مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

سنتز کمپلکس گلیسیرین- کلسیم‌کربنات و اثر آن بر مقاومت کششی کاغذ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، گروه مهندسی صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی
2 دانشگاه زنجان، گروه شیمی
10.22034/ijwp.2025.2048806.1691
چکیده
بیان مساله و اهداف: یکی از چالش‌های عمده در استفاده از کلسیم کربنات، تمایل به رسوب‌گذاری در سیستم‌های تولید کاغذ به دلیل اندازه ذرات آن است. برای کاهش این مشکل معمولاً از پلی‌آکریل‌آمید کاتیونی (CPAM) استفاده می‌شود. با وجود این، مصرف بیش از حد (CPAM) می‌تواند اثرات محیط­زیستی نامطلوبی داشته باشد. از سوی دیگر، استفاده از کلسیم کربنات ممکن است منجر به کاهش پیوندهای بین الیاف و در نتیجه افت مقاومت مکانیکی کاغذ شود. به‌منظور کاهش این چالش‌ها و بهبود خواص مکانیکی کاغذ، اصلاح شیمیایی کلسیم کربنات پیشنهاد شده است. در این مطالعه، کلسیم کربنات با استفاده از گلیسیرین تیمار شده است. گلیسیرین، به دلیل داشتن گروه‌های عاملی هیدروکسیل، می‌تواند با یون‌های کلسیم واکنش داده و کمپلکس‌های پایدار تشکیل دهد. این پژوهش با هدف بررسی اثر گلیسیرین بر ماندگاری پرکننده‌ها، ماندگاری الیاف و مقاومت مکانیکی کاغذ انجام شده است. همچنین تلاش شده است تا جایگزینی سازگار با محیط زیست برای CPAM ارائه شود.
مواد و روشها: برای تهیه کمپلکس گلیسیرین-کلسیم کربنات، از کربنات کلسیم آسیابی ‌(GCC)، گلیسیرین، نشاسته خام، پلی‌وینیل‌الکل (PVA) و کربوکسی‌متیل‌سلولز (CMC) استفاده شد. در فرآیند سنتز، گلیسیرین و کلسیم کربنات با نسبت‌های مولی مختلف ترکیب شدند و محلول حاصل به مدت 90 دقیقه در دمای 50 درجه سانتی‌گراد هم‌زده شد تا کمپلکس تشکیل گردد. در مرحله بعد، محلول 7/0 درصد PVA جداگانه تهیه شد و به مخلوط گلیسیرین-کلسیم کربنات افزوده شد و به مدت 50 دقیقه هم‌زده شد. سپس نشاسته خام (که از قبل پخته شده بود) و CMC به مقادیر 2/1 و 1 درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه گردید. این ترکیب به مدت 20 دقیقه هم‌زده شد و در نهایت بوراکس به مقادیر 01/0، 005/0 و 001/0 گرم در یک میلی‌لیتر آب مقطر به آرامی به محلول اضافه شد. محلول نهایی با هم زدن به یک ترکیب یکنواخت تبدیل گردید. برای تنظیم pH خمیرکاغذ در محدوده 8، سدیم هیدروکسید به آن افزوده شد. کربنات کلسیم آسیابی در حالت اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده، به مقادیر 20، 35 و 47 درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه شد. سپس نمونه‌های کاغذ با وزن پایه 60 گرم بر مترمربع تهیه شدند. برای بررسی ویژگی‌های ریزساختاری و اندازه ذرات نمونه‌های کلسیم کربنات و ساختار شیمیایی آن‌ها، از آزمون‌های مختلف شامل میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و طیف‌سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه استفاده شد.
