مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

تهیه کاغذ آب‌گریز با روش خودتجمعی لایه‌به‌لایه از پلیمرهای زیستی و کربنات‌کلسیم‌رسوبی اصلاح‌شده با اسید‌ استئاریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
2 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
3 دانشیار، گروه صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران،
10.22034/ijwp.2024.2033522.1675
چکیده
بیان مساله و اهداف: کاغذ به­عنوان ماده‌ای تجدیدپذیر، زیست‌تخریب‌پذیر و قابل­بازیابی، مناسب‌ترین گزینه برای بسته‌بندی سبز محسوب می‌شود. در مقایسه با پلاستیک، بسته­بندی­های کاغذی، به­دلیل ویژگی آب­دوستی ذاتی الیاف سلولزی، هنگامی‌که در طی ذخیره­سازی و فرآیند انتقال، در تماس با آب قرار می­گیرند، مقاومت­های خود را از دست می­دهند. در نتیجه، تهیه بسته‌بندی­های کاغذی مقاوم به آب با مواد زیست­تخریب­پـذیر و دوستدار محیط­زیست بسیار مطلوب است. در این تحقیق، تأثیر استفاده از روش خودتجمعی لایه­به­لایه (LBL) با پلیمرهای زیستی و کربنات­کلسیم­رسوبی اصلاح شده با اسید­ استئاریک، بر ویژگی­های کاغذ، مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روشها: ماده اولیه مورد استفاده برای تهیه کاغذهای دست­ساز، خمیرکاغذ کرافت سوزنی­برگان رنگ­بری شده (LF) با درجه روانی 350 میلی‌لیتر CSF بوده است. به‌منظور بهبود ویژگی­های مقاومتی، الیاف با کربوکسی­متیل­سلولز (CMC) تیمار شدند و سوسپانسیونی از الیاف سلولزی تیمار نشده (70 درصد) و تیمار شده با CMC (30 درصد) (MLF)، برای تهیه کاغذ دست­ساز با گراماژ g/m2 60 مورد استفاده قرار گرفته است. کربنات­کلسیم­رسوبی (PCC) با اسید­استئاریک اصلاح­ شد (MPCC) و با CMC به­عنوان یک عامل کنترل­کننده رئولوژی ترکیب‌شدند، سپس با استفاده از کیتوزان و روش LBL، روی سطح کاغذ دست­ساز رسوب داده شدند. طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) برای تأیید اصلاح PCC  با اسید استئاریک مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، به‌منظور ارزیابی بار سطحی سوسپانسیون الیاف MLF، محلول کیتوزان و ترکیب CMC+MPCC، پتانسیل زتا اندازه‌گیری گردید. برای بررسی تأثیر اصلاح سطح کاغذ بر ویژگی­ها، ضخامت، گراماژ، شاخص ­مقامت کشش، زاویه تماس آب، زمان جذب آب و جذب آب (کاب)، مورد ارزیابی قرار گرفته است.
نتایج: نتایج طیف FTIR، تیمار سطحی PCC با اسید­استئاریک را به­دلیل وجود گروه­های معین (COOH، CH2 و CH3) در طیف MPCC، که مشخصه اسید­استئاریک بوده است، را تأیید کرده است. بررسی­ها نشان داد که سوسپانسیون MLF، به­دلیل حضور گروه‌های هیدروکسیل در ساختار سلولزی، دارای بار منفی بوده و پتانسیل زتای آن mV 2/103- اندازه‌گیری شده است. محلول کیتوزان، به­دلیل وجود گروه‌های آمین در زنجیره مولکولی، بار سطحی مثبت mV 2/13+ را نشان داد. همچنین، ترکیب CMC+MPCC دارای پتانسیل زتای mV 5/6 - بود که به­دلیل حضور گروه‌های COO- در سطح ذرات CMC می­باشد. اصلاح کاغذ با روش LBL باعث افزایش ضخامت و گراماژ کاغذ گردیده و با افزایش تعداد لایه­ها، این افزایش، روند صعودی داشته است. شاخص ­مقاومت­­کشش کاغذهای اصلاح شده در درصدهای کم اسید­استئاریک در مقایسه با کاغذهای شاهد، بهبود یافته است اما با افزایش درصد اسید­استئاریک مورد استفاده، کاهش یافته است. زمانی­که نمونه‌های کاغذ اصلاح‌شده با چندلایه MPCC با درصدهای مختلف اسید­استئاریک تیمار شدند، زاویه تماس آب و زمان جذب آب افزایش‌یافته و جذب آب (کاب) کاهش یافته است. حداکثر زاویه تماس آب، در کاغذهای تیمار شده با PCC اصلاح‌شده با ۱۲ درصد اسید استئاریک، °17/136، اندازه‌گیری شد که حاکی از افزایش قابل‌توجه خاصیت آب‌گریزی این نمونه‌ها است.
