Agentes de colagem do papel: uma visão geral técnica abrangente sobre a química, a classificação e as aplicações

1. Introdução: Os fundamentos do desempenho do papel

Os agentes de colagem do papel são aditivos químicos essenciais ao processo de fabrico do papel, concebidos para conferir resistência à água, à tinta e a outros líquidos, melhorando simultaneamente a resistência, a suavidade e a capacidade de impressão do papel. Sem a colagem, a maioria dos produtos de papel absorveria líquidos de forma descontrolada, tornando-os inadequados para aplicações de escrita, impressão ou embalagem.

Os agentes de colagem atuam modificando as propriedades superficiais das fibras de celulose. Estes produtos químicos possuem grupos moleculares tanto hidrofílicos como hidrofóbicos; quando aplicados às fibras do papel, os grupos hidrofóbicos orientam-se para o exterior, criando uma barreira que repele os líquidos, mantendo simultaneamente a integridade estrutural do papel.

O mercado global de agentes de colagem para papel continua a expandir-se, impulsionado pela crescente procura de papéis de embalagem de alto desempenho e pela transição para práticas sustentáveis de fabrico de papel. Só o mercado dos agentes de colagem para superfícies de papel foi avaliado em US$ 1 114 milhões em 2024 e prevê-se que atinja US$ 1 505 milhões até 2031, registando uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 4,8%.

LY Chem Technology Co., Ltd. , com mais de duas décadas de experiência no fabrico de produtos químicos para a indústria do papel, oferece uma gama abrangente de soluções de colagem — incluindo os nossos agentes de colagem à base de resina de pinho LY-CRS e LY-ARS, os agentes de colagem AKD LY-AKD301 e LY-AKD302 e o agente de colagem superficial de estireno-acrilato LY-BB201 — concebidos para satisfazer as diversas necessidades dos fabricantes de papel modernos.

2. Evolução histórica: da gelatina aos sintéticos modernos

2.1 A Era do Colagem com Gelatina

No século XVIII e no início do século XIX, o colagem do papel era realizada predominantemente através de uma combinação de gelatina e alúmen (sulfato de alumínio). Este método, embora eficaz, era dispendioso e moroso, o que limitava a capacidade de produção de papel.

2.2 A Revolução da Colofónia e do Alúmen (1807)

A invenção de colagem com alúmen e resina de pinheiro A descoberta de Moritz Friedrich Illig, na Alemanha, em 1807, marcou um ponto de viragem na história da fabricação de papel. A resina de pinheiro revelou-se significativamente mais barata do que a gelatina, o que permitiu a rápida expansão da indústria do papel.

Entre aproximadamente 1850 e 1950, o papel era colado internamente com resina de pinheiro e alúmen de papelaria, num pH ácido, normalmente entre 4 e 5. Este sistema ácido, embora económico, impunha limitações significativas:

• Amarelecimento e fragilização do papel: As condições ácidas favoreceram a hidrólise das fibras
• Corrosão do equipamento: O ambiente ácido acelerou o desgaste dos componentes da máquina de fabrico de papel
• Impossibilidade de utilizar enchimentos à base de carbonato de cálcio: Os enchimentos alcalinos não podiam ser utilizados em sistemas ácidos
• Permanência limitada do papel: Os papéis ácidos degradaram-se com o passar do tempo

2.3 A Revolução da AKD (1956)

O desenvolvimento de Dímero de alquilceteno (AKD) Os agentes de colagem da Hercules Inc. na década de 1950 — lançados comercialmente pela primeira vez em 1955 sob o nome de Aquapel — representaram uma mudança de paradigma na tecnologia de fabrico de papel. As emulsões de AKD foram imediatamente aceites pelo mercado devido à sua elevada eficiência e boa relação custo-benefício, em comparação com a colagem tradicional à base de resina de pinheiro e alúmen.

