Passie voor papier

Geroutineerd flipt Ruben Nicasy met zijn duim door de bladzijdes van zijn vers-van-de-pers proefschrift en houdt stil bij een pagina vol gekleurde grafieken. “Kijk, door een meer glossy papiersoort komen de kleuren net iets beter uit.” Want sinds hij enkele jaren geleden werd ondergedompeld in de printwereld, is een vel papier allesbehalve gewoon voor hem, legt de jonge Vlaamse natuurkundige enthousiast uit. Woensdag 26 juni verdedigt Nicasy zijn onderzoek aan de faculteit Applied Physics and Science Education.

Hij bladert nog iets verder terug, en toont dan in een zwart-wit illustratie hoe het allemaal begon. “In het jaar 105 na Christus ontdekte de Chinees T’sai Lun dat je papier kunt maken van verschillende vezelrijke materialen, zoals boomschors, bamboe en katoen. Hij maakte daar een pulp van, waar hij uiteindelijk het vocht aan onttrok. De verschillende stappen die Lun gebruikte om tot papier te komen, vormen nog steeds de basis van onze hedendaagse papierproductie. Hoe tof is dat?”

Nat pakketje

Er zijn in de afgelopen decennia veel veranderingen doorgevoerd om de papierkwaliteit te verbeteren, vertelt Nicasy. “Een gewoon vel papier is eigenlijk heel bijzonder. De complexiteit begint al bij de vezels. Want elke boom is weer anders. Elk vezeltje heeft zijn unieke eigenschappen; er zijn wel honderden verschillende.  De ene vezel is wat langer, een andere wat steviger of dikker. Allemaal met een heel ander effect op het papier.” Daarnaast worden er ook fillers toegevoegd, om het papier betere eigenschappen te geven. Of krijgt het papier een nabewerking. “Steeds meer pakketjes die je thuisgestuurd krijgt, zitten in een papieren verpakking. Maar je wil geen kapot of nat pakket voor de deur. Daarom moet verpakkingspapier waterafstotend zijn, maar tegelijkertijd goed te beprinten én recycleerbaar zijn. Er wordt daarom veel onderzoek gedaan naar multifunctionele milieuvriendelijke coatings. En ook de printinkt ligt onder de loep: we zien steeds meer inktsoorten op waterbasis of plantaardige inkten, die geen schadelijke oplosmiddelen bevatten.”

Kennis over het gedrag van papiervezels is volgens Nicasy essentieel om duurzame vernieuwingen door te voeren binnen de papier- en printindustrie. “Er is nog veel onduidelijk over hoe inkt bijvoorbeeld precies wordt opgenomen door de individuele papiervezel. Dringt dat door de vezel heen of gaat het langs het oppervlak? Met fundamenteel papiervezel-onderzoek willen we de papier- en printindustrie handvatten geven om nieuwe toepassingen te ontwikkelen.”

Ultrasnelle inktopname

En dus ging Nicasy op zoek naar een methode om de inktpenetratie gedetailleerd in kaart te brengen. Dat was niet eenvoudig. “Inkt wordt heel snel opgenomen. De nieuwste industriële printers kunnen meer dan honderd pagina’s per minuut printen. Een heel dynamisch proces. En daarbij is het papier heel dun, en ondoorzichtig.”

De uiteindelijke aanpak – hij ontwikkelde een ultrasnelle NMR imaging methode (UFI-NMR) om de inktdruppel op het papier te volgen – is uniek, geeft Nicasy schoorvoetend toe. Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR), bekend van de medische beeldvormingstechniek MRI, kan veel zeggen over de eigenschappen van een materiaal. “Vooral het ultrasnelle aspect is een doorbraak. We gebruikten een speciale GARField NMR die binnen onze vakgroep from scratch is ontwikkeld en opgebouwd, er zijn maar enkele van deze apparaten ter wereld. Door het aanpassen van de elektromagnetische pulsreeks kunnen we nu elke 10 milliseconden een beeld maken.”

Pionierswerk

En met deze nieuwe methode boekte hij al direct enkele opmerkelijke resultaten. Zonder blikken of blozen doet hij een boekje open over penetratiediepte, zwelfases en latex. “We hebben voor het eerst de inktopname in meerdere fases kunnen onderscheiden. Daarbij zien we eerst capillaire opname van de waterige componenten – optrekkend vocht – , daarna zwellen de papiervezels op. Het water gaat langs de fibers, en sluit aanwezige lucht in. Tijdens de laatste fase ontsnapt de vastzittende lucht en droogt de inkt in. Uit onze metingen komt naar voren dat in speciale samengedrukte papieren zwelling een enorme invloed heeft op het penetratieproces.”

Verder besteedde Nicasy veel tijd aan het bestuderen van latexdeeltjes, een van de hoofdcomponenten van inkt op waterbasis. “Door het veranderen van de hoeveelheid latex bolletjes konden we de fysische eigenschappen van de inkt aanpassen. Hoe meer deeltjes, hoe verder ze doordrongen. Een ongewenst effect waarbij je uiteindelijk een inktdoordruk op de achterkant van het papier krijgt. We zien dus dat we met latex de penetratiediepte kunnen sturen.”

De metingen van Nicasy zijn een bron van data, die uiteindelijk een voorspellend model voor de printindustrie moet opleveren. “Zo kunnen we van te voren zien hoe een inkt met een papier gaat reageren, en hoe we inkt en papier kunnen aanpassen om tot de beste printkwaliteit te komen. Ik ben blij dat twee PhD-studenten mijn werk gaan voortzetten. Met UFI-NMR gaan ze ook kijken naar de inktopname van gecoat papier en verbeteringen van de inkt zelf.” Een beetje trots is hij daarom wel, besluit hij met pretoogjes. Want als ‘snelle jongen’ heeft hij op printgebied toch heel wat pionierswerk verricht.