КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ПЕЧАТНОЙ БУМАГИ
COMPOSITION FOR COATING OF PRINTING PAPER

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к композициям, предназначенным для уменьшения склонности печатной бумаги к распушению и пылению в процессе печати. Кроме того, изобретение относится к покрытой бумаге, содержащей такую композицию, и ее применению.
Уровень техники
Термины распушение и пыление применяются для определения склонности поверхности бумаги к потере целостности, а также к образованию и аккумуляции слабо связанных частиц на поверхностном слое в процессе офсетной печати.
Распушение - это явление, связанное с удалением волокна, фрагмента волокна, лучевой клетки или элемента сосуда, связанное как со свойствами пульпы, так и со свойствами бумаги и условиями печати. Пыление является результатом потери наполнителя или других тонкоизмельченных материалов, которые непрочно присоединены к поверхности бумаги. При удалении в процессе печати, распушения и пыления материалы легко скапливаются на офсетном полотне, особенно в первом узле печати, в случае когда применяется множество узлов печати.
Механизм распушения не полностью понятен, и решение проблем, связанных с распушением, может оказаться достаточно сложным процессом. Механизм распушения может, в общем, быть связан с прочностью связей внутри волокон на поверхности бумаги. Можно сказать, что бумажное волокно и пыль удаляются с поверхности бумаги, когда внешние силы превышают силы, сохраняющие целостность листа.
Явление выщипывания уже связано с пригодностью бумаги для печати. Явление выщипывания заключается в извлечении волокон или небольших скоплений волокон. Выщипывание может в крайних случаях приводить к расслаиванию слоев, когда большие однородные участки поднимаются с поверхности бумаги. Выщипывание происходит, когда сопротивление раскалыванию печатной краски и, следовательно, составляющая напряжения, перпендикулярная поверхности бумаги, превышают местную прочность поверхности бумаги на выходе из зоны печатного контакта. Выщипывание может приводить к распушению.
Материал, удаленный с поверхности бумаги, состоит в основном из слабо фибриллированных волокон, неволокнистых клеточных материалов (таких как лучевые клетки, сосуды, мякоть багассы и так далее), так же как и фрагментов волокна, мелких частиц и инородных частиц. Хорошо известно, что грубые и жесткие волокна требуют большего потребления энергии в процессе очистки для минимизации распушения. Следовательно, потребление энергии является, возможно, одним из наиболее важных параметров, влияющих на распушение.
Поверхностное проклеивание является известной методикой уменьшения склонности газетной бумаги к распушению. Проблема распушения не может, однако, расцениваться исключительно как проблема бумажного производства. Параметры печатного станка оказывают сильное влияние на степень распушения бумаги и должны тщательно контролироваться. Важными параметрами печатного цеха являются тираж издания, конфигурация проводки ленты через станок (угол прохода и т.д.), свойства печатной краски (вязкость и клейкость) и увлажняющего раствора (количество и качество). Распушение может также быть вызвано неправильным соотношением печатная краска/вода. На основании более ранних источников можно сделать заключение, что некоторые параметры станка часто способствуют распушению.
Распушение приводит к ухудшению качества печати, вплоть до того, что станок должен быть остановлен и очищен. Этот процесс очистки является трудоемким и дорогостоящим. Склонность бумаги к распушению может, таким образом, оказывать сильное влияние на эффективность печатного цеха, особенно при большом объеме печатных операций, как, например, при производстве газет. Учитывая непрерывный курс на усиленное применение офсетной печати при высоком объеме операций многоцветной печати, распушение является значительной экономической проблемой и причиной частых жалоб потребителей. Следовательно, существует необходимость в улучшенных листах бумаги с уменьшенной склонностью к распушению и пылению и, кроме того, в композициях для достижения указанных улучшений.
Краткое описание изобретения
В соответствии с первым объектом настоящее изобретение обеспечивает композицию для покрытия печатной бумаги, причем указанная композиция содержит микрофибриллированную целлюлозу (далее упоминается как MFC) и один или более полисахаридных гидроколлоидов для уменьшения склонности указанной бумаги к распушению и пылению в процессе печати. Полисахаридным гидроколлоидом может быть любой крахмал или камедь (смола). Примеры камеди (смолы), которая подходит для применения согласно настоящему изобретению, представлены группой, состоящей из смолы плодоворожкового дерева, камеди карайя, ксантановой камеди, аравийской камеди, камеди гхатти, агаровой камеди, пектина, трагакантовой камеди, альгинатов, целлюлозных смол (например, карбоксиметилцеллюлоза, алкилцеллюлоза, гидроксиалкилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза), гуаровой камеди, тамариндовой камеди и каррагенина.
В одном варианте выполнения изобретения полисахаридный гидроколлоид представляет собой крахмал. Применяемым крахмалом может быть любой коммерчески доступный крахмал, содержащий любую комбинацию двух крахмальных полимеров амилазы и амилопектина. Крахмал может применяться в его нативной, анионной или катионной форме. Крахмал может быть модифицирован с помощью применения любой из следующих обработок: обработка ферментами, термообработка, обработка APS пероксидом, этерификация, эстерификация, окисление (например, гипохлоритом), кислотный гидролиз, декстринизация, катионизация, гидроксиэтилирование, карбоксиметилирование и ацетилирование. Дополнительно другие полисахаридные гидроколлоиды, выбранные из группы, состоящей из гуара, тамаринда, лжеакации, карайя, целлюлозного простого эфира, ксантана, пектина, альгинатов, каррагенина или агара, могут образовывать часть связующего в крахмальной композиции.
