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

Dec 15, 2023

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

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En este trabajo, los papeles de transferencia de calor se cargaron con un nuevo pigmento de núcleo-corteza 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 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 mano con 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 las hojas de papel modificadas. Además, se estudió el estudio de la imprimibilidad por transferencia y la facilidad de liberación del 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 las medidas de solidez que incluyen el lavado, la luz y la transpiración de la tela de poliéster de impresión.

El papel es un material flexible hecho 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 reproducción de imágenes o textos utilizando una plantilla o formulario maestro en una superficie sólida, por ejemplo, papel, textiles y paredes. La impresión por transferencia de calor por sublimación se considera uno de los estilos de impresión más importantes, más limpios y más nuevos2. Este método de impresión simple tiene una serie de características deseables, como la necesidad reducida de energía y agua, no necesita tratamiento posterior, técnica de impresión económica, menor mantenimiento e inversión en equipos, y un método libre de efluentes, además de producir una impresión clara y ambiental. imagen limpia3,4. A pesar de las muchas ventajas de la impresión por transferencia de calor, el inconveniente más importante es que el papel, aunque se puede usar una o dos veces en casos excepcionales, y de acuerdo con el costo del papel, este proceso puede ser muy costoso. 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 significativos que tienen un efecto sobre la capacidad de impresión (la consecuencia de las interacciones entre el papel de impresión, la tinta y el dispositivo) y el proceso de impresión. 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 fundamental en la aceptación de la tinta. Asimismo, la existencia de alguna carga, encolantes o aditivos pueden aportar características especiales al papel.

La arcilla, el carbonato de calcio, el caolín, el talco y el dióxido de titanio son ejemplos de los rellenos más utilizados7,8. Su utilidad no es solo económica, sino que también pueden impartir al papel importantes propiedades como opacidad, volumen, suavidad, deshidratación de la pulpa y retención que son cruciales para la calidad del papel.

La cascarilla 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 liviano, voluminoso y altamente poroso que se usa en una variedad de industrias, incluidas la cerámica, el ladrillo y el concreto. Una de estas aplicaciones es su uso como relleno en la fabricación de papel, pero la exposición del papel a altas temperaturas y presiones durante la impresión por transferencia de calor requiere un papel fuerte que pueda soportar las duras condiciones de impresión sin rasgarse 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 de calor 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 de núcleo-cáscara 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 carencias de sus particulares, además de impartir nuevas y mejoradas propiedades al campo de aplicación. Una buena elección de ambos componentes (núcleo y cubierta) puede generar un comportamiento de rendimiento superior. El uso beneficioso de los pigmentos estructurados de núcleo-cáscara se basa en que la cáscara 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 todavía puede tener parte en la reacción al no estar completamente protegido. El pigmento estructurado núcleo-cáscara utilizado en este trabajo está compuesto por una cáscara de dióxido de titanio precipitada sobre un núcleo de ceniza de sílice de cascarilla 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;

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

Además, las interacciones pueden ocurrir entre bentonitas y polímeros catiónicos o coloides. Estas interacciones son el resultado de las fuerzas electrostáticas debidas a la alta densidad de carga superficial de la bentonita, y lo más probable es que se vean afectadas por el grado de expansión de la bentonita y el área superficial resultante14,15.

El uso de auxiliares de retención se requiere particularmente en la adición de rellenos minerales a la suspensión de pulpa debido a su pequeño tamaño. En general, la adición de polímeros (por ejemplo, poliacrilamida catiónica), que se utilizan como auxiliares de retención en la suspensión fibrosa, puede conducir a la creación de una carga positiva, de tal manera que puedan ser absorbidos por las partículas aniónicas (fibras celulósicas y finos, rellenos), y por lo tanto, puede inducir la floculación mediante mecanismos de puente significativamente para aumentar la retención16.

Este trabajo de investigación está diseñado para estudiar el efecto del nuevo pigmento de 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 las hojas de papel de bagazo blanqueado y su efecto en la estabilidad térmica de las mismas. Además, la investigación se amplió para estudiar la posibilidad de utilizar papeles impresos modificados como papeles de transferencia térmica y el estudio de su capacidad de impresión 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, las medidas de solidez de las telas de poliéster impresas (lavado, luz y transpiración) se estimaron de acuerdo con los métodos estándar.

