CHƯƠNG 1. Tổng quan về keo dán Keo dán là một loại vật liệu có khả năng kết dính hai hoặc nhiều mảnh vật liệu lại với nhau mà không làm thay đổi bản chất của chúng. Có 2 loại keo dán: • Keo dán tự nhiên: có nguồn gốc từ các hợp chất thiên nhiên có trong động, thực vật… • Keo dán tổng hợp: hóa học tổng hợp từ các hợp chất trong dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá… Keo dán giúp kết dính vật liệu hiệu quả, kỹ thuật đơn giản, độ thẩm mỹ cao. Tổng quan về keo dán sử dụng cho giấy 1.
Keo dán sử dụng cho giấy thành phẩm Đối với giấy thành phẩm, tùy vào nhu cầu sử dụng, người ta có thể sử dụng keo dán để thay đổi kích thước cũng như độ bền của giấy. Đối với giấy dùng trong đóng gói sản phẩm, keo dán giúp bồi giấy, dán các lớp giấy mỏng với nhau tạo cho giấy có độ cứng, độ dày mong muốn, chịu lực của sản phẩm bên trong. Keo dán sử dụng trong công nghiệp sản xuất giấy Trong quá trình sản xuất giấy, keo dán đóng một vai trò quan trọng. Keo được sử dụng từ những bước đầu của quá trình sản xuất giấy khi đi từ huyền phù bột giấy.
Keo dán giúp kết dính tốt các sợi giấy, tăng cường một số đặc tính của giấy liên quan đến các tính chất bề mặt sợi, cấu trúc mạng (kích thước lỗ rỗng, mật độ lỗ rỗng, xử lí bề mặt…), và đặc biệt là tăng cường khả năng kháng chất lỏng của sợi giấy bởi vì giấy hay bao bì, carton thông thường hút ẩm khá nhanh, nhạy trong môi trường có độ ẩm cao. Hiện nay, người ta đã phát triển nhiều loại keo dán khác nhau phù hợp để sử dụng trong công nghiệp sản xuất giấy. Các loại keo dán sử dụng trong sản xuất giấy thường là những chất không tan trong nước, tạo hiệu quả chống thấm tuyệt vời. Gia keo trong công nghiệp sản xuất giấy Gia keo là một công đoạn quan trọng trong quá trình sản xuất giấy.
Về cơ bản, giấy được cấu tạo từ các sợi cellulose ưa nước, nó có xu hướng hấp thụ các chất lỏng bằng tác động mao dẫn của các lỗ rỗng giữa các sợi. Mặc dù đặc tính này rất hữu ích cho việc lọc và làm mờ giấy, nhưng giấy in và giấy viết phải có khả năng chống lại vết mực ở một mức độ nào đó. Do đó, các tác nhân gia keo thường được thêm vào bột giấy hoặc áp dụng cho bề mặt giấy để cải thiện chất lượng in và viết bằng cách phát triển khả năng chống xâm nhập bởi chất lỏng của giấy. Keo nhựa thông là một trong những chất keo truyền thống và phổ biến nhất, tuy nhiên, rất khó để bảo quản giấy có keo chứa phèn trong thời gian dài vì tính chất acid của phèn.
Mặt khác, các 4 do an tác nhân gia keo như dimer alkyl ketene (AKD) và alkenyl succinic anhydride (ASA) phản ứng cộng hóa trị với các nhóm hydroxyl của cellulose để tạo liên kết ester trong điều kiện trung tính hoặc kiềm. Do đó, một lượng nhỏ AKD và ASA có thể cung cấp mạnh hiệu ứng gia keo trong thời gian dài mà không phá hủy ma trận giấy [3]. Các chất keo này thường được thêm vào bột giấy. Mặc dù vậy, keo nhựa thông vẫn có nhiều ưu điểm không thể thay thế.
