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1. Che cosa si intende per resistenza all'umidità?
La resistenza all'umidità si riferisce alla capacità di una carta di mantenere la resistenza quando esposta all'umidità. Viene valutata in due fasi principali:
- Resistenza iniziale a umido: resistenza del nastro di carta prima dell'essiccazione, importante per la lavorabilità della macchina.
- Resistenza a umido re-bagnato: resistenza a umido della carta finita durante processi come la patinatura o la stampa e nell'uso finale (ad esempio, fazzoletti, imballaggi).
Poiché questi due tipi hanno scopi diversi, con requisiti prestazionali distinti, devono essere ottimizzati in modo diverso.
2. Resistenza iniziale a umido
Con un contenuto di solidi inferiore al 30% (ovvero con un'umidità >70%), la carta conserva solo il 15-20% della sua resistenza a secco. La resistenza iniziale a umido è influenzata da:
- Composizione della polpa, livello di raffinazione e secchezza del velo
- Condizioni di processo e additivi chimici per la parte umida
Le macchine per la carta ad alta velocità utilizzano sistemi avanzati di supporto del nastro bagnato per ridurre al minimo la tensione e mantenere la stabilità, consentendo di utilizzare carte con grammature inferiori e di risparmiare sui costi.
Un modello quantitativo (Page, 1993) mette in relazione la resistenza a umido con la tensione superficiale (γ), l'area del film d'acqua (A), il raggio di curvatura (r), l'attrito (µ) e la rugosità delle fibre (C).
3. Resistenza all'umidità
La resistenza a umido dopo riumidificazione si riferisce alla resistenza che una carta mantiene dopo essere stata asciugata e impregnata nuovamente. Con un adeguato trattamento di resistenza a umido, la carta mantiene in genere il 20-40% (fino al 50%) della sua resistenza a secco in condizioni di umidità, un requisito fondamentale per molti utilizzi finali.
4. Come funzionano gli agenti resistenti all'umidità
L'acqua interrompe i legami idrogeno tra le fibre, indebolendo la carta. Gli agenti resistenti all'umidità contrastano questo fenomeno attraverso due meccanismi:
- Protezione: creazione di una rete rigida e reticolata attorno alle fibre per prevenirne il rigonfiamento.
- Rinforzo: formazione di nuovi legami chimici insensibili all'acqua che rafforzano la struttura.
In base alla loro chimica di legame, gli agenti resistenti all'umidità possono essere:
- Temporaneo: forma legami (ad esempio, emiacetali) che si rompono durante la riumidificazione (ad esempio, PAM gliossilato).
- Permanente: crea legami covalenti resistenti all'acqua (ad esempio, PAE, UF, MF).
5. Agenti comuni resistenti all'umidità
Urea-Formaldeide (UF)
- Resina reattiva più antica; forma reticoli reticolati idrofobici a pH 4–5.
- Solitamente utilizzato in un dosaggio pari allo 0.5-3%, applicato vicino alla pompa di miscelazione.
- È necessario che il pH del sistema corrisponda ed evitare interazioni con la resina di allume per evitare residui.
Melamina-Formaldeide (MF)
- Resina idrosolubile utilizzata nelle carte speciali.
- Si carica positivamente a pH bassi e aderisce alle fibre, migliorandone il legame.
- Applicare con un dosaggio pari allo 0.1-3%, con cautela per evitare la formazione di macchie di amido/resina.
- Richiede una polimerizzazione post-essiccazione: la massima resistenza all'umidità si sviluppa circa 10 giorni dopo.
Poliammide-epicloridrina (PAE)
- Progettato per sistemi neutri/alcalini, ampiamente utilizzato nella carta tissue e da imballaggio.
- Offre un'elevata efficienza di resistenza all'umidità su un ampio range di pH (4–8).
- Forma legami incrociati covalenti tramite anelli epossidici; dosaggio ~0.25–1%.
- L'efficienza è influenzata dal tipo di fibra, dalla raffinazione, dal pH, dalla ritenzione, dalla concentrazione di Ca²⁺ e dall'ordine di aggiunta chimica.