La cáscara de arroz (RH) se recolectó de los gobiernos del Delta del Norte de Egipto, se lavó, se secó en horno a 105 °C durante la noche y se incendió en una mufla a 650 °C durante 3 h para formar ceniza de sílice de cáscara de arroz (RHSA), que se utiliza sin ningún otro tratamiento. La pulpa de bagazo kraft blanqueada fue suministrada por Quena Company for 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) utilizando un agitador a 4000 rpm durante 4 h. La poliacrilamida catiónica comercial (CPAM) de alto peso molecular (alrededor de 1,106) de BASF (Percol®55) se diluyó al 0,1 % (p/p) disolviéndola en agua desionizada con agitación. El carbonato de calcio molido (GCC) fue suministrado por OMYA Company bajo 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 airearon. -Secado a temperatura ambiente. Bercolin CPK fue suministrado por Berssa-Turquía como agente espesante; el tinte disperso Dianix Classic Turquoise Blue S-GL (Disperse Blue 60) fue suministrado por Dye Star Company; y 60gm de papel transfer fueron suministrados por Protucal Soporcel Company.

La cáscara de arroz se calcinó a 650 °C, y luego se molió hasta obtener la forma más fina a través de 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, luego se sumergió el RHSA molido 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 agregó 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 completa 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 a fondo. El último paso fue calcinar la pasta a 750 °C y luego someterla a molienda de bolas para alcanzar un tamaño de partícula adecuado.

Se registraron fotos 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 sonda de electrones 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 para RH y RHSA se llevaron a cabo mediante espectroscopía de fluorescencia de rayos X de dispersión de energía (Axios 2005, PANalytical, Países Bajos).

El TGA y DTG de los papeles modificados se investigaron mediante un instrumento de calorímetro diferencial de barrido. En el instrumento de balanza térmica 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 usando el método estándar sueco (SCAN-CM 64:00) y la pulpa de bagazo kraft blanqueada se batió en un batidor de valle hasta 30 oSR. Se formaron hojas de mano con un peso base de 68 g/m2 y se dosificaron las cantidades de carbonato de calcio molido, GCC, TiO2, RHSA y TiO2/ceniza de sílice de cáscara de arroz (TiO2/RHSA) en (5, 10, 15, 20 y 25%). Estos rellenos se agregaron a la suspensión de pulpa y se agitaron durante 15 min. Se añadió el 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, la suspensión se vertió en la lámina formada diluyéndola a aproximadamente 6-7L y escurriéndola. A continuación, las hojas de mano se acondicionaron a 25 °C y una humedad relativa del 50 % antes de la prueba. La lista de abreviaturas y nombres de muestras se incluyen en la Tabla 1.

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

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

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

Los valores de permeabilidad al aire de las hojas de papel se midieron usando un probador de porosidad y suavidad bendtsen fabricado en Dinamarca, Andersson Sorensen, Copenhague (probador de permeabilidad al aire) basado en ISO 5636:3. La permeabilidad al aire se determinó midiendo la tasa de 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 modificadas cargadas con (TiO2/RHSA) core-shell. El método de prueba de Cobb generalmente se realiza para medir la absorción de agua. Las muestras se cortaron en rectángulos de tamaño 10 × 10 cm y las hojas de papel pesadas se colocaron en un aparato Cobb; Se añadieron 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 son impresas manualmente por la formulación anterior, mediante una 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 asientan para que se enfríen a temperatura ambiente, antes de retirar el papel.

Hunter Lab (Ultra scan-PRO D65, EE. UU.) evalúa la intensidad del color (K/S), los parámetros de color CIELAB L*, a*, b* y ∆E de las impresiones a un máximo de λmax680 (nm). Las intensidades de color (K/S) de las muestras impresas se midieron utilizando la relación 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 cambio al rojo o al verde de la muestra, b* especifica el cambio al área amarilla o 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 medidas de solidez del lavado, la transpiración y la luz se evaluaron de acuerdo con los métodos estándar del manual técnico 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.