Ngày nay, keo nhựa thông vẫn được sử dụng rộng rãi và phổ biến tại các nhà máy sản xuất giấy. Trong sản xuất giấy, việc gia keo làm giảm sự hấp thụ chất lỏng, cải thiện một số đặc tính của giấy như: độ sáng, bóng, tính bám mực, hiện tượng bóc sợi, độ hút mực, các đặc tính cơ lý… Có hai cách gia keo: gia keo bề mặt và gia keo nội bộ. • Gia keo nội bộ: nhóm keo được cho thẳng vào bột giấy nhằm tăng độ kết dính của xơ sợi và tăng tính kỵ nước của xơ sợi. Bên cạnh đó, tác dụng chính của các chất keo nội bộ là tăng khả năng hoạt động của máy tạo giấy.
Các nhóm keo được sử dụng phổ biến: keo AKD, keo ASA, keo nhựa thông…[1] • Gia keo bề mặt: keo được thêm vào ở giai đoạn cuối của quá trình sản xuất giấy, lấp đầy các chỗ lõm trên bề mặt giấy, cải thiện bề mặt giấy, vẫn bảo đảm được tính thẩm mỹ của sản phẩm. Ngoài ra, gia keo còn tăng cường liên kết bề mặt, tăng tính chống thấm của giấy. Nhóm keo được sử dụng cho gia keo bề mặt thường là: keo AKD (thể lỏng), keo tinh bột, keo acrylic, keo ure formaldehyde, keo phenol formaldehyde…[1] 1. Gia keo nội bộ 1.
Keo Alkyl Ketene Dimer (AKD) [4] ❖ Công thức cấu tạo, đặc điểm, tính chất R CH C CH R' O C O (R, R’ = C12H25, C14H29, C16H33, etc.) Ở nhiệt độ phòng, AKD là một loại sáp rắn, không tan trong nước có nhiệt độ nóng chảy khoảng 50°C, là hỗn hợp của acid béo từ C14 đến C18 khi được sản xuất từ các acid béo có bán trên thị trường. C16 là acid béo chiếm ưu thế trong các công thức được sử dụng nhiều nhất. ❖ Cơ chế gia keo Khả năng AKD được định hướng và cố định trên bề mặt sợi có liên quan đến cấu trúc phân tử và khả năng phản ứng của nó. Vòng lacton trong AKD cho phép nó phản ứng với các nucleophiles để hình thành liên kết ester β-keto với cellulose.
AKD cũng 5 do an có thể phản ứng với nước tạo thành acid β-keto và được decarboxylation tự nhiên thành ketone tương ứng. Ketone không có tác dụng gia keo. Phản ứng của AKD với cellulose tạo thành ester β-keto là cơ chế chính mà AKD gia keo giấy. Liên kết cộng hóa trị giúp cố định và định hướng đuôi kỵ nước hướng ra ngoài, cách xa bề mặt làm tăng hiệu quả gia keo và chống thấm.
Phản ứng giữa AKD với cellulose diễn ra chậm ở giá trị pH thấp, tuy nhiên có thể gia tốc phản ứng này với các chất xúc tiến, ví dụ như: các polymer cơ bản với các nhóm amine ion 𝐻𝐶𝑂3− , chất độn CaCO3. Tuy nhiên, AKD hấp thụ mạnh với PCC và GCC, do đó tỷ lệ chất độn cũng ảnh hưởng đến lượng keo AKD sử dụng. Bên cạnh đó, PCC có thể gây ra sự thủy phân, giá trị pH cao do kiềm dư, điều này làm tăng tốc độ thủy phân của AKD trong giấy, giảm tính năng chống thấm của giấy. Phản ứng hóa học của keo AKD với xơ sợi cellulose theo cơ chế các hạt kích thước cation được gắn vào các sợi điện tích âm, các hạt keo phân tán, lắng đọng trên bề mặt sợi.
Lượng AKD cần thiết để gia keo cho giấy phụ thuộc vào việc duy trì hiệu quả gia keo bởi vì AKD có thể bị thủy phân, mức độ phản ứng và bản chất của bột giấy. Đối với keo AKD, việc duy trì hiệu quả gia keo là vô cùng quan trọng. Keo Alkenyl Succinic Anhydride (ASA) [5, 6] ❖ Công thức cấu tạo, đặc điểm, tính chất O R HC C O H2C C C6H13 O (R = CH C C6H13, etc.) 6 do an ASA được tổng hợp từ các hydrocarbon olefin (số carbon trung bình = 18), có nguồn gốc từ dầu và MA theo phản ứng cộng ene. Ở nhiệt độ phòng, ASA là chất lỏng nhờn.