Композиция может состоять исключительно из MFC и полисахаридного(ых) гидроколоида(ов), такого(их) как крахмал.
Примеры растений, из которых может быть получен крахмал, содержат картофель, маниоку, ячмень, пшеницу, кукурузу, рис, маниок съедобный, маранту, саговую пальму. Хотя может применяться многообразие различных крахмалов, специалистам в данной области техники будет очевидно, что различия в содержании амилозы, разветвлении, молекулярной массе и содержании нативного липида между различными видами крахмала будут приводить к различным химическим и физическим свойствам и, таким образом, влиять на свойства покрытия.
Способы производства MFC раскрываются, например, в WО 2007/091942 и Шведской заявке на патент SE 0800807-0.
Указанная микрофибриллированная целлюлоза (которая также упоминается как наноцеллюлоза, нанофибриллированная целлюлоза, нановолокна, микроволокна) может быть произведена из любых содержащих целлюлозу волокон, которые могут входить в состав химической пульпы, механической пульпы, термомеханической пульпы, хемитермомеханической пульпы (СМР или СТМР). Применяемая пульпа может состоять из пульпы из твердой древесины, мягкой древесины или из комбинации обоих видов древесины. Пульпа может, например, содержать смесь сосны и ели или смесь березы и ели. Химические пульпы, которые могут применяться в настоящем изобретении, включают все виды химических пульп на основе древесины, такие как отбеленные, полуотбеленные или неотбеленные сульфитные пульпы, крафтпульпы и щелочные пульпы, и их комбинации.
Консистенция пульпы в процессе производства MFC может быть любой, от низкой консистенции через среднюю консистенцию и до высокой консистенции. Волокно может происходить из дерева или любого другого растения, содержащего целлюлозу. Как правило, указанные волокна обрабатывают суспензией с помощью механического измельчительного прибора, и указанным прибором может быть, например, очистительная машина, флюидизатор, гомогенизатор или микрофлюидизатор. Перед обработкой в указанном приборе может также быть проведена предварительная обработка волокон.
Если говорить о компонентах композиции, то полисахаридный гидроколлоид способен лучше, чем MFC проникать внутрь бумаги через покрытие, тогда как верхняя часть покрытия в большей степени состоит из MFC. Существуют проблемы с проникновением MFC, как таковой, в бумагу из-за ее высокой водоудерживающей способности и размера частиц. Следовательно, заявленная композиция обладает значительным синергетическим эффектом.
Преимущество композиции MFC и полисахаридного гидроколлоида является трехкратным: обеспечивается покрытие, которое позволяет удерживать распушившиеся частицы на месте, частично закреплять частицы внутри в слое и прикреплять слой MFC к листу.
Применяемый полисахаридный гидроколлоид может быть разветвленным и неразветвленным и может быть нативным или модифицированным, как, например, неионные простые эфиры, анионно-модифицированные или катионные.
При выборе комбинации MFC и полисахаридного гидроколлоида внимание направлено на уменьшении склонности комбинации к агломерации. Этого можно достичь посредством регулирования рН или содержания соли комбинации. Регулирование указанных переменных находится в области компетенции специалиста в данной области техники.
Одна из возможных мер уменьшения склонности к агломерации состоит в том, чтобы применяемые MFC и полисахаридный гидроколлоид имели, по существу, одинаковый заряд. Например, анионная MFC может быть комбинирована с анионным полисахаридным гидроколлоидом, чтобы минимизировать агломерацию.
В одном варианте выполнения настоящего изобретения композиция, содержащая MFC и полисахаридный гидроколлоид, содержит 1-90 мас.% MFC, причем оставшаяся часть содержит полисахаридный гидроколлоид. В другом варианте выполнения настоящего изобретения указанная композиция содержит 2-50 мас.% MFC, причем оставшаяся часть содержит полисахаридный гидроколлоид. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения композиция содержит 3-25 мас.% MFC, причем оставшаяся часть содержит полисахаридный гидроколлоид.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения композиция содержит 5-15 мас.% MFC, причем оставшаяся часть содержит полисахаридный гидроколлоид.
Массовые проценты (мас.%), как применяется в настоящем изобретении, вычисляют на основе общей массы соответствующей композиции или смеси, если иного не указано.
Композиции по изобретению подходят для применений, связанных как с покрытием, так и с поверхностным проклеиванием.
В одном варианте выполнения изобретения обеспечивается бумага, покрытая композицией, содержащей MFC и полисахаридный гидроколлоид. Указанная бумага имеет уменьшенную склонность к распушению, сохраняя при этом способность абсорбировать печатную краску. Абсорбционная способность в отношении печатной краски может находиться в том же интервале, что и для обычной непокрытой бумаги.