Ao contrário do encolagem à base de resina, que se baseia na deposição física e nas interações iónicas, O AKD forma ligações covalentes com as fibras de celulose. Este mecanismo de ligação química proporciona:

• Efeitos de dimensionamento superiores e mais duradouros em comparação com a resina
• Condições neutras/alcalinas na fabricação de papel, reduzindo a corrosão do equipamento
• Compatibilidade com cargas de carbonato de cálcio, reduzindo os custos de produção
• Maior durabilidade do papel sem amarelecimento nem fragilização

2.4 O surgimento do colagem de superfícies

A tecnologia de colagem superficial surgiu por volta de 1930, com a introdução das prensas verticais de colagem superficial com rolos. Inicialmente limitada a aplicações especializadas, como o papel para notas de banco e o papel de segurança, a colagem superficial tornou-se um processo de tratamento de papel de rotina em toda a indústria.

Atualmente, o revestimento de superfície é reconhecido como um processo indispensável na fabricação moderna de papel, com aplicações que abrangem o papel para uso cultural, o papel para embalagens, o cartão ondulado e os papéis destinados ao contacto com alimentos.

3. Classificação dos agentes de dimensionamento

Os agentes de colagem são, em termos gerais, classificados em duas categorias, com base no seu método de aplicação: agentes de dimensionamento internos e agentes de colagem de superfície.

3.1 Agentes de colagem internos

Os agentes de dimensionamento internos são adicionados à pasta na secção húmida da máquina de fabrico de papel. Atuam retardando a penetração da água através da difusão molecular e são distribuídos por toda a folha.

As principais categorias incluem:

Agentes de colagem à base de resina de colofónia — O tradicional pilar da indústria. O revestimento com resina de colofónia requer, normalmente, condições ácidas mantidas com alúmen (sulfato de alumínio). Granulometria da resina dispersa apresentam vantagens significativas em relação aos colantes tradicionais à base de resina saponificada, permitindo uma redução de 30–50% no consumo tanto de resina como de sulfato de alumínio, ao mesmo tempo que possibilitam condições de colagem neutras.

Dímero de alquilceteno (AKD) — Um agente de colagem reativo que forma ligações covalentes de éster com as fibras de celulose. O AKD permite a produção de papel em condições neutras/alcalinas, reduz a corrosão do equipamento e possibilita a utilização de enchimentos à base de carbonato de cálcio. No caso das pastas branqueadas, a adição de AKD varia normalmente entre 0,10 e 0,30%.

Anidrido succínico de alquenilo (ASA) — Outro agente de colagem reativo que forma rapidamente a camada de colagem na máquina de papel. O ASA oferece a vantagem de a colagem se formar diretamente na máquina, mas requer um manuseamento mais cuidadoso devido à sua menor estabilidade da emulsão.

3.2 Agentes de colagem de superfícies

Os agentes de colagem superficial são aplicados à superfície do papel já formado na prensa de colagem, normalmente perto do final da secção de secagem. A colagem superficial cria uma película protetora na superfície da folha que inibe a absorção e o sangramento, ao mesmo tempo que une as fibras superficiais para reduzir a formação de pó e de fiapos.

Entre os agentes de colagem de superfície mais comuns contam-se:

• Amido e derivados do amido: Os agentes de colagem de superfície mais utilizados, que oferecem excelentes propriedades de formação de película e aumento da resistência
• Carboximetilcelulose (CMC) : Melhora a resistência da superfície e a capacidade de impressão
• Álcool polivinílico (PVA) : Proporciona propriedades de formação de película e resistência ao óleo superiores
• Copolímeros de estireno-anidrido maleico (SMA) : Polímeros sintéticos que melhoram significativamente a hidrofobicidade, a resistência à água, a capacidade de impressão e o aspeto da superfície

4. Propriedades físico-químicas dos principais agentes de colagem

4.1 Granulometria da resina de pino dispersa

A cola de resina dispersa apresenta várias vantagens em relação à cola de resina saponificada tradicional:

• Poupança em produtos químicos: Reduz o consumo de colofónia e de sulfato de alumínio em 30–50%
• Capacidade de dimensionamento neutro: Permite condições neutras de fabrico de papel, melhorando a resistência à água do papel
• Temperatura ideal de emulsificação: Os melhores resultados obtêm-se entre 140 e 150 °C
• Requisitos relativos aos dispersantes: 7–8% — o dispersante é normalmente suficiente
• Baixa formação de espuma: Geração mínima de espuma durante a produção
• Processo de produção não tóxico: Produção respeitadora do ambiente

