Trwałe klejenie papieru za pomocą promieniowania laserowego CO
Fraunhofer-IWSZapewne wiele osób zna laser CO2 i jego możliwe zastosowania w różnych branżach przemysłowych. Oprócz niego istnieje jednak także laser CO. Okazuje się, że napromieniowany nim papier można skleić bez użycia spoiwa.
- Klejenie jest najtańszym i trwałym sposobem łączenia papieru
- Stwarza jednak problemy podczas późniejszego recyklingu
- Alternatywne, termiczne metody łączenia nie zdają jednak egzaminu w przypadku papieru
- Rozwiązaniem mogą być wysokoenergetyczne impulsy lasera CO
- Uzyskane w ten sposób łączenie jest tak stabilne jak materiał bazowy
Papier i wyroby z papieru mogą przetrwać wieki, o czym świadczą stare książki i druki z czasów średniowiecza. Aby można było produkować wyroby papierowe, trzeba połączyć ze sobą poszczególne warstwy lub elementy – mówią eksperci z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Materiałów i Technologii Laserowych (Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik – IWS) oraz ich koledzy z Fundacji Technologii Papieru (Papiertechnische Stiftung – PTS). Z biegiem czasu w celu stworzenia trwałego połączenia powstawały różne spoiwa (czyli kleje) i technologie. Klejenie w przypadku produktów papierowych stosuje się najczęściej. To preferowana metoda łączenia, ponieważ klejenie oznacza niskie koszty produkcji i tworzy bardzo trwałe połączenia.
W społeczeństwie wzrasta jednak świadomość ekologiczna. Zmienia to pogląd na produkty z papieru klejonego – pozostałości po klejach powodują bowiem problemy podczas procesu recyklingu. Jedynym rozwiązaniem staje się wówczas zastosowanie dodatkowych środków chemicznych, które jednak szkodliwie wpływają na środowisko. W przyszłości konieczne więc będzie ograniczenie stosowania różnego rodzaju dodatków.
Laser CO przygotowuje powierzchnie papieru do zgrzewania
Dobrze byłoby więc, gdyby proces łączenia produktów papierowych nie wymagał użycia spoiwa. Dotychczas dostępne metody termiczne nie pozwalały jednak łączyć w ten sposób elementów z papieru. Ulegają one bowiem wówczas spaleniu, zamiast przekształcać się w formę, która daje się skleić.
Remedium na tę bolączkę mogą już niebawem być krótkie, ale wysokoenergetyczne impulsy lasera CO. Florian Lull, pracownik naukowy w IWS, tak wyjaśnia ten sposób łączenia papieru: – Z jednej strony, bardzo wysokie temperatury zapewniają nagły rozkład papieru. Z drugiej strony, grupy molekularne celulozy, która jest głównym składnikiem papieru, są selektywnie i bardzo specyficznie wzbudzane przez falę lasera o długości 5,6 mikrometra.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Do zwizualizowania tzw. wysoce dynamicznego wrzenia ciekłego stanu pośredniego eksperci użyli kamery o wysokiej prędkości.
Wprowadzona energia lasera rozkłada te cząsteczki celulozy w znacznym stopniu na substancje gazowe, ale pozostają również zestalone produkty reakcji. Ich ilość można było zoptymalizować dzięki połączeniu pomiarów czasowo-rozdzielczych i analizy spektroskopowej w podczerwieni. Partnerom projektu PTS udało się ponownie upłynnić te produkty reakcji i połączyć ze sobą dwa paski papieru bez sztucznych dodatków.
Klejenie odbywa się w procesie zgrzewania na gorąco w temperaturze 200°C i pod ciśnieniem 36 barów. Połączone w ten sposób próbki poddano próbie rozciągania metodą T-peel. Na szczęście okazało się, że dominujące siły łączące mają wielkość tego samego rzędu jak w przypadku zwykłego połączenia klejowego. To wystarcza np. do zgrzewania na gorąco papieru do łatwo otwieranych opakowań.
W niektórych przypadkach doszło nawet do rozdzielenia się połączonych stron obok miejsca ich złączenia. Oznacza to, że połączenie było tak stabilne jak materiał bazowy.
Aby zademonstrować pełnię możliwości nowej metody klejenia, wyprodukowano również próbki testowe artykułów wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych, takie jak koperty, pudełka kartonowe i tekturę falistą. Efekt był równie obiecujący.
