La composizione della patina
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La composizione della patina
XIV corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2006/2007 La composizione della patina di Dal Corso Andrea Scuola Interregionale di Tecnologia per Tecnici Cartari Il corso è realizzato grazie al contributo di: Camera di Commercio, Industria, Artigianato e Agricoltura di Verona. INDICE Introduzione 1. Che cos’è la patinatura e suoi obiettivi 2. Brevi cenni sul processo di patinatura 3. Classificazione delle carte patinate 4. Formulazioni tipiche 5. Composizione della patina 6. La cucina patine e la ricetta 7. L’importanza del supporto 8. Cast coating 9. La lama d’aria 10. Schemi pratici: caratteristiche della carta al variare della concentrazione e della tipologia del legante (in particolare lattice e amido) con conclusioni. 1. INTRODUZIONE Negli ultimi decenni il mercato mondiale ha richiesto stampati sempre più perfetti, con alta definizione, a più colori, e anche a fondi pieni. Parallelamente si sono richieste carte sempre più bianche con caratteristiche estetiche migliori e in grado di resistere alle pesanti sollecitazioni meccaniche che avvengono sia in fase di produzione in cartiera, che in fase di stampa, visto la sempre più alta produttività e velocità delle macchine. A questo punto che entra in gioco la patinatura, che ha appunto lo scopo di migliorare la stampabilità del supporto e l’estetica. Attualmente quasi tutte le cartiere patinano il supporto, perché in questo modo oltre a migliorarne le caratteristiche (il supporto deve comunque essere buono, perché non si possono fare “miracoli”), si risparmia dato che la patina costa meno e si riesce ad essere più competitivi. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 2 1. CHE COS’È LA PATINATURA E SUOI OBIETTIVI Car ta no n pati na ta Car ta pa ti nata Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 3 La patinatura è l’operazione con la quale si applica su una o entrambe le facce del supporto uno strato di patina con l’obiettivo di migliorarne le caratteristiche di bianco e liscio e di esaltare successivamente la stampa di immagini a colori. Con la patinatura si riempiono anche le cavità del supporto, ottimizzando la superficie del foglio diminuendo le sue irregolarità. La patinatura da quindi valore al foglio, influenzando l’assorbimento di inchiostro, dando resistenza meccanica superficiale al supporto, aumentando la lucidità. In ogni caso l’importanza del supporto fibroso è notevole, tenendo in considerazione, che un supporto mal eseguito non potrà mai migliorare di molto anche con una buona patina. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 4 2. BREVI CENNI SUL PROCESSO DI PATINATURA Tipicamente il film di patina ha uno spessore compreso nell’intervallo 5-20 um, corrispondente ad un peso del film di 5-20 g/m2. Solitamente, quando si desidera un grado di patinatura superiore su ognuno dei lati, vengono applicati in successione diversi strati di patina fino ad ottenere lo spessore voluto; questa procedura è dettata sia da considerazioni di natura economica (componenti meni costosi possono essere usati per gli strati di patina sottostanti) sia da restrizioni tecniche (le caratteristiche superficiali tendono a deteriorarsi al crescere dello spessore di patina applicata per ogni singolo passaggio). La patina viene applicata sul foglio di carta in apposite stazioni di patinatura, per poi essere essiccata al fine di allontanare l’acqua in eccesso e fissare i leganti al supporto fibroso. Le stazioni di patinatura ed essiccamento possono essere incorporate nelle macchine continue per la produzione del supporto, oppure installate separatamente come patinatrici indipendenti. La patina, al momento della stesura sul foglio, appare come una dispersione acquosa avente una concentrazione di solidi il più elevata possibile al fine di risparmiare energia in fase di essiccamento ed evitare un’eccessiva idratazione delle fibre del supporto dopo la stesura. Le formulazioni delle patine per la carta da stampa prevedono solitamente un contenuto di solidi compreso tra il 50% ed il 70%. Il primo ostacolo alla stesura della patina è rappresentato dal film di aria a contatto con la superficie del foglio di carta. La patina deve rimuovere completamente l’aria per poter aderire perfettamente al supporto, compito sempre più difficile in seguito alle crescenti velocità raggiunte nelle moderne macchine patinatrici. Per risolvere questo problema deve essere impiegata una quantità di patina molto più elevata rispetto alla patina richiesta per il film finale. La patina in eccesso deve quindi essere ricircolata, e questo comporta la necessità di utilizzare tubazioni e linee di pompaggio di dimensioni molto elevate in rapporto alla quantità di patina realmente applicata sul foglio di carta. Per questo motivo la tecnologia attualmente adottata per la patinatura prevede la presenza di due stadi: - applicazione della patina per coprire ogni irregolarità del supporto; - livellatura della patina allo spessore del film desiderato. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 5 Successivamente il foglio di carta patinata entra nella sezione di essiccazione dove ha inizio il processo di formazione della struttura finale del film di patina. La qualità finale del prodotto dipende fortemente da questa fase, ovvero dal modo in cui si dispongono i componenti della patina durante l’essicazione. Durante la fase di essiccazione principalmente avviene il drenaggio dell’acqua verso la superficie della patina. Se questa fase non avviene in maniera ottimale si può andare in contro a successivi problemi di assorbimento non omogeneo dell’inchiostro da stampa. Per essiccare la patina esistono diversi modi come l’essiccazione per irraggiamento tramite IR (elettrici o a gas), con cappe di aria calda o cilindri utili però solo dopo il parziale consolidamento del film di patina, quando questo ha ormai raggiunto una resistenza meccanica tale da consentirne il contatto con i rulli feltrati. Solitamente questi sistemi vengono utilizzati in abbinata fra loro. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 6 3. CLASSIFICAZIONE DELLE CARTE PATINATE Patinatine LWC (Light Weight Coated) È la carta che viene utilizzata per la realizzazione di riviste settimanali o mensili. Il supporto presenta pasta legno, è patinato su entrambi i lati, la grammatura è inferiore ai 60 g/m2, la patina depositata è 10 g/m2 per lato. Questa carta viene stampata solitamente in rotooffet o rotocalco quindi la composizione delle patine per i due processi saranno molto differenti. Nel caso di LWC rotooffset la caratteristica principale, dovrà essere la resistenza allo stress meccanico superficiale e l’uniformità di assorbenza della porosità superficiale. In entrambi i casi si dovranno avere anche una buona resistenza alle alte temperature dei forni. Pigmentate È una tipologia di carta nuova, innovativa. Qui l’apporto di patina è minima, 10g/m2 e si producono carte sempre inferiori ai 72g/m2. Sono particolarmente interessanti per l’editoria quando si vuole avere stampabilità, volume e opacità a basse grammature. Queste carte sono quindi destinate all’editoria, soprattutto quella scolastica. La carta è molto più bianca, e stampabile e permette di creare libri più leggeri, ideali per uno studente. Patinate moderne È in assoluto la tipologia di carta più utilizzata e più indicata per la stampa a foglio in genere. È presente in tutte le versioni, lucida, opaca, con pasta legno, senza pasta legno. Il termine moderna gli è stato assegnato nel dopoguerra per indicare appunto le prime carte patinate stampate ad alta velocità. Lo strato fibroso è il minimo indispensabile, mentre la patina è molta, fino ad un terzo del peso complessivo. Presenta un buon grado di bianco e liscio, tutto a favore di un ottima stampabilità. Patinate classiche Vengono indicate con questo modo quelle carte il cui supporto è interamente di cellulosa. La grammatura è compresa tra 150-350 g/m2, i grammi di patina sono 25 g/m2 per lato, presenta un grado di bianco e di lucido elevatissimo. Viene utilizzata per il libri illustrati di un certo pregio. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 7 Cartoncini patinati È un prodotto di grande consumo e si utilizza per la realizzazione della maggior parte delle scatole e degli astucci generalmente accoppiati. È quasi sempre formato dal 100% di macero, può essere bilucido e la patina è stesa in 2-3 mani ma in quantitativi limitati perché è richiesta molto rigidità. Cast Coated Con questo termine si indica una serie di cartoncini generalmente monopatinati (può comunque essere anche bipatinato) per la realizzazione in offset a fogli di astucci pregiati molto rigidi, ad esempio le confezioni dei profumi o simili. Ne esistono di svariati colori, e la patina viene stesa con un una macchina speciale ed essiccato con un monolucido; più avanti comunque tratteremo più nel dettaglio queste tipologie di macchinari. 