Oberflächenchemie von Papier - Surface chemistry of paper

Die Oberflächenchemie von Papier ist für viele wichtige Papiereigenschaften wie Glanz, Wasserfestigkeit und Bedruckbarkeit verantwortlich. Bei der Papierherstellung werden viele Komponenten verwendet , die die Oberfläche beeinflussen.

Pigment- und Dispersionsmittel

Beschichtungskomponenten unterliegen Partikel-Partikel-, Partikel-Lösungsmittel- und Partikel-Polymer-Wechselwirkungen. Van-der-Waals- Kräfte, elektrostatische Abstoßung und sterische Stabilisierung sind die Gründe für diese Wechselwirkungen. Wichtig ist, dass die Eigenschaften der Adhäsion und Kohäsion zwischen den Komponenten die Grundbeschichtungsstruktur bilden. Calciumcarbonat und Kaolin sind häufig verwendete Pigmente . Pigmente unterstützen eine feinporige Struktur und bilden eine lichtstreuende Oberfläche. Die Oberflächenladung des Pigments spielt eine wichtige Rolle für die Konsistenz der Dispersion . Die Oberflächenladung von Calciumcarbonat ist negativ und pH-unabhängig , kann sich jedoch unter sauren Bedingungen zersetzen . Kaolin hat negativ geladene Gesichter, während die Ladung seiner Laterals vom pH-Wert abhängt und unter sauren Bedingungen positiv und unter basischen Bedingungen negativ ist, mit einem isoelektrischen Punkt bei 7,5. Die Gleichung zur Bestimmung des isoelektrischen Punktes lautet wie folgt:

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

Bei der Papierherstellung werden die Pigmentdispersionen im Allgemeinen bei einem pH-Wert von über 8,0 gehalten.

Pigmente, Bindemittel und Co-Bindemittel

Mit Acrylsäure (a) und anionischem Tensid (b) beschichtete Bindemittelkugeln.

Die Molekularstruktur der kationischen Stärke. Die sich wiederholende Einheit der Stärke wird von Glucose abgeleitet, die mit glycosidischen Bindungen verbunden ist .

Bindemittel fördern die Bindung von Pigmentpartikeln zwischen sich selbst und der Streichschicht des Papiers. Bindemittel sind kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm. Übliche Bindemittel sind Styrol-Maleinsäureanhydrid- Copolymer oder Styrol-Acrylat-Copolymer. Die oberflächenchemische Zusammensetzung wird durch die Adsorption von Acrylsäure oder einem anionischen Tensid unterschieden , die beide zur Stabilisierung der Dispersion in Wasser verwendet werden. Co-Bindemittel oder Verdickungsmittel sind im Allgemeinen wasserlösliche Polymere, die die Farbviskosität, Wasserretention, Leimung und den Glanz des Papiers beeinflussen . Einige gängige Beispiele sind Carboxymethylcellulose (CMC), kationische und anionische Hydroxyethylcellulose (EHEC), modifizierte Stärke und Dextrin .

Größenbestimmung

Der Kontaktwinkel ist der Winkel zwischen einem Flüssigkeitstropfen und einer Papieroberfläche.

Die Molekularstruktur von Co-Styrolacrylat

Die Molekülstruktur von Co-Styrol-Maleinsäureanhydrid

Beim Leimen wird die Festigkeit und Bedruckbarkeit des Papiers erhöht. Die Leimung verbessert auch den hydrophilen Charakter, die Flüssigkeitsverteilung und die Affinität für Tinte. Stärke ist das gebräuchlichste Schlichtemittel. Kationische Stärke und hydrophile Mittel werden ebenfalls verwendet, darunter Alkenylbernsteinsäureanhydrid (ASA) und Alkylketendimere (AKD).

Kationische Stärke erhöht die Festigkeit, da sie an die anionischen Papierfasern bindet. Die hinzugefügte Menge liegt normalerweise zwischen zehn und dreißig Pfund pro Tonne. Übersteigt die Stärke die Menge, an die die Fasern binden können, führt dies zu Schaumbildung im Produktionsprozess sowie zu einer verminderten Retention und Entwässerung.

Oberflächenmodifikation

Plasmaoberflächenmodifikation

Durch Oberflächenmodifizierung wird Papier hydrophob und oleophil. Diese Kombination ermöglicht Tinte Öl , das Papier zu durchdringen, verhindert aber Befeuchtungswasser Absorption , die Papiere Bedruckbarkeit erhöht.

Drei verschiedene Plasma-Feststoff - Wechselwirkungen verwendet werden: Ätzen / Abtragung, Plasmaaktivierung und Plasmabeschichtung . Beim Ätzen oder Abtragen wird Material von der Oberfläche des Festkörpers entfernt. Bei der Plasmaaktivierung werden Spezies im Plasma wie Ionen, Elektronen oder Radikale verwendet, um die Oberfläche chemisch oder physikalisch zu modifizieren. Bei der Plasmabeschichtung schließlich wird Material in Form eines dünnen Films auf die Oberfläche aufgetragen. Plasmabeschichtung kann verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe zu Oberflächen hinzuzufügen, die eine Oberfläche unpolar oder hydrophob machen können. Die spezielle Art der Plasmabeschichtung, die zum Hinzufügen von Kohlenwasserstoffen verwendet wird, wird als plasmaunterstütztes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren oder PCVD bezeichnet.

