Exploration de la capacité des papiers modifiés imprimables pour l'application dans l'impression par transfert par sublimation thermique de tissu en polyester

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6536 (2023) Citer cet article

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Dans ce travail, des papiers de transfert thermique ont été chargés avec un nouveau pigment noyau-coque basé sur la précipitation d'une fine couche de dioxyde de titane sur un noyau de cendre de silice de balle de riz TiO2 / RHSA à appliquer dans l'impression par sublimation thermique de tissus textiles. En outre, 0,1 % (p/p) de polyacrylamide cationique (CPAM) et 1 % (p/p) de bentonite (Bt) ont également été ajoutés séquentiellement pour améliorer le drainage et la rétention de la charge des feuilles de papier fabriquées à partir de pâtes de bagasse kraft blanchies. L'effet du nouveau pigment noyau-enveloppe sur les propriétés mécaniques et de barrière, la stabilité thermique et la morphologie de surface des feuilles de papier modifiées a été étudié. En outre, l'étude de l'imprimabilité par transfert et de la facilité de libération du colorant du papier au tissu dans cette impression par transfert thermique de tissus en polyester utilisant la sérigraphie sous différents paramètres de transfert a été étudiée. En outre, les mesures de solidité, y compris le lavage, la lumière et la transpiration du tissu en polyester d'impression ont également été estimées.

Le papier est un matériau souple constitué de pâte de cellulose, dérivée de nombreuses sources naturelles et utilisée dans de nombreuses applications1. L'une des utilisations les plus importantes du papier est l'impression, qui est une méthode de reproduction d'images ou de textes à l'aide d'un modèle ou d'un formulaire maître sur une surface solide, par exemple du papier, des textiles et des murs. L'impression par transfert thermique par sublimation est considérée comme l'un des styles d'impression les plus importants, les plus propres et les plus récents2. Cette méthode d'impression simple présente un certain nombre de caractéristiques souhaitables, telles qu'un besoin réduit en énergie et en eau, aucun besoin de post-traitement, une technique d'impression bon marché, une maintenance et un investissement en équipement réduits, et une méthode sans effluent en plus de produire une image claire et respectueuse de l'environnement3,4. Malgré les nombreux avantages de l'impression par transfert thermique, l'inconvénient le plus important est que le papier, bien qu'il puisse être utilisé une ou parfois deux fois dans de rares cas, et selon le coût du papier, ce procédé peut être très coûteux. Les propriétés du papier telles que la rugosité, la porosité et la taille des pores, la brillance, la perméabilité, les propriétés de couleur et la blancheur sont les facteurs les plus importants qui ont un effet sur l'imprimabilité (la conséquence des interactions entre le papier d'impression, l'encre et le périphérique) et le processus de réalisation du transfert et l'apparence de l'image et le degré de couleur des imprimantes5,6. De plus, la taille des fibres et la porosité du papier jouent un rôle essentiel dans l'acceptation de l'encre. De plus, l'existence de certaines charges, d'agents d'encollage ou d'additifs peut conférer des caractéristiques particulières au papier.

L'argile, le carbonate de calcium, le kaolin, le talc et le dioxyde de titane sont des exemples de charges les plus utilisées7,8. Leur utilité n'est pas seulement économique mais ils peuvent également conférer au papier des propriétés importantes telles que l'opacité, le bouffant, le lissé, l'égouttage de la pâte et la rétention qui sont cruciales pour la qualité du papier.

La balle de riz (RH) contient de la cellulose (50%), de la lignine (30%) et des composés organiques (20%) avec une valeur nutritionnelle réduite et une teneur élevée en silice9,10. La cendre de balle de riz (RHSA) est un matériau léger, volumineux et très poreux qui est utilisé dans une variété d'industries, notamment la céramique, la brique et le béton. L'une de ces applications est son utilisation comme charge dans la fabrication du papier, mais exposer le papier à des températures et à une pression élevées pendant l'impression par transfert de chaleur nécessite un papier solide qui peut résister aux conditions d'impression difficiles sans être déchiré ou brûlé. La stabilité thermique, la résistance et la résistance mécanique sont les caractéristiques les plus importantes qui doivent être prises en compte lors de l'application d'un papier spécifique dans l'impression par transfert thermique par sublimation. Contrairement au papier d'impression traditionnel, le papier d'impression par transfert thermique doit être conçu pour libérer la plus grande quantité possible d'encre ou de colorant sur sa surface11.

Les pigments cœur-coquille sont une nouvelle tendance des pigments structurés, contenant une fine coque ne dépassant pas (15–20%) déposée sur un noyau majeur représentant environ (85–90%) de la composition pigmentaire. Ce nouveau pigment structuré avec ses différents composants peut pallier les carences de ses individus, en plus de conférer des propriétés nouvelles et améliorées au domaine d'application. Un bon choix des deux composants (cœur et coque) peut apporter un comportement plus performant. L'utilisation bénéfique des pigments structurés cœur-coquille est basée sur le fait que la coque est très fine et que c'est le composant qui est directement exposé au milieu environnant, c'est-à-dire peut subir la réaction principale avec le milieu et puisqu'il ne recouvre que partiellement le noyau, alors le noyau peut encore participer à la réaction sans être complètement protégé. Le pigment structuré noyau-coque utilisé dans ce travail est composé d'une coque de dioxyde de titane précipitée sur un noyau de cendre de silice de balle de riz7,12,13.

La bentonite est constituée principalement de montmorillonites (jusqu'à 90 %) avec des traces de silice, de quartz et sa formule chimique générale est Al2Si4O10(OH)2. Dans la fabrication du papier, la bentonite est utilisée pour deux objectifs ;

Adsorbant les contaminants tels que les colloïdes de bois, qui interagissent avec les additifs de procédé pour améliorer le drainage et la rétention.

De plus, des interactions peuvent se produire entre les bentonites et les polymères ou colloïdes cationiques. Ces interactions résultent des forces électrostatiques dues à la densité de charge de surface élevée de la bentonite, et elles sont très probablement affectées par l'étendue du gonflement de la bentonite et la surface résultante14,15.

