مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

افزودن و نگهداری نانوالیاف سلولز به نمد تر کاغذ بدون کمک نگهدارنده و کاهش سرعت آب‌گیری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار دانشگاه صنعتی خاتم الانبیا بهبهان
2 2. دانش‌آموخته مهندسی صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان، ایران
3 3. دانشیار گروه جنگلداری و صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان، ایران
10.22034/ijwp.2024.2042838.1684
چکیده
بیان مساله و اهداف: نانو الیاف ‌سلولز (CNF) در کاغذسازی بیشتر به­عنوان عامل افزایش مقاومت خشک و تر کاغذ به روش افزودن به سوسپانسیون خمیرکاغذ همراه با کمک ‌نگهدارنده و نیز به­عنوان پوشش برای بهبود ویژگی‌های ممانعتی در پایانه خشک استفاده شده است. با این وجود افزودن نانو الیاف سلولز به خمیرکاغذ مشکلاتی از قبیل کاهش سرعت آب‌گیری و سرعت تولید، هدر رفت بخشی از نانو ذرات از زیر توری ماشین کاغذسازی، چسبندگی به تجهیزات و افزایش انرژی خشک‌کردن را در پی دارد. در این پژوهش افزودن نانو الیاف سلولز به سطح و لایه میانی نمد تر با درصد خشکی مختلف خمیرکاغذ برای غلبه بر این مشکلات بررسی‌شده است.
مواد و روشها: ابتدا ۲ درصد CNF به سوسپانسیون خمیرکاغذ باگاس اضافه شد و زمان آب‌گیری و میزان خروج CNF از توری کاغذسازی در دماهای مختلف (۵، ۱۵، 25، 35 و 45 درجه سانتی‌گراد) مورد بررسی قرار گرفت. سپس امکان افزودن CNF به سطح نمد تر و همچنین به میان دو لایه نمد تر بدون کمک نگهدارنده در سطح آزمایشگاهی بررسی شد. بدین منظور 1 و 2 درصد CNF روی سطح نمد تر با 4 سطح خشکی (5، 10، 20 و 35 درصد) توسط دستگاه ساخته شده در آزمایشگاه خمیر و کاغذ دانشگاه پاشیده شد تا کاغذهایی با گراماژ نهایی g/m2 2±80 به دست‌آید. روش پاشش CNF بر سطح نمد تر باعث چسبندگی بخشی از آن با کاغذ خشک‌کن‌ آزمایشگاهی شد که در صورت به‌کارگیری در صنعت امکان چسبندگی CNF به فلت پرس یا سیلندرهای خشک‌کن وجود دارد؛ بنابراین پاشش 1 و 2 درصد CNF به وسط دو لایه نمد تر (هر یک با گراماژ g/m2 1±40) با خشکی 20 درصد انجام تا این مشکل برطرف شد. در مرحله پاشش، خلأ به مدت 2 دقیقه از زیر توری برای تمام تیمارها اعمال شد در عین حال ماندگاری CNF به‌طور کامل صورت گرفت.
نتایج: نتایج افزودن CNF به سوسپانسیون خمیرکاغذ نشان داد که با زیاد شدن دما از 5 به 45 درجه سانتی‌گراد زمان آب‌گیری 30 درصد کاهش اما خروج CNF از توری کاغذسازی از 20 به 41 درصد افزایش می‌یابد. به‌طور کلی افزودن نانو الیاف سلولز موجب کاهش ضخامت کاغذ­ها شد و تصاویر SEM اتصال بیشتر بین لایه‌های الیاف و فشردگی بیشتر کاغذ چندلایه را تأیید کرد. با این وجود هرچه درصد خشکی نمد تر بیشتر باشد نفوذ نانو الیاف ‌سلولز در ضخامت آن کمتر شده و تأثیر کمتری بر الیاف لایه‌های زیرین و در نتیجه بر کاهش ضخامت کاغذ نهایی داشت. تیمارهای پاششCNF به سطح و میان نمد نسبت به افزودن همان مقدار CNF به سوسپانسیون خمیرکاغذ مقاومت کششی بیشتری برای کاغذ ایجاد کرد؛ اما شاخص پارگی کلیه تیمارها از نظر آماری اختلاف معنی‌دار نداشت. همچنین تیمار پاشش 2 درصد CNF بین دو لایه نمد با خشکی 20 درصد، بیشترین مقدار شاخص کشش را در بین تمام تیمارها ایجاد کرد.
