992, Tappi Press, Atlanta 1992 and Tappi J. 75, 5, 61-73 (1992).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · SIERPIEŃ 2010
TECHNOLOGIA
5. Watanabe J., Lepoutre P.: “A Mechanism for the Consolidation of the
Structure of Clay-Latex Coatings”, J. Appl. Polym. Sci. 27, 4207-4219
(1982).
6. Laudone G.M., Matthews G.P., Gane P.A.C.: “Observation of Shrinkage
during Evaporative Drying of Water-Based Paper Coatings”, Industrial and
Engineering Chemistry Research (ACS) 43, 3, 712-719 (2004).
7. Laudone G.M., Matthews G.P., Gane P.A.C.: “Modelling the shrinkage in
pigmented coatings during drying: A stick-slip mechanism”, J. Colloid &
Interface Sci. 304, 1, 180-190 (2006).
8. Ridgway C.J., Gane P.A.C.: “Effect of Latex and Pigment Volume Concentrations on Suspension and Consolidated Particle Packing and Coating
Strength”, J. Pulp & Paper Sci. 33, 2, 71-78 (2007).
9. Ridgway C.J., Gane P.A.C.: “Dynamic Absorption into Simulated Porous
Structures”, TRI Nanocapillarity Research Symposium, June 2001,
Princeton New Jersey, USA, Colloids and Surfaces, A: Physiochem. and
Eng. Asp. 206, 217-239 (2002).
10. Digital Demand: “Best in Show”, J. Printing and Publishing Technol.,
Pira International 9, 1, 3-7 (2008).
11. Gerstner P., Paltakari J., Gane P.A.C.: “A Lumped Parameter Model for
Thermal Conductivity of Paper Coatings”, IARIGAI Conference, Grenoble
2007, Advances in Printing and Media Technology, Vol. XXXIV, Ed. N.
Enlund & M. Lovreček, Acta Graphica Publishers, Zagreb.
12. Gerstner P., Gane P.A.C.: “Considerations for Thermally Engineered
Coated Printing Papers”, 35th IARIGAI Conference Valencia 2008, Pro-
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · SIERPIEŃ 2010
ceedings: Advances in Printing and MediaTechnology, Vol. XXXV, Ed. by
N. Enlund & M. Lovreček, Acta Graphica Publishers, Zagreb.
13. Gamota D., Brazis P., Kalyanasundaram K., Zhang J.: “Printed Organic and
Molecular Electronics”, Kluwer Academic Publishers, New York 2004.
14. Pelton R.: “Bioactive Papers – Sentinel Network”, Keynote Lecture, Tappi
Advanced Fundamental Coating Fundamentals Symposium, Montréal,
June 2008.
15. Ridgway C.J., Gane P.A.C.: “Modified Calcium Carbonate Coatings with
Rapid Absorption and Extensive Liquid Uptake Capacity”, Colloids and
Surfaces, A: Physicochem. and Eng. Asp. 236, 1-3, 91-102 (2004).
16. Gane P.A.C., Ridgway C.J.: “The Impact of Pore Network Structure on
the Absorption of Pigmented Inkjet Inks”, Tappi Coating and Graphic Arts
Conference, Toronto 2005.
17. Andersson N., Alberius P.C.A., Pedersen J.S., Bergström L.: “Structural
features and adsorption behaviour of mesoporous silica particles formed
from droplets generated in a spraying chamber”, Microporous and Mesoporous Materials 72, 1-3, 175-183 (2004).
18. Laudone G.M., Matthews G.P., Gane P.A.C.: “Modelling diffusion from simulated porous structures”, Chem. Engin. Sci. 63, 7, 1987-1996 (2008).
19. Lin A., Meyers M.A.: “Growth and structure in abalone shell”, Materials
Sci. and Engin. 390, 15 Jan., 27-41 (2005).
20. Belcher A.M., Hansma P.K., Stucky G.D., Morse D.E.: “First steps in
harnessing the potential of biomineralization as a route to new highperformance composite materials”, Acta Mater. 46, 733-736 (1998).
465