6. Considerazioni ambientali e normative
I principali sottoprodotti nel processo di produzione della resina PAE includono: DCP = 1,3-dicloro-2-propano MCPD = 3-cloro-1,2-propilene glicole EPI = epicloridrina I tre composti organici a piccole molecole contenenti cloro sopra menzionati sono i principali sottoprodotti della resina PAE definiti alogenuri organici adsorbibili (AOX), che vengono prodotti dall'idrolisi dell'epicloridrina, come mostrato nella Figura 2.
Attualmente, il regolamento UE REACH ha chiaramente identificato la tossicità e la cancerogenicità dei sottoprodotti AOX nelle resine PAE. Tra questi, l'1,3-dicloro-2-propano DCP è identificato come possibile cancerogeno H 350 (cat. 1B), mentre il 3-cloro-1,2-propandiolo MCPD è identificato come sospetto cancerogeno H 351 (cat. 2). Inoltre, secondo le disposizioni del BfR XXXVI, per i prodotti in carta destinati al contatto con gli alimenti, dopo l'estrazione del campione in acqua, il limite superiore della quantità residua di 1,3-dicloro-2-propano DCP è di 2 μg/l, e il limite superiore della quantità residua di 3-cloro-1,2-propandiolo MCPD è di 12 μg/l. Ciò impone senza dubbio requisiti più elevati in termini di tutela ambientale e pulizia della resina resistente all'umidità utilizzata.
Negli scarichi delle cartiere, poiché l'agente PAE per la resistenza a umido è la principale fonte di AOX, dalla metà degli anni '1980, al fine di ridurre l'inquinamento causato dagli AOX nell'ambiente, sono state introdotte, una dopo l'altra, la seconda e la terza generazione di resine PAE ecocompatibili per la resistenza a umido. Rispetto alla prima generazione di resine PAE, le PAE di seconda e terza generazione hanno notevolmente ridotto il contenuto di epicloridrina residua e la quantità residua dei suoi prodotti di idrolisi DCP e MCPD.
| Prima generazione | Seconda generazione | Terza generazione | |
|---|---|---|---|
| Tipologia di prodotto | Agente industriale resistente all'umidità | Agente standard di resistenza all'umidità | Agente resistente all'umidità per uso alimentare |
| Contenuto di solidi (%) | 12.5 ± 1 | 15 ± 3 | 18 ± 2 |
| pH | 4 ± 1.5 | 4 ± 1.5 | 4 ± 1.5 |
| Viscosità (cps) | ≤ 110 | ≤ 110 | ≤ 110 |
| DCP (ppm) | * (non controllato) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| MCPD (ppm) | * (non controllato) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| Vantaggi | Basso costo con buone prestazioni di resistenza all'umidità | Basso contenuto di cloro residuo, conforme agli standard di imballaggio alimentare e UE | Completamente privo di cloro; adatto alla produzione a lungo termine di carta per il contatto con gli alimenti |
| Svantaggi | Contiene un elevato residuo di cloro, potenzialmente dannoso per la salute umana | Prezzo leggermente più alto rispetto alla prima generazione, richiede un dosaggio superiore di circa il 15% | Costo elevato; prestazioni di resistenza all'umidità relativamente inferiori, richiede un dosaggio di circa il 5% in più rispetto alla seconda generazione |
7. Buone pratiche per l'uso resistente all'umidità
- Controllare il dosaggio (0.25-1%) per raggiungere il potenziale zeta ottimale.
- Aggiunta di sequenze per evitare incompatibilità con additivi anionici.
- Assicurare la ritenzione combinandola con coadiuvanti della ritenzione e controllando i livelli di Ca²⁺.
- Applicare la polimerizzazione (ad esempio, 80 °C per 30 min) dopo l'aggiunta.
- Mescolare agenti resistenti all'umidità con additivi resistenti all'umidità per aumentare la resistenza e la ritenzione del nastro.
8. Conclusione e prospettive future
Gli agenti resistenti all'umidità sono indispensabili nella moderna produzione della carta, poiché ne migliorano la durabilità in condizioni di umidità e ne consentono l'impiego in molteplici applicazioni. Con l'aumento della velocità delle macchine e della domanda di prodotti, questi agenti garantiscono prestazioni ed efficienza di processo. La ricerca e sviluppo in corso si concentra su soluzioni sostenibili ed efficaci per la resistenza all'umidità, come policarbossilati, chitosano e alternative ecologiche alle resine tradizionali.