Los componentes principales de RH, RHSA y TiO2/RHSA están representados en la Tabla 2. De la Tabla queda claro 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 /RHSA pigmento core-shell, su presencia fue de alrededor de 13.25 y esto significa que forma más del 10% del total del compuesto. Esto se compensó con el porcentaje de sílice que se redujo a 79,36 en el caso del pigmento core-shell, es decir, existe una relación indirecta entre la concentración de TiO2 y SiO2. También se puede concluir a partir de este análisis que el rendimiento de ceniza calculado a partir de la materia prima RH fue del 14,23 % y esta 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 de núcleo y 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 ser referido a RH canlcinado no completo. Esta superposición entre la estructura laminada del dióxido de titanio y las esferas de sílice RH puede proporcionar una buena manera de mejorar las propiedades mecánicas del papel al fortalecer 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 a través del análisis XRF (alrededor de 13,25 %), lo que indica que casi todo el dióxido de titanio es ubicado en la superficie de sílice y solo hay rastros en la mayor parte, lo que está en buen acuerdo con los resultados de XRF.

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

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

Las propiedades físicas, mecánicas y de barrera de los rellenos compuestos (láminas manuales cargadas y descargadas con CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA) se resumen de la siguiente manera.

La retención de rellenos siempre ha sido un tema candente en el área de investigación de la fabricación de papel, porque la eficiencia de retención influye fuertemente en el costo del producto, la limpieza del sistema de fabricación de papel y la carga de contaminación 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 elaboradas a partir de bagazo kraft blanqueado. Los resultados en la 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. Al comparar 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 porcentaje de aumento de 33,83%. Además, los valores de retención variaron de (45,51 ± 2,81 %) a (62,47 ± 3,52 %) para papeles recubiertos con pigmentos de núcleo-envoltura de TiO2/RHSA, y la concentración óptima de relleno que produjo la mayor retención de relleno sin la adición de ayuda de retención fue del 20 %. para CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA.

Efecto de la concentración de relleno, 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 0,1 % de poliacrilamida catiónica (CPAM) a 1 % de bentonita. La presencia de CPAM mejoró la agregación de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA. Los rellenos aglomerados son suficientemente grandes para retenerlos dentro de la hoja y llenar los huecos en las fibras. La adsorción de CPAM de cadena larga en las superficies se produjo a través de 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 por la adición de bentonita. El aumento en la retención de rellenos 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 recubiertas de floculante y los rellenos16,20. 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 correcta al polímero y asegurar un buen nivel de floculación/retención (capacidad de puenteo). La adsorción de partículas de núcleo-envoltura 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 grosor del papel y su gramaje, y se descubrió que la presencia de partículas de relleno tiende a anunciar más espacios entre las fibras que, de lo contrario, estarían estrechamente unidas 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, que muestra que las hojas manuales de papel que contenían 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 de núcleo y 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 hojas de mano cargadas con CaCO3 y TiO2. Mientras que el porcentaje de densidad aparente se redujo al 17,96 % para los papeles que contienen pigmentos de núcleo y cubierta de TiO2/RHSA. La adición de 0,1 % de CPAM y 1 % de bentonita con los rellenos cargados disminuyó la densidad aparente de las hojas de papel modificadas con los rellenos añadidos y esto contradice los resultados del auxiliar de retención.

La Figura 3a–c confirmó 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, la adición de 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 lagrimal, mientras que la mejora alcanzó (26,34 ± 1,35 N m2/g) para S12. Las hojas manuales cargadas con TiO2, RHSA y TiO2/RHSA con pigmentos de núcleo-cubierta mostraron índices de estallido más bajos que las hojas en blanco y las hojas manuales cargadas con CaCO3, como se puede detectar en la Fig. 3d. El tamaño de partícula pequeño de los rellenos expuso una mayor cantidad relativa de superficie de fibra que puede ser cubierta por una partícula de masa dada, lo que evita el contacto entre fibras en una fracción mayor del área de superficie disponible. Además, los pigmentos de TiO2/RHSA ejercieron el índice de explosión manual más bajo, y esto también se puede atribuir a su valor de retención más alto acompañado del tamaño más pequeño de las partículas de sílice1,16.

