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.
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1. CHE COS’È LA PATINATURA E SUOI
OBIETTIVI
Car ta no n pati na ta
Car ta pa ti nata
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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).
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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)
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45
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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
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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.
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