نتایج: حضور پیک‌های پهن و قوی در cm-13370 و cm-13500 نشان‌دهنده کشش گروه‌های O-H بود. میزان خاکستر کاغذهای تیمارشده با کمپلکس حاوی 05/0 درصد بوراکس و 32 درصد کلسیم کربنات، قابل مقایسه با نمونه‌های تیمارشده با 03/0 درصد CPAM بود. مقدار خاکستر کاغذهای حاوی کمپلکس گلیسیرین-کلسیم با مصرف 3/0 درصد بوراکس و 49 درصد کلسیم کربنات برابر با نمونه‌های حاوی 06/0 درصد CPAM بود. با استفاده از این کمپلکس، امکان تولید کاغذی با محتوای بالای کلسیم کربنات فراهم شد که در مقایسه با نمونه‌های شاهد، ماندگاری پرکننده‌ای بین 5 تا 40 درصد بیشتر داشت. این فرآیند امکان افزودن 5 تا 7 درصد پرکننده بیشتر در کاغذ دست‌ساز را بدون نیاز به CPAM فراهم کرد که به‌طور مشابه مصرف خمیرکاغذ شیمیایی را کاهش داد.
نتیجه­ گیری: استفاده از کمپلکس گلیسیرین-کلسیم موجب افزایش پیوندهای هیدروژنی در ساختار کاغذ شد. در مقابل، روش‌های معمول افزودن کلسیم کربنات با استفاده از CPAM باعث کاهش پیوندهای بین الیاف می‌شوند. این امر منجر به بهبود شاخص مقاومت در برابر کشش در نمونه‌های تیمارشده با کمپلکس گردید. این پژوهش نشان می‌دهد که کمپلکس گلیسیرین-کلسیم کربنات می‌تواند به‌عنوان جایگزینی مؤثر برای پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی در صنعت کاغذسازی مورد استفاده قرار گیرد و بهبود خواص مکانیکی و ماندگاری کاغذ را فراهم کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Schabel, S., Putz, H-J., Hamm, U., Kersten, A., Bobek, B., Hirsch, G., Voss, D., 2014. Calcium carbonate in the paper industry-blessing for coated papermaking and sure for recycling processes. Tappi journal, 13(11), pp.47-54.
[2] Hubbe, M-A., Gill, R-A., 2016. Filler for papermaking: A review of their properties, usage practices, and their mechanistic role. Bioresources journal,11(2), pp.2886-2963.
[3] Kang, D-S., Han J-S., Cho, J-S., Seo, Y-B., 2020. Development of Deformable Calcium Carbonate for High Filler Paper. American Chemical Society Publication, 5(25), pp.15202-15209.
[4] Kumar, P., Negi, Y-S., Pal Singh, S., 2011. Filler loading in the lumen or/and cell wall of fibers – A literature review. Bioresource journal. 6(3), pp. 3526-3546.
[5] Lee, M-W., Kang, D-S., Seo, Y-B., 2021. Development of post hybrid calcium carbonate for high loaded paper. Bioresource journal. 16(4), pp. 7716-7728.
[6] Sang, Y., McQuaid, M., Englezos, P., 2012. Pre-flocculation of precipitation calcium carbonate filler by cationic starch for highly filled mechanical grade paper. Bioresource journal, 7(1), pp.354-373.
[7] Cepeda, A-B-M., Macclesh del Pino, L-A., Ramos Galva, C-E., González Pedraza, E-J., Aguilera Vazque, L., 2022. Synthesis of glycerol carbonate from glycerin with CaCO3 in a batch reactor. Designed monomers and polymers, 25(1), pp.25-31.
[8] Niu, Y-Q., Liu, J-H., Aymonier, C., Fermani, S., Kralj, D., Falini, G., Zhou, Ch-H., 2022. Calcium carbonate: controlled synthesis, surface functionalization, and nanostructured materials. The Royal Society of Chemistry, 51(18), pp.7883-7943.
[9] Jahani, D., Nazari, A., Ghourbanpour, J., Ameli, A., 2020. Polyvinyl Alcohol/Calcium Carbonate Nanocomposites as Efficient and Cost-Effective Cationic Dye Adsorbents. Polymers Journal, 12(10), pp. 1-17.
[10] Ebadi, P-N., Dumeignil, F., Katryniok, B., Delevoye, L., Revel, B., Paul, S., 2021. Investigating the active phase of Ca-based glycerol polymerization catalysts: On the importance of calcium-glycerolate. Molecular Catalysis, https://hal.science/hal-03455863.
[11] Joshi, S., Abed, R-M-M., 2017. Biodegradation of polyacrylamide and Its derivatives. Environmental Processes, 4, pp.463-479.