L'utilisation d'agents de rétention est particulièrement nécessaire lors de l'ajout de charges minérales dans la suspension de pâte en raison de leur petite taille. Généralement, l'ajout de polymères (par exemple polyacrylamide cationique), qui sont utilisés comme aides à la rétention dans la suspension fibreuse peut conduire à créer une charge positive, de telle sorte qu'ils peuvent être adsorbés sur les particules anioniques (fibres et fines cellulosiques, charges), et peuvent ainsi induire une floculation par des mécanismes de pontage pour augmenter significativement la rétention16.

Ce travail de recherche est conçu pour étudier l'effet d'un nouveau pigment noyau-enveloppe basé sur la précipitation de dioxyde de titane sous forme d'enveloppe à la surface de la cendre de balle de riz représentant le noyau. Ce nouveau rôle du pigment sur l'imprimabilité des feuilles de papier bagasse blanchi et son effet sur leur stabilité thermique ont été étudiés. En outre, la recherche a été étendue pour étudier la possibilité d'utiliser des papiers modifiés imprimés comme papiers de transfert thermique et l'étude de leur imprimabilité par transfert (facilité de libération du colorant du papier aux tissus) dans l'impression par transfert par sublimation thermique de tissus en polyester dans différentes conditions de transfert (temps et températures). De plus, les mesures de solidité des tissus polyester imprimés (lavage, lumière et transpiration) ont été estimées selon les méthodes standards.

La balle de riz (RH) a été collectée auprès des gouvernements du delta du nord de l'Égypte, lavée, séchée au four à 105 ° C pendant la nuit et enflammée dans un moufle à 650 ° C pendant 3 h pour former de la cendre de silice de balle de riz (RHSA), qui est utilisé sans autre traitement. La pâte de bagasse kraft blanchie a été fournie par Quena Company for Pulp and Paper, Quena, Égypte. La bentonite (Bt) a été fournie par Egypt Bentonite & Derivatives Company. Elle se caractérise par sa faible teneur en montmorillonite (59%), sa forte teneur en silice (18%). Une suspension de bentonite à 1 % (p/p) a été préparée en utilisant un agitateur à 4 000 tr/min pendant 4 h. Le polyacrylamide cationique commercial (CPAM) de poids moléculaire élevé (environ 1,106) de BASF (Percol®55) a été dilué à 0,1 % (p/p) en le dissolvant dans de l'eau déminéralisée sous agitation. Le carbonate de calcium broyé (GCC) a été fourni par la société OMYA sous le nom commercial Hydrocarb®. Un tissu en polyester de 150 g/m2 (fourni par une société du secteur privé égyptien) a été traité avec 0,5 g/l de détergent anionique et 1 g/l de carbonate de sodium à 70 °C pendant 1 h, puis ils ont été lavés et séchés à l'air à température ambiante. Le Bercolin CPK a été fourni par Berssa-Turkey comme agent épaississant ; le colorant dispersé Dianix Classic Turquoise Blue S-GL (Disperse Blue 60) a été fourni par Dye Star Company; et 60 g de papier de transfert ont été fournis par Protucal Soporcel Company.

La balle de riz a été calcinée à 650 ° C, puis elle a été broyée à la forme la plus fine par broyage à boulets pour former de la cendre de silice de balle de riz RHSA. Après la formation de RHSA ; 2 mg de tétrachlorure de titane ont été ajoutés à 100 ml d'acide chlorhydrique, puis le RHSA broyé a été plongé dans cette solution sous agitation à très haut régime. Une fois les vapeurs disparues, la solution a été laissée se déposer, puis une solution d'ammoniac à 30 % a été ajoutée goutte à goutte à la pâte formée pour faciliter la précipitation du dioxyde de titane à la surface du RHSA et ajuster le pH de la solution pour assurer la précipitation complète du dioxyde de titane à la surface du RHSA. Après cela, la pâte formée a été filtrée à travers le système Buchner et lavée soigneusement. La dernière étape consistait à calciner la pâte à 750 ° C, puis à la soumettre à un broyage à billes pour atteindre une taille de particule appropriée.

Des photos au microscope électronique à balayage (SEM) des différents échantillons ont été enregistrées sur un microscope Quanta FEG-250 à une tension de 10 kV. Pour éviter la charge, les échantillons ont été recouverts d'or par pulvérisation avant la numérisation.

Le pigment préparé a été examiné en utilisant la technique (JEOL JX 1230) avec une sonde électronique de micro-analyseur (Japon). Cette technique montre une coupe transversale des particules et détermine la taille des particules des pigments préparés.

L'analyse élémentaire et la composition chimique de RH et RHSA ont été effectuées à l'aide de la spectroscopie de fluorescence X à dispersion d'énergie (Axios 2005, PANalytical, Pays-Bas).

Le TGA et le DTG des papiers modifiés ont été étudiés par un instrument de calorimètre à balayage différentiel. Sur l'instrument de thermobalance SDTQ-600 (TA-USA), 10 mg d'échantillon ont été chauffés à 800 ° C à une vitesse de chauffage de 10 ° C min-1 dans un flux d'azote à un débit de 100 ml min-1.

Les feuilles de papier ont été préparées en utilisant la méthode standard suédoise (SCAN-CM 64:00) et la pâte de bagasse kraft blanchie a été battue dans un batteur de vallée jusqu'à 30oSR. Des feuilles à la main au grammage de 68 g/m2 ont été formées et les quantités de carbonate de calcium broyé, GCC, TiO2, RHSA et TiO2/cendre de silice de balle de riz (TiO2/RHSA) ont été dosées en (5, 10, 15, 20 et 25 %). Ces charges ont été ajoutées à la suspension de pâte et agitées pendant 15 min. Le CPAM a été ajouté, suivi de la bentonite avec sa concentration optimale (0,1% CPAM et 1% Bt) qui est basée sur une étude précédente17. Après chaque addition, la suspension de pâte a été agitée pendant une minute. Enfin, la suspension a été versée dans la feuille formée en la diluant à environ 6-7 litres et en l'égouttant. Les feuilles à main ont ensuite été conditionnées à 25 °C et 50 % d'humidité relative avant le test. La liste des abréviations et le nom des échantillons sont inclus dans le tableau 1.

