Hvordan oppnå hydrophobicitet på papir: Metoder og utfordringer

Hydrofobiske overflater er ettertraktet i en rekke applikasjoner, fra papirproduksjon til avanserte materialteknologier. Hydrofobiskhet oppstår når et materiale har en kontaktvinkel over 90° og en passende overflatestruktur som forhindrer vanninntrengning. For å oppnå en slik egenskap på papir er det flere strategier og metoder som kan benyttes, men de medfører også tekniske utfordringer, spesielt når det gjelder papirens biokompatibilitet og resirkulerbarhet.

Det første tilnærmingen innebærer påføring av et lavenergi-materiale på en ru overflate. Dette kan gjøres ved å bruke materialer som har lav adhesjon til papiret, og som dermed skaper en overflate med høy hydrofobitet. Problemet her er imidlertid at disse materialene ofte har dårlig vedheft, noe som kan begrense bruken deres på grunn av manglende langvarig stabilitet.

En tredje rute involverer bruk av en ru overflate før den dekkes med et lavenergi-materiale. Dette er en todelt prosess som kan være spesielt nyttig når man ønsker en overflate som både har god tekstur og effektiv hydrofobisk beskyttelse. Denne metoden benyttes gjerne på filterpapir eller andre papirtyper som er utsatt for kontakt med vann eller fuktighet.

Papir, til tross for sin naturlige ruhet, er vanligvis hydrophilt på grunn av cellulose-strukturen og de hydrophile gruppene i cellulosens molekylkjeder. For å gjøre papir hydrofobt, kan man enten endre overflaten fysisk eller kjemisk, eller bruke en kombinasjon av begge. Den første metoden innebærer å danne en ekstern barriere som hindrer eller forsinker vannets diffundering i papiret. Den andre metoden går ut på å modifisere selve cellulosefibrene med hydrofobe materialer, og deretter bruke dette modifiserte papiret til å lage produkter.

Det er imidlertid en betydelig utfordring knyttet til disse endringene: de kan påvirke papirets resirkulerbarhet og biologiske nedbrytbarhet. Derfor pågår det kontinuerlig forskning for å utvikle metoder for å lage hydrofobisk papir på trygge og bærekraftige måter, ved å benytte materialer som ikke skader miljøet.

Når det gjelder beleggingsteknikker, er det flere metoder som kan brukes for å påføre hydrofobiske lag på papir. Noen av disse metodene, som elektrolysebelegg, er ikke anvendbare på grunn av papirets ikke-ledende natur. Andre metoder kan være dyre eller benytte skadelige stoffer som ikke er biologisk nedbrytbare. Den mest brukte metoden er dyppbelegg (immersion coating), som er enkel og "grønn", og derfor ideell for papirbelegg.

I dyppbeleggprosessen blir papiret nedsenket i en løsning som inneholder beleggmaterialet, og deretter tørkes overflaten for å fjerne løsemidlet. Denne metoden kan brukes på fleksible materialer som papir, og parametrene som hastigheten på oppstigning er avgjørende for beleggtykkelsen. Lav hastighet gir tynnere lag, mens høy hastighet og rask tørking gir tykkere lag. En annen metode som benytter dyppbelegg er å bruke silikater som kan danne et nanoskalært belegg på papiret. Denne metoden kan oppnå svært høy hydrofobitet, med kontaktvinkler på opptil 157°.

Det er også mulig å bruke amorf titandioxid og epoxyharpiks for å oppnå en superhydrofobisk overflate. Ved å bruke en koblingsagent som aminopropyltriethoxysilan kan man binde titandioxid til epoxyharpiksen før det påføres papiroverflaten. Dette skaper en robust overflate som kan brukes i applikasjoner som vann- og olje-separasjon, samt UV-beskyttelse.

For å oppnå langvarige og stabile hydrofobiske egenskaper, er det viktig å velge riktige materialer og metoder. Kombinasjonen av overflatebehandling, modifikasjoner og valget av lav-energimaterialer spiller en avgjørende rolle i prosessen. I tillegg er det viktig å vurdere hvordan disse endringene påvirker papirets egenskaper, som resirkulerbarhet og nedbrytbarhet, ettersom miljøpåvirkningen stadig blir en mer relevant bekymring i industrien.

Hvordan papirens overflateegenskaper påvirker trykk og applikasjoner

Papirens overflateegenskaper spiller en avgjørende rolle i mange industrielle applikasjoner, spesielt når det gjelder trykking, fleksibilitet og barrieredannelse. For å forstå hvordan disse egenskapene påvirker papirens ytelse, er det viktig å vurdere faktorer som ruhet, porøsitet, luftpermeabilitet og optiske egenskaper, samt hvordan disse kan endres gjennom ulike behandlinger.

Porøsitet, som defineres som forholdet mellom de tomme rommene i papiret og det totale volumet, har stor innvirkning på papirens evne til å absorbere væsker som blekk, olje og vann (Karlovits et al., 2018). Porøsitet kan indirekte vurderes ved å måle luftpermeabilitet, men det er viktig å merke seg at de to begrepene ikke er identiske. Mens porøsitet handler om antall tomme rom i papiret, relaterer luftpermeabilitet seg til hvordan disse rommene er koblet sammen. Derfor er papirens evne til å la luft passere gjennom en indikator på dens strukturelle egenskaper og potensiale for væskeabsorpsjon.

En annen viktig metode for å evaluere papirens luftpermeabilitet er Gurley-metoden, som måler hvor raskt en bestemt mengde luft passerer gjennom papiret under kontrollerte trykkforhold. Denne metoden er nyttig for å bestemme hvor tett eller åpen papiret er, og kan gi innsikt i papirens kvalitet, spesielt i trykkeribransjen, hvor nøyaktig blekkfordeling er essensiell for høyoppløselige trykk.

Optiske egenskaper, som lysrefleksjon, farge og opasitet, er også kritiske når det gjelder papirens bruk i trykking og visuell fremstilling. For eksempel, papirens lysstyrke, som måles som prosentvis refleksjon ved en bølgelengde på 457 nm, påvirker hvordan blekk fordeles og absorberes under trykking. Lysstyrke kan variere betydelig mellom ulike papirtyper; fullt bleket sulfittpapir kan ha en lysstyrke på opptil 94% ISO, mens rå kraftpapir kan være så lavt som 15% ISO (Dence & Reeve, 1996).

Opasitet, et annet mål for lysrefleksjon, er viktig for papir som brukes til skriving og trykking, da det bestemmer hvor mye lys som kan passere gjennom papiret. Dette er avgjørende for applikasjoner som krever høy grad av skjerming, som for eksempel bøker og magasiner, hvor lysgjennomtrengning kan påvirke lesbarheten. Økt opasitet kan oppnås ved å bruke fyllstoffer som har høy spesifikk overflate og brytningsindeks (Alava & Niskanen, 2006).

I tillegg til disse optiske egenskapene spiller også farge og hvithet en viktig rolle i papirens visuelle inntrykk. Fargen på papiret bestemmes av hvilken bølgelengde av lys det reflekterer, og det er et mål for hvordan mennesket oppfatter papirets visuelle egenskaper. Hvitenhet, derimot, måler papirens evne til å reflektere lys over hele det synlige spekteret, og det kan være en indikator på hvor bleket papiret er (Sappi, 2017).

Papirens mekaniske egenskaper er ikke mindre viktige. Dimensjonsstabilitet, som refererer til papirens evne til å motstå endringer i størrelse og form under forskjellige forhold, er spesielt relevant i produksjonen av papirvarer som skal utsettes for fuktighet. Når papirene utsettes for fuktighet, kan fiberne svulme opp eller trekke seg sammen, noe som kan føre til uønskede krølling eller rynker. Dette kan imidlertid minimeres ved riktig behandling og kalandering, som sørger for at papiret forblir flatt og stabilt under bruk (Larsonn, 2008).

Viktig å forstå er at både luftpermeabilitet og porøsitet påvirkes av papirets sammensetning og behandling. Fyllstoffer, tykkelse, komprimering og overflatebehandlinger som sizing og kalandering kan drastisk endre disse egenskapene, og dermed påvirke hvordan papiret interagerer med blekk, farge og andre materialer i både trykkprosesser og applikasjoner som krever høy grad av barrierekontroll.