[12] Tanpichai, S., Phoothong, F., Boonmahitthisud, A., 2022. Superabsorbent cellulose‑based hydrogels cross‑liked with borax. Scientific Rports, 12(1), https://doi.org/10.1038/s41598-022-12688-2.
[13] Kong, F., Guo, Y., Liu, Zh., Wang, Sh., Lucia, L-A., 2018. Synthesis of Cationic Xylan Derivatives and Application as Strengthening Agents in Papermaking. Bioresource journal, 13(2), pp. 2960-2976.
[14] Rozali, M-L-H., Ahmad, N-H., Isa, M-I-N., 2015. Effect of Adipic Acid Composition on Structural and Conductivity Solid Biopolymer Electrolytes Based on Carboxy Methylcellulose Studies. American-Eurasian Journal of Sustainable Agriculture, 9(2), pp.39-45.
[15] Seo, D., Oh, K., Im, W., Lee, H-L., 2018. Hydrolysis of cationic polyacrylamide and its effect on flocculation of ground calcium carbonate. Bioresource journal, 13(3), pp. 5303-5318.
[16] Zhuang, J., Li, M., Pu, Y., Ragauskas, A-J., Yoo, Ch-G., 2020. Observation of Potential Contaminants in Processed Biomass Using Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Applied Sciences Journal, 10(12), pp.1-13.
[17] Abdullah, A-H-D., Chalimah, S., Primadona, I., Hanantyo, M-H-G., 2018. Physical and chemical properties of corn, cassava, and potato starches. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, http://doi :10.1088/1755-1315/160/1/012003.
 
[18] Huang, X., Qian, X., Li, J., Lou, S., Shen, J., 2015. Starch/rosin complexes for improving the interaction of mineral filler particles with cellulosic fibers. Carbohydrate Polymer, 117(1), pp.78–82.
[19] Yu, Y., Xue, G., Gu, C., Lou, J., Li, S., 2013. Preparation of chitosan modified talc and its application in high filler content paper. J Appl Polymer Science, 129(5), pp.2692–2698.
[20] Esipovich, A., Rogozhin, A., Danov, S., Belousov, A., Kanakov, E., 2018. The structure, properties and transesterification catalytic activities of the calcium glyceroxide. Chemical Engineering Journal, 339(1), pp. 303-316.
 [21] Kouzu, M., Kasuno, T., Tajika, M., Yamanaka, S., Hidaka, J., 2008. Active phase of calcium oxide used as solid base catalyst for transesterification of soybean oil with refluxing methanol. Applied Catalysis General, 334(1), pp. 357-365.
[22] Seo, D., 2012. The effects of process variables for GCC pre-flocculation on floc and handsheet properties. Nordic Pulp and Paper Res J, 27(2), pp.382–387.
[23] Gamelas, J-A-F., Lourenco, A-F., Ferreira, P-J., 2011. New modified filler obtained by silica formed by sol-gel method on calcium carbonate. J Sol Gel Sci Technol, 59(1), pp.25–31.
[24] Subramanian, R., Fordsmand, H., Paulapuro, H., 2007. Precipitated calcium carbonate (pcc)—cellulose composite fillers; effect of pcc particle structure on the production and properties of uncoated fine paper. Bioresources J, 2(1), pp.91–105.
[25] Chauhan, V-S., Bhardwaj, N-K., 2013. Enhancing paper properties by pre-flocculation of talc using amphoteric starch. Nordic Pulp and Paper Res J, 28(2), pp.248–256.
[26] Ghosh, I., Sharma, C-H., Tandon, R., 2020. Structural evaluation of chitosan‑modified precipitated calcium carbonate composite fillers for papermaking applications. Springer Natural Journal, 2(9), https://doi.org/10.1007/s42452-020-03313-w10.
[27] Lourenço, A.F., Godinho, D., Gamelas, J-A-F., Sarmento, P., Ferreiro, P-J-T., 2019. Carboxymethylated cellulose nanofibrils in papermaking: influence on filler retention and paper properties. Cellulose journal. 26(20), pp.1-14.