4.2 AKD (dímero de alquilceteno)

O AKD é um sólido ceroso de cor amarelo-claro, com baixo ponto de fusão (normalmente 43–55 °C), que é insolúvel em água. As suas principais características incluem:

• Mecanismo de dimensionamento reativo: Forma ligações covalentes de β-cetoéster com os grupos hidroxilo da celulose
• Alta eficiência: É necessária uma quantidade muito reduzida de AKD reagido para se obter uma colagem eficaz
• Aplicação neutra/alcalina: Funciona eficazmente num intervalo de pH entre 7 e 9
• Requisitos de cura: Normalmente, 12 a 24 horas à temperatura ambiente para que o colagem atinja o seu tamanho máximo

4.3 Agentes de revestimento de superfície à base de estireno-anidrido maleico (SMA)

Os copolímeros SMA são polímeros sintéticos solúveis em água ou dispersíveis em água que oferecem:

• Hidrofobicidade superior: Excelente resistência à água
• Melhor capacidade de impressão: Melhor retenção da tinta e qualidade de impressão
• Surface strength improvement: Reduced dusting and picking
• Porosity reduction: Seals surface pores for improved barrier properties

5. Manufacturing Methods

5.1 Rosin-Based Sizing Agents

Lignin-Rosin Sizing Agents: A preparation method involves dissolving lignin and rosin in anhydrous ethanol at a mass ratio of 1:0.25–4, followed by stirring and drying to obtain a powder product. This approach simplifies the preparation process while improving paper strength.

Anionic Rosin Sizing Agents: Produced using self-made anionic acrylic acid copolymers to emulsify rosin, with an optimal rosin-to-emulsifier mass ratio of 1:1.

5.2 AKD Manufacturing

The conventional industrial method for AKD preparation uses triethylamine as an acid-binding agent to facilitate the self-polymerization of fatty acid chlorides, forming ring-structured alkyl ketene dimers (AKD).

Solvent-free AKD synthesis has emerged as the mainstream direction. This process eliminates organic solvents from production, addressing concerns about solvent residues and environmental impact.

5.3 Surface Sizing Agent Manufacturing

Styrene-Maleic Anhydride Copolymers: SMA surface sizing agents are produced through copolymerization of styrene and maleic anhydride. The ammonium salt of styrene-maleic anhydride has been identified as an effective surface sizing agent.

Cationic Sizing Agents: Produced through the reaction of α-olefins with maleic anhydride, followed by imidization with polyamines containing tertiary and primary amino groups, and finally quaternization with epichlorohydrin in the presence of water.

6. Application Strategies and Synergies

6.1 Internal Sizing Applications

Internal sizing is suitable for applications where bulk water resistance is required:

• Liquid packaging board: AKD provides excellent resistance to fruit juice, lactic acid, and other aggressive media
• Corrugating medium: Provides compression resistance and moisture resistance
• Papéis para escrever e imprimir: Traditional rosin sizing or AKD sizing depending on quality requirements
• Fruit bag paper: Water resistance to protect fruit from moisture damage

6.2 Surface Sizing Applications

Surface sizing offers distinct advantages for applications requiring superior surface properties:

• High-precision printing papers: Enhanced printability and surface smoothness
• Packaging papers with graphics: Improved print quality and surface strength
• Papers requiring reduced two-sidedness: Uniform surface properties
• Food packaging papers: Surface barrier properties with regulatory compliance

6.3 The Synergy of Combined Sizing

In modern papermaking, internal and surface sizing are typically used in combination. This integrated approach offers multiple benefits:

• Improved product quality: Enhanced surface properties and bulk strength
• Reduced pollution: Lower chemical carryover in white water
• Lower production costs: Optimized overall chemical usage
• Greater formulation flexibility: Ability to fine-tune surface properties independently of wet-end chemistry

6.4 The “Lattice” Sizing Mechanism

The sizing mechanism of AKD on paper has been proposed as a “lattice” mechanism. This theory suggests that AKD molecules form a regular, ordered arrangement on the cellulose fiber surface, creating a hydrophobic barrier through molecular organization rather than simply through random deposition.

7. Market Trends and Future Outlook

7.1 Market Growth

The global sizing agents market continues to expand:

• Paper Surface Sizing Agents market: US$ 1,114 million (2024), projected to US$ 1,505 million (2031), CAGR 4.8%
• Surface Sizing Agents market (broader): USD 825.9 million (2025), projected to USD 1.12 billion (2032), CAGR 4.5%
• Europe market: Expected to grow from US$ 306.22 million (2024) to US$ 409.80 million (2031), CAGR 4.43%

7.2 Key Market Drivers

E-Commerce Growth: With e-commerce packaging volumes projected to grow at over 14% annually through 2025, paper-based packaging solutions require high-performance sizing agents to enhance water resistance and printability.

Sustainability Mandates: The global shift toward sustainable packaging solutions is driving growth in the paper and paperboard industry, subsequently boosting demand for sizing agents.

Bio-Based Sizing Agents: The rising preference for bio-based sizing agents to meet environmental regulations and sustainability goals is a key market trend.

Printing Technology Evolution: The proliferation of digital and high-speed printing technologies continues to raise quality expectations for paper surfaces.

7.3 Future Innovations

• Enzyme-modified starches: Offering superior viscosity stability and mechanical strength
• Nanocellulose-enhanced sizing: Combining traditional sizing agents with cellulose nanomaterials
• Bio-based sizing agents: Responding to the demand for renewable, biodegradable alternatives
• Solvent-free manufacturing: Eliminating organic solvents from production processes
• Smart sizing systems: Real-time monitoring and control of sizing application

8. Conclusion

Paper sizing agents have evolved dramatically over the past two centuries—from gelatin and alum in the 18th century, through the rosin-alum revolution of 1807, to the AKD revolution of 1956, and continuing today with advanced synthetic and bio-based formulations. This evolution reflects the paper industry’s ongoing pursuit of higher quality, greater sustainability, and improved operational efficiency.

Key takeaways:

• Sizing is essential: With few exceptions, nearly all paper products require sizing
• Two complementary approaches: Internal sizing provides bulk water resistance; surface sizing delivers superior surface properties
• Chemistry matters: Rosin sizing relies on physical deposition; AKD forms covalent bonds with cellulose
• Sustainability drives innovation: Bio-based and solvent-free sizing agents are emerging as key trends
• Market growth is robust: The global sizing agents market continues to expand, driven by packaging growth and sustainability mandates

LY Chem Technology Co., Ltd. , with over two decades of experience in paper chemicals manufacturing, offers a comprehensive range of sizing solutions:

• LY-CRS (Cationic Highly Dispersed Rosin Size) : Lower aluminum sulfate consumption, near-neutral sizing for food-grade applications
• LY-ARS (Anionic Highly Dispersed Rosin Size) : Tolerant of high-hardness white water, complete replacement for traditional saponified rosin size
• LY-AKD301 (Internal AKD Sizing Agent) : Superior water resistance and aging resistance for cultural paper, coated paper, and packaging base paper
• LY-AKD302 (Surface AKD Sizing Agent) : Enhanced ring crush strength and burst strength for corrugating medium and linerboard
• LY-BB201 (Styrene-Acrylate Surface Sizing Agent) : Cationic emulsion that partially replaces internal sizing while improving ring crush strength and water resistance

As the global paper industry continues its transition toward sustainable, high-performance papermaking, LY Chem remains committed to providing innovative chemical solutions that empower papermakers to meet the challenges of tomorrow—today.

---

For more information about LY Chem’s sizing solutions and our complete range of papermaking chemicals, please contact our technical sales team.

Referências

1. Paper sizing with alkyl ketene dimers – ScholarWorks, WMU
2. The Genesis of Alkaline Sizing – cool.culturalheritage.org
3. Rosin sizing history – Wikipedia / Conservation sources
4. AKD sizing history – Hercules Inc., 1956 (De Gruyter / Museum Conservation Institute)
5. Surface sizing compositions – Styrene-maleic anhydride copolymers (Patents / CNKI)
6. Paper Surface Sizing Agents Market Report 2025-2031 – QY Research
7. Surface Sizing Agents Market Outlook 2025-2032 – 24Chemical Research
8. Dispersed rosin size properties – IPPTA
9. AKD synthesis – Solvent-free methods (Patents / Journal sources)
10. Sizing agents classification – Baidu Baike