Les propriétés de résistance (indices de traction, d'éclatement et de déchirure) des feuilles de papier ont été déterminées selon les normes Tappi. La moyenne et l'écart type des mesures ont été calculés sur la base de cinq répétitions pour chaque échantillon. L'essai de résistance à la traction a été mesuré selon la méthode standard TAPPI (T494-06) à l'aide d'une machine d'essai universelle (LR10K ; Lloyd Instruments, Fareham, Royaume-Uni), avec une cellule de charge de 100 N à une vitesse de traverse constante de 2,5 cm/min.

Des feuilles de papier avec la quantité cible de charge incorporée dans chaque feuille (0,24 g) ont été incinérées dans un four à moufle à 525 °C selon TAPPI T211om-93, et les valeurs de poids de cendres ont été calculées. La rétention de charge (R) a été évaluée et estimée à l'aide de l'équation suivante ;

où A1 est le poids total de cendres dans la feuille chargée de charge, A2 est le poids de cendres dans la feuille non chargée provenant des fibres de pâte, et A est le poids de charge inclus dans chaque feuille.

Les valeurs de perméabilité à l'air des feuilles de papier ont été mesurées à l'aide d'un testeur de lissé et de porosité bendtsen fabriqué au Danemark, Andersson Sorensen, Copenhague (testeur de perméabilité à l'air) basé sur la norme ISO 5636:3. La perméabilité à l'air a été déterminée en mesurant le débit d'écoulement d'air sous une pression standard entre la surface du papier et deux anneaux métalliques annulaires concentriques appliqués sur le papier. La perméabilité à l'air d'une bande de papier est un paramètre physique qui caractérise le degré de résistance de la bande au flux d'air.

L'absorption d'eau de feuilles de papier modifiées chargées de noyau-enveloppe (TiO2/RHSA) a été mesurée. La méthode de test Cobb est généralement utilisée pour la mesure de l'absorption d'eau. Les échantillons ont été découpés en rectangle de taille 10 × 10 cm, et les feuilles de papier pesées ont été placées dans un appareil Cobb ; 100 ml d'eau ont été ajoutés sur le papier et laissés pendant 60 s, puis versés. La feuille de papier a été bien séchée entre deux papiers filtres et pesée.

La recette de la pâte d'impression est définie comme suit ; 3:3:94 (colorant dispersé : épaississant synthétique : eau). Les feuilles de papier de transfert préparées et commerciales sont imprimées manuellement par la formulation précédente, en utilisant une technique de sérigraphie et laissées sécher à l'air.

Le tissu en polyester a été imprimé via une technique de transfert par sublimation en utilisant l'ancien papier imprimé sérigraphié. La source de chaleur est une presse à plat de 40 × 25 cm. Les temps de transfert et les températures sont (30, 60 s) et (170, 190 et 210 ° C), respectivement. Les échantillons imprimés sont mis à refroidir à température ambiante, avant que le papier ne soit retiré.

L'intensité de la couleur (K/S), les paramètres de couleur CIELAB L*, a*, b* et ∆E des impressions sont évalués par Hunter Lab (Ultra scan-PRO D65, États-Unis, à un maximum de λmax680 (nm). Les intensités de couleur (K/S) des échantillons imprimés ont été mesurées à l'aide de la relation Kubelka-Munk ;

où S fait référence au coefficient de diffusion, K fait référence au coefficient d'absorbance et R fait référence à la réflectance. L* spécifie la luminosité de l'échantillon, a* spécifie le décalage rouge ou vert de l'échantillon, b* spécifie le décalage de la zone jaune ou bleue de l'échantillon et ∆E est une valeur unique qui détermine les différences totales entre les paramètres d'échantillon a*, b* et L* et la couleur standard18. Les mesures de solidité au lavage, à la transpiration et à la lumière ont été évaluées selon les méthodes standard du manuel technique AATCC, méthode 8 (1989) 68, 23 (1993) ; 15 (1989) 68, (1993) 30 et 16(2004) respectivement19. La résistance au frottement a été évaluée selon AATCC 1993b10.

Les principaux constituants de RH, RHSA et TiO2 / RHSA sont représentés dans le tableau 2. D'après le tableau, il est clair que le dioxyde de titane n'existait pas dans la balle de riz et qu'il était légèrement présent dans RHSA avec un pourcentage de 0, 02, tandis que dans le cas du pigment cœur-enveloppe TiO2 / RHSA, sa présence était d'environ 13, 25, ce qui signifie qu'il forme plus de 10% de l'ensemble du composé. Cela a été compensé sur le pourcentage de silice qui a été abaissé à 79,36 dans le cas du pigment core-shell, c'est-à-dire qu'il existe une relation indirecte entre la concentration de TiO2 et de SiO2. On peut également conclure de cette analyse que le rendement en cendres calculé à partir de la matière première RH était de 14,23 % et que cette cendre obtenue a une couleur grise pâle contenant 82,93 % de particules de silice et 11,36 % de perte de poids au feu (LOI).

Les photos SEM et l'analyse EDX des pigments cœur-coque TiO2 / RSHA illustrés à la Fig. 1a ont permis de constater que les particules plaquettaires de dioxyde de titane se chevauchent sur les formes sphériques de la silice en plus de l'apparition de certaines structures en forme de tige, qui peut être référé à une RH canlcinée non complète. Ce chevauchement entre la structure lamellaire de dioxyde de titane et les sphères de silice RH peut constituer un bon moyen d'améliorer les propriétés mécaniques du papier en renforçant ses parties interstitielles. De plus, l'analyse EDX, qui estime les éléments sur la surface jusqu'à 1 µ de profondeur, a montré l'apparition de dioxyde de titane dans un pourcentage presque similaire à celui trouvé par l'analyse XRF (environ 13,25 %) indiquant que presque tout le dioxyde de titane est situé sur la surface de la silice et que des traces seulement sont dans la masse, ce qui est en bon accord avec les résultats XRF.

(a) SEM/EDX de TiO2/RHSA et (b) photo TEM de TiO2/RHSA.

Les photos TEM de la figure 1b ont confirmé l'apparition de particules de dioxyde de titane sous forme de plaques dimensionnelles précises entourant les sphères de silice apparues à cause des calcinations de la balle de riz, confirmant la structure du nouveau pigment noyau-coque.

Les propriétés physiques, mécaniques et barrières des charges composites (feuilles à main non chargées, chargées avec CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA) ont été résumées comme suit.

La rétention des charges a toujours été un thème brûlant dans le domaine de recherche de la fabrication du papier, car l'efficacité de la rétention influence fortement le coût du produit, la propreté du système de fabrication du papier et la charge polluante du système d'élimination. Il a donc été nécessaire d'étudier les performances de rétention de CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA, pour évaluer leur effet sur les feuilles de papier à base de bagasse kraft blanchie. Les résultats des figures 2a et b ont indiqué une augmentation des valeurs de rétention avec l'augmentation de la concentration en charge. L'utilisation de charges CaCO3 et TiO2 avec des concentrations (5–25 %) n'a entraîné qu'une rétention de charge de (17,20 ± 2,81–32,79 ± 3,21 %) et (19,81 ± 4,29–45,87 ± 4,33 %), respectivement. En comparant l'utilisation de charges CaCO3 et TiO2 avec RHSA et TiO2/RHSA, tous les pigments offraient une rétention de charge élevée13. Néanmoins, RHSA offrait la rétention la plus élevée avec un pourcentage accru de 33,83 %. De plus, les valeurs de rétention variaient de (45,51 ± 2,81 %) à (62,47 ± 3,52 %) pour les papiers couchés avec des pigments cœur-coque TiO2/RHSA, et la concentration de charge optimale qui a donné la rétention de charge la plus élevée sans ajout d'auxiliaire de rétention était de 20 % pour CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA.

Effet de la concentration de la charge, de l'ajout d'un agent de rétention sur le pourcentage de rétention (a,b), le grammage (c,d) et la densité apparente (e,f) des feuilles de papier.

La valeur de rétention la plus élevée obtenue pour RHSA et TiO2/RHSA était (57,95 ± 2,35 %) et (62,47 ± 3,52 %), respectivement, ce qui est dû à l'hydrophobicité de la silice et à sa teneur élevée. Selon les résultats de ces essais, 0,1 % de polyacrylamide cationique (CPAM) a été ajouté à 1 % de bentonite. La présence de CPAM a amélioré l'agrégation de CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA. Les charges agglomérées sont suffisamment grandes pour être retenues à l'intérieur de la feuille et remplir les vides dans les fibres. L'adsorption de CPAM à longue chaîne sur les surfaces s'est produite soit par pontage, soit par neutralisation de charge. Les résultats ont indiqué que; (1) la rétention était extrêmement faible en l'absence d'additifs, (2) l'ajout de CPAM améliorait les résultats de rétention de CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA, et (3) l'amélioration de la rétention était grandement affectée par l'ajout de bentonite. L'augmentation de la rétention des charges à la suite de l'ajout de bentonite avec les différents floculants peut être attribuée au fait qu'elle peut fournir un pont entre les fibres recouvertes de floculant et les charges16,20. Les rétentions étaient (53,75 ± 0,65), (76,87 ± 3,13%), (77,47 ± 1,53%) et (87,68 ± 1,32%) pour S9, S10, S11 et S12, respectivement. En effet, la présence de groupes fonctionnels ionisés en quantités suffisantes est nécessaire pour donner la bonne conformation au polymère et assurer un bon niveau de floculation/rétention (capacité de pontage). L'adsorption des particules cœur-enveloppe de TiO2/RHSA a éliminé les interactions électrostatiques répulsives entre les polymères et les surfaces. Les meilleurs résultats de rétention (87,68 ± 1,32%) ont été offerts par S12.

En conséquence, le grammage a augmenté avec la teneur en CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA en raison de l'ajout de floculants/bentonite. La densité apparente du papier est définie comme la relation entre l'épaisseur du papier et son grammage, et il a été constaté que la présence de particules de charge a tendance à annoncer plus d'espaces entre les fibres qui, autrement, seraient étroitement liées ensemble dans la feuille. La variation des valeurs de densité apparente des feuilles à main chargées était cohérente avec la variation des résultats de rétention de la charge, comme le montre la figure 2, montrant que les feuilles à main en papier contenant du TiO2, du RHSA et du TiO2/RHSA présentaient une densité apparente inférieure à celle des papiers non chargés (bagasse kraft blanchie) ou des papiers chargés de CaCO3. Les résultats ont également montré que les particules de RHSA et les pigments cœur-coquille de TiO2/RHSA à une concentration plus élevée (ajout de 15, 20 et 25 %) présentaient des densités apparente plus faibles que les échantillons déchargés et chargés contenant des feuilles à main chargées de CaCO3 et de TiO2. Tandis que le pourcentage de densité apparente a été réduit à 17,96 % pour les papiers contenant des pigments cœur-coque TiO2/RHSA. L'ajout de 0,1 % de CPAM et de 1 % de bentonite avec les charges chargées a diminué la densité apparente des feuilles de papier modifiées avec les charges ajoutées, ce qui contredit les résultats de l'aide à la rétention.

Les figures 3a à c ont confirmé que l'ajout de CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA dans les revêtements a entraîné une augmentation significative de la charge maximale, de la longueur de rupture et de l'indice de déchirure. De plus, l'ajout de 0,1 % de CPAM et de 1 % de Bt aux différents pigments a offert une amélioration de la longueur de rupture qui s'est produite à (53,82 %) pour S12. Cet échantillon particulaire offrait la rétention la plus élevée (87,68 % ± 1,32) et la plus petite taille de particules. De plus, la même tendance a été obtenue pour les mesures d'indice de déchirure, alors que l'amélioration atteint (26,34 ± 1,35 N m2/g) pour S12. Les feuilles à main chargées de pigments TiO2, RHSA et TiO2 / RHSA ont montré des indices d'éclatement inférieurs à ceux des feuilles vierges et des feuilles à main chargées de CaCO3, comme on peut le détecter sur la figure 3d. La petite taille des particules de charges expose une plus grande quantité relative de surface de fibre qui peut être recouverte par une particule de masse donnée, empêchant le contact inter-fibres sur une plus grande fraction de la surface disponible. De plus, les pigments TiO2/RHSA exerçaient l'indice d'éclatement de feuille à main le plus bas, et cela peut également être attribué à sa valeur de rétention la plus élevée accompagnée de la plus petite taille de particules de silice1,16.

Propriétés de résistance pour divers additifs de charge en relation avec la composition du papier, (a) la charge maximale, (b) la longueur de rupture, (c) l'indice de déchirure et (d) l'indice d'éclatement.

Dans notre étude, différentes propriétés barrières (air, vapeur d'eau et valeur Cobb) ont été évaluées pour les feuilles de papier chargées de CaCO3, TiO2, RHSA et RHSA/TiO2 afin de comparer leur effet.

La structure poreuse du papier a un rôle important dans la compétence du papier concernant d'autres nombreuses applications ; cette porosité est généralement corrélée à la résistance à l'air qui inverse la perméabilité à l'air. Le niveau d'agrégation de la pâte influençant la structure poreuse du papier, les mesures de perméabilité à l'air peuvent être un signe des mécanismes d'agrégation possibles développés par les différents systèmes d'additifs et de leur effet sur la qualité du papier. Perméabilité à l'air augmentée par l'application des différents additifs de manière significative. La perméabilité à l'air la plus élevée a été obtenue pour le papier chargé avec les différents pigments en présence de CPAM et de bentonite. Les résultats de perméabilité à l'air de la Fig. 4a ont montré une augmentation en ajoutant des additifs à la pâte, et l'augmentation la plus élevée concernait les feuilles de papier chargées par S12 pour offrir une perméabilité à l'air (12,72 ± 2,78 ml/S m2 Pa). Ceci indique que les particules formées peuvent contribuer à réguler la porosité des matériaux composites. De plus, il est considéré que les particules de charge permettaient de plus grands espaces (chemin de percolation) entre les fibres, diminuant leur compacité et conduisant ainsi à une augmentation de l'encombrement du matériau7,20,21,22.

Propriétés de barrière pour les feuilles de papier chargées de charges, (a) perméabilité à l'air, (b) transmission de la vapeur d'eau et (c) valeur cobb.

Le WVTR de la feuille de papier est le volume de vapeur d'eau traversant la surface unitaire du papier et le temps dans des conditions définies. Le WVTR est mesuré à l'état d'équilibre, et on peut prédire que la modification des fibres de cellulose a diminué la transmission de la vapeur d'eau. La WVTR pour les feuilles à main déchargées et chargées de 50 % d'humidité relative est illustrée à la Fig. 4b, où une diminution de la WVTR pour les feuilles à main chargées a été constatée par rapport à celles qui ne sont pas chargées.

Pour expliquer ce résultat, il est nécessaire de comprendre le mécanisme de transmission de la vapeur d'eau à travers les fibres de cellulose. Tout d'abord, les molécules d'eau se condensent à la surface, puis elles se solubilisent dans les fibres de cellulose chargées et ensuite elles peuvent diffuser à travers celle-ci. Après cela, ces molécules quittent la surface du papier de l'autre côté. Généralement, on peut remarquer que l'ajout de particules de CaCO3, TiO2, RHSA et TiO2/RHSA comme charges à la matrice de papier a diminué son WVTR, en raison de l'augmentation du nombre de particules, ce qui élargit cordialement le chemin de la vapeur d'eau. Les résultats ont également confirmé que S12 influençait significativement le WVTR des feuilles de papier. Cependant, les valeurs obtenues en cas d'échantillon déchargé étaient (39,60 × 10−3 ± 4,40) puis elles ont été réduites à (20,47 × 10−3 ± 0,53) (g/m2 jour) en cas de S12 pour les feuilles de papier chargées de (TiO2/RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt.), montrant une amélioration de 48,23 % par rapport aux feuilles de papier déchargées. Cela est dû à la présence de particules de RHSA, qui peuvent créer une voie en zigzag pour pénétrer la vapeur d'eau via la matrice de papier, entraînant une amélioration de l'hydrophobicité des feuilles de papier23,24. Cela permet d'éviter que la pâte d'impression, la teinture ou l'encre ne pénètrent dans la structure interne du papier et ne se déposent sur la surface du papier.

Le test de Cobb est essentiel pour estimer la capacité du papier à résister à la pénétration de l'eau et la quantité d'eau pouvant être absorbée par la surface des feuilles de papier ; il évalue également la qualité du papier sur un temps donné. Les valeurs de Cobb pour différents systèmes d'additifs en relation avec la composition du papier sont représentées sur la figure 4c ; les résultats de ce test ont confirmé une diminution significative des valeurs de Cobb après chargement des charges dans la pâte, de (57,03 ± 1,03 g/m2) pour la feuille de papier non chargée à (37,77 ± 5,93 g/m2) pour le papier couché avec du S4. L'ajout de polyacrylamide cationique et de bentonite dans la pâte a conduit à une diminution des valeurs de Cobb et, par conséquent, un degré d'encollage amélioré des feuilles de papier peut être clairement détecté. On suppose que le CPAM, qui est utilisé pour la rétention, peut aider à fixer les particules de CaCO3, TiO2, RHSA, TiO2/RHSA sur les fibres de cellulose avec une charge négative, augmentant la quantité de rétention sur les feuilles de papier25.

D'après les résultats précédents, les feuilles de papier chargées avec des particules de RHSA peuvent être utilisées dans la fabrication de papier d'impression en réduisant le diamètre moyen des pores du papier et cela sera exprimé en détail dans le SEM.

La morphologie de surface des feuilles de papier chargées de CaCO3, RHSA et TiO2 était différente de celle de la pâte de bagasse kraft blanchie non modifiée, comme on peut le voir sur la Fig. 5. Presque tous les pores étaient fermés par les particules de pigment, mais une surface fibreuse peut être encore visible. L'incorporation de charges dans les feuilles de papier a conduit à l'agglomération des particules déposées sur les surfaces des fibres dans les matrices à base de fibres. De manière marquée, les particules de pigment core-shell (TiO2 / RHSA) présentaient une rétention plus élevée, ce qui était évident dans les images SEM en raison de leur taille de particule plus petite et de leur distribution élevée par rapport aux particules de CaCO3 et de RHSA Fig. 5d. L'ajout de 0,1 % de CPAM et de 1 % de bentonite avec le pigment a conduit à une morphologie homogène des fibres dans les feuilles de papier. De plus, la figure 5 a montré que l'encapsulation de surface due à la modification de la charge était assez évidente, ce qui contribue à améliorer la compatibilité avec les fibres de pâte cellulosique qui se sont produites, rendant la surface plus lisse et plus serrée7,26. En conséquence, des combinaisons de fibres de cellulose plus serrées ont entraîné une résistance mécanique plus élevée, ce qui explique les améliorations de la résistance mécanique de la feuille à main.

Images SEM pour les feuilles de papier, (a) S0 (bagasse vierge), (b) S9 (20 % CaCO3 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt), (c) S11 (20 % RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) et (d) S12 (20 % TiO2/RHSA + 0,1 % CPMA + 1 % Bt).

Les valeurs (K/S) des papiers sérigraphiés par le colorant Turquoise Blue S-GL, Fig. 6a (Disperse Blue 60) sont illustrées dans le tableau 3. Et comme il est bien connu que les valeurs K/S expriment l'intensité et la profondeur de la couleur, et il était clair dans l'étude que les valeurs K/S étaient améliorées dans la plupart des cas par rapport aux valeurs commerciales. Cela indique que les papiers ont retenu plus de colorant sur leurs surfaces et que les échantillons S9, S11 et S12 offraient les valeurs K/S les plus élevées. Ces valeurs K / S ont démontré que les charges ajoutées amélioraient la capacité du papier bagasse à maintenir le colorant enduit sur les couches de papier supérieures, tout en réduisant l'absorption du colorant dans les couches plus profondes (comme le démontrent les micrographies SEM) (Fig. 5). Les paramètres de couleur sont évalués à l'aide des échelles L*, a* et b* du système CIELAB et les résultats sont présentés dans le tableau 3. Un modèle tridimensionnel de l'espace colorimétrique CIELAB est conçu selon la théorie des couleurs adverses de la Fig. 6b27. Les valeurs ont révélé que les valeurs K/S sont en relation indirecte avec les valeurs L*, confirmant que la couleur est devenue plus sombre et vice versa. De plus, le ∆E des échantillons imprimés a montré des changements notables qui ont fortement confirmé la présence d'une différence de couleur entre les échantillons imprimés. Des valeurs maximales de différence de couleur ont été observées pour les échantillons de feuilles de papier imprimé S12, S11 suivis de S9. De plus, il est important de noter qu'à partir des valeurs a* et b*, tous les échantillons ont montré un décalage vers le bleu.

(a) Structure chimique du bleu turquoise S-GL (Disperse Blue 60) et (b) Modèle des paramètres de couleur L*, a* et b* de l'espace colorimétrique CIELAB27.

L'analyse thermogravimétrique (TGA) est une technique très utile pour étudier le comportement thermique de matériaux spécifiques28. Il est important d'évaluer l'effet des charges ajoutées sur les performances de stabilité thermique du papier imprimé lors de l'exposition à la presse à haute température dans le processus de transfert.

Les profils TGA et DTG des feuilles de papier modifiées déchargées et certaines sélectionnées sous atmosphère inerte ont été réalisés, la sélection dépendait des résultats d'impression K/S. Les résultats des données TGA et DTG sont résumés dans le tableau 4 et illustrés à la figure 7. Il est clair que tous les échantillons de papier ont montré une étape principale de perte de poids en dehors de la perte de poids primaire dans la plage de 30 à 80 ° C, qui a été attribuée à l'évaporation de l'eau absorbée. De plus, il a été observé que tous les échantillons modifiés présentaient une stabilité thermique et une formation de pourcentage de carbonisation plus élevées que les feuilles de papier non chargées. En comparant ces échantillons modifiés à des feuilles de papier bagasse déchargées, l'échantillon de papier modifié S12 contenant (20 % RHSA/TiO2 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) offrait une amélioration de sa stabilité thermique, suivi par S11 (20 % RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) puis enfin S9 contenant (20 % CaCO3 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt).

Profils TGA (a) et DTG (b) des papiers imprimés, S0 (bagasse vierge), S9 (20 % CaCO3 + 0,1 % CPAM + 1 % Bt), S11 (20 % RHSA + 0,1 % CPAM + 1 % Bt) et S12 (20 % TiO2/RHSA + 0,1 % CPMA + 1 % Bt).

Le papier de bagasse déchargé présentait moins de stabilité thermique avec une capacité de formation de charbon plus faible que tous les autres échantillons de papier testés, comme indiqué dans le tableau 4, en raison de la décomposition de la cellulose qui s'est produite via un mécanisme de dépolymérisation des unités glycosyle, entraînant la formation de produits à point d'ébullition élevé (HBP) (lévoglucosan). Ces HBP sous des températures plus élevées pourraient se décomposer en gaz inflammables plus légers. De plus, il est bien connu que la présence d'additifs, de pigments, de charges ou de métaux peut affecter considérablement la stabilité thermique, la voie de décomposition et les produits de décomposition7,13,29.

Le résidu carbonisé à 500 °C (CR500 °C) est passé de 12,22 % pour les papiers non chargés à 41,28 % pour S12 et 23,19 % pour S11, puis 16,36 % pour S9. La valeur de carbonisation la plus élevée était associée à S12 qui est liée à la présence à la fois de cendres de silice et de TiO2, présentant un double effet sur la stabilisation de la structure. La présence de cendres dans S11 a également stabilisé sa structure, tandis que la présence de carbonate de calcium a amélioré la stabilité thermique du papier bagasse, mais pas autant que dans les cas de TiO2 et RHSA. Ces effets améliorés attribués à la capacité des charges ajoutées à stabiliser la structure de la bagasse et à diriger la décomposition thermique vers des voies de décomposition moins volatiles et ininflammables. De plus, les charges ajoutées ont catalysé le mécanisme de décomposition par déshydratation du papier bagasse, favorisant la formation de char carboné (formation de CO2, CO, H2O et char solide) et minimisant la dépolymérisation de la cellulose en lévoglucosan30. De plus, le S12 présentait des propriétés ignifuges grâce à la réduction de la température de décomposition (319 ° C contre 325 ° C pour la bagasse vierge) et à l'augmentation de la formation de rendement carbonisé (41,28% contre 12,22% pour la bagasse vierge). Cela a été fait en réduisant la formation de lévoglucosane et en catalysant à la fois les réactions de décomposition et de déshydratation. Les résultats ont révélé que les charges ajoutées contribuaient à la stabilisation et à la stabilité thermique de la structure de la bagasse. Les résultats d'impression et de thermogravimétrie des papiers modifiés ont révélé qu'ils ont le potentiel d'être utilisés comme papiers d'impression par transfert thermique pour l'impression par sublimation de polyester.

Dans l'impression par transfert par sublimation, le papier cellulosique est considéré comme le premier candidat porteur de colorant pour les colorants dispersés. Comme il n'a aucune affinité pour ces colorants, un papier de haute qualité, à structure uniforme et ayant un bon comportement mécanique et thermique était nécessaire. Par conséquent, les propriétés structurelles des feuilles de papier de cellulose ont été modifiées, afin d'être utilisées dans des applications d'impression par transfert. Les charges inorganiques sont fréquemment utilisées pour fournir au papier les caractéristiques, y compris l'opacité, le bouffant et le lissé, qui sont nécessaires à la qualité du papier31,32.

La silice se caractérise par sa surface élevée, son hydrophilie, sa stabilité chimique et sa nature inerte, ainsi que sa durabilité et sa compatibilité. Pour cela, la silice est considérée comme un excellent matériau de remplissage du papier. Néanmoins, du fait de sa nature poreuse, l'encre peut diffuser le long de la couche de revêtement ; par conséquent, sa structure doit être ajustée pour réguler la pénétration de la pâte d'impression dans la structure du papier afin de répondre aux besoins de l'application de transfert thermique. Des particules plus grosses et une surface relativement élevée sont générées par le TiO2 situé sous forme d'enveloppe à la surface du noyau de silice poreuse33.

De plus, le titane peut minimiser la fissuration du revêtement et améliorer la stabilité thermique à des températures plus élevées. Le traitement des feuilles de papier avec une telle structure noyau-coque peut réduire la pénétration de la pâte dans la structure interne du papier et limiter l'absorption d'eau en conférant le niveau nécessaire d'hydrophobicité et en laissant le film de colorant attaché à la surface du papier. De plus, le TiO2 peut considérablement améliorer la conductivité thermique des surfaces du papier, en empêchant l'effet marbré provoqué par l'isolation thermique variée du papier, en contact avec l'élément chauffant, ainsi qu'en produisant un transfert d'image homogène et uniforme. Les traitements cœur-enveloppe TiO2/RHSA peuvent réduire l'affinité de la vapeur de colorant pour les fibres de papier, les revêtements et les agents épaississants utilisés dans la pâte d'impression. Cela peut améliorer l'affinité du colorant pour les fibres et peut entraîner la libération d'une quantité importante d'encre ou de colorant de la surface du papier sur les tissus31,32,33,34,35.

Dans l'impression par transfert thermique par sublimation, le colorant dispersé qui a été imprimé sur du papier passe de l'état solide à l'état gazeux sans même passer par l'état liquide (sublimation) sous certaines conditions. À des températures plus élevées, les molécules de tissu synthétique sont ouvertes pour permettre à la vapeur de teinture de pénétrer à l'intérieur. Après refroidissement, les molécules de polyester sont déposées et absorbées sur l'ensemble du colorant. Ceci est intéressant car le colorant est absorbé à l'intérieur du tissu, contrairement à d'autres procédés d'impression, où la couleur est fixée uniquement en surface.

Afin d'évaluer l'homogénéité et l'uniformité des couleurs de l'image imprimée générée à partir de feuilles de papier modifiées et testées, trois tirages avec différentes concentrations de colorant ont été effectués. Les figures 8a à c illustrent les images photographiques d'un tissu en polyester imprimé via des feuilles de papier modifiées sélectionnées à une concentration de colorant de 1, 2 et 3 %, respectivement.

Image photographique de tissus en polyester imprimés par transfert thermique à (a) 3 %, (b) 2 % et (c) 1 % de teinte de teinture.

Les images ont démontré que tous les échantillons imprimés étudiés par du papier traité avaient des bords nets et réguliers et présentaient des niveaux élevés d'homogénéité et de régularité dans les couleurs transférées sur les tissus, ce qui peut indiquer l'homogénéité et la régularité des matériaux chargés sur la surface du papier.