نتیجه ­گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که روش LBL، تأثیر بسزایی در بهبود ویژگی‌های ممانعتی و آب‌گریزی کاغذ دارد. روش LBL یک روش ساده، کم‌هزینه و سازگار با محیط‌زیست است که بدون نیاز به مواد شیمیایی مضر، می­تواند ویژگی­های کاغذ را بهبود بخشد. بنابراین، این روش می‌تواند به‌عنوان یک راهکار مؤثر برای تهیه کاغذهای آب‌گریز در صنعت بسته‌بندی و سایر کاربردهای مرتبط مورد استفاده قرار گیرد. 
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Yang, J., Li, H., Lan, T., Peng, L., Cui, R. and Yang, H., 2017. Preparation, characterization, and properties of fluorine-free superhydrophobic paper based on layer-by-layer assembly. Carbohydrate polymers, 178, pp.228-237.
[2]Yun, T., Tao, Y., Li, Q., Cheng, Y., Lu, J., Lv, Y., Du, J. and Wang, H., 2023. Superhydrophobic modification of cellulosic paper-based materials: Fabrication, properties, and versatile applications. Carbohydrate Polymers, 305, p.120570.
[3] Ogihara, H., Xie, J., Okagaki, J. and Saji, T., 2012. Simple method for preparing superhydrophobic paper: spray-deposited hydrophobic silica nanoparticle coatings exhibit high water-repellency and transparency. Langmuir, 28(10), pp.4605-4608.
[4] Arcudi, F., Cavallaro, G., Lazzara, G., Massaro, M., Milioto, S., Noto, R. and Riela, S., 2014. Selective functionalization of halloysite cavity by click reaction: structured filler for enhancing mechanical properties of bionanocomposite films. The Journal of Physical Chemistry C, 118(27), pp.15095-15101.
[5] Gaudreault, R., Di Cesare, N., van de Ven, T.G. and Weitz, D.A., 2015. Structure and strength of flocs of precipitated calcium carbonate induced by various polymers used in papermaking. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(24), pp.6234-6246.
[6] Ghosh, I., Sharma, C. and Tandon, R., 2020. Structural evaluation of chitosan-modified precipitated calcium carbonate composite fillers for papermaking applications. SN Applied Sciences, 2(9), p.1577.
[7] Basile, M.L., Triunfo, C., Gartner, S., Fermani, S., Laurenzi, D., Maoloni, G., Mazzon, M., Marzadori, C., Adamiano, A., Iafisco, M. and Montroni, D., 2024. Stearate-Coated Biogenic Calcium Carbonate from Waste Seashells: A Sustainable Plastic Filler. ACS omega, 9(10), pp.11232-11242.
[8] Çiçekler, M., Sözbir, T. and Tutuş, A., 2023. Improving the Optical Properties and Filler Content of White Top Testliners by Using a Size Press. ACS omega, 8(23), pp.21000-21007.
[9] Cao, Z., Daly, M., Clémence, L., Geever, L.M., Major, I., Higginbotham, C.L. and Devine, D.M., 2016. Chemical surface modification of calcium carbonate particles with stearic acid using different treating methods. Applied Surface Science, 378, pp.320-329.
[10] Mihajlović, S.R., Vučinić, D.R., Sekulić, Ž.T., Milićević, S.Z. and Kolonja, B.M., 2013. Mechanism of stearic acid adsorption to calcite. Powder technology, 245, pp.208-216.
[11] Wang, C., Sheng, Y., Zhao, X., Pan, Y. and Wang, Z., 2006. Synthesis of hydrophobic CaCO3 nanoparticles. Materials Letters, 60(6), pp.854-857.
[12] Hu, Z., Zen, X., Gong, J. and Deng, Y., 2009. Water resistance improvement of paper by superhydrophobic modification with microsized CaCO3 and fatty acid coating. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 351(1-3), pp.65-70.
[13] Wang, Z., Yi, M., Zhang, Z., Guo, M., Lu, P., Chen, Z. and Wang, S., 2017. Fabrication of highly water-repelling paper by surface coating with stearic acid modified calcium carbonate particles and reactive biopolymers. Journal of Bioresources and Bioproducts, 2(2), pp.89-92.
[14] Costa, V.L.D. and Simões, R.M.S., 2022. Hydrophobicity improvement of cellulose nanofibrils films by stearic acid and modified precipitated calcium carbonate coating. Journal of Materials Science, 57(24), pp.11443-11459.
[15] Zhang, T.D., Deng, X., Wang, Y.F., Wang, X.T., Zhang, X., Chen, L.L., Cao, X., Zhang, Y.Z., Zhang, C.Y., Zheng, X. and Yin, D.C., 2020. Layer-by-layer coating of polyvinylamine and dopamine-modified hyaluronic acid inhibits the growth of bacteria and tumor cell lines on the surface of materials. Applied Surface Science, 530, p.147197.
[16] Wågberg, L., Forsberg, S., Johansson, A. and Juntti, P., 2002. Engineering of fibre surface properties by application of the polyelectrolyte multilayer concept. Part I: Modification of paper strength. Journal of Pulp and Paper Science (JPPS), 28(7), pp.222-228.
[17] Wu, T. and Farnood, R., 2014. Cellulose fibre networks reinforced with carboxymethyl cellulose/chitosan complex layer-by-layer. Carbohydrate polymers, 114, pp.500-505.
[18] Bhardwaj, A., Sharma, N., Alam, T., Sharma, V., Sahu, J.K., Hamid, H., Bansal, V. and Alam, M.S., 2023. Development and characterization of chitosan and beeswax–chitosan coated biodegradable corn husk and sugarcane bagasse-based cellulose paper. Waste and Biomass Valorization, 14(5), pp.1625-1636.
[19] Rahman, M.S., Hasan, M.S., Nitai, A.S., Nam, S., Karmakar, A.K., Ahsan, M.S., Shiddiky, M.J. and Ahmed, M.B., 2021. Recent developments of carboxymethyl cellulose. Polymers, 13(8), p.1345.
[20] Laine, J. and Lindström, T., 2000. Studies on topochemical modification of cellulosic fibres: Part 1. Chemical conditions for the attachment of carboxymethyl cellulose onto fibres. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 15(5), pp.520-526.
[21] He, Y., Fan, Y., Luo, P. and Yang, Q., 2015. Synthesis of stearic acid modified ground calcium carbonate (SA-GCC) hybrid material and properties of SA-GCC/epoxy composites coating. Russian Journal of Applied Chemistry, 88, pp.962-969.
[22] Vaithanomsat, P., Kongsin, K., Trakunjae, C., Boonyarit, J., Jarerat, A., Sudesh, K. and Chollakup, R., 2021. Biosynthesized Poly (3-Hydroxybutyrate) on coated pineapple leaf fiber papers for biodegradable packaging application. Polymers, 13(11), p.1733.