❖ Cơ chế gia keo Keo ASA là một trong những chất keo trung tính điển hình cũng như keo AKD cho giấy, tạo ra tính chống thấm nước cho giấy một cách hiệu quả bằng cách thêm nhũ tương cation vào huyền phù bột giấy ngay cả ở pH 7-9 do sự hiện diện của canxi carbonate được sử dụng làm chất độn. Nước và hơi ẩm luôn có mặt trong quá trình sản xuất giấy, đặc biệt trong điều kiện làm giấy kiềm tính, nói có canxi carbonate, phản ứng giữa ASA và OH dường như xảy ra chủ yếu (ASA trong nhũ tương dễ bị thủy phân thành acid alkenyl succinic (ASAcid) thay vì phản ứng pha rắn giữa ASA và cellulose-OH. O O R HC C R HC C OH O + H2O H2C C H2C C OH O O Phản ứng giữa thủy phân ASA tạo ASAcid O O R HC C OH R HC C Cellulose O + H2C C Cellulose H2C C OH O O Phản ứng giữa ASA với cellulose-OH. ASA có tính ưa nước hơn và do đó có đặc tính kết tụ và đông tụ thấp hơn, so với ASAcid.
ASA có thể phản ứng với nước và cấu trúc của ASA thay đổi trong quá trình thủy phân để tạo thành ASAcid, tính kỵ nước cao hơn. Đặc tính kỵ nước của ASAcid thuận lợi cho việc gia keo giấy. Như trong trường hợp keo AKD, sự hình thành ester giữa các nhóm ASA và nhóm hydroxyl của cellulose của sợi bột giấy trong tờ giấy đã gia keo ASA được cho là mang lại hiệu quả gia keo cao. Thêm vào đó, việc gia keo hiệu quả phụ thuộc vào trạng thái phân bố của các phân tử kỵ nước và đặc tính đông tụ thấp trên bề mặt bột giấy.
Sự khác biệt về tính chất giữa ASA và ASAcid dẫn đến cơ chế gia keo giấy hiệu quả. Lượng ASA cần thiết để gia keo giấy trong quy trình sản xuất thực tế là 0,1 - 0,2% đối với trọng lượng khô của bột giấy hoặc thấp hơn. Keo nhựa thông [1] Ngày nay, trong quy trình sản xuất giấy, các nhà máy dần chuyển hướng sang phương pháp gia keo trong môi trường trung tính hoặc kiềm tính bởi một số tính năng tối ưu hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng keo nhựa thông để gia keo giấy vẫn được sử dụng phổ biến nhờ truyền thống lâu đời.
Bên cạnh đó, keo nhựa thông vẫn thể hiện được các tính năng ưu việt không thể thay thế đối với một số loại giấy. Bên cạnh keo nhựa thông truyền thống (sản phẩm keo nhựa thông xà phòng hóa), công nghệ sản xuất keo nhựa thông đã có sự hoàn thiện với sự ra đời của các loại keo khác như: keo nhựa thông cường tính, keo nhựa thông phân tán…cải thiện được các đặc tính còn hạn chế ở loại keo truyền thống. Gia keo bề mặt 1. Keo Acrylic Trong gia keo bề mặt, keo acrylic là một trong những lựa chọn hàng đầu do khả năng chống thấm nước bề mặt hiệu quả và nhanh chóng.
Keo acrylic có khả năng chiệu nhiệt cao, trong suốt nên vẫn đảm bảo được tính thẩm mỹ cao. Keo acrylic cho độ bám dính cao, lấp đầy các chỗ lõm bề mặt khi ở thể rắn, dễ dàng sử dụng. Keo Urea formaldehydride [7] Keo urea formaldehyde là loại keo tổng hợp quan trọng trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là gỗ ván.