Physical & chemical interactions on paper surface : impact on the printability of papers produced with E. globulus kraft pulps

Abstract

Actualmente assiste-se a uma crescente exigência dos consumidores relativamente à qualidade dos papéis de impressão e escrita (P&W), especialmente no que respeita à sua imprimabilidade. As interacções tinta-papel são afectadas quer pelas propriedades físicoquímicas da superfície do papel quer pelas propriedades da matriz fibrosa, pelo que não apenas o tratamento final da superfície mas, em geral, todas as operações do processo de produção condicionam o desempenho do papel em termos de impressão. Neste contexto, a modificação química da superfície do papel é hoje em dia uma prática comum para aumentar a qualidade de impressão, sendo a colagem superficial uma operação corrente em qualquer fábrica de papel. Tradicionalmente, é utilizada uma solução de amido para o tratamento superficial de papéis de impressão e escrita, a fim de melhorar propriedades como a resistência superficial ou imprimabilidade. No entanto, recentemente têm vindo a ser usadas formulações de colagem superficial à base de misturas de amido catiónico com pequenas percentagens de copolímeros sintéticos, de modo a realçar os efeitos da colagem superficial, particularmente no que diz respeito à energia de superfície, carácter hidrofílico e afinidade para com diferentes tipos de tinta. O objectivo principal é o de optimizar os processos de absorção e espalhamento das tintas de impressão, e assim favorecer a qualidade de impressão. O principal objectivo do presente trabalho é precisamente analisar o impacto da aplicação de diferentes formulações de colagem superficial, constituídas por misturas de amido e um agente de colagem, tanto nas propriedades superficiais do papel como na qualidade de impressão. Para tal foram utilizadas misturas de amido catiónico com 10 copolímeros distintos, em três percentagens diferentes de copolímero (5%, 10% e 20% w/w), num total de 30 formulações. Estas formulações foram devidamente caracterizadas e depois aplicadas na superfície de folhas de papel não revestido produzido com base em pasta kraft branqueada de E. globulus e procedeu-se à análise exaustiva das respectivas superfícies, designadamente em termos de lisura, porosidade e algumas propriedades químicas, como a energia de superfície e o carácter ácido-base da superfície. O papel tratado com 100% de amido catiónico foi tomado como amostra de referência. Foram utilizadas diversas técnicas de caracterização, como perfilometria óptica, porosimetria de mercúrio, medição dos ângulos de contacto e cromatografia gasosa de fase inversa (IGC). Complementarmente, usou-se ainda Microscopia de Força Atómica, Espectroscopia Electrónica para Análise Química e Espectroscopia de Ião Secundário, a fim de esclarecer aspectos mais específicos em algumas das amostras. Por fim, procedeu-se à avaliação da qualidade de impressão inkjet nas diferentes amostras, através quer da determinação de vários parâmetros de qualidade de impressão quer da análise das amostras impressas por um painel de utilizadores finais deste tipo de papéis. Estes resultados foram correlacionados com os provenientes da caracterização da superfície do papel, recorrendo a PLS (Partial Least Squares). Todos os resultados experimentais foram sujeitos a uma análise de variância (ANOVA) e análise de componentes principais (PCA - Principal Component Analysis) por forma a avaliar a variabilidade intra e inter-amostras. Esta variabilidade foi analisada de modo sistemático tendo em conta os tratamentos de superfície aplicados. O estudo desenvolvido revelou que os tratamentos de colagem na superfície do papel têm um impacto pouco significativo em parâmetros físicos, como os determinados por perfilometria ou por porosimetria de mercúrio, mas influenciam decisivamente as propriedades químicas da superfície das amostras. Com efeito, as diferentes formulações testadas conduziram a níveis de energia de superfície e de carácter ácido-base, avaliados pela medição dos ângulos de contacto e por IGC, significativamente diferentes. Estas diferenças permitiram detectar e interpretar os efeitos quer da natureza quer da quantidade de copolímero incorporado nas formulações, conduzindo ainda a uma melhor compreensão das interacções de natureza físico-química que ocorrem à superfície do papel quando este é sujeito a tratamentos de colagem superficial para optimização do processo de impressão inkjet. Por último, é de sublinhar que os resultados obtidos neste trabalho se revestem do maior interesse para a indústria papeleira nacional, na medida em envolvem o seu mais importante produto – os papéis não revestidos para impressão e escrita –, para o qual não há estudos sistemáticos publicados com as formulações testadas. Além disso, a selecção das formulações e dos copolímeros teve em conta a viabilidade da sua aplicação industrial.