4. FORMULAZIONI TIPICHE Qua di seguito alcuni esempi di formulazioni di patina chiamate anche ricette: - LWC Rotocalco 100 pp caolino delam./talco 4-5 pp lattice 1 pp Ca stearato - LWC Roto offset 100 pp caolino fine/carbonato 10-12 pp lattice offset (SBR) 0.3-2 pp CMC 1 pp Ca stearato Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 8 5. COMPOSIZIONE DELLA PATINA La patina è una miscela di acqua, pigmenti, leganti e additivi. Acqua L’acqua è il veicolo principale: la sua quantità risulta fondamentale per il buon ottenimento del supporto patinato. A seconda della sua percentuale si può migliorare la macchinabilità e la qualità finale della patina. Pigmenti È certamente l’ingrediente più importante, questi rappresentano il 70-80% della patina. Nella stessa ricetta possono coesistere diversi tipi di pigmenti. La scelta del pigmento dipende dalle caratteristiche di quest’ultimo, quindi grado di bianco, opacità, la forma, la grandezza, il comportamento a contatto con l’ìnchiostro, il peso specifico, ma principalmente si guarda anche l’aspetto economico, dato che tra i vari pigmenti ci sono grosse differenze di prezzo. I pigmenti più importanti sono il caolino, il carbonato di calcio, il bianco satin, il solfato di bario, il biossido di titanio, il bianco fisso, la farina fossile, il talco, i pigmenti plastico-sintetici. Ora analizzeremo le principali caratteristiche dei vari pigmenti. Copertura delle fibre Copertura delle fibre Copertura buona coper tura buona Una buona copertura si ottiene con: alti apporti patina, particelle grossolane, particelle piatte e patine con una immobilizzazione veloce. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 9 La dimensione delle particelle influenza il livello di copertura delle fibre Particelle fini copertura scarsa Particelle grossolane copertura migliore La dimensione delle particelle influenza il lucido carta Lucido alto Lucido basso Particelle più p fini miglior Particelle i ù =fin i = mlucidità i g l i or Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 10 La f orma d elle pa rticelle influenz a la c op e rtur a Pigmenti sferici scarsa coprenza Pigmenti piatti buona coprenza Caolini È uno dei pigmenti maggiormente utilizzato nelle patine. I caolini sono silico alluminati idrati presenti nel sottosuolo, è il prodotto di un alterazione naturale delle rocce. È di colore bianco ed è facile ridurlo in particelle molto fini. Esistono diversi tipi di caolino, quello americano (70% si secco) e quello inglese (65% di secco). Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 11 Le particelle di caolino sono costituite da una serie di lamelle esagonali. Proprio questa sua particolare forma lo ha reso tanto utilizzato, infatti grazie alla sua morfologia esso si dispone con la sezione esagonale in posizione parallela al foglio garantendo una serie di caratteristiche quali un elevato lucido, una buona capacità riflettente e, a contatto con l’inchiostro, formano una barriera contro quest’ultimo che penetrando con fatica nella patina resta in superficie ottenendo così una stampa brillante. I giacimenti di caolino sono classificati come primari o secondari. Quelli primari sono associati ad altri minerali non utilizzabili, come la mica, e quindi deve essere sottoposto ad un lungo procedimento di lavorazione, che consiste nell’estrazione dalla cava con getti di acqua ad alta pressione. Si filtra tutto in idrocicloni (per separare le particelle indesiderate) e sedimentare in appositi vasconi; i materiali più grossi si depositano per primi mentre il caolino, che è più fine, si deposita molto più lentamente, viene quindi fatto addensare e seccato in forni rotanti. Con questo procedimento il caolino che si ottiene è solo il 10%. Invece i caolini secondari sono trasportati dall’acqua e depositati per sedimentazione, e quindi sono più puri e più facile da estrarre rispetto ai primari. A questo punto il caolino può subire un trattamenti termo chimico di calcinazione per aumentare le sue proprietà ottiche. Si può ottenere il caolino calcinato, riscaldando il caolino a 1000 C. cosi facendo si avrà un aumento del grado di bianco, una forte opacità (dato che le particelle si agglomerano in maniera voluminosa) ma per contro Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 12 ha un alta abrasività. Il caolino calcinato ha un 50% di secco. Un altro tipo è il caolino delaminato in cui gli agglomerati sono ridotti a singole lamelle ottenendo un pigmento con alte caratteristiche di coerenza, per contro ci possono essere problemi reologici. Per la particolare struttura chimica del caolino si possono effettuare due tipi di dispersioni: in fase acquosa a pH 9 con soda, o sempre in fase acquosa ma a 7.5 con disperdenti anionici. La quantità dei prodotti dipende dalla forma e distribuzione granulometrica delle particelle. Se il caolino viene disperso in concentrazioni elevate si avrà una buona ritenzione idrica. L’elevato fattore di forma porta infatti alla creazioni di cammini molto tortuosi per l’acqua che impiega così molto tempo a raggiungere le zone superficiali. Il caolino viene molto utilizzato nelle carte rotocalco. Carbonato di calcio Il carbonato di calcio naturale si trova in molte formazioni rocciose. È un altro dei pigmenti maggiormente utilizzati perché facilmente reperibile e ha un costo molto inferiore al caolino. A seconda del processo di otteniemento presenterà gradi di lucidabilità, caratteristiche, e soprattutto finezze (“l’unità di misura del carbonato di calcio”) diverse. Presenta un grado di bianco elevatissimo, una lucidità direttamente proporzionale alla finezza (inferiore a quella del caolino) un buon grado di assorbenza. La luminosità e l’assorbenza sono influenzate dal materiale roccioso da cui proviene il carbonato: il massimo si ottiene da carbonati provenienti da marmo (esempio Carrara) e i minimi dal gesso. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 13 Il carbonato di calcio, al contrario del caolino, presenta pochissime impurità (meno del 4%). Attualmente quasi tutto il carbonato di calcio utilizzato in cartiera è sotto forma di slurry dato gli elevati vantaggi che ha, quali risparmio energetico, assenza di polveri, facilità di pompaggio. Per la dispersione si usano solitamente poliacrilati e i polifosfati di sodio in una percentuale che varia da 0,1% e l’1%. Si può ottenere per ventilazione del carbonato macinato o per precipitazione con anidride carbonica da latte di calce (in questo caso viene chiamato precipitato). Il carbonato di calcio naturale invece si ottiene per macinazione del marmo in mezzo acquoso, che è anche la tecnica più utilizzata. A seconda della regolazione delle varie variabili del processo si possono ottenere pigmenti con diverse grandezze. Anche il carbonato di calcio si classifica in finezza. Un carbonato fino contiene il 95% di particelle inferiori ai 2 micron. Il carbonato di calcio è gia disponibile disperso. Il carbonato di calcio naturale mostra un ottimo comportamento reologico in virtù principalmente della forma cristallina romboedrica. L’utilizzo invece di carbonato di calcio precipitato in assenza di lubrificanti, può invece portare a problemi per le scarse proprietà reologiche. Il carbonato di calcio Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 14 precipitato si presenta sotto forma di cristalli aciculari di aragonite ad alto fattore di forma, con una distribuzione granulometrica piuttosto stretta. Manifesta una buona ritenzione idrica, ottima opacità ed una elevatissima luminosità. I livelli di lucidità dipendono molto dalla dimensione delle particelle utilizzate. Questi livelli sono comunque limitati rispetto ai valori cui giungono patine di caolino. Luminosità e opacità del film sono influenzate dal materiale roccioso da cui proviene il carbonato. Riassumendo i fattori che portano ad utilizzare il carbonato di calcio come pigmento sono: - ottime proprietà reologiche; - alti livelli di solido raggiungibili; - risparmio energetico; - domanda di legante inferiore rispetto al caolino; - alta luminosità con maggiore efficienza degli agenti ottici; - buon comportamento nella sezione di seccheria; - buona qualità di stampa. Quindi, concludendo, il carbonato di calcio è un ottimo pigmento per il miglior rapporto tra performances e prezzo. Dato l’elevato grado di impaccamento che possiede è possibile usare molto meno legante. Viene utilizzato molto nelle patine per stampa offset. Biossido di titanio Il biossido di titanio si ottiene partendo dalla ilmenite (titaniato di ferro), è disponibile in due tipologie di forme: il rutilio, più compatto e più opaco e l’anatasio con meno proprietà ottiche. Il biossido di titanio viene comunque impiegato raramente nelle patine dato il suo costo elevato, e sempre più viene sostituito dal caolino; infatti è in assoluto il pigmento più costoso dato che si ottiene attraverso processi chimici molto complessi e lunghi. Bianco satin Il bianco satin si ottiene facendo reagire il solfato di alluminio e latte di calce in condizioni particolari. Per le caratteristiche finali del prodotto sono molto importanti le numerose variabili di ottenimento. Il bianco satin ha proprietà di elevato lucido e brillantezza. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 15 Solfato di bario (o bianco fisso) Il solfato di bario, chiamato anche bianco fisso, si ottiene dal cloruro di bario. Ha un grado di bianco molto elevato, è molto puro, e viene utilizzato nelle patine per carte di alta qualità. L’unico svantaggio di questo prodotto è che non si può disperdere una volta fatto seccare. Talco È un silicato di magnesio idratato. La forma del talco è generalmente lamellare e con dimensioni molto variabili in funzione della località di estrazione e della tipologia di deposito. Il talco viene usato quando si vuole avere coperture molto alte. Gesso I pigmenti del gesso si ottengono tramite macinazione. Ha caratteristiche molto simile al carbonato di calcio. Un grosso vantaggio che ha rispetto al carbonato di calcio è la capacità di rimanere più stabile al variare del pH, e anche la minor densità a parità di grammatura, che permette quindi di depositare uno strato superiore di patina. Pigmenti plastico-sintetici Questi particolari pigmenti hanno la caratteristica di donare un grado di lucido molto elevato anche senza l’impiego di calandratura. Sono molto costosi e si presentano solitamente sottoforma di sfere piene o cave, di solito di polistirene. Essendo molto leggeri permettono di ottenere carta patinata più leggera a parità di patina applicata. Leganti I leganti sono tutti quei prodotti che vengono aggiunti alla patina, con lo scopo di legare i pigmenti e di farli aderire alla carta. Sono il secondo componente per percentuale all’interno della patina dopo i pigmenti. Questi devono avere delle caratteristiche ben precise che sono: - legare i pigmenti al supporto fibroso; - legare i vari pigmenti tra di loro; - capacità di confluire delle caratteristiche particolari alla patina, in modo da modificare la reologia e la ritenzione; - trattenere l’acqua della patina in modo da evitare che penetri nel supporto. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 16 La quantità di legante che verrà aggiunta sarà molto importante per la buona riuscita del prodotto. Le caratteristiche che deve avere un legante sono: - ottimo potere legante; - buona ritenzione idrica; - influenza desiderata sulle proprietà reologiche del sistema; - elevata solubilità o miscelabilità in acqua; - buona compatibilità con gli altri componenti della patina; - buona stabilità chimica; - buona resistenza meccanica; - buone proprietà ottiche; - scarsa tendenza alla formazione di schiuma; - atossicità; - resistenza all’attacco da parte di batteri; - basso costo e buona disponibilità sul mercato. Di seguito descriverò brevemente le principali tipologie di leganti utilizzati. Lattici I lattici sono molto importanti e utilizzati, perché possiedono buona parte delle caratteristiche sopra elencate. Il lattice da in genere anche rigidità finale e crea un film che limita lo spolvero in fase di patinatura. Sono definiti come dispersioni acquose o non acquose di particelle colloidali di polimeri aventi dimensioni comprese tra 0.01 um e 1 um. I lattici appaiono di colore bianco, perché le particelle disperse diffondono la luce incidente. Ciò avviene in seguito al diverso indice di rifrazione tra particelle polimeriche e l’acqua. All’aumentare della concentrazione di solidi o della dimensione delle particelle disperse, il lattice apparirà blu acceso, giallo o tendente al rosso. Esistono tre classi di lattici attualmente usati nella patinatura della carta: 1. Lattici di stirene butadiene, copolimero reticolato costituito da segmenti di catena rigidi (stirene) e da segmenti elastici (butadiene). Il rapporto è solitamente 2:3 o 2:1. Sono molto utilizzati per l’elevata forza legante e la buona lucidità ottenibile per le superfici stampate. Funge anche da agente di trasferimento della catena (polimeri), caratteristica che le altre tipologie di lattice non possiedono; è il più economico, asciuga velocemente ma per contro ha odore sgradevole e ingiallisce con il tempo. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 17 L’odore sgradevole è legato a composti volatili, dovuto alle materie prime e sottoprodotti di reazione, soprattutto se sottoposti a luce UV perché tendono a decadere. Per l’ingiallimento le cause possono essere: - i doppi legami che non hanno reagito e che possono ossidare; - la perdità di potere dello sbiancante; - la presenza di pasta legno (e quindi il lattice non c’entra niente). 2. Lattici di stirene-n-butil-acrilato copolimero lineare in cui l’n-butil-acrilato costituisce il monomero elastico. Consentono un elevato tenore di solidi nella patina, una buona scorrevolezza sotto la lama, alta lucidità superficiale ed ottima resistenza all’esposizione alla luce; non avvengono reazioni di decadimento (quindi niente odori o ingiallimento). Per contro hanno un’elevato costo dovuto sia al costo del lattice vero e proprio, ma anche al fatto che esso ha uno scarso potere legante e quindi bisogna impiegarne di più. 3. Lattici di polivinil-acetato omopolimero lineare. A differenza delle altre tipologie di lattice tendono ad idrolizzare producendo alcool polivinilico. Hanno quindi una più spiccata affinità per l’acqua, con conseguenti livelli di viscosità e porosità delle patine rispetto agli altri lattici. Per il comportamento dilatante alle alte velocità di deformazione, vengono utilizzati solo in patine a bassa percentuale di solidi. Portano ad ottime coperture superficiali, e sono molto utilizzati nella patinatura di cartoni. Le prime due tipologie di lattice sono ampiamente compatibili con i pigmenti e i co-leganti e tendono ad aumentare la propria stabilità della formulazione I lattici di polivinil-acetato sono anch’essi molto stabili, se isolati tendono a reagire con le particelle di caolino disperso formando ponti idrogeno e quindi di conseguenza la formazione di strutture più aperte. Quindi le patine contenenti lattici polivinilacetato e caolino hanno una viscosità nettamente superiore alle altre tipologie. In effetti, il comportamento reologico della patina, la concentrazione di solidi immobilizzati, il grado di copertura, la struttura della patina asciutta, la luminosità, la lucidità e l’opacità sono strettamente legate alle proprietà colloidali del lattice utilizzato e all’entità delle interazioni tra lattice, pigmenti, e additivi nella formulazione della patina. Per modificare le proprietà della carta patinata (ottenendo una copertura superiore delle fibre, un aumento della porosità del film e della levigatezza superficiale), è possibile modificare la stabilità della patina umida tramite l’aggiunta di flocculanti polimerici. Anche le proprietà reologiche della patina Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 18 dipendono fortemente dalle caratteristiche chimico-fisiche del lattice, e quindi dalla stabilità colloidale, dalla distribuzione granulometrica delle particelle polimeriche disperse, dal pH e dal livello di deformabilità delle particelle. Alcuni esempi: all’aumentare del pH si assiste ad una riduzione delle viscosità ad alte velocità di deformazione; se si usano flocculanti, diminuisce la lucidità della carta. L’assorbimento di inchiostro sulla superficie patinata è strettamente legato alla percentuale di lattice nella formulazione: maggiore è la quantità di legante, minori saranno l’assorbimenti e la diffusione dell’inchiostro. I lattici di polivinil acetato portani a superfici più assorbenti rispetto ai lattici stirene butadiene e acrilati. L’assorbimento cresce in genere all’aumentare delle dimensioni e della rigidità di catena delle particelle polimeriche del lattice. Amido L’amido è un polimero di origine naturale del glucosio che viene prodotto dalle piante come riserva energetica. L’amido è molto simile alla cellulosa, di differenza solamente per la configurazione spaziale che nella prima è una struttura fibrosa, mentre nella seconda è una struttura granulare. A seconda che le catene siano ramificate o non ramificate prendono il nome di amilopectina o amilosio. Per l’uso in cartiera si utilizza amido proveniente da mais, patate e frumento. Gli amidi che vengono utilizzati sono però modificati mediante conversione enzimatica o termochimica per ottenere una reologia migliore e altre proprietà specifiche (ad esempio esterificati, ossidati ecc). Solitamente si acquista già amido modificato, ma si potrebbe anche acquistare amido nativo e modificarselo in cartiera secondo le proprie esigenze. Va sempre tenuto in agitazione e ad una temperatura elevata per evitare che solidifichi diventando inutilizzabile. Naturalmente l’amido viene dosato in funzione del tipo di prodotto che poi si realizzerà. Ad esempio nella produzione di patine per carte patinate l’amido non si usa: questo perché nella stampa rotocalco, è essenziale il liscio e la comprimibilità della carta (la “sofficità”), indispensabile per il buon trasferimento dell’inchiostro, dato che la forma è costituita da microcellette e questa caratteristica non viene data dall’amido. Proteine Le proteine sono molto pregiate perchè danno ottime caratteristiche alla patina, molto apprezzabile poi in fase di stampa, soprattutto per quel che riguarda la chiusura del foglio e il lucido. Generalmente provengono da semi di soia; il processo di lavorazione Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 19 è abbastanza semplice, viene rimosso l’olio (20%) con solventi opportuni, si estrae la proteina e modificandola geneticamente gli si impartisce le caratteristiche specifiche. Caseina La caseina è un altro legante in concorrenza con le proteine di soia. Rispetto alla proteine garantiscono una uniformità del prodotto minore. La caseina si ottiene dal latte vaccino per acidificazione, le caratteristiche sono molto variabili a seconda della zona di origine e del tipo di latte. Viene utilizzato in piccole quantità insieme al lattice. CMC (carbossilmetilcellulosa) La carbonmeticellulosa si produce a partire dalla cellulosa, idrossido di sodio e acido monocloroacetico in solvente polare (alcol). Si procede poi alla purificazione, filtrazione ed essiccamento. La cmc favorisce vistosamente la ritenzione idrica della formulazione, (data l’elevata affinità con l’acqua), è un buon trasportatore degli agenti ottici e funge da lubrificante sotto la lama. Viene usata in piccolissime quantità insieme al lattice, dato che può causare aumenti di viscosità se si usano patine con secco elevato. Viene aggiunta o in polvere, o diluita con l’acqua. La cmc è molto resistente alle sollecitazioni meccaniche, ed è un materiale fortemente assorbente e poroso, che tende ad assorbire acqua e leganti disciolti dalla patina idratandosi e perdendo le volute proprietà meccaniche. PVA o PVOH alcool polivinilico L’alcool polivinilico viene prodotto in un processo che comprende la polimerizzazione radicalica dell’acetato di vinile e un alcolisi. Il prodotto di reazione viene quindi liberato dai componenti volatili e dai sottoprodotti prima di essere essiccato e macinato. Il polimero che si ottiene è completamente solubile in acqua. Il PVA viene utilizzato come addensante e per questo viene mantenuto sotto forte agitazione meccanica e a temperature elevate. Svolge un’ottima azione stabilizzante sulla sospensione, è un buon agente di ritenzione, ma principalmente il suo compito è quello di creare una struttura resistente nel film di patina. Le patine che contengono PVA sono di colore più bianco e brillanti. Un altro suo compito molto importante è quello di aiutare la buona azione dello sbiancante, che altrimenti sarebbe poco efficiente. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 20 Addensanti e co-leganti sintetici Addensanti e co-leganti sintetici modificano profondamente le proprietà reologiche delle patine, la ritenzione idrica, le proprieà fisiche del film applicato dopo l’essicazione. Donano caratteristiche di porosità, levigatezza e luminosità superficiali. Additivi Gli additivi utilizzati nelle patine costituiscono un gruppo eterogeneo di composti classificabile sulla base delle specifiche funzioni nella formulazione; sono molto utili per evitare problemi nelle fasi successive (ad esempio calandratura). Gli additivi più importanti ed utilizzati sono: - lubrificanti che servono per far scorrere meglio le particelle; - umettanti che migliorano la bagnabilità della carta; - disperdenti che aiutano ad una buona disposizione del preparato; - antischiuma che appunto evitano la formazione della schiuma nella patina; - addensanti che servono per aumentare la viscosità della patina; - fluidificanti che hanno la funzione opposta degli addensanti; - insolubilizzanti che servono per rendere la patina più resistente all’acqua (utilizzati per carte da stampa in cui il processo prevede l’utilizzo di acqua); - preservanti-biocidi-biostatici, che evitano la formazione e/o riproduzione di funghi e batteri; - stabilizzatori di pH; - coloranti che impartiscono, anche quando la patina è bianca, una sfumatura di tinta per una questione estetica e per coprire particolari colori dei pigmenti; - agenti ottici come sbiancanti o candeggianti ottici; Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 21 6. LA CUCINA PATINE E LA RICETTA Per cucina patine si intende quella zona della produzione in cui, seguendo una ricetta, si fabbrica la patina e la si fa arrivare alle macchine patinatrici. Miscelando nelle giuste dosi i componenti, modificando le variabili, quali temperatura, secco, diluizione e tempo, si possono ottenere patine con caratteristiche diverse. La cucina patine deve essere strutturata in modo da risultare versatile, per poter far fronte velocemente a problemi che possono insorgere, o a modifiche da effettuare. 7. L’IMPORTANZA DEL SUPPORTO Naturalmente anche se si patina ad un buono livello qualitativo non si può risolvere problemi di fabbricazione del supporto. Un buon foglio di carta deve essere costituito da un buon supporto e un buon strato di patina. Il supporto deve quindi avere le caratteristiche chimico-fisiche fondamentali per la qualità del prodotto fibroso. Molto importante è il liscio della carta e il grado di assorbenza. In ogni caso la carta deve avere una certa rugosità tale da consentire alla patina di depositarsi sulla carta. Anche la composizione del supporto influenza la fase di patinatura, come, ad esempio, la presenza o meno di pasta legno che può influenzare l’assorbimento. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 22 8. CAST COATING Queste tipologie di macchine danno origine ad una carta molto brillante e lucida anche senza calandratura. Si tratta di carte che possono essere monopatinate, di svariati colori, e si utilizzano per prodotti di pregio, come astucci ad alto livello qualitativo (es per profumi). Ad esempio nello stabilimento presso cui lavoro si patina solo un lato della carta. L’apporto di patina è di circa 20-25 grammi, ma può arrivare anche fino a 30, e viene steso in una sola mano. L’alto lucido viene assicurato dall’azione di un cilindro monolucido di diametro molto grande di cromo elettrolitico, riscaldato, perfettamente levigato che trasmettera la caratteristica di lucidità alla carta. Questo cilindro cromato è molto sensibile e quindi viene tenuto sempre in temperatura, anche quando non è attivato; circa 120 gradi in fase di utilizzo, e 100 quando non è in funzione. Data la presenza di questo cilindro la macchina deve girare molto piano, non più di 150 m e per questo tale lavorazione esiste solo fuori linea. La patina viene asciugata con delle batterie di infrarossi e con la cappa ad aria calda. Dato che non si patina il retro sono presenti dei cilindri con vapore, o ugelli per regolare il profilo dell’umidità ed evitare l’imbarcamento del foglio. Molto importante per trasmettere il lucido al foglio è il fatto che la carta deve giungere a perfetto essiccamento solo nel momento in cui si distacca spontaneamente dal cilindro (assumendo una superficie a specchio). Naturalmente con questa tecnica non è possibile patinare entrambi i lati della carta. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 23 9. LA LAMA D’ARIA Il sistema cast coating è abbinato ad un sistema a lama d’aria. Una lama d’aria al posto di quella metallica elimina l’eccesso di patina precedentemente dosata sul foglio da un cilindro applicatore. La pressione dell’aria, la temperatura, e l’incidenza della lama sono variabili molto importanti che possono incidere sulla qualità finale del prodotto patinato. Solitamente l’angolo di incidenza è 45 gradi. La lama d’aria fuoriesce da una fessura trasversale al foglio, l’eccesso della patina tolto tornerà nella vaschetta e sarà tenuta sotto agitazione, in modo da poter essere riutilizzata. Il sistema ad aria permette di stendere la patina in maniera uniforme senza rovinare la carta. Dati i costi elevati e le basse velocità, questa tecnica viene impiegata per macchine fuori linea e per la produzione di carte particolari e speciali. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 24 10.CARATTERISTICHE DELLA CARTA AL VARIARE DELLA CONCENTRAZIONE E DELLA TIPOLOGIA DEL LEGANTE (in particolare lattice e amido) Quantità di legante e lucido carta 65 Lucido 60 55 50 16 14 12 10 pp legante All’aumentare delle particelle di legante diminuisce il lucido carta. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 25 8 Quantità di legante e influenza sulle caratteristiche ottiche 72 92 91 70 90,5 90 68 89,5 66 89 16 14 12 10 8 pp legante All’aumentare della quantità di legante vi è una riduzione del grado di bianco e dell’opacità. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 26 Opacità Grado di bianco 91,5 Effetto del legante sulla resistenza allo strappo 100 Wet Pick Strength 80 60 40 20 0 16 14 12 10 8 pp legante All’aumentare della quantità di legante presente aumenta la resistenza allo strappo. Ora verranno riproposti gli stessi grafici mettendo in evidenza cosa succederebbe al variare del rapporto tra lattice e amido. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 27 hp: il lattice ha potere legante doppio rispetto all'amido. 2000 1500 65 1000 63 500 61 0 12:0 11:2 10:4 9:6 8:8 7:10 6:12 Lattice/amido 70 Lucido carta 65 60 55 50 45 12:0 11:2 10:4 9:6 8:8 7:10 Lattice / amido Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 28 6:12 B100 Viscosity (mPas) secco patina(%) 67 Effetto del tipo di legante su tempi di asciugamento e lucido di stampa 26 24 22 30 20 18 20 16 Deltagloss (Print-paper) Time to Maximum Ink Tack (s) 40 14 10 12 10 0 12:0 11:2 10:4 9:6 8:8 7:10 6:12 Lattice / amido Effetto della durezza del lattice sul lucido carta Lucido carta 55 50 45 40 15 20 25 30 35 40 Temperatura di transizione vetrosa (Tg,°C) Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 29 45 Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 30 CONCLUSIONI I seguentio parametri conducono ad un aumento di lucido carta: - Ridurre la quantità di amido - Ridurre la quantità totale di legante - Utilizzare un lattice più rigido (con Tg più elevata) - Ridurre la dimensione media delle particelle - Ridurre la quantità di CMC Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 31 BIBLIOGRAFIA - Appunti corso cartari anno corrente e precedenti; - Svariato materiale visionato all’interno dello stabilimento di Verona; - Reologia dei sistemi dispersi per la patinatura della carta; - Appunti di tecnologia cartaria del prof. Paolo Zaninelli. Dal Corso Andrea - La composizione della patina - 32