Les différences de couleur sont évaluées par ∆E ; si sa valeur numérique est supérieure à 5, une variation de couleur sera visible à l'œil nu ; s'il est augmenté à une valeur supérieure à 12, une différence absolue de couleur sera observée. Le tableau 5 compare la valeur ∆E de chaque échantillon à elle-même pour illustrer le degré de différence de couleur. Les résultats ont révélé que tous les échantillons offraient un nivellement de couleur acceptable et une dispersion de couleur homogène, en particulier aux nuances de colorant faibles36.

Les papiers sérigraphiés modifiés ont été utilisés comme papiers d'impression par transfert thermique dans l'impression par transfert de tissus en polyester. La capacité des papiers imprimés à uniformiser la libération du colorant dans différentes conditions de transfert de température et de temps a été évaluée. Dans le tableau 6, les résultats K/S de tissus de polyester imprimés par transfert thermique utilisant des papiers sérigraphiés commerciaux et modifiés à différents temps et températures ont été donnés. Les résultats ont estimé que le K/S du polyester augmentait avec l'augmentation du temps et de la température du processus de transfert, indiquant que la libération du colorant est en relation directe avec le temps et la température. Les valeurs K/S les plus élevées ont été obtenues avec des tissus en polyester imprimés à 210 °C pendant 60 s, et la libération de couleur maximale était comparable à celle du papier de transport commercial S9, S11 et S12. Cela peut être dû au fait que les modifications apportées à ces échantillons ont amélioré la libération du colorant de manière lisse et uniforme à partir de leurs surfaces, conduisant à une capture homogène du colorant par les tissus en polyester.

Le tableau 7 montre les paramètres de couleur ainsi que les valeurs de résistance à la lumière, au lavage et à la transpiration à 210 °C et 60 s. Selon les résultats, tous les tissus en polyester imprimés ont montré un décalage vers le bleu. De plus, ∆E pour tous les échantillons d'impression variait entre 34 et 45, indiquant qu'il y avait des transferts de couleur réussis entre les papiers et les tissus. Plus la valeur de la différence de couleur (∆E) est élevée, plus la couleur est acquise et donc plus la couleur peut être observée37.

En termes de solidité des tissus imprimés, tous les échantillons imprimés offraient une excellente stabilité au lavage, à la transpiration, au frottement humide et sec et à la lumière. En raison de cette découverte, il est maintenant possible de conclure que les papiers de bagasse modifiés peuvent fournir un temps de transfert plus court, un coût inférieur et une utilisation de la machine sans gondolage, fissuration ou combustion, ce qui leur permet d'être utilisés comme papiers d'impression par transfert à dégagement élevé dans l'impression par transfert de tissus en polyester. Représentation graphique des papiers d'impression par transfert thermique présentés à la Fig. 9.

Représentation graphique des papiers d'impression par transfert thermique.

Dans ce travail, un nouveau pigment core-shell (TiO2/RHSA) à base de déchets de cendres de silice recouverts d'une fine couche de dioxyde de titane a été chargé sur des feuilles de papier en présence de CPAM et de bentonite. Ces ajouts ont été faits pour améliorer le drainage et la rétention de la charge dans les feuilles à main en papier.

Le pigment core-shell TiO2/RHSA a été préparé à 750 °C et contient une faible teneur en TiO2 en tant que coque recouvrant le RHSA, mais malgré sa faible concentration, il provoque une amélioration des différentes propriétés mécaniques et barrières.

La morphologie de surface des feuilles de papier modifiées indiquait que l'incorporation de pigments dans les feuilles de papier conduisait à l'agglomération des particules déposées sur les surfaces des fibres dans les matrices à base de fibres. De plus, les feuilles de papier enduites de TiO2/RHSA étaient plus homogènes que celles traitées avec CaCO3 et RHSA. Les résultats obtenus pour les feuilles à main chargées de TiO2/RHSA ont montré une amélioration de la longueur de rupture et de l'indice de déchirure à (53,82%) et (26,34 ± 1,35 N m2/g), respectivement avec une baisse de l'indice d'éclatement. Le réseau créé par CPAM, la bentonite (Bt) mélangée à des pigments (TiO2/RHSA) sur un substrat en feuille de papier est très dense et organisé. Cela a entraîné la création d'une distribution lisse des particules et d'une surface solide qui remplit les pores des matrices de papier et a augmenté l'air, diminué la transmission de la vapeur d'eau et la valeur cobb des échantillons modifiés avec un pigment (TiO2/RHSA) par rapport au blanc (papier non chargé). Les résultats ont montré que les papiers sérigraphiés modifiés pouvaient être utilisés avec succès comme papiers d'impression par transfert thermique par sublimation dans les tissus en polyester.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Tous les auteurs tiennent à remercier le National Research Center (NRC)-Egypt pour son soutien financier.

Financement en libre accès fourni par The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en coopération avec The Egyptian Knowledge Bank (EKB). Aucun financement n'a été reçu pour la réalisation de cette étude.

Département de la cellulose et du papier, Centre national de recherche, 33 rue El-Bohouth (ancienne rue El-Tahrir), PO 12622, Dokki, Gizeh, Égypte

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Département auxiliaire de la teinture, de l'impression et du textile, Centre national de recherche, 33 rue El-Bohouth (ancienne rue El-Tahrir), PO 12622, Dokki, Gizeh, Égypte

Fatma N. El-Shall

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AMA, NMA, MAD et FNE-S., ont contribué à la conception de l'étude, à la préparation du matériel, à la collecte de données, à l'analyse formelle, à l'investigation, à la méthodologie, à la validation, à la visualisation, à la rédaction - ébauche originale, à la rédaction - révision et édition. NE-S. participé à la conceptualisation, aux ressources et à la supervision. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Abeer M. Adel.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adel, AM, Ahmed, NM, Diab, MA et al. Exploration de la capacité des papiers modifiés imprimables pour l'application dans l'impression par transfert par sublimation thermique de tissu en polyester. Sci Rep 13, 6536 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33546-9

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Reçu : 04 février 2023

Accepté : 14 avril 2023

Publié: 21 avril 2023

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

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