The consumer’s demand for quality in printing and writing paper grades (P&W) is increasing, especially in what concerns printability. Paper-ink interactions are strongly dependent on the structural and chemical properties of the paper surface. These properties are the result not only of specific surface treatments but also of the properties of the fibrous matrix, namely the quality of the pulp fibers. Therefore final printing quality performance of the paper is influenced, in general, by all the operations in the papermaking process. For this reason the chemical modification of the paper surface in order to improve printing quality is nowadays a common practice in papermaking, and surface sizing is a standard operation in many paper mills. Typically – and especially for P&W papers - starch is used for surface sizing, with the main goal of improving paper surface resistance and printability. However, there is an increasing tendency to use blends of cationic starch and synthetic copolymers to enhance surface sizing effects by controlling the paper surface energy, the corresponding hydrophilic character and the affinity towards different types of ink. The main objective of this approach is to improve print quality by optimizing the balance between the absorption and spreading phenomena. This work targets the analysis of the impact of the application of different surface sizing formulations, composed of blends of cationic starch and minor quantities of distinct copolymers, in the chemical and physical surface characteristics of the modified paper samples and in the final printing quality. Ten distinct copolymers were blended with cationic starch in three different percentages of copolymer (5%, 10% and 20% w/w), resulting in a total of 30 different formulations. These formulations were characterized and applied to the surface of an E. globulus bleached kraft pulp based uncoated paper, and the corresponding paper surfaces were fully characterized with respect to some structural properties, namely roughness and porosity, as well as some chemical properties, namely surface energy and acid-base character. A sample surface sized only with cationic starch was taken as reference. Several characterization techniques were used, namely laser profilometry, mercury porosimetry, contact angle measurements and inverse gas chromatography (IGC). Selected samples were additionally analyzed by Atomic Force Microscopy, Electron Spectroscopy for Chemical Analysis and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy, in order to clarify specific aspects. Finally, the influence of the different sizing agents on the printing quality of the samples was investigated by quantifying several parameters in a specific inkjet printed mask and also by using the results of an evaluating panel composed of several end users of this type of papers. The results from the printing tests were correlated to those obtained from the characterization of the paper surfaces by using Partial Least Squares. All the data were submitted to an analysis of variance (ANOVA) and Principal Component Analysis (PCA) in order to evaluate inter and intra-samples variability. This variability was thoroughly analyzed and interpreted in terms of the corresponding surface treatments. The results revealed that the surface sizing treatments used in this study have a minor impact on the surface roughness and porosity, but a substantial influence on surface energetics. In fact, relevant differences were detected in the surface energy and acid-base character of the sized samples, as measured by contact angle and IGC. These differences enabled the interpretation of the influence of the nature and quantity of the copolymers used in the sizing formulations and simultaneously a better understanding of the physical and chemical interactions that occur at paper surface when it is subjected to a sizing treatment in order to optimize the inkjet printing process. Finally, it should be pointed out that the results are of the utmost importance to the national paper industry as they relate to its most relevant product – the eucalyptus based printing and writing uncoated papers – for which there are no published results involving the tested formulations. Furthermore, both the copolymers and the formulations used were selected having in mind the feasibility of their application in the paper industry.