مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مقایسه تأثیر دی‌آمونیوم فسفات و سیلیکات سدیم به‌عنوان ماده پوشش بر ویژگی‌‌های آتش و مقاومتی کاغذ حاصل از خمیر سودای باگاس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری ، کارشناس مسئول امور پژوهشی و گرنت ،دانشجوی دکتری گرگان
2 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران، صندوق پستی ۴۹۱۳۸۱۵۷۳۹
3 دانشیار، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران، صندوق پستی ۴۹۱۳۸۱۵۷۳۹
4 دانشیار، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران،صندوق پستی 4818168984
10.22034/ijwp.2025.2050190.1695
چکیده
بیان مساله و اهداف: فرآورده‌های کاغذی ذاتاً در برابر آتش بسیار آسیب‌پذیرند و به‌راحتی می‌سوزند. این موضوع در کاربردهایی مانند کاغذدیواری، روکش درب، دیوارهای پیش‌ساخته و عایق کابل‌های برق، خطرساز است. به همین دلیل، استفاده از مواد کندسوز برای ارتقای ایمنی و افزایش دوام کاغذ ضروری است.در این پژوهش، از دی‌آمونیوم فسفات و سیلیکات سدیم به‌عنوان مواد پوششی بدون هالوژن و فرمالدئید، همراه با نشاسته کاتیونی، برای بهبود مقاومت به آتش و ویژگی‌های مقاومتی کاغذ حاصل از خمیر سودای باگاس استفاده شد. هدف اصلی تحقیق، ارزیابی اثر این پوشش‌ها بر ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی کاغذ و دستیابی به روشی ساده و کم‌هزینه برای تولید کاغذ مقاوم در برابر شعله است.
مواد و روشها: در مرحله اول، کاغذ ساخته‌شده از خمیرکاغذ سودای باگاس داخلی با درجه روانی 400 میلی لیترCSF، وزن پایه g/m2 5±125 و ضخامت میانگین mm5/± 185/0 تهیه ­و سپس دی آمونیوم فسفات و سیلیکات سدیم در سه غلظت  (10، 20 و30 درصد) به‌عنوان مواد­ بازدارنده­ آتش به همراه 10 درصد نشاسته کاتیونی به کار گرفته شد. تهیه ­شد. پوشش دهی در دو حالت یک طرفه و دو طرفه با وزن پوشش  g/m2 30- 25 انجام شد. در مرحله دوم، خواص مکانیکی (کشش، ترکیدن و پاره شدن)، مقاومت کاغذ در برابر نفوذ آب (Cobb) و ویژگی­های مقاومت به آتش ( پایداری حرارتی، سوختن و اشتعال­پذیری عمودی) اندازه­گیری و نتایج حاصل از هر مرحله، آنالیز آماری شده و مورد بحث و نتیجه­گیری قرار گرفت.  
نتایج: پوشش‌دهی کاغذ با دی‌آمونیوم فسفات و سیلیکات سدیم در حضور نشاسته کاتیونی موجب بهبود خواص مکانیکی، آب‌گریزی و مقاومت در برابر آتش شد. کاغذهای پوشش داده‌شده با دی‌آمونیوم فسفات عملکرد بهتری نسبت به سیلیکات سدیم داشتند؛ به‌ویژه در غلظت 20% که مقاومت کششی افزایش و در غلظت 30% بازده زغال و پایداری حرارتی به‌طور چشمگیری بهبود یافت. آزمون اشتعال‌پذیری نشان داد که کاغذهای تیمارشده با دی‌آمونیوم فسفات رفتار خودخاموش‌شوندگی داشتند. نتایج آنالیز طیف سنجی تبدیل فوریه(FTIR) ، سازوکار  بازدارنده شعله در فاز متراکم را تأیید ‌کرد. آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA) نمونه­‌ها، بیشترین درصد باقی‌مانده زغال را نسبت به نمونه تیمار نشده نشان داد. بر اساس مطالعه شکل گسترش شعله، ویژگی­های مقاومت به آتش برای نمونه­‌های تیمارشده در مقایسه با نمونه تیمار نشده بهبود یافتند. در مجموع، هر دو ماده سبب کاهش دمای تجزیه حرارتی و افزایش باقی‌مانده زغال شدند، اما دی‌آمونیوم فسفات در بهبود هم‌زمان خواص مقاومتی و حرارتی مؤثرتر بود.
نتیجه­ گیری: به‌طورکلی کاغذ­های پوشش داده‌شده با دی آمونیوم فسفات در مقایسه با سیلیکات سدیم ویژگی­های نسبتاً بهتری را نشان دادند. لذا نتایج پژوهش حاضر تأیید می‌­کنند که با این اصلاح می‌توان کاغذ حاصل از خمیرکاغذ سودای باگاس را با ویژگی­های مقاومت به آتش بسیار خوب،  بازده بالای بازدارندگی شعله و بدون انتشار هالوژن یا فرمالدئید تولید کرد. از ورق‌های کاغذ تیمارشده بر اساس روش مورد مطالعه در پژوهش حاضر می­‌توان به­‌عنوان مواد مقاوم در برابر آتش استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Kazuaki, N., Megumi, A. and Takayuki, T. (2018) ‘Lignocellulose nanofibers prepared by ionic liquid pretreatment and subsequent mechanical nanofibrillation of bagasse powder: application to esterified bagasse/polypