Exploración de la capacidad de los papeles modificados imprimibles para la aplicación en la impresión por transferencia por sublimación de calor de tejidos de poliéster.

Jul 27, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6536 (2023) Citar este artículo

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En este trabajo, se cargaron papeles de transferencia de calor con un nuevo pigmento núcleo-cubierta basado en la precipitación de una fina capa de dióxido de titanio sobre un núcleo de ceniza de sílice de cáscara de arroz, TiO2/RHSA, para ser aplicado en la impresión por sublimación de tinta de tejidos textiles. Además, también se agregaron secuencialmente 0,1% (p/p) de poliacrilamida catiónica (CPAM) y 1% (p/p) de bentonita (Bt) para mejorar el drenaje y la retención del relleno de las hojas de papel hechas a partir de pulpas de bagazo kraft blanqueadas. Se investigó el efecto del nuevo pigmento núcleo-cubierta sobre las propiedades mecánicas y de barrera, la estabilidad térmica y la morfología de la superficie de hojas de papel modificadas. Además, se estudió la imprimibilidad por transferencia y la facilidad de liberación de tinte del papel al tejido en esta impresión por transferencia térmica de tejidos de poliéster mediante serigrafía bajo diferentes parámetros de transferencia. Además, también se estimaron medidas de solidez que incluyen lavado, luz y transpiración del tejido de poliéster estampado.

El papel es un material flexible elaborado a partir de pulpa de celulosa, que se deriva de muchas fuentes naturales y se utiliza en numerosas aplicaciones1. Uno de los usos más importantes del papel es la impresión, que es un método de reproducir imágenes o textos utilizando una plantilla o formulario maestro sobre una superficie sólida, por ejemplo, papel, textiles y paredes. La impresión por transferencia térmica por sublimación se considera uno de los estilos de impresión más importantes, limpios y novedosos2. Este sencillo método de impresión tiene una serie de características deseables, como una menor necesidad de energía y agua, sin necesidad de postratamiento, una técnica de impresión económica, una menor inversión en mantenimiento y equipos y un método libre de efluentes, además de producir una impresión clara y respetuosa con el medio ambiente. imagen limpia3,4. A pesar de las muchas ventajas de la impresión por transferencia térmica, el inconveniente más importante es que el papel, aunque en casos excepcionales se puede utilizar una o dos veces, y según el coste del papel, este proceso puede resultar muy caro. Las propiedades del papel, como la rugosidad, la porosidad y el tamaño de los poros, el brillo, la permeabilidad, las propiedades del color y la blancura, son los factores más importantes que tienen un efecto sobre la imprimibilidad (la consecuencia de las interacciones entre el papel de impresión, la tinta y el dispositivo) y el proceso de completar la transferencia y la apariencia de la imagen y el grado de color de las impresoras5,6. Además, tanto el tamaño de la fibra como la porosidad del papel juegan un papel esencial en la aceptación de la tinta. Además, la existencia de alguna carga, encolantes o aditivos puede aportar características especiales al papel.

La arcilla, el carbonato cálcico, el caolín, el talco y el dióxido de titanio son ejemplos de las cargas más utilizadas7,8. Su utilidad no es sólo económica sino que también puede impartir al papel propiedades importantes como opacidad, volumen, suavidad, deshidratación de la pulpa y retención que son cruciales para la calidad del papel.

La cáscara de arroz (RH) contiene celulosa (50%), lignina (30%) y compuestos orgánicos (20%) con valor nutricional reducido y alto contenido de sílice9,10. La ceniza de cáscara de arroz (RHSA) es un material ligero, voluminoso y muy poroso que se utiliza en una variedad de industrias, incluidas la cerámica, el ladrillo y el hormigón. Una de estas aplicaciones es su uso como relleno en la fabricación de papel, pero exponer el papel a altas temperaturas y presión durante la impresión por transferencia de calor necesita un papel resistente que pueda soportar las duras condiciones de impresión sin romperse ni quemarse. La estabilidad térmica, la solidez y la resistencia mecánica son las características más importantes que se deben tener en cuenta al aplicar un papel específico en la impresión por transferencia térmica por sublimación. A diferencia del papel de impresión tradicional, el papel de impresión por transferencia térmica debe diseñarse para liberar la mayor cantidad posible de tinta o tinte en su superficie11.

Los pigmentos núcleo-cubierta son una nueva tendencia de pigmentos estructurados, que contienen una capa delgada que no excede (15-20%) depositada en un núcleo principal que representa aproximadamente (85-90%) de la composición del pigmento. Estos nuevos pigmentos estructurados con sus diferentes componentes pueden superar las deficiencias de sus individuos, además de impartir nuevas y mejoradas propiedades al campo de aplicación. Una buena elección de ambos componentes (núcleo y carcasa) puede generar un comportamiento excelente. El uso beneficioso de los pigmentos estructurados núcleo-cubierta se basa en que la cubierta es muy delgada y es el componente que está directamente expuesto al medio circundante, es decir, puede sufrir la reacción principal con el medio y dado que solo cubre parcialmente el núcleo, entonces el núcleo aún puede participar en la reacción al no estar completamente protegido. El pigmento estructurado núcleo-cáscara utilizado en este trabajo está compuesto de una capa de dióxido de titanio precipitada sobre el núcleo de ceniza de sílice de cáscara de arroz7,12,13.

La bentonita se compone principalmente de montmorillonitas (hasta un 90%) con trazas de sílice, cuarzo y su fórmula química general es Al2Si4O10(OH)2. En la fabricación de papel, la bentonita se utiliza con dos objetivos;

Adsorber contaminantes como los coloides de madera, que interactúan con los aditivos del proceso para mejorar el drenaje y la retención.

Además, pueden producirse interacciones entre bentonitas y polímeros catiónicos o coloides. Estas interacciones resultan de las fuerzas electrostáticas debidas a la alta densidad de carga superficial de la bentonita, y muy probablemente se ven afectadas por el grado de hinchamiento de la bentonita y el área superficial resultante14,15.

El uso de auxiliares de retención es particularmente necesario al agregar cargas minerales a la suspensión de pulpa debido a su pequeño tamaño. Generalmente, la adición de polímeros (por ejemplo, poliacrilamida catiónica), que se utilizan como ayudas de retención en la suspensión fibrosa, puede conducir a la creación de una carga positiva, de tal manera que puedan ser adsorbidos en las partículas aniónicas (fibras y finos de celulosa, cargas), y por lo tanto, puede inducir la floculación mediante mecanismos puente para aumentar significativamente la retención16.

Este trabajo de investigación está diseñado para estudiar el efecto de un nuevo pigmento núcleo-cáscara basado en la precipitación de dióxido de titanio como una cáscara en la superficie de la ceniza de cáscara de arroz que representa el núcleo. Se estudió el papel de este nuevo pigmento en la imprimibilidad de hojas de papel de bagazo blanqueado y su efecto en su estabilidad térmica. Además, se amplió la investigación para estudiar la posibilidad de utilizar papeles impresos modificados como papeles de transferencia térmica y el estudio de su imprimibilidad por transferencia (facilidad de liberación del tinte del papel a los tejidos) en la impresión por transferencia térmica de tejidos de poliéster bajo diferentes condiciones de transferencia (tiempos). y temperaturas). Además, se estimaron las medidas de solidez de los tejidos de poliéster estampados (lavado, luz y transpiración) según los métodos estándar.

Se recogió cáscara de arroz (RH) de los gobiernos del delta norte de Egipto, se lavó, se secó en horno a 105 °C durante la noche y se encendió en una mufla a 650 °C durante 3 h para formar ceniza de sílice de cáscara de arroz (RHSA), que se utiliza sin ningún tratamiento adicional. La pulpa de bagazo kraft blanqueada fue suministrada por Quena Company para Pulp and Paper, Quena, Egipto. La bentonita (Bt) fue suministrada por Egypt Bentonite & Derivatives Company. Se caracteriza por su bajo contenido en montmorillonita (59%), alto contenido en sílice (18%). Se preparó una suspensión de bentonita al 1% (p/p) usando un agitador a 4000 rpm durante 4 h. Se diluyó poliacrilamida catiónica comercial (CPAM) de alto peso molecular (aproximadamente 1,106) de BASF (Percol®55) al 0,1 % (p/p) disolviéndola en agua desionizada con agitación. El carbonato de calcio molido (GCC) fue suministrado por OMYA Company con el nombre comercial Hydrocarb®. Se trató tejido de poliéster de 150 g/m2 (suministrado por una empresa del sector privado de Egipto) con 0,5 g/l de detergente aniónico y 1 g/l de carbonato de sodio a 70 °C durante 1 h, y luego se lavaron y ventilaron. -secado a temperatura ambiente. Berssa-Turquía suministró Bercolin CPK como agente espesante; el tinte disperso Dianix Classic Turquoise Blue S-GL (Disperse Blue 60) fue suministrado por Dye Star Company; y 60 g de papel de transferencia fueron suministrados por la empresa Protucal Soporcel.

La cáscara de arroz se calcinó a 650 °C y luego se molió hasta obtener la forma más fina mediante un molino de bolas para formar ceniza de sílice de cáscara de arroz RHSA. Después de la formación de RHSA; Se añadieron 2 mg de tetracloruro de titanio a 100 ml de ácido clorhídrico y después se sumergió la RHSA molida en esta solución mientras se agitaba a muy altas rpm. Después de que desaparecieron los vapores, se dejó que la solución se asentara y luego se añadió gota a gota una solución de amoníaco al 30% a la pasta formada para ayudar a la precipitación del dióxido de titanio en la superficie de RHSA y ajustar el pH de la solución para asegurar la precipitación total de dióxido de titanio en la superficie de RHSA. Después de eso, la pasta formada se filtró a través del sistema Buchner y se lavó minuciosamente. El último paso fue calcinar la pasta a 750 °C y luego someterla a un molino de bolas para alcanzar un tamaño de partícula adecuado.

Se registraron fotografías de microscopía electrónica de barrido (SEM) de las diferentes muestras en un microscopio Quanta FEG-250 a un voltaje de 10 kV. Para evitar la carga, las muestras se recubrieron con oro antes del escaneo.

El pigmento preparado se examinó utilizando la técnica (JEOL JX 1230) con una sonda electrónica de microanalizador (Japón). Esta técnica muestra una sección transversal de las partículas y determina el tamaño de las partículas de los pigmentos preparados.

El análisis elemental y la composición química de RH y RHSA se llevaron a cabo mediante espectroscopia de fluorescencia de rayos X de energía dispersiva (Axios 2005, PANalytical, Países Bajos).

El TGA y el DTG de los papeles modificados se investigaron mediante un instrumento de calorimetría diferencial de barrido. En el instrumento de termobalanza SDTQ-600 (TA-USA), se calentaron 10 mg de muestra a 800 °C a una velocidad de calentamiento de 10 °C min-1 en un flujo de nitrógeno a una velocidad de 100 ml min-1.

Las hojas de papel se prepararon utilizando el Método Estándar Sueco (SCAN-CM 64:00) y la pulpa de bagazo kraft blanqueada se batió en un batidor de valle hasta 30oSR. Se formaron láminas manuales con un peso base de 68 g/m2 y las cantidades de carbonato de calcio molido, GCC, TiO2, RHSA y TiO2/ceniza de sílice de cáscara de arroz (TiO2/RHSA) se dosificaron en (5, 10, 15, 20 y 25%). Estas cargas se agregaron a la suspensión de pulpa y se agitaron durante 15 min. Se añadió CPAM, seguido de bentonita con su concentración óptima (0,1% CPAM y 1% Bt) que se basa en un estudio previo17. Después de cada adición, la suspensión de pulpa se agitó durante un minuto. Finalmente, se vertió la suspensión en la lámina formada diluyéndola hasta aproximadamente 6-7 litros y escurriendola. Luego, las hojas de mano se acondicionaron a 25 °C y 50 % de humedad relativa antes del ensayo. La lista de abreviaturas y nombres de las muestras se incluye en la Tabla 1.

Las propiedades de resistencia (índices de tracción, estallido y desgarro) de las hojas de papel se determinaron según los estándares Tappi. El promedio y la desviación estándar de las mediciones se calcularon con base en cinco réplicas para cada muestra. Las pruebas de resistencia a la tracción se midieron según el método estándar TAPPI (T494-06) utilizando una máquina de pruebas universal (LR10K; Lloyd Instruments, Fareham, Reino Unido), con una celda de carga de 100 N a una velocidad constante de la cruceta de 2,5 cm/min.

Se incineraron hojas de papel con la cantidad objetivo de relleno incorporada en cada hoja (0,24 g) en un horno de mufla a 525 °C según TAPPI T211om-93, y se calcularon los valores del peso de las cenizas. La retención de relleno (R) se evaluó y estimó utilizando la siguiente ecuación;

donde A1 es el peso total de cenizas en la lámina cargada con relleno, A2 es el peso de cenizas en la lámina no cargada proveniente de fibras de pulpa y A es el peso de relleno incluido en cada lámina.

Los valores de permeabilidad al aire de las hojas de papel se midieron utilizando un probador de suavidad y porosidad Bendtsen fabricado en Dinamarca, Andersson Sorensen, Copenhague (probador de permeabilidad al aire) basado en la norma ISO 5636:3. La permeabilidad al aire se determinó midiendo la velocidad del flujo de aire bajo presión estándar entre la superficie del papel y dos anillos metálicos anulares concéntricos aplicados al papel. La permeabilidad al aire de una banda de papel es un parámetro físico que caracteriza el grado de resistencia de la banda al flujo de aire.

Se midió la absorción de agua de hojas de papel modificado cargadas con núcleo-cubierta (TiO2/RHSA). El método de prueba Cobb generalmente se realiza para medir la absorción de agua. Las muestras se cortaron en rectángulos de 10 × 10 cm y las hojas de papel pesadas se colocaron en un aparato Cobb; Se agregaron 100 ml de agua sobre el papel y se dejó durante 60 s y luego se vertió. La hoja de papel se secó bien entre dos papeles de filtro y se pesó.

La receta de la pasta de estampación se establece de la siguiente manera; 3:3:94 (tinte disperso:espesante sintético:agua). Las hojas de papel transfer preparadas y comerciales se imprimen manualmente mediante la formulación anterior, mediante técnica de serigrafía y se dejan secar al aire.

El tejido de poliéster se imprimió mediante una técnica de transferencia por sublimación utilizando el antiguo papel impreso serigrafiado. La fuente de calor es una prensa plana de 40 × 25 cm. Los tiempos de transferencia y las temperaturas son (30, 60 s) y (170, 190 y 210 °C), respectivamente. Las muestras impresas se dejan enfriar a temperatura ambiente antes de retirar el papel.

La intensidad del color (K/S), los parámetros de color CIELAB L*, a*, b* y ∆E de las impresiones son evaluados por Hunter Lab (Ultra scan-PRO D65, EE. UU., a un máximo de λmax680 (nm). La intensidad del color (K/S) de las muestras impresas se midió utilizando la relación de Kubelka-Munk;

donde S se refiere al coeficiente de dispersión, K se refiere al coeficiente de absorbancia y R se refiere a la reflectancia. L* especifica el brillo de la muestra, a* especifica el desplazamiento hacia el rojo o el verde de la muestra, b* especifica el desplazamiento del área hacia el amarillo o el azul de la muestra y ∆E es un valor único que determina las diferencias totales entre los parámetros de la muestra a*, b*, y L* y el color estándar18. Las mediciones de solidez al lavado, la transpiración y la luz se evaluaron según los métodos estándar, manual técnico de la AATCC, método 8 (1989) 68, 23 (1993); 15 (1989) 68, (1993) 30 y 16 (2004) respectivamente19. La solidez al frote se evaluó según AATCC 1993b10.

El constituyente principal de RH, RHSA y TiO2/RHSA se representan en la Tabla 2. De la Tabla se desprende claramente que el dióxido de titanio no existía en la cáscara de arroz y estaba ligeramente presente en RHSA con un porcentaje de 0,02, mientras que en el caso de TiO2 /Pigmento núcleo-cáscara RHSA, su presencia fue de aproximadamente 13,25 y esto significa que forma más del 10% del compuesto total. Esto se compensó con el porcentaje de sílice que se redujo a 79,36 en el caso del pigmento núcleo-cubierta, es decir, existe una relación indirecta entre la concentración de TiO2 y SiO2. También se puede concluir de este análisis que el rendimiento de ceniza calculado a partir de la materia prima RH fue del 14,23 % y que la ceniza obtenida tiene un color gris tenue que contiene 82,93 % de partículas de sílice y 11,36 % de pérdida de peso por ignición (LOI).

Las fotografías SEM y el análisis EDX de los pigmentos núcleo-cubierta de TiO2/RSHA que se muestran en la Fig. 1a aclararon que las partículas de plaquetas de dióxido de titanio se superponen en las formas esféricas de sílice, además de la apariencia de algunas estructuras en forma de varilla, que puede referirse a RH cancelado incompleto. Esta superposición entre la estructura laminar del dióxido de titanio y las esferas de sílice RH puede proporcionar una buena manera de mejorar las propiedades mecánicas del papel fortaleciendo sus porciones intersticiales. Además, el análisis EDX, que estima los elementos en la superficie hasta 1 µ de profundidad, mostró la aparición de dióxido de titanio en un porcentaje casi similar al encontrado mediante el análisis XRF (alrededor del 13,25%), lo que indica que casi todo el dióxido de titanio es ubicado en la superficie de la sílice y las trazas solo se encuentran a granel, lo que concuerda con los resultados de XRF.

(a) SEM/EDX de TiO2/RHSA y (b) fotografía TEM de TiO2/RHSA.

Las fotografías TEM en la Fig. 1b confirmaron la aparición de partículas de dióxido de titanio como placas dimensionales afiladas y precisas que rodean las esferas de sílice que aparecieron debido a las calcinaciones de la cáscara de arroz, confirmando la estructura del nuevo pigmento núcleo-cáscara.

Las propiedades físicas, mecánicas y de barrera de los rellenos compuestos (láminas manuales cargadas y sin carga con CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA) se resumieron a continuación.

La retención de cargas siempre ha sido un tema candente en el área de investigación de la fabricación de papel, porque la eficiencia de la retención influye fuertemente en el costo del producto, la limpieza del sistema de fabricación de papel y la carga contaminante del sistema de eliminación. Por lo tanto, fue necesario estudiar los comportamientos de retención de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA, para evaluar su efecto en las hojas de papel elaborado a partir de bagazo kraft blanqueado. Los resultados en las Fig. 2a yb indicaron un aumento en los valores de retención con el aumento en la concentración de relleno. El uso de rellenos de CaCO3 y TiO2 con concentraciones (5–25%) solo resultó en una retención de relleno de (17,20 ± 2,81–32,79 ± 3,21%) y (19,81 ± 4,29–45,87 ± 4,33%), respectivamente. Comparando el uso de rellenos de CaCO3 y TiO2 con RHSA y TiO2/RHSA, todos los pigmentos ofrecieron una alta retención de relleno13. Sin embargo, RHSA ofreció la mayor retención con un mayor porcentaje del 33,83%. Además, los valores de retención variaron de (45,51 ± 2,81 %) a (62,47 ± 3,52 %) para papeles recubiertos con pigmentos núcleo-cubierta de TiO2/RHSA, y la concentración de carga óptima que produjo la mayor retención de carga sin adición de auxiliar de retención fue del 20 %. para CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA.

Efecto de la concentración de relleno y la adición de auxiliar de retención sobre el porcentaje de retención (a,b), el peso base (c,d) y la densidad aparente (e,f) de las hojas de papel.

El mayor valor de retención obtenido para RHSA y TiO2/RHSA fue (57,95 ± 2,35%) y (62,47 ± 3,52%), respectivamente, lo que se debe a la hidrofobicidad de la sílice y su alto contenido. Según los resultados de estos ensayos, se añadió un 0,1% de poliacrilamida catiónica (CPAM) a un 1% de bentonita. La presencia de CPAM mejoró la agregación de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA. Los rellenos aglomerados tienen un tamaño satisfactorio para retenerse dentro de la lámina y llenar los huecos de las fibras. La adsorción de CPAM de cadena larga en las superficies se produjo mediante puentes o neutralización de carga. Los resultados indicaron que; (1) la retención fue extremadamente baja en ausencia de aditivos, (2) la adición de CPAM mejoró los resultados de retención de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA, y (3) la mejora de la retención se vio muy afectada al agregar bentonita. El aumento en la retención de cargas como resultado de la adición de bentonita con los diferentes floculantes se puede atribuir al hecho de que puede proporcionar un puente entre las fibras cubiertas de floculantes y las cargas16,20. Las retenciones fueron (53,75 ± 0,65), (76,87 ± 3,13%), (77,47 ± 1,53%) y (87,68 ± 1,32%) para S9, S10, S11 y S12, respectivamente. De hecho, la presencia de grupos funcionales ionizados en cantidades suficientes es necesaria para dar la conformación adecuada al polímero y asegurar un buen nivel de floculación/retención (capacidad de formación de puentes). La adsorción de partículas núcleo-cubierta de TiO2/RHSA eliminó las interacciones electrostáticas repulsivas entre los polímeros y las superficies. Los mejores resultados de retención (87,68 ± 1,32%) los ofreció S12.

En consecuencia, el peso base aumentó con el contenido de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA debido a la adición de floculantes/bentonita. La densidad aparente del papel se define como la relación entre el espesor del papel y su gramaje, y se encontró que la presencia de partículas de relleno tiende a anunciar más espacios entre las fibras que de otro modo estarían estrechamente unidas entre sí en la hoja. El cambio en los valores de densidad aparente de las hojas manuales cargadas fue consistente con la variación en los resultados de retención de relleno, como se puede ver en la Fig. 2, lo que muestra que las hojas manuales de papel que contienen TiO2, RHSA y TiO2/RHSA exhibieron una densidad aparente más baja que ya sea papeles descargados (bagazo kraft blanqueado) o papeles cargados con CaCO3. Los resultados también mostraron que las partículas de RHSA y los pigmentos núcleo-cubierta de TiO2/RHSA en concentraciones más altas (15, 20 y 25% de adición) exhibieron densidades aparentes más bajas que las muestras cargadas y descargadas que contenían láminas manuales cargadas con CaCO3 y TiO2. Mientras que el porcentaje de densidad aparente se redujo al 17,96 % para los papeles que contienen pigmentos núcleo-cubierta de TiO2/RHSA. La adición de 0,1% de CPAM y 1% de bentonita con las cargas cargadas disminuyó la densidad aparente de las hojas de papel modificadas con las cargas añadidas y esto contradice los resultados del auxiliar de retención.

Las Figuras 3a-c confirmaron que la adición de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA en los recubrimientos condujo a un aumento significativo en la carga máxima, la longitud de rotura y el índice de desgarro. Además, agregar 0,1% de CPAM y 1% de Bt a los diferentes pigmentos ofreció una mejora en la longitud de rotura que se produjo en (53,82%) para S12. Esta muestra de partículas ofreció la retención más alta (87,68% ± 1,32) y el tamaño de partícula más pequeño. Además, se obtuvo la misma tendencia para las mediciones del índice de desgarro, mientras que la mejora alcanzó (26,34 ± 1,35 N m2/g) para S12. Las hojas de mano cargadas con pigmentos de núcleo-cubierta de TiO2, RHSA y TiO2 / RHSA mostraron índices de explosión más bajos que las hojas en blanco y las hojas de mano cargadas con CaCO3, como se puede detectar en la Fig. 3d. El pequeño tamaño de partícula de los rellenos expuso una mayor cantidad relativa de superficie de fibra que puede ser cubierta por una partícula de masa determinada, evitando el contacto entre fibras en una fracción mayor del área de superficie disponible. Además, los pigmentos TiO2/RHSA ejercieron el índice de explosión de hoja manual más bajo, y esto también se puede atribuir a su valor de retención más alto acompañado del tamaño más pequeño de partículas de sílice1,16.

Propiedades de resistencia para varios aditivos de carga en relación con la composición del papel, (a) carga máxima, (b) longitud de rotura, (c) índice de desgarro y (d) índice de estallido.

En nuestro estudio, se evaluaron diferentes propiedades de barrera (aire, vapor de agua y valor de Cobb) para las hojas de papel cargadas con CaCO3, TiO2, RHSA y RHSA/TiO2 para comparar su efecto.

La estructura porosa del papel juega un papel importante en la competencia del papel para otras numerosas aplicaciones; Esta porosidad suele estar correlacionada con la resistencia del aire que invierte la permeabilidad del aire. Dado que el nivel de agregación de la pulpa influye en la estructura porosa del papel, las mediciones de permeabilidad al aire pueden ser una señal de los posibles mecanismos de agregación desarrollados por los distintos sistemas de aditivos y su efecto sobre la calidad del papel. La permeabilidad al aire aumentó significativamente con la aplicación de los diferentes aditivos. La mayor permeabilidad al aire se logró para el papel cargado con diferentes pigmentos en presencia de CPAM y bentonita. Los resultados de permeabilidad al aire en la Fig. 4a mostraron un aumento al agregar aditivos a la pulpa, y el mayor aumento se produjo en el caso de las hojas de papel cargadas con S12 para ofrecer permeabilidad al aire (12,72 ± 2,78 ml/S m2 Pa). Esto indica que las partículas formadas pueden contribuir a regular la porosidad de los materiales compuestos. Además, se considera que las partículas de relleno permitieron mayores espacios (vía de percolación) entre las fibras, disminuyendo su compacidad y, por lo tanto, conduciendo a un aumento del volumen del material7,20,21,22.

Propiedades de barrera para hojas de papel cargadas con rellenos, (a) permeabilidad al aire, (b) transmitancia de vapor de agua y (c) valor de Cobb.

La WVTR de la hoja de papel es el volumen de vapor de agua que pasa a través de la unidad de área y tiempo del papel en condiciones definidas. La WVTR se mide en estado estacionario y se puede predecir que la modificación de las fibras de celulosa disminuyó la transmisión de vapor de agua. WVTR para hojas manuales cargadas y descargadas de 50% RH se muestra en la Fig. 4b, donde se notó una disminución en WVTR para las hojas manuales cargadas en comparación con las descargadas.

Para explicar este hallazgo, es necesario comprender el mecanismo de transmisión del vapor de agua a través de las fibras de celulosa. Primero, las moléculas de agua se condensan en la superficie, luego se solubilizan en las fibras de celulosa cargadas y luego pueden difundirse a través de ellas. Después de eso, estas moléculas abandonan la superficie del papel hacia el otro lado. En general, se puede observar que la adición de partículas de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA como rellenos a la matriz del papel disminuyó su WVTR, debido al aumento en el número de partículas, lo que amplía cordialmente el camino del vapor de agua. Los resultados también confirmaron que el S12 influyó significativamente en la WVTR de las hojas de papel. Sin embargo, los valores obtenidos en el caso de la muestra descargada fueron (39,60 × 10−3 ± 4,40) y luego se redujeron a (20,47 × 10−3 ± 0,53) (g/m2 día) en el caso de S12 para hojas de papel cargadas con (TiO2/RHSA + 0,1% CPAM + 1% Bt.), mostrando una mejora del 48,23% respecto a las hojas de papel descargadas. Esto se debe a la presencia de partículas de RHSA, que pueden crear una forma en zigzag para penetrar el vapor de agua a través de la matriz del papel, lo que resulta en una mejora de la hidrofobicidad de las hojas de papel23,24. Esto ayuda a evitar que la pasta de impresión, el tinte o la tinta penetren en la estructura interna del papel y se depositen en la superficie del papel.

La prueba de Cobb es fundamental para estimar la capacidad del papel para resistir la penetración de agua y la cantidad de agua que puede ser absorbida por la superficie de las hojas de papel; también evalúa la calidad del papel durante un tiempo determinado. Los valores de Cobb para diferentes sistemas de aditivos en relación con la composición del papel se representan en la Fig. 4c; Los resultados de esta prueba confirmaron una disminución significativa en los valores de Cobb después de cargar las cargas en la pulpa, de (57,03 ± 1,03 g/m2) para la hoja de papel descargada a (37,77 ± 5,93 g/m2) para el papel recubierto con S4. La adición de poliacrilamida catiónica y bentonita a la pulpa condujo a una disminución de los valores de Cobb y, por tanto, se puede detectar claramente un grado de encolado mejorado de las hojas de papel. Se supone que el CPAM, que se utiliza para la retención, puede ayudar a unir partículas de CaCO3, TiO2, RHSA, TiO2/RHSA en fibras de celulosa con carga negativa, aumentando la cantidad de retención en hojas de papel25.

A partir de los resultados anteriores, las hojas de papel cargadas con partículas de RHSA se pueden utilizar en la fabricación de papel de impresión reduciendo el diámetro promedio de los poros del papel y esto se expresará en detalle en el SEM.

La morfología de la superficie de las hojas de papel cargadas con CaCO3, RHSA y TiO2 fue diferente de la de la pulpa de bagazo kraft blanqueada sin modificar, como se puede ver en la Fig. 5. Casi todos los poros fueron cerrados por las partículas de pigmento, pero se puede observar una superficie fibrosa. todavía visible. La incorporación de cargas en hojas de papel provocó la aglomeración de partículas depositadas en las superficies de las fibras en matrices a base de fibras. Notablemente, las partículas de pigmento núcleo-cubierta (TiO2 / RHSA) exhibieron una mayor retención, y esto fue obvio en las imágenes SEM debido a su tamaño de partícula más pequeño y su alta distribución en comparación con las partículas de CaCO3 y RHSA, Fig. 5d. La adición de 0,1 % de CPAM y 1 % de bentonita con el pigmento produjo una morfología homogénea de las fibras en las hojas de papel. Además, la Fig. 5 aclaró que la encapsulación de la superficie debido a la modificación del relleno fue bastante evidente, lo que ayuda a mejorar la compatibilidad con las fibras de pulpa celulósica que se produjo, haciendo que la superficie sea más suave y firme7,26. En consecuencia, las combinaciones de fibras de celulosa más apretadas dieron como resultado una mayor resistencia mecánica, lo que explica las mejoras en la resistencia mecánica de las láminas manuales.

Imágenes SEM para hojas de papel, (a) S0 (bagazo en blanco), (b) S9 (20% CaCO3 + 0,1% CPAM + 1% Bt), (c) S11 (20% RHSA + 0,1% CPAM + 1% Bt) y (d) S12 (20 % TiO2/RHSA + 0,1 % CPMA + 1 % Bt).

Los valores (K/S) de los papeles serigrafiados con el colorante Azul Turquesa S-GL, Fig. 6a (Azul Disperso 60) se ilustran en la Tabla 3. Y como es bien sabido, los valores K/S expresan la intensidad del color. y profundidad, y quedó claro en el estudio que los valores K/S fueron mejores en la mayoría de los casos que los comerciales. Esto indicó que los papeles han retenido más tinte en sus superficies y las muestras S9, S11 y S12 ofrecieron los valores K/S más altos. Dichos valores de K/S demostraron que los rellenos agregados mejoraron la capacidad del papel de bagazo para mantener el tinte recubierto en las capas superiores del papel, al tiempo que redujeron la absorbencia del tinte en las capas más profundas (como lo demuestran las micrografías SEM) (Fig. 5). Los parámetros de color se evalúan utilizando las escalas L*, a* y b* del sistema CIELAB y los resultados se dan en la Tabla 3. Se diseña un modelo tridimensional del espacio de color CIELAB de acuerdo con la teoría de los colores oponentes en la Fig. 6b27. Los valores revelaron que los valores K/S están en relación indirecta con los valores L*, confirmando que el color se volvió más oscuro y viceversa. Además, el ∆E de las muestras impresas mostró cambios notables que confirmaron fuertemente la presencia de una diferencia de color entre las muestras impresas. Se observaron valores máximos de diferencia de color para las muestras de hojas de papel impreso S12, S11 seguidas de S9. Además, es importante señalar que a partir de los valores de a* y b*, todas las muestras mostraron un desplazamiento hacia el azul.

(a) Estructura química del azul turquesa S-GL (azul disperso 60) y (b) Los parámetros de color L*, a* y b* modelo del espacio de color CIELAB27.

El análisis termogravimétrico (TGA) es una técnica muy valiosa para estudiar el comportamiento térmico de materiales específicos28. Es importante evaluar el efecto de los rellenos añadidos sobre la estabilidad térmica del papel impreso tras la exposición a la prensa de alta temperatura en el proceso de transferencia.

Se realizaron perfiles TGA y DTG de hojas de papel descargadas y algunas seleccionadas modificadas bajo atmósfera inerte, la selección dependió de los resultados de impresión K/S. Los resultados de los datos de TGA y DTG se resumen en la Tabla 4 y se muestran en la Fig. 7. Está claro que todas las muestras de papel mostraron una etapa principal de pérdida de peso aparte de la pérdida de peso primaria en el rango de 30 a 80 °C. que se atribuyó a la evaporación del agua absorbida. Además, se observó que todas las muestras modificadas mostraron mayor estabilidad térmica y porcentaje de formación de carbonilla que las hojas de papel sin cargar. Al comparar estas muestras modificadas con hojas de papel de bagazo descargadas, la muestra de papel modificado S12 que contenía (20 % RHSA/TiO2 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) ofreció una mejora en su estabilidad térmica, seguida por la S11 (20 % RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt). % Bt) y finalmente S9 que contiene (20 % CaCO3 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt).

Perfiles TGA (a) y DTG (b) de papeles impresos, S0 (bagazo en blanco), S9 (20% CaCO3 + 0,1% CPAM + 1% Bt), S11 (20% RHSA + 0,1% CPAM + 1% Bt) y S12 (20 % TiO2/RHSA + 0,1 % CPMA + 1 % Bt).

El papel de bagazo sin carga exhibió menos estabilidad térmica con menor capacidad de formación de carbonización que todas las demás muestras de papel analizadas, como se muestra en la Tabla 4, debido a la descomposición de la celulosa que se produjo mediante un mecanismo de despolimerización de unidades de glicosilo, lo que resultó en la formación de productos de alto punto de ebullición (HBP). ) (levoglucosano). Esos HBP, sometidos a temperaturas más altas, podrían descomponerse en gases inflamables más ligeros. Además, es bien conocido que la presencia de aditivos, pigmentos, cargas o metales puede afectar notablemente la estabilidad térmica, la vía de descomposición y los productos de descomposición7,13,29.

El residuo de carbón a 500 °C (CR500 °C) aumentó del 12,22 % para los papeles sin carga al 41,28 % para el S12 y al 23,19 % para el S11, luego al 16,36 % para el S9. El mayor valor de carbón se asoció con S12, que está relacionado con la presencia de cenizas de sílice y TiO2, exhibiendo un doble efecto en la estabilización de la estructura. La presencia de ceniza en S11 también estabilizó su estructura, mientras que la presencia de carbonato de calcio mejoró la estabilidad térmica del papel de bagazo, pero no tanto como en los casos de TiO2 y RHSA. Esos efectos mejorados se atribuyen a la capacidad de los rellenos añadidos para estabilizar la estructura del bagazo y dirigir la descomposición térmica hacia vías de descomposición menos volátiles y no inflamables. Además, los rellenos agregados catalizaron el mecanismo de descomposición por deshidratación del papel de bagazo, favoreciendo la formación de carbón carbonoso (formación de CO2, CO, H2O y carbón sólido) y minimizando la despolimerización de la celulosa a levoglucosano30. Además, el S12 exhibió propiedades retardantes de llama a través de la reducción de la temperatura de descomposición (319 °C en comparación con 325 °C para el bagazo en blanco) y el aumento del rendimiento de formación de carbón (41,28 % en comparación con el 12,22 % del bagazo en blanco). Esto se hizo reduciendo la formación de levoglucosano y catalizando las reacciones de descomposición y deshidratación. Los resultados revelaron que los rellenos agregados ayudaron a la estabilización y estabilidad térmica de la estructura de bagazo. Los resultados de impresión y termogravimétricos de los papeles modificados revelaron que tienen potencial para usarse como papeles de impresión por transferencia térmica para impresión por sublimación de poliéster.

En la impresión por transferencia por sublimación, el papel de celulosa se considera el primer candidato a soporte de tinte para tintes dispersos. Dado que no tiene afinidad por estos colorantes, se necesitaba un papel de alta calidad, de estructura uniforme y con buen comportamiento mecánico y térmico. Por lo tanto, se modificaron las propiedades estructurales de las hojas de papel de celulosa para poder utilizarlas en aplicaciones de impresión por transferencia. Las cargas inorgánicas se utilizan con frecuencia para proporcionar características del papel, incluidas opacidad, volumen y suavidad, que son necesarias para la calidad del papel31,32.

La sílice se caracteriza por su alta superficie, hidrofilia, estabilidad química y naturaleza inerte, así como por su durabilidad y compatibilidad. Por eso, la sílice se considera un excelente material de relleno para papel. Sin embargo, debido a su naturaleza porosa, la tinta puede difundirse a lo largo de la capa de revestimiento; por lo tanto, su estructura debe ajustarse para regular la penetración de la pasta de impresión en la estructura del papel para satisfacer las necesidades de la aplicación de transferencia de calor. El TiO2 ubicado como una capa en la superficie del núcleo de sílice poroso33 genera partículas más grandes y un área superficial relativamente alta.

Además, el titanio puede minimizar el agrietamiento del recubrimiento y mejorar la estabilidad térmica a temperaturas más altas. El tratamiento de hojas de papel con una estructura de núcleo-cubierta puede reducir la penetración de la pasta en la estructura interna del papel y limitar la absorción de agua al impartir el nivel necesario de hidrofobicidad y dejar la película de tinte adherida a la superficie del papel. Además, el TiO2 puede mejorar considerablemente la conductividad térmica de las superficies del papel, evitando el efecto moteado provocado por el aislamiento térmico variado del papel, mientras está en contacto con el elemento calefactor, además de producir una transferencia de imagen homogénea y uniforme. Los tratamientos núcleo-cubierta con TiO2/RHSA pueden reducir la afinidad del vapor de tinte por las fibras del papel, los recubrimientos y los agentes espesantes utilizados en la pasta de impresión. Esto puede mejorar la afinidad del tinte por las fibras y puede provocar que se libere una cantidad significativa de tinta o tinte de la superficie del papel sobre los tejidos31,32,33,34,35.

En la impresión por transferencia de calor por sublimación, el tinte disperso que se imprimió en papel pasa del estado sólido al estado gaseoso sin siquiera pasar por el estado líquido (sublimación) bajo ciertas condiciones. A temperaturas más altas, las moléculas de la tela sintética se abren para permitir que el vapor del tinte entre. Después del enfriamiento, las moléculas de poliéster se asientan y se absorben en todo el tinte. Esto es interesante porque el tinte se absorbe dentro de la tela, a diferencia de otros procesos de impresión, donde el color se fija únicamente en la superficie.

Para evaluar la homogeneidad y uniformidad del color de la imagen impresa generada a partir de hojas de papel modificadas y probadas, se han realizado tres tiradas de impresión con diferentes concentraciones de tinte. Las Figuras 8a-c ilustran las imágenes fotográficas de tela de poliéster impresas con hojas de papel modificadas seleccionadas con una concentración de tinte de 1, 2 y 3%, respectivamente.

Imagen fotográfica de tejidos de poliéster impresos por transferencia de calor con (a) 3%, (b) 2% y (c) 1% de tono de tinte.

Las imágenes demostraron que todas las muestras impresas estudiadas con papel tratado tenían bordes nítidos y regulares y exhibían altos niveles de homogeneidad y regularidad en los colores que se transfirieron a las telas, lo que puede indicar la homogeneidad y regularidad de los materiales cargados en la superficie. del papel.

Las diferencias de color se evalúan mediante ∆E; si su valor numérico es superior a 5, una variación de color será visible a simple vista; si se aumenta a un valor superior a 12, se observará una diferencia absoluta de color. La Tabla 5 compara el valor ∆E ​​de cada muestra con sí mismo para ilustrar el grado de diferencia de color. Los resultados revelaron que todas las muestras ofrecían una nivelación de color aceptable y una dispersión de color homogénea, especialmente en tonos bajos de tinte36.

Los papeles serigrafiados modificados se utilizaron como papeles de impresión por transferencia térmica en la impresión por transferencia de tejidos de poliéster. Se evaluó la capacidad de los papeles impresos para uniformar la liberación de tinte bajo diferentes condiciones de transferencia de temperatura y tiempo. En la Tabla 6, se dan los resultados K/S de tejidos de poliéster impresos por transferencia de calor utilizando papeles serigrafiados comerciales y modificados en diferentes tiempos y temperaturas. Los resultados estimaron que la K/S del poliéster aumentó al aumentar el tiempo y la temperatura del proceso de transferencia, lo que indica que la liberación de tinte está en relación directa con el tiempo y la temperatura. Los valores K/S más altos se obtuvieron con tejidos de poliéster impresos a 210 °C durante 60 s, y la liberación máxima de color fue comparable a la del papel de transporte comercial S9, S11 y S12. Esto puede deberse a que las modificaciones en estas muestras han mejorado la liberación del tinte de manera suave y uniforme desde sus superficies, lo que lleva a una captura homogénea del tinte por parte de los tejidos de poliéster.

La Tabla 7 muestra los parámetros de color, así como los valores de solidez a la luz, al lavado y a la transpiración a 210 °C y 60 s. Según los resultados, todos los tejidos de poliéster estampados mostraron un cambio al azul. Además, ∆E para todas las muestras de impresión osciló entre 34 y 45, lo que indica que hubo transferencias de color exitosas entre los papeles y las telas. Cuanto mayor es el valor de diferencia de color (∆E), más color se gana y, por tanto, se puede observar un color más intenso37.

En términos de solidez del tejido impreso, todas las muestras impresas ofrecieron una excelente estabilidad frente al lavado, la transpiración, el roce húmedo y seco y la luz. Debido a este hallazgo, ahora es posible concluir que los papeles de bagazo modificados pueden proporcionar un tiempo de transferencia más corto, un costo más bajo y un uso de la máquina sin arrugarse, agrietarse o quemarse, lo que les permite usarse como papeles de impresión por transferencia de alta liberación en la transferencia. Estampado de tejidos de poliéster. Representación gráfica de los papeles de impresión por transferencia de calor presentados en la Fig. 9.

Representación gráfica de papeles de impresión por transferencia de calor.

En este trabajo, se cargó sobre hojas de papel un nuevo pigmento núcleo-cubierta (TiO2/RHSA) basado en desechos de ceniza de sílice cubiertos con una fina capa de dióxido de titanio en presencia de CPAM y bentonita. Estas adiciones se realizaron para mejorar el drenaje y la retención de relleno en hojas de papel manuales.

El pigmento núcleo-cubierta TiO2/RHSA se preparó a 750 °C y contiene un bajo contenido de TiO2 como capa que cubre la RHSA, pero a pesar de su baja concentración, provoca una mejora de las diferentes propiedades mecánicas y de barrera.

La morfología de la superficie de las hojas de papel modificadas indicó que la incorporación de pigmentos en las hojas de papel conducía a la aglomeración de partículas depositadas en las superficies de las fibras en las matrices a base de fibras. Además, las hojas de papel recubiertas con TiO2/RHSA fueron más homogéneas que las tratadas con CaCO3 y RHSA. Los resultados obtenidos para hojas manuales cargadas con TiO2/RHSA mostraron una mejora en la longitud de rotura y el índice de rotura en (53,82%) y (26,34 ± 1,35 N m2/g), respectivamente, con una disminución en el índice de rotura. La red creada por CPAM, bentonita (Bt) mezclada con pigmentos (TiO2/RHSA) sobre un sustrato de hoja de papel, es muy densa y organizada. Esto dio como resultado la creación de una distribución suave de partículas y una superficie fuerte que llena los poros en las matrices de papel y aumentó el aire, disminuyó la transmisión de vapor de agua y el valor Cobb de las muestras modificadas con pigmento (TiO2/RHSA) en comparación con el blanco ( papel descargado). Los resultados mostraron que los papeles serigrafiados modificados se podían utilizar con éxito como papeles de impresión por transferencia térmica por sublimación en tejidos de poliéster.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Todos los autores desean agradecer al Centro Nacional de Investigación (NRC) de Egipto por su apoyo financiero.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). No se recibió financiación para realizar este estudio.

Departamento de Celulosa y Papel, Centro Nacional de Investigación, 33El-Bohouth St. (Ex El-Tahrir St.), PO 12622, Dokki, Giza, Egipto

Abeer M. Adel, Mohamed A. Diab y Nabila El-Shinnawy

Departamento de Polímeros y Pigmentos, Centro Nacional de Investigación, 33 El-Bohouth St. (antiguo El-Tahrir St.), PO 12622, Dokki, Giza, Egipto

Nivin M. Ahmed

Departamento Auxiliar de Teñido, Estampado y Textiles, Centro Nacional de Investigación, 33 El-Bohouth St. (Ex El-Tahrir St.), PO 12622, Dokki, Giza, Egipto

Fatma N. El-Shall

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AMA, NMA, MAD y FNE-S., contribuyeron en la concepción del estudio, preparación de materiales, recolección de datos, análisis formal, investigación, metodología, validación, visualización, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición. NE-S. Participé en la conceptualización, recursos y supervisión. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Abeer M. Adel.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Adel, AM, Ahmed, NM, Diab, MA et al. Exploración de la capacidad de los papeles modificados imprimibles para su aplicación en la impresión por transferencia por sublimación térmica de tejidos de poliéster. Representante científico 13, 6536 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33546-9

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Recibido: 04 de febrero de 2023

Aceptado: 14 de abril de 2023

Publicado: 21 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33546-9

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