В соответствии со вторым объектом настоящее изобретение обеспечивает покрытую бумагу, содержащую первый слой полисахаридного гидроколлоида и второй слой MFC. Число слоев может варьироваться согласно предпочтительному варианту. Слой(и) из полисахаридного гидроколлоида образуют основание, с которым в достаточной мере связывается MFC. Полисахаридный гидроколлоид усиливает взаимодействие между слоем (слоями) MFC и поверхностью бумаги. Таким образом, уменьшается склонность полученной в результате бумаги к распушению и пылению. MFC может применяться для, например, усиления поверхностных свойств, например, листа коммерческой газетной бумаги.
Слой (слои) полисахаридного гидроколлоида покрытой бумаги в одном варианте выполнения изобретения содержит(ат) крахмал, выбранный из группы, состоящей из разветвленного или неразветвленного нативного крахмала, анионного крахмала и катионного крахмала, перекисленного крахмала, верифицированного крахмала, эстерифицированного крахмала, окисленного крахмала, гидролизированного крахмала, декстринизированного крахмала, гидроксиэтилированного крахмала и ацетилированного крахмала соответственно. Применяемым крахмалом может быть коммерчески доступный крахмал, содержащий любую комбинацию двух крахмальных полимеров амилазы и амилопектина.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения полисахаридный гидроколлоид выбирается из группы, состоящей из смолы плодоворожкового дерева, камеди карайя, ксантановой камеди, аравийской камеди, камеди гхатти, пектина, трагакантовой камеди, альгинатов, целлюлозных смол, гуаровой камеди, агаровой камеди, тамариндовой камеди.
2
2
2
2
В одном варианте выполнения настоящего изобретения покрытая бумага содержит количество MFC в интервале 0.1-60 г/м бумажного изделия. В другом варианте выполнения настоящего изобретения покрытая бумага содержит количество MFC в интервале 0.5-40 г/м бумажного изделия. В другом варианте выполнения настоящего изобретения покрытая бумага содержит количество MFC в интервале 1-30 г/м бумажного изделия. В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения покрытая бумага содержит количество MFC в интервале 3-20 г/м бумажного изделия.
В соответствии с третьим объектом настоящего изобретения раскрывается применение композиции, содержащей крахмал и MFC для обеспечения барьера на бумаге.
В соответствии с четвертым объектом настоящего изобретения раскрывается применение бумаги, покрытой композицией, содержащей MFC и крахмал в качестве барьера.
В соответствии с пятым объектом настоящее изобретение обеспечивает способ уменьшения распушения и/или пыления бумаги, содержащий покрытие бумаги любой композицией, как описано в настоящем изобретении.
Термин "бумага", как применяется в настоящем документе, охватывает любую бумагу, лист бумаги или любое другое изделие на основе древесного волокна.
Настоящее изобретение далее описывается со ссылкой на приложенные Фигуры. Варианты выполнения изобретения и примеры приводятся только с целью иллюстрации сущности и объема изобретения, но никоим образом его не ограничивают.
Краткое описание Фигур
На Фиг.1 показана склонность к распушению контрольных листов с различными количествами С-крахмала для внутренних обработок.
На Фиг.2 показана склонность к распушению листов (с 2% С-крахмала, внутренняя обработка), поверхность которых была обработана с применением различных химических веществ при подобной величине слоя.
На Фиг.3 показана склонность к распушению слоя (с 5% С-крахмала, внутренняя обработка), поверхность которого была обработана с применением различных химических веществ при подобной величине слоя.
На Фиг.4 приведены изображения на печатном диске при конечной скорости печати 3.18 м/с, тогда как контрольные листы обработали без нанесения каких либо химических веществ на поверхность.
2
На Фиг.5 приведены изображения на печатном диске при критической скорости печати, приводящей к расслоению, равной 4.64 м/с, тогда как контрольные листы были покрыты MFC при концентрации 2.1 г/м.
На Фиг.6 показана склонность к распушению листов с обработкой различными химическими веществами при одинаковом уровне добавления (1%).
На Фиг.7 показана склонность к распушению листов с обработкой различными химическими веществами при одинаковом уровне добавления (2%).
На Фиг.8 показан объем капли с течением времени, причем применялись различные химические обработки.
На Фиг.9 показана абсорбция масла (как уменьшение объема масляной капли за время контакта 1-5 с) листов с различными химическими обработками.
На Фиг.10 показана склонность к распушению коммерческой газетной бумаги с различными уровнями MFC покрытий.
На Фиг.11 показаны результаты склонности волокна к поднятию (FRT) в случае коммерческой газетной бумаги с различными количествами MFC для поверхностной обработки.
На Фиг.12 приведены ESEM микроснимки поверхностей листов с различными покрытиями.
На Фиг.13 приведены ESEM микроснимки поперечных сечений листов с различными покрытиями.