نتیجه­ گیری: روش پاشش نانو الیاف ‌سلولز به سطح نمد تر با درصد خشکی بیش از ۱۰ درصد می‌تواند بدون کمک ‌نگهدارنده، هدر رفت نانو الیاف ‌سلولز را به صفر برساند و تأثیری نیز در سرعت آب‌گیری سوسپانسیون خمیرکاغذ ایجاد نکند. همچنین افزودن نانو الیاف سلولز بین دو لایه نمد تر با خشکی حدود 20 درصد باعث ماندگاری کامل آن بدون کاهش سرعت آب‌گیری و تولید و عدم چسبندگی با تجهیزات کاغذسازی باشد و ویژگی‌های مکانیکی کاغذ را بهبود دهد؛ بنابراین می‌تواند مورد بهره‌برداری واحدهای صنعتی با قابلیت تولید کاغذ چندلایه قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Hetemäki, L., Hänninen, R., Moiseyev, A., 2013. Markets and market forces for pulp and paper products. In: The Global Forest Sector: Changes, Practices, and Prospects. https://doi.org/10.1201/b16186.
[2] Mondéjar-López, M., García-Simarro, M.P., Navarro-Simarro, P., Gómez-Gómez, L., Ahrazem, O., Niza, E., 2024. A review on the encapsulation of “eco-friendly” compounds in natural polymer-based nanoparticles as next generation nano-agrochemicals for sustainable agriculture and crop management, Int J Biol Macromol, 136030.
[3]  Xu, J., Krietemeyer, E.F., Boddu, V.M., Liu, S.X., Liu, W.C., 2018. Production and characterization of cellulose nanofibril (CNF) from agricultural waste corn stover. Carbohydrate Polymers, 192. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.03.017.
[4]  Bardet, R., Bras, J., 2014. Cellulose nanofibers and their use in paper industry. HANDBOOK OF GREEN MATERIALS: 1 Bionanomaterials: separation processes, characterization and properties, World Scientific, pp.207–32.
[5] Deng, Y., Zhu, T., Cheng, Y., Zhao, K., Meng, Z., Huang, J., 2024. Recent advances in functional cellulose-based materials: Classification, properties, and applications, Advanced Fiber Materials, 1–26.
[6]  Sandquist, D., 2013. New horizons for microfibrillated cellulose. Appita Journal: Journal of the Technical Association of the Australian and New Zealand pulp and paper Industry, 66(2), 156.
[7]  Einchhorn, S.J., Dufresne, A., Aranguren, M.M., Capadona, J.R., Rowan, S.J., Weder, C., Veigel, S., 2010. Review: current international research into cellulose nanofibres and composites. J. Mater. Sci. 45, pp. 1–33.
[8]  Cowie, J., Bilek, E.M.T., Wegner, T.H., Shatkin, J.A., 2014. Market projections of cellulose nanomaterial-enabled products - part 2: Volume estimates. Tappi J. https://doi.org/10.32964/tj13.6.57.
[9] Qin, Z., Ng, W., Ede, J., Shatkin, J.A., Feng, J., Udo, T., 2024. Nanocellulose and its modified forms in the food industry: Applications, safety, and regulatory perspectives, Compr Rev Food Sci Food Saf, 23: e70049.
[10] Ämmälä, A., Sirviö, J.A., Liimatainen, H., 2021. Energy consumption, physical properties and reinforcing ability of microfibrillated cellulose with high lignin content made from non-delignified spruce and pine sawdust, Ind Crops Prod, 170: 113738.
[11] Boufi, S., González, I., Delgado-Aguilar, M., Tarrès, Q., Pèlach, M.À., Mutjé, P., 2016. Nanofibrillated cellulose as an additive in papermaking process: A review. Carbohydrate Polymers, 154. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.117.
[12] Kumar, V., Elfving, A., Koivula, H., Bousfield, D., Toivakka, M., 2016. Roll-to-Roll Processed Cellulose Nanofiber Coatings. Ind Eng Chem Res. 55.
[13] Afra, E., Mohammadnejad, S., Saraeyan, A., 2016. Cellulose nanofibils as coating material and its effects on paper properties. Prog Org Coat, 101, pp.455–460.
