Desenvolvimento e aplicação de geradores de plasma frio para aprimoramento da adesão em papel kraft para embalagens

Abstract

Resumo: Entre os principais produtos industriais massivamente produzidos, as embalagens de papel já recebem destaque por suas reciclabilidade e biodegradabilidade, sendo frequentemente fabricadas empregando-se revestimentos repelentes para aumentar sua durabilidade em ambientes úmidos. É comum, porém, que o emprego de repelentes hidrofóbicos gere obstáculos para a adesão entre superfícies para a montagem adesiva das embalagens. Nesse contexto, este trabalho demonstra a concepção e a utilização de tecnologias de plasma frio para aprimorar a adesão entre camadas de embalagens constituídas de papel Kraft, reduzindo a necessidade de adesivos de origem petroquímica. Foram prototipados diferentes sistemas, operando descargas de barreira dielétrica (DBD) volumétrica e de superfície, que permitem diferentes regimes de descarga de plasma em pressão atmosférica, em sistema roll-to-roll, testando os tratamentos com amostra móvel e parada. O módulo gerador de plasma volumétrico (vDBD) alcançou uma densidade energética de 75 W/cm3. O módulo gerador de plasma em superfície (sDBD) alcançou uma densidade energética de 185 W/cm3. O plasma sDBD mostrou caráter mais difuso enquanto o plasma vDBD mostrou caráter filamentar. Os tratamentos foram feitos em pressão e ar atmosférico, com velocidades de 18 m/min e 6 m/min em roll-to-roll e tempo de 5 s de forma estática. Através de imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV), observou-se que tratamentos via vDBD geram punturações micrométricas (danos), impossibilitando aplicação em amostras estáticas, enquanto tratamentos sDBD são mais capazes de gerar etching nanoscópico na superfície dos materiais, sem causar danos similares aos observados para tratamentos vDBD. Tratamentos sDBD mostraram eficácia superior em aumentar a molhabilidade à água de amostras sem revestimento e eficácia similar ao tratamento vDBD para amostras com revestimento (redução na ordem de 6-8%). Amostras de papel Kraft revestidas se mostraram mais resistentes ao efeito do plasma pela presença de aditivos aromáticos e pela alta mobilidade molecular da superfície parafínica. Testes de delaminação T-Peel com adesivo acetato de polivinila demonstram a eficácia superior do plasma sDBD em sistema roll-to-roll para todas as amostras. Ensaios combinados de goniometria séssil e espectroscopia de foto elétrons excitados por raios-X expuseram mecanismos de hydrophobic ageing e efeitos preferenciais para a compatibilização de cada amostra. Os resultados apontam alta capacidade da tecnologia de plasma frio (principalmente sDBD) de atuar como solução para compatibilizar substratos lignocelulósicos hidrorrepelentes com adesivos à base de água, contribuindo para viabilizar a implementação de práticas ambientalmente amigáveis no setor industrial papeleiro

Abstract: Among the main mass-produced industrial products, paper packaging already stands out for its recyclability and biodegradability, frequently manufactured using repellent coatings to increase its durability in humid environments. However, the use of hydrophobic repellents commonly creates obstacles to adhesion between surfaces for packaging assembly. In this context, this work demonstrates the design and use of cold plasma technologies to improve adhesion between samples of Kraft paper, reducing the need for petrochemical-based adhesives. Different systems were prototyped, operating volumetric and surface dielectric barrier discharges (DBD), which allow different plasma discharge regimes at atmospheric pressure, in a roll-to roll system, testing the treatments with moving and stationary samples. The volumetric plasma generator module (vDBD) achieved an energy density of 75 W/cm3. The surface plasma generator module (sDBD) achieved an energy density of 185 W/cm3. The sDBD plasma showed a diffuse behaviour, while the vDBD plasma showed a filamentary one. The treatments were performed under atmospheric pressure and air, with speeds of 18 m/min and 6 m/min in roll-to-roll and a static time of 5 s. Through scanning electron microscopy (SEM) images, it was observed that vDBD treatments generate micrometric punctures (damage), making application to static samples impossible, while sDBD treatments are more capable of generating nanoscopic etching on the surface of the materials, without causing similar damage observed for vDBD treatments. The sDBD treatments showed superior effectiveness in increasing the water wettability of uncoated samples and similar effectiveness to vDBD treatment for coated samples (reduction on the order of 6-8%). Coated Kraft paper samples proved more resistant to the effects of plasma due to the presence of aromatic additives and the high molecular mobility of the paraffinic surface. T-Peel delamination tests with PVA adhesive demonstrated the superior effectiveness of sDBD plasma in a roll-to-roll system for all samples. Combined sessile goniometry and XPS assays revealed hydrophobic aging mechanisms and preferential effects for the compatibility of each sample. The results indicate a high capacity of cold plasma technology (mainly sDBD) to act as a solution for making water-repellent lignocellulosic substrates compatible with water-based adhesives, contributing to the feasibility of implementing environmentally friendly practices in the paper industry