[23] Hospodarova, V., Singovszka, E. and Stevulova, N., 2018. Characterization of cellulosic fibers by FTIR spectroscopy for their further implementation to building materials. American journal of analytical chemistry, 9(6), pp.303-310.
[24] Munawaroh, F., Muharrami, L.K. and Arifin, Z., 2019. Synthesis and characterization of precipitated CaCO3 from ankerite prepared by bubbling method. KnE Engineering, pp.98-104.
[25] Nguyen, D.M., Vu, T.N., Nguyen, T.M.L., Nguyen, T.D., Thuc, C.N.H., Bui, Q.B., Colin, J. and Perré, P., 2020. Synergistic influences of stearic acid coating and recycled PET microfibers on the enhanced properties of composite materials. Materials, 13(6), p.1461.
[26] Zhu, J., Liu, B., Li, L., Zeng, Z., Zhao, W., Wang, G. and Guan, X., 2016. Simple and green fabrication of a superhydrophobic surface by one-step immersion for continuous oil/water separation. The Journal of Physical Chemistry A, 120(28), pp.5617-5623.
[27] Charde, S.J., Sonawane, S.S., Sonawane, S.H. and Navin, S., 2018. Influence of functionalized calcium carbonate nanofillers on the properties of melt-extruded polycarbonate composites. Chemical Engineering Communications, 205(4), pp.492-505.
[28] Basta, A.H., Khwaldia, K., Aloui, H. and El-Saied, H., 2015. Enhancing the performance of carboxymethyl cellulose by chitosan in producing barrier coated paper sheets. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 30(4), pp.617-625.
[29] Mousavipazhouh, H., Azadfallah, M. and Jouybari, I.R., 2018. Encapsulation of precipitated calcium carbonate fillers using carboxymethyl cellulose/polyaluminium chloride: Preparation and its influence on mechanical and optical properties of paper. Maderas. Ciencia y tecnología, 20(4), pp.703-714.
 
[30] Tanpichai, S., Witayakran, S., Wootthikanokkhan, J., Srimarut, Y., Woraprayote, W. and Malila, Y., 2020. Mechanical and antibacterial properties of the chitosan coated cellulose paper for packaging applications: Effects of molecular weight types and concentrations of chitosan. International journal of biological macromolecules, 155, pp.1510-1519.
[31] He, Y., Li, H., Fei, X. and Peng, L., 2021. Carboxymethyl cellulose/cellulose nanocrystals immobilized silver nanoparticles as an effective coating to improve barrier and antibacterial properties of paper for food packaging applications. Carbohydrate polymers, 252, p.117156.
[32] Li, H., He, Y., Yang, J., Wang, X., Lan, T. and Peng, L., 2019. Fabrication of food-safe superhydrophobic cellulose paper with improved moisture and air barrier properties. Carbohydrate polymers, 211, pp.22-30.
 [33] Habibie, S., Hamzah, M., Anggaravidya, M. and Kalembang, E., 2016. The effect of chitosan on physical and mechanical properties of paper. Journal of Chemical Engineering and Materials Science, 7(1), pp.1-10.
[34] Goué, E.L., Ham-Pichavant, F., Grelier, S., Remy, J. and Coma, V., 2022. Functional Chitosan–Calcium Carbonate Coatings for Enhancing Water and Fungal Resistance of Paper Materials. Molecules, 27(24), p.8886.
[35] Amin, U., Khan, M.A., Akram, M.E., Said Al-Tawaha, A.R.M., Laishevtcev, A. and Shariati, M.A., 2019. Characterization of compisote edible films from aloe vera gel, beeswax and chitosan. Slovak Journal of Food Sciences/Potravinarstvo, 13(1).
[36] Li, H., Yang, J., Li, P., Lan, T. and Peng, L., 2017. A facile method for preparation superhydrophobic paper with enhanced physical strength and moisture-proofing property. Carbohydrate polymers, 160, pp.9-17.