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

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 tiene un papel importante en la competencia del papel con respecto a otras numerosas aplicaciones; esta porosidad generalmente se correlaciona 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 la permeabilidad al aire pueden ser una señal de los posibles mecanismos de agregación desarrollados por los diversos 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 relleno con los diferentes pigmentos en presencia de CPAM y bentonita. Los resultados de la permeabilidad al aire en la Fig. 4a mostraron un aumento al agregar aditivos a la pulpa, y el mayor aumento fue 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 espacios más grandes (camino de percolación) entre las fibras, disminuyendo su compacidad y, por lo tanto, aumentando la voluminosidad del material7,20,21,22.

Propiedades de barrera para hojas de papel cargadas con rellenos, (a) permeabilidad al aire, (b) transmitancia al vapor de agua y (c) valor 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. 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. La WVTR para hojas manuales cargadas y descargadas con 50% de HR se muestra en la Fig. 4b, donde se observó una disminución en la 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 dejan la superficie del papel hacia el otro lado. En general, se puede notar que la adición de partículas de CaCO3, TiO2, RHSA y TiO2/RHSA como rellenos a la matriz de 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 S12 influyó significativamente en la WVTR de las hojas de papel. Sin embargo, los valores obtenidos en caso de 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 RHSA, que pueden crear una forma en zigzag para que el vapor de agua penetre 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 asienten en la superficie del papel.

La prueba de Cobb es fundamental para estimar la capacidad del papel para resistir la penetración del 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 los rellenos 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 en la pulpa condujo a una disminución en los valores de Cobb y, por lo tanto, se puede detectar claramente un grado mejorado de encolado de las hojas de papel. Se supone que el CPAM, que se utiliza para la retención, puede ayudar a adherir partículas de CaCO3, TiO2, RHSA, TiO2/RHSA sobre las fibras de celulosa con carga negativa, aumentando la cantidad de retención sobre las hojas de papel25.

De los resultados anteriores, las hojas de papel cargadas con partículas RHSA se pueden utilizar en la fabricación de papel de impresión al reducir 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 era diferente de la de la pulpa de bagazo kraft blanqueada no modificada, como se puede ver en la Fig. 5. Casi todos los poros estaban cerrados por las partículas de pigmento, pero se puede observar una superficie fibrosa. todavía visible. La incorporación de rellenos en hojas de papel condujo a la aglomeración de partículas depositadas en las superficies de fibra en matrices basadas en fibra. Notablemente, las partículas de pigmento de 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 condujo a 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, lo que hace que la superficie sea más suave y más 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 la hoja manual.

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 por 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 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, mientras reducían la absorción del tinte en las capas más profundas (como lo demuestran las micrografías SEM) (Fig. 5). Los parámetros de color se evalúan usando 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*, lo que confirma que el color se oscureció 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 a* y b*, todas las muestras mostraron un desplazamiento hacia el azul.

(a) Estructura química de Turquoise Blue S-GL (Disperse Blue 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 las cargas añadidas en el rendimiento de 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 además de la pérdida de peso primaria en el rango de 30–80 °C, que se atribuyó a la evaporación del agua absorbida. Además, se observó que todas las muestras modificadas mostraron mayor estabilidad térmica y formación de porcentaje de carbón 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 S11 (20 % RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) y finalmente S9 que contiene (20% CaCO3 + 0,1% CPAM + 1% Bt).

Perfiles TGA (a) y DTG (b) de papeles impresos, S0 (bagazo 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 descargado exhibió menos estabilidad térmica con menor capacidad de formación de carbón 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 a través de un mecanismo de despolimerización de unidades de glucosilo, lo que resultó en la formación de productos de alto punto de ebullición (HBP ) (levoglucosano). Esos HBP a temperaturas más altas podrían descomponerse en gases inflamables más livianos. Además, es bien sabido que la presencia de aditivos, pigmentos, rellenos 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 de 12,22 % para papeles descargados a 41,28 % para S12 y 23,19 % para S11, luego 16,36 % para S9. El mayor valor de carbonización se asoció con S12, que está relacionado con la presencia tanto de ceniza de sílice como de TiO2, mostrando 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 agregados 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 carbonado (formación de CO2, CO, H2O y carbón sólido) y minimizando la despolimerización de la celulosa a levoglucosan30. Además, el S12 exhibió propiedades ignífugas 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 en la formación de rendimiento 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 del bagazo. Los resultados de impresión y termogravimétricos de los papeles modificados revelaron que tienen potencial para ser utilizados como papeles de impresión por transferencia de calor para la impresión por sublimación de poliéster.