Kontaktwinkel

Eine ideale hydrophobe Oberfläche hätte einen Kontaktwinkel von 180 Grad zu Wasser. Das bedeutet, dass die Kohlenwasserstoffe flach an der Oberfläche anliegen, eine dünne Schicht bilden und eine dämpfende Wasseraufnahme verhindern. In der Praxis ist es jedoch in Ordnung oder sogar bevorzugt, eine geringe Feuchtigkeitsabsorption aufgrund eines Phänomens zu haben, das auftritt, wenn sich Wasser an der Papieroberfläche absetzt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn Tinte aufgrund der Wasserschicht an der Oberfläche nicht auf das Papier übertragen werden kann. Der Kontaktwinkelwert für Kohlenwasserstoffe auf einem rauen pigmentbeschichteten Papier kann mit einem Kontaktwinkelmesser zu ungefähr 110° gefunden werden.

Die Young-Gleichung kann verwendet werden, um die Oberflächenenergie einer Flüssigkeit auf Papier zu berechnen. Youngs Gleichung lautet:

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

wo ist die Grenzflächenspannung zwischen Feststoff und Flüssigkeit, ist die Grenzflächenspannung zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf und ist die Grenzflächenspannung zwischen dem Feststoff und dem Dampf. ${\displaystyle \gamma_{\mathrm{SL}}}$${\displaystyle \gamma_{\mathrm {LG}}}$${\displaystyle \gamma_{\textrm{SG}}}$

Eine ideale oleophile Oberfläche hätte einen Kontaktwinkel von 0° mit Öl, so dass die Tinte auf das Papier übertragen und absorbiert werden kann. Die Kohlenwasserstoff-Plasmabeschichtung verleiht dem Papier eine oleophile Oberfläche, indem der Kontaktwinkel des Papiers mit dem Öl in der Tinte verringert wird. Die Kohlenwasserstoff-Plasmabeschichtung erhöht die unpolaren Wechselwirkungen, während sie die polaren Wechselwirkungen verringert, die es dem Papier ermöglichen, Tinte zu absorbieren, während die Absorption von Befeuchtungswasser verhindert wird.

Anwendungen

Die Druckqualität wird stark von den verschiedenen Behandlungen und Methoden beeinflusst, die bei der Papierherstellung und Veredelung der Papieroberfläche verwendet werden. Die Verbraucher sind am meisten besorgt über die Wechselwirkungen zwischen Papier und Tinte, die für bestimmte Papiertypen aufgrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften der Oberfläche variieren. Tintenstrahlpapier ist die kommerziell am häufigsten verwendete Papiersorte. Filterpapier ist ein weiterer wichtiger Papiertyp, dessen Oberflächenchemie seine verschiedenen Formen und Verwendungen beeinflusst. Die Fähigkeit von Klebstoffen , auf einer Papieroberfläche zu haften, wird auch durch die Oberflächenchemie beeinflusst.

Tintenstrahldruckpapier

Co-Styrol-Maleinsäureanhydrid und Co-Styrolacrylat sind übliche Bindemittel, die mit einem kationischen Stärkepigment in Tintenstrahldruckpapier verbunden sind . Tabelle 1 zeigt ihre Oberflächenspannung unter gegebenen Bedingungen.

Es gab mehrere Studien, die sich darauf konzentrierten, wie die Papierdruckqualität von der Konzentration dieser Bindemittel und Tintenpigmente abhängt. Die Daten aus den Experimenten sind deckungsgleich und in Tabelle 2 als korrigierter Kontaktwinkel von Wasser, korrigierter Kontaktwinkel schwarzer Tinte und Gesamtoberflächenenergie angegeben.

Die Kontaktwinkelmessung hat sich als sehr nützliches Werkzeug erwiesen, um den Einfluss der Schlichteformulierung auf die Druckeigenschaften zu beurteilen. Die freie Oberflächenenergie hat sich auch als sehr wertvoll für die Erklärung der Unterschiede im Probenverhalten erwiesen.

Filterpapier

In einem von Wang et al. durchgeführten Experiment wurden verschiedene Verbundbeschichtungen auf Filterpapier analysiert . Die Fähigkeit, homogene flüssige Lösungen basierend auf unterschiedlichen Oberflächenspannungen zu trennen, hat großen praktischen Nutzen. Die Herstellung von superhydrophoben und superoleophilen Filterpapieren wurde erreicht, indem die Oberfläche von kommerziell erhältlichem Filterpapier mit hydrophoben Silica-Nanopartikeln und Polystyrollösung in Toluol behandelt wurde. Öl und Wasser wurden durch die Verwendung des erzeugten Filterpapiers mit einem Wirkungsgrad von mehr als 96% erfolgreich getrennt. In einer homogenen Lösung gelang es dem Filterpapier auch, die Flüssigkeiten durch Differenzierung der Oberflächenspannungen zu trennen. Obwohl mit geringerer Effizienz, wurde beim Testen auf dem Filterpapier auch wässriges Ethanol aus der Lösung extrahiert.

Siehe auch

• Papierchemikalien
• Papierherstellung
• Größenbestimmung

Verweise