[14] Kumar, V., 2018. Roll-to-roll processing of nanocellulose into coatings.
[15] Lu, Z., An, X., Zhang, H., Guan, M., Liu, J., Sun, Y., Nie, S., Cao, H., Lu, B., Liu, H., 2019. Study on the wet-web strength and pressability of paper sheet during the press process with the addition of nano-fibrillated cellulose (NFC). Carbohydrate Polymers, 210, 332-338. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.083.
[16] Jarabo, R., Fuente, E., Monte, M.C., Savastano, H., Mutjé, P., Negro, C., 2012. Use of cellulose fibers from hemp core in fiber-cement production. Effect on flocculation, retention, drainage and product properties. Ind Crops Prod. 39. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.02.017.
[17] Moradian, M.H., Rezayati Charani, P., Saadat Niya, M., 2016. Improving paper breaking length using cellulosic nanofibers in bagasse pulp. Forest and Wood Products, 69, pp. 603–614.
[18] Amini, E. (Nima), Tajvidi, M., Bousfield, D.W., Gardner, D.J., Shaler, S.M., 2019. Dewatering Behavior of a Wood-Cellulose Nanofibril Particulate System. Sci Rep 9. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51177-x.
[19] Rudi, H., Atun, D., Jalali Torshizi, H., Djafari Petroudy, S.R., 2018. Effect of Applying Cellulose Nanofibers on the Properties of Multiply Paper Made from Recycled Fibers. Iranian Journal of Wood and Paper Industries 9, pp. 359–369.
[20] TAPPI., 2006. Forming handsheets for physical tests of pulp. TAPPI Test Method T 205 sp-18, Tappi J, 1–9.
[21]TAPPI., 2006. Thickness (caliper) of paper, paperboard, and combined board. Test TAPPI Test Method T411 om-05, Tappi J, 1–4.
[22] TAPPI., 2006. Tensile properties of towel and tissue products (using constant rate of elongation apparatus). TAPPI Test Method T494 om-01., Tappi J, 1–14.
[23] TAPPI., 2006. TAPPI Internal tearing resistance of paper (Elmendorf-type method. TAPPI Test Method T 414 om 04, Tappi J, 1–7.
[24] TAPPI., 2006. Folding endurance of paper (MIT tester). TAPPI Test Method T 511 om-02, Tappi J, 3–7.
 
[25] TAPPI., 2006. Freeness of pulp (Canadian standard method), Tappi Press, Atlanta, GA, 1–9.
[26] Ramaswamy, S., 2003. Vacuum dewatering during paper manufacturing, Drying Technology, 21: 685–717.
[27] Rezayati Charani, P., 2019. Comparison of the Effect of Using Cellulose Nanofibers and Cationic Starch instead of Refining on the Physical and Mechanical Properties of Manufacture Paper from OCC pulp, Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 33: 593–605.
[28] Sethi, J., Oksman, K., Illikainen, M., Sirviö, J.A., 2018. Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making, Carbohydrate Polymers, 197: 92–9.
[29] Kalliokoski, J., 2011. Models of filtration curve as a part of pulp drainage analyzers.
[30] Khalilian Shalamzari, M., Moradian, M.H., Rezayati Charani, P., 2018. Improving wet tensile strength of paper glass using PAE, CNF and CMC. Iranian Journal of Wood and Paper Industries 9, pp. 163–173.
[31] Kajanto, I., Kosonen, M., 2012. The potential use of micro-and nanofibrillated cellulose as a reinforcing element in paper, Journal of Science & Technology for Forest Products and Processes, 2: 42–8.
[32] Rezayati Charani, P., Moradian, M.H., Mousavi, S.F., 2020. Strengthening tensile strength of wet and dry layer of paper from chemical-mechanical pulp by cellulose nanofibers and PAE, Journal of Environmental Science Studies, 5: 2458–65.
[33] Shanmugam, K., 2022. Spray coated cellulose nanofiber laminates on the paper to enhance its barrier and mechanical properties, Journal of Sustainability and Environmental Management, 1: 10–7.
[34] Young, R.A., 1994. Comparison of the properties of chemical cellulose pulps. Cellulose 1, pp. 107–130.
[35] Chen, Z., Zhang, H., Song, Z., Qian, X., 2013. Preparation and Application of Maleic Anhydride-Acylated Chitosan for Wet Strength Improvement of Paper. Bioresources, 8(3).