Подробное описание изобретения
Материал
Пульпа и бумажные материалы
2
В экспериментах на распушение применялась невысушенная коммерческая термомеханическая пульпа (ТМР) из ели (Picea abies) фабрики Наllsta Paper Mill (Holmen Paper, Швеция). С целью сохранения пульпа была заморожена, и затем ее разморозили. После размораживания степень помола в деионизированной воде составляла 173 CSF (ISO 5267-2). Степень помола, измеренная сразу после мельницы, составляла 102 CSF. В другом ряде экспериментов на распушение применялась коммерческая газетная бумага (улучшенная газетная бумага, граммаж 60 г/м, шероховатость поверхности по Бендтсену 150-230 мл/мин) (Hallsta Paper mill, Holmen Paper, Швеция). При производстве MFC применялась коммерческая сульфитная растворяющая пульпа из мягкой древесины (Domsjo Dissolving Plus; Domsjo Fabriker AB, Швеция), состоящая из 60% Норвежской ели (Picea abies) и 40% Шотландской сосны (Pinus sylvestris), с содержанием гемицеллюлозы 4.5% (измерено как растворимость в 18% NaOH) и содержанием лигнина 0.6%. Пульпу тщательно промыли деионизированной водой и применяли в невысушенном виде.
Химические вещества внутренней обработки
Катионный крахмал (С-крахмал)
Для внутренних обработок применялся коммерческий картофельный С-крахмал (Amylofax PW, Степень замещения (D.S.) 0.035, Avebe, Нидерланды). Для того чтобы желатинизировать С-крахмал, С-крахмал смешивали с 200 мл деионизированной воды до концентрации около 1.5 мас.% и нагревали до 90-95°С и поддерживали эту температуру в течение 15 минут. После охлаждения раствор разбавили до объема 1 л.
Анионный полиакриламид (А-РАМ)
А-РАМ (PL156, плотность анионного заряда 40 мол.%, Ciba, UK) применяется в качестве адъюванта для поддержания С-крахмала (посредством комплексообразования) при высоких дозах С-крахмала. Для того чтобы получить раствор А-РАМ, 0.125 г А-РАМ вымачивали в 1.5 мл этанола в течение 2 минут. После добавления 50 мл деионизированной воды композицию тщательно смешали в течение двух минут. Затем композицию перемешивали в течение двух часов и оставили на всю ночь без перемешивания.
Химические вещества для обработки поверхности
Анионный крахмал (А-крахмал)
При обработках поверхностным проклеиванием применялся анионный окисленный картофельный крахмал (Perlcoat 158, плотность заряда 153.2 µeq/г, Lyckeby Industrial АВ, Швеция). Для того чтобы желатинизировать А-крахмал, А-крахмал смешали с деионизированной водой до концентрации около 10 мас.% и затем нагрели до 95°С и поддерживали эту температуру в течение 15 минут. Перед проведением экспериментов с проклеивнием установили рН 8.
Микросфибриллированная целлюлоза (MFC)
Растворяющая пульпа из мягкой древесины сначала была карбоксиметилирована до степени замещения около 0.1, следуя способу, описанному в Wagberg, L., Decher, G., Norgren, M., Lindstrom, Т., Ankerfors, M., and Axnas, K., Langmuir (2008), 24(3), 784-795. Затем из пульпы получили MFC, пропуская карбоксиметилированную пульпу при концентрации 2 мас.% за один проход через гомогенизатор высокого давления (Микрофлюидизатор М-110ЕН, Microfluidics Corp., USA), оборудованный двумя камерами различного размера (диаметр 200 мкм и 100 мкм, камеры соединены последовательно), с рабочим давлением 170 МПа. Образованную MFC, которая представляла собой гель высокой вязкости, разбавили деионизированной водой до 0.56 мас.%, и затем диспергировали при одном проходе через гомогенизатор высокого давления тем же самым образом, как и ранее.
Композиции MFC/A-крахмал
На основании концентраций MFC и А-крахмала были получены смеси MFC и А-крахмала (массовое соотношение 50%: 50%) следующим образом.
Композицию MFC и А-крахмала один раз пропустили через гомогенизатор высокого давления (Микрофлюидизатор М-110ЕН, Microfluidics Corp., USA), оборудованный двумя камерами различного размера (диаметр 200 мкм и 100 мкм, камеры соединены последовательно), с рабочим давлением 170 МПа. После этого композицию обработали на ультразвуковой бане (Bransonic Ultrasonic Cleaner 5510E-MT, Bransonic Ultrasonics Corp., USA) в течение 10 минут и затем поместили на вибрационный стол на 40 минут до удаления из геля пузырьков воздуха.
Способы
Листы ручного отлива и внутренние обработки
2
2
Лиофилизованная ТМР пульпа была разморожена и дезинтегрирована при температуре 85-95°С при 1200 оборотах в минуту в течение 10 минут для уменьшения латентности пульпы. С целью внутренних обработок пульпу обрабатывали 1, 2 и 5% С-крахмалом в течение 10 минут перед формированием листа. Когда применяется 5% С-крахмал, то в качестве адъюванта применяется 0.1% А-РАМ (комплексообразующий агент) с гарантированным, почти количественным расположением С-крахмала на поверхности ТМР-волокнистого материала. В этом случае А-РАМ добавляется через 10 с после С-крахмала и затем удаляется за 10 минут до формирования листа. Применяют водопроводную воду и устанавливают рН 8. Листы с основной массой 100±2 г/м были получены в листоотливном аппарате Formette Dynamique (CTP, Grenoble, Франция) (Sauret et аl. 1969). Листы спрессовали вместе с промокательными листами при 8.1 кг/см в течение 5.5 минут, затем промокательные листы заменили новыми и листы сжали при таком же давление на еще две минуты. Сушку листов проводили напортив горячей стеклянной фотосушилки.
