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1. Synthèse de l'AKD
1.1 Préparation du chlorure d'acide
La matière première pour AKD (dimère d'alkylcétène) de qualité industrielle, couramment utilisé dans la fabrication du papier, est généralement un mélange d'acides gras saturés. Le chlorure d'acide est produit par réaction de ces acides gras avec du chlorure de thionyle, comme illustré par la réaction suivante :
La séparation des acides organiques étant extrêmement difficile (une seule source de matière grasse naturelle peut contenir au moins cinq acides différents, et parfois jusqu'à douze), la matière première utilisée dans la fabrication du papier est généralement un mélange d'homologues de l'acide stéarique (C₁₈H₃₆O₂). Les cires communément appelées « 1840 » et « 1865 » présentent des teneurs respectives en acide stéarique de 40 % et 65 %.
1.2 Formation d'un intermédiaire cétène
Le chlorure d'acide réagit avec la triéthylamine, éliminant le chlorure d'hydrogène et formant un intermédiaire cétène instable :
1.3 Dimérisation par formation de lactones intramoléculaires
Le cétène instable subit une condensation intermoléculaire pour former un cycle lactone, ce qui donne la molécule AKD finale, d'où le nom « dimère d'alkyl cétène » :
La structure moléculaire de l'AKD peut également être exprimée comme suit :
2. Émulsification de l'AKD
2.1 Préparation de l'émulsifiant
Les émulsions AKD sont généralement stabilisées avec de l'amidon cationique et des émulsifiants polymères. L'amidon cationique est obtenu par réaction de l'amidon de tapioca avec des agents éthérifiants :
Un émulsifiant polymère courant est PolyDADMAC (poly(chlorure de diallyldiméthylammonium)):
2.2 Procédé d'émulsification AKD
L'émulsification de l'AKD est un processus de dispersion physique, où la cire hydrophobe est dispersée dans l'eau pour former une émulsion stable.
Les étapes clés comprennent :
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Chauffage pour faire fondre la cire AKD
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Ajout d'émulsifiants
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Application d'un mélange et d'une homogénéisation à haut cisaillement
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Refroidissement de l'émulsion
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Ajout de sulfate d'aluminium, de stabilisants et d'autres additifs
Le résultat est une émulsion AKD chargée positivement
3. Dimensionnement de l'AKD
3.1 Mécanisme de dimensionnement
L'hydrophobicité du papier collé provient de la réaction chimique entre l'AKD et la cellulose. Les molécules d'AKD sont constituées d'une chaîne alkyle hydrophobe et d'un cycle lactone hydrophile. Les fibres de cellulose sont naturellement hydrophiles grâce à leurs nombreux groupes –OH. Lorsque l'AKD réagit avec ces groupes, des chaînes hydrophobes s'ancrent à la surface, rendant le papier résistant à l'eau :
La réaction fixe une extrémité de la molécule AKD sur la fibre tandis que la chaîne alkyle pointe vers l'extérieur, formant une surface hydrophobe
3.2 Processus de dimensionnement
Le dimensionnement de l'AKD implique trois étapes principales :
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Adsorption : Les particules d'AKD s'adsorbent à la surface des fibres, de manière similaire à la rétention de charge. Ce phénomène se produit lors de la phase de formage.
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Fusion et diffusion : Lors du séchage, l'AKD fond (au-dessus de son point de fusion) et diffuse dans les fibres.
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Réaction chimique : L'AKD réagit avec les groupes –OH de la cellulose, formant des liaisons esters covalentes. Cette réaction lente est essentielle à un calibrage interne efficace.
4. Facteurs clés d'application
4.1 Contrôle du pH et de l'alcalinité
La réaction d'encollage dépend du cycle lactone de l'AKD. Ce cycle s'ouvre en milieu neutre à alcalin et réagit avec les groupes OH des fibres pour former des esters. Cependant, un pH excessif accélère l'hydrolyse, réduisant ainsi l'efficacité de l'encollage.
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pH optimal pour la réaction : 6.0–8.0
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pH du système recommandé : 7.5–8.5
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pH de stockage pour l'émulsion AKD : 2.5–3.5
Lorsque le pH dépasse 8, l'hydrolyse augmente. Un pH inférieur à 6 entrave la réaction de collage mais contribue à la stabilité au stockage.
Alcalinité recommandée (comme capacité tampon) : 50–200 ppm
Cela permet de maintenir un pH stable lorsque l’émulsion acide AKD est ajoutée au système.
4.2 Contrôle de la température
La température influence à la fois la stabilité de l'émulsion AKD et l'efficacité de la réaction :
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Les émulsions AKD sont des suspensions thermodynamiquement instables.
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La température élevée augmente le risque de collision et d’agrégation des particules.
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La répulsion électrostatique des particules cationiques aide à maintenir la stabilité de l’émulsion.
À des températures élevées, les particules d'AKD peuvent former une peau ou se déposer, mais cela n'est pas nécessairement dû à l'hydrolyse. L'hydrolyse étant exothermique, des températures plus élevées peuvent en réalité déplacer l'équilibre vers la formation d'esters.
Valeurs recommandées :
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Température de stockage : 5–30 °C
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Température du système : 45–50 °C
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Point de fusion de l'AKD : ~45–55 °C
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Température de la section sécheuse : ≥ 60 °C (pour une réaction et une diffusion complètes)
Pour maximiser la rétention et la performance :
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Ajoutez de l'AKD près de la caisse de tête pour éviter une fusion prématurée.
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Assurer une température de séchage et un temps de rétention suffisants.
5. Conclusion
Un encollage AKD efficace dans des systèmes neutres nécessite un contrôle strict du pH, de l'alcalinité et de la température tout au long du processus. La maîtrise de ces paramètres garantit un encollage efficace et un papier de haute qualité. Des défis subsistent en matière d'application et de formulation, nécessitant une collaboration et une innovation continues au sein de l'industrie.