En la impresión por transferencia por sublimación, el papel de celulosa se considera el primer candidato a portador de colorantes para colorantes dispersos. Al no tener afinidad por estos colorantes, se requería un papel de alta calidad, estructura uniforme y 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. Los rellenos inorgánicos se utilizan con frecuencia para proporcionar las características del papel, incluidas la opacidad, el volumen y la suavidad, que son necesarias para la calidad del papel31,32.

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

Además, el titanio puede minimizar el agrietamiento del revestimiento y mejorar la estabilidad térmica a temperaturas más altas. El tratamiento de hojas de papel con una estructura de núcleo-cubierta de este tipo 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 de núcleo-envoltura de TiO2/RHSA pueden reducir la afinidad del vapor de tinte por las fibras de papel, los revestimientos y los agentes espesantes utilizados en la pasta de impresión. Esto puede mejorar la afinidad del tinte por las fibras y puede provocar que una cantidad significativa de tinta o tinte se libere de la superficie del papel sobre las telas31,32,33,34,35.

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 colorante entre. Después de enfriar, las moléculas de poliéster se asientan y absorben sobre 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 solo en la superficie.

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

Imagen fotográfica de telas de poliéster impresas por transferencia de calor a (a) 3%, (b) 2% y (c) 1% de tinte.

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

Las diferencias de color se evalúan por ∆E; si su valor numérico es superior a 5, se apreciará a simple vista una variación de color; si se aumenta a un valor superior a 12, se observará una diferencia absoluta de color. La Tabla 5 compara el valor de ∆E de cada muestra consigo mismo para ilustrar el grado de diferencia de color. Los resultados revelaron que todas las muestras ofrecieron una nivelación de color aceptable y una dispersión de color homogénea, especialmente en tonos de tinte bajos36.

Los papeles impresos con serigrafía 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 del tinte bajo diferentes condiciones de transferencia de temperatura y tiempo. En la Tabla 6, se dan los resultados K/S de telas de poliéster impresas por transferencia de calor utilizando papeles comerciales y serigrafiados modificados a diferentes tiempos y temperaturas. Los resultados estimaron que K/S del poliéster aumentó con el aumento del tiempo y la temperatura del proceso de transferencia, lo que indica que la liberación del 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 máxima liberación 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.

En la Tabla 7 se muestran 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. De acuerdo con los resultados, todas las telas de poliéster impresas mostraron un cambio azul. Además, el ∆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 sea el valor de la diferencia de color (∆E), más color se gana y, por lo tanto, se puede observar un color más intenso37.

En términos de solidez de la tela impresa, 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 modificado 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 de transferencia de alta liberación en la transferencia. estampación 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 core-shell (TiO2/RHSA) basado en residuos de ceniza de sílice recubiertos con una capa delgada de dióxido de titanio en presencia de CPAM y bentonita. Estas adiciones se realizaron para mejorar el drenaje y la retención de relleno en las hojas de papel.

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

La morfología superficial de las hojas de papel modificadas indicó que la incorporación de pigmentos en las hojas de papel condujo a la aglomeración de partículas depositadas sobre las superficies de fibra en las matrices a base de fibra. 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 sustrato de hoja de papel es muy densa y organizada. Esto resultó en 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 podrían usarse con éxito como papeles de impresión de transferencia de calor 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)-Egipto por su apoyo financiero.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en cooperación con The Egyptian Knowledge Bank (EKB). No se recibió financiación para la realización de este estudio.

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

Nivin M. Ahmed

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

Fatma N. El-Shall

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AMA, NMA, MAD y FNE-S., contribuyeron a la concepción del estudio, preparación del material, recolección de datos, análisis formal, investigación, metodología, validación, visualización, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición. NE-S. participó 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 sobre la capacidad de los papeles modificados imprimibles para la aplicación en la impresión por transferencia de calor por sublimación de tejido de poliéster. Informe científico 13, 6536 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33546-9

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Recibido: 04 febrero 2023

Aceptado: 14 abril 2023

Publicado: 21 abril 2023

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

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