Поверхностные обработки
Поверхностное проклеивание осуществляют с помощью настольного устройства для нанесения покрытия (КСС coater M202, RK Print-coat instruments Ltd., UK), оборудованного проволочными прутами. Проклеивание осуществляли при скорости перемещения прута около 5 м/мин. Операцию поверхностного проклеивания осуществляли на верхней стороне только на листах Formette Dynamique и вдоль направления MD.
Слои предварительно сушили при комнатной температуре до исчезновения липкости и окончательно высушили напротив горячей стеклянной фотосушилки.
2
2
Все поверхностно проклеенные слои сушили в течение одного и того же времени. Выполнили повторяющиеся и параллельные операции поверхностного проклеивания. Основная масса бумаги составляла 100 г/м, тогда как масса покрытия варьировалась вплоть до 5 г/м. При проклеивании поверхности применялись следующие химические вещества: А-крахмал, MFC и 50/50 мас.% А-крахмал/ MFC композиция. В экспериментах применялись, по меньшей мере, три различных степени проклеивания поверхности. Все образцы, включая чистые листы или контрольные листы, листы с внутренними обработками и листы с поверхностными обработками, получали согласно шаблону, показанному в Таблице 1.
Каландрирование
Предварительное каландрирование
Все листы были предварительно каландрированы в мягком зажимном лабораторном каландре (DT Laboratory Calender, DT Paper Science Oy, Финляндия) при линейном давлении 16 кН/м и при температуре прокатки 22°С в течение одного времени. После этого листы были дважды каландрированы на каждой стороне листов, что привело к шероховатости поверхности по Бендтсену около 200±50 мл/мин (смотрите ниже). Это нормальное значение для листов коммерческой газетной бумаги.
Посткаландрирование
Поверхностно проклеенные листы также были каландрированы после обработки поверхностным проклеиванием. Сначала поверхностно проклеенные листы были протестированы согласно стандартному способу SCAN-P 2:75 (Скандинавская пульпа, Комитет по тестированию бумаги и картона) в течение, по меньшей мере, 48 часов. Листы затем каландрировали в мягком зажимном лабораторном каландре, при линейном давлении 16 кН/м и при температуре прокатки 22°С, перед осуществлением последующего анализа поверхности и экспериментальной печати.
Анализ
Граммаж и поверхностная шероховатость
Граммаж и масса покрывающего слоя были определены в соответствии со стандартным способом SCAN-P 6:75 (Скандинавская пульпа, Комитет по тестированию бумаги и картона). Способ Бендтсена (ISO 8791 -2) применяли для определения и контроля шероховатости поверхности.
Тест на выщипывание бумажной пыли - склонность к распушению
2
В этом способе образец бумаги, разработанный STFI-Packforsk AB, Швеция, помещали на IGT тестирующее устройство для оценки пригодности для печати и бумагу прижимали стальным диском, липким благодаря тонкой пленке масла для тестирования выщипывания. Печать провели при увеличенной скорости. Диск затем сфотографировали с помощью CCD-камеры в стереомикроскопе. Диск разделили на 20 сегментов в соответствии с каждой фотографией, сделанной с помощью камеры. Так как ускорение не является линейным, то четыре первых и два последних сегмента на диске исключили из анализа. Следовательно, измерения осуществляли для сегментов 5-18. Проанализировали фотографии этих сегментов и подсчитали (частицы/см) количество присутствующих частиц (частиц, которые были удалены с поверхности листов). Результатом является количество частиц, которые были удалены с поверхности при конкретной скорости. Подсчет частиц осуществляли посредством применения программного обеспечения для анализа изображения (Linting Large Part, STH-Packforsk AB, Швеция). Это программное обеспечение различает четыре различные группы частиц на изображении: волокна, скопления, частицы и маленькие частицы.
Распределение по группам происходит по следующим критериям:
- Волокно: длина окружности объекта >2 мм и его прямоугольность <0.3, то есть объект длинный.
2
- Скопление: площадь объекта >0.3 мм или его длина окружности >2 мм и его прямоугольность >0.3.
2
- Частица: площадь объекта 0.02-0.3 мм.
- Маленькая частица: если объект не относится ни к одному из перечисленных выше, то он представляет собой маленькую частицу.
LPT-измерения в настоящей работе основаны на способе анализа устойчивости к выщипыванию IGТ (ISO 3783), с применением IGТ тестирующего устройства для оценки пригодности для печати IGТ АIС 2-5, Reprotest b.v., Нидерланды). Стальной диск делают липким, применяя 13.7±1.1 мг масла для тестирования выщипывания (IGТ Pick Test Oil (404.004.020) средней вязкости, Paper Test Equipment, Швеция).
Вместо обнаружения начала выщипывания на тестовой полосе определяли выщипанные частицы на печатном диске, с применением CCD-камеры (Модель ICD 700, Ikegami, Япония, применяемое разрешение = 15 мкм/пиксель), соединенной со стереомикроскопом (Модель SZ-CTV, Olympus Sverige AB, Швеция). Максимальная измеренная скорость печати составляла 5.0 м/с.
Тест на поднятие волокна - это способ, разработанный STH-Packforsk в начале 90-х годов (Нос 2005). Склонность волокна к поднятию (FRT) определяется как количество и размер волокон, которые поднимаются с поверхности бумаги, когда бумага намочена, высушена и затем перенесена на тонкий ролик. Этот способ дает информацию о том, как связи между волокнами поверхности могут сопротивляться поднятию волокон, индуцированному влагой. Также возможно измерить сухое пыление путем исключения только процедуры намачивания. Суть процесса состоит в том, что образец бумаги намачивают определенным количеством воды, а затем высушивают с помощью инфракрасного нагревающего элемента. Количество поднимающихся волокон и шероховатость непрерывно регистрируют с помощью CCD-камеры, так как образец перекинут через тонкий ролик.
Анализ изображения, полученного после увлажнения и сушки
Когда бумагу увлажняют и нагревают, на поверхности могут происходить различные типы структурных изменений. Оценивают FRT образца на основе двух типов изменений, обозначенных как Поднятие длинных волокон и Поднятие коротких волокон. Длинные волокна связаны только одним концом, и другой их конец удаляется на расстояние более 0.1 мм выше поверхности, тогда как короткие волокна связаны вдоль большей части их длины, и не удаляются более чем на 0.1 мм выше поверхности. Именно длинные волокна могут приводить к проблеме распушения из-за их относительно длинных свободных концов, и их измеряют в виде общей длины в миллиметрах.
Изменения в структуре поверхности возникают, когда сеть волокон бумаги на поверхности вступает в контакт с водой и теплом. Эти изменения приводят к двум отдельным эффектам, шероховатости и поднятию волокна. Оба этих эффекта можно описать путем измерения четырех параметров:
- LRC (доля поднятия длинных волокон) - это параметр, который описывает степень поднятия волокон как общую измеренную длину всех волокон, которые поднялись с поверхности бумаги после обработки поверхности.
- SRA (площадь поднятия коротких волокон) - это параметр, который описывает уменьшение шероховатости (огрубления) поверхности как величину общей площади всех частиц, которые поднялись с поверхности бумаги, но которые нельзя относить к волокнам, так как высота каждой из этих частиц менее 0.1 мм.
- TRA (общая площадь поднятия) - это параметр, который определяется как общая площадь всех поднятых волокон, включая площадь всех частиц, которые были подняты с поверхности бумаги, но которые нельзя относить к волокнам.
2
- Q (количество волокон) - это количество идентифицированных волокон, то есть частиц, чья длина больше 0.1 мм. В настоящей работе образцы порезали на полосы шириной 4.0 см и длиной, по меньшей мере, 10 см. Обыкновенную копировальную бумагу прикрепили к концам полос, чтобы сделать тест более материально эффективным (для FRT необходим более длинный образец, чем это необходимо для получения площади, которая на самом деле нужна для проведения испытания). Образец помещают в FRT (FIBRO 1000, Fibro system AB, Швеция) и тестируют в направлении резания (MD). Образец намочили, применяя 6.0 г/м воды. После этого бумагу сушили с применением инфракрасного нагревающего элемента до тех пор, пока температура поверхности бумаги не достигла 110°С. Образец затем перенесли на тонкий ролик и с помощью CCD-камеры зарегистрировали поднятие волокон и появление шероховатости. В общем, с помощью оборудования было проанализировано 100 изображений. Было измерено три экземпляра для каждого образца листа.
Абсорбция масла
2
Для того чтобы оценить абсорбцию печатной краски на листах были осуществлены измерения угла контакта, с применением динамического измерителя углов (DAT 1100, Fibro system AB, Швеция). Измерения осуществляли путем нанесения капли касторового масла (Castor oil USP, плотность 0.96 г/см, Sigma-Aldrich Inc., США) на верхнюю сторону листов. Первичный объем капли составлял 7.0 мкл, и измеряли изменения объема капли со временем (временной интервал 0-12 с), основной диаметр капли и угол контакта. Для каждого образца листа измеряли 8 параллельных полосок бумаги (8 капель/полоска бумаги) для получения среднего значения.
Экологический сканирующим электронный микроскоп с автоэмиссионной пушкой (ESFM-FEG)
Микрофотографии поверхностей и поперечных сечений листов, сделанные с помощью ESEM, были получены для изучения морфологии поверхности и структуры слоя листов. ESEM-микрофотографии были проанализированы на компьютере, с применением ESEM модели XL30 ESEM-FEG (Экологический сканирующий электронный микроскоп с автоэмиссионной пушкой) от Philips, Нидерланды. Рабочие условия являются следующими: ускоряющее напряжение 10 кВ, WD=9 мм (рабочее расстояние), низковакуумный метод с детектором BSE (обратнорассеянные электроны), и давление в камере для образцов 0.1 кПа. ESEM микрофотографии поверхностей бумаги были получены низковакуумным способом с применением детектора SE (Вторичные электроны), при одном и том же ускоряющем напряжении 10 кВ. WD было слегка короче, а именно 8.5 мм. Для проведения низковакуумного способа поверхности листов были покрыты тонким проводящим слоем золота для предотвращения накопления заряда. ESEM микрофотографии поперечных сечений, позволяющие получить информацию о структуре листа по z-направлению, были получены для залитой бумаги. Образцы бумаги залили эпоксидной смолой Spurr, заземлили и затем отполировали с получением гладкой поверхности.
Результаты
Анализ склонности к распушению
По сравнению с обычным IGT способом анализа сопротивления выщипыванию, согласно которому регистрируется начало выщипывания на испытательной полоске, в способе STFI-LP выщипанные частицы на печатном диске оцениваются с помощью анализа изображения по охватываемой площади, классификации по числу и размеру. Кроме того, LPT описывает склонность бумаги к потере частиц как функцию от скорости печати. Следовательно, полагают, что результатами LPT является хорошая квантификация склонности к распушению. Чтобы представить результаты анализа в более доступном виде, далее при обсуждении результатов LPT охватываемую площадь выщипанных частиц рассматривают как функцию от скорости печати.
Склонность к распушению листов с обработками проклейкой в массе
ТМР листы были сделаны на основе контрольного листа и с добавлением С-крахмала (1%, 2% и 5% С-крахмал+0.1% А-РАМ) с получением влажного сырья. А-РАМ применяли в качестве содобавки для того, чтобы поддерживать неадсорбированный внешний С-крахмал на его самом высоком уровне. По существу, фиксация С-крахмала к волокнам была количественной. Результаты LPT для указанных листов с проклейкой в массе приведены на Фиг.1. Очевидным образом можно наблюдать, что при одинаковой склонности к распушению скорость печати может быть увеличена при добавлении С-крахмала. Другими словами, поверхностная прочность листов увеличивается благодаря добавлению С-крахмала. Однако необходим избыток С-крахмала более 1% для значительного улучшения склонности к распушению ТМР листов.
Склонность к распушению листов с различными поверхностными обработками
На Фиг.2 контрольный лист (проклеенный в массе с применением 2% С-крахмала) подвергли поверхностной проклейке с применением А-крахмала MFC и смеси MFC с А-крахмалом (массовое соотношение 50%: 50%) соответственно при одинаковом уровне добавления. На Фиг.2 ясно видно, что поверхностное проклеивание как А-крахмалом, так и MFC эффективно уменьшает склонность листов к распушению. Во-вторых, также показано, что возникает синергетический эффект при добавлении на поверхность бумаги как MFC, так и А-крахмала.
На Фиг.3 показаны подобные серии экспериментов, где контрольный лист (проклеивание в массе с 5% С-крахмала) был подвергнут поверхностному проклеиванию с применением А-крахмала, MFC и смесью MFC с А-крахмалом (массовое соотношение 50%: 50%) при подобных уровнях добавления. В этой серии экспериментов было сделано важное наблюдение. Несмотря на покрытие поверхности бумаги непрерывной пленкой MFC лист, покрытый MFC, легко расслаивался при превышении определенной критической скорости печати. При анализе печатного диска (смотрите Фиг.7 и 8) обнаружили, что печатный диск был чище до расслоения и что при расслоении листа обнаруживаются скопления инородных частиц (пленка плюс инородные частицы). MFC имеет очень высокую водоудерживающую способность, следовательно, она не проникает в слой, и формируется слабая зона при взаимодействии между MFC-пленкой и поверхностью бумаги. Это объясняет синергетический эффект, возникающий при совместном применении MFC и А-крахмала. А-крахмал просто усиливает взаимодействие между MFC-пленкой и поверхностью бумаги, сильно уменьшая склонность листа к распушению.
Затем были проведены несколько серий экспериментов с различными уровнями добавок для проклеивания в массе и поверхностного проклеивания с применением MFC, А-крахмала и С-крахмала и с применением ТМР. Для того чтобы ввести поправку на слегка различные уровни добавления в различных экспериментах, применялось программное обеспечение (DataFit 7.0) для вычисления интерполированных значений при уровнях добавления 1, 2 и 5%. Полученные таким образом результаты показаны на Фиг.9, 10 и 11. Следовательно, на Фиг.6 показаны эффекты от добавления 1% С-крахмала для внутренней обработки и добавления для поверхностной обработки 1% MFC, А-крахмала и смеси MFC/A-крахмал (50/50%). Эффект от добавления С-крахмала для внутренней обработки снова был небольшим, тогда как и А-крахмал и MFC привели к значительному уменьшению склонности к распушению. Снова был очевиден синергетический эффект от добавления А-крахмала и MFC. На Фиг.7 показаны результаты в случае 2% добавления, и эти результаты, по существу, подобны результатам, приведенным на Фиг.8, но поверхностная прочность листов, конечно, выше.
Влияние проклеивания в массе и поверхностного проклеивания на способность ТМР-листов к абсорбции масла
Поверхностная обработка листа газетной бумаги может ухудшить абсорбцию печатной краски на листе, приводя к отделению и медленному высыханию печатной краски. Поэтому обработанные листы тестируют на абсорбцию масла после обработок поверхностного проклеивания и проклеивания в массе. В тесте на абсорбцию масла объем масляной капли на поверхности листа бумаги регистрируют с течением времени, и типичные результаты приведены на Фиг.8. Данные были также представлены как уменьшение масляной капли со временем, как показано на Фиг.9. Как проклеивание в массе, так и поверхностное проклеивание приводят к слегка более низкой абсорбции масла. Поверхностные обработки приводят к замедленной абсорбции барьерного типа, тогда как внутренняя обработка приводит к более консолидированному листу, что приводит к замедлению абсорбции масла. Однако по сравнению с чистым листом склонность к уменьшению абсорбции масла ограничена.
Испытание на применение коммерческого листа газетной бумаги
Листы лабораторные бумаги Formette Dynamique, упоминаемые выше, описываются как имеющие наилучшие характеристики формации, и в одной серии экспериментов коммерческую газетную бумагу также покрыли MFC для сравнения. Результаты показаны на Фиг.10. MFC-покрытия уменьшают склонность листов коммерческой газетной бумаги к распушению, так же как и в случае лабораторных листов.
Также исследовали абсорбцию масла. Все эти эксперименты показывают эффективность MFC при усилении характеристик поверхности листа коммерческой газетной бумаги.
Склонность к поднятию волокон коммерческой газетной бумаги с обработками посредством применения MFC
Поднятие волокна определяется как количество и размер волокон, которые поднимаются с поверхности бумаги, когда лист намочен, высушен и затем перенесен на тонкий ролик. Поверхность коммерческой газетной бумаги обработали MFC, и результаты FRT показаны на Фиг.11. Фиг.11 показывает, что доля поднятия длинных волокон (LRC) уменьшается после обработки поверхности MFC. Однако площадь поднятия коротких волокон (SRA) и общая площадь поднятия волокон (TRA) сначала уменьшаются, но затем возрастают, когда количество покрытия MFC становится выше определенной точки.
ESEM Анализ
Примеры ESEM изображений листов, покрытых крахмалом, MFC и MFC/крахмалом показывают внешний вид как поверхностей листов (Фиг.12a-d), так и поперечных сечений (Фиг.13a-d). Как можно увидеть на контрольном листе до покрытия (Фиг.12а), поверхность довольно шероховата. Покрытие приводит к сглаживанию поверхности (Фиг.12b-d). Покрытие MFC приводит к большему сглаживанию поверхности, чем покрытие А-крахмалом. Возможно, это является результатом более хорошо формирования пленки в случае MFC. Это различие можно также увидеть на изображениях поперечных сечений на Фиг.13b (А-крахмал), по сравнению с Фиг.13с (MFC). Оказывается, что MFC формирует относительно тонкую пленку, которая лежит на вершине поверхности листа, тогда как А-крахмал формирует более тонкую пленку, которая также проникает в лист другим образом. Как раскрывается выше, недостаток пленки MFC, как оказывается, состоит в меньшем закреплении в листе, что вызывает отслоение слоя MFC от листа (смотрите Фиг.5). Недостаток А-крахмала, напротив, состоит в том, что он недостаточно эффективен в уменьшении распушения. Это может быть обусловлено более плохим формированием пленки А-крахмалом, как показано на Фиг.13b. Путем комбинирования А-крахмала и MFC возможно сформировать пленку на вершине листа (смотрите Фиг.13d). Возможно, эта пленка, главным образом, состоит из MFC. A-крахмал, напротив, может лучше проникать в слой. На основе показанных выше результатов распушения мы можем предположить, что комбинация MFC и А-крахмала благоприятна, так как она позволяет как покрывать лист пленкой, которая удерживает распушившиеся частицы на месте, так и частично закреплять частицы внутри в слое и прикреплять пленку MFC к слою.
Преимущества настоящего изобретения
Склонность газетной бумаги к распушению может быть уменьшена посредством обработок поверхностным проклеиванием с применением MFC, крахмала или смеси этих двух добавок. По сравнению с только внутренней обработкой С-крахмалом, поверхностная обработка более эффективна в уменьшении склонности к распушению. MFC гель нелегко проникает в основание листа из-за его высокой водоудерживающей способности. Поэтому лист, покрытый MFC, может расслаиваться при более высоких скоростях печати по сравнению со слоем, покрытым А-крахмалом или смесью MFC+A-крахмал. Обнаружено, что существует синергетический эффект в случае, когда применяется смесь MFC и А-крахмала, что сильнее уменьшает склонность к распушению, чем применение либо MFC, либо А-крахмала. Функции А-крахмала заключаются в укреплении границы раздела фаз между MFC и основным листом. Также обнаружено, что склонность к поднятию длинных волокон сильно уменьшается в случае поверхностных применений MFC. Было обнаружено, что абсорбция масла отчасти уменьшается с уменьшением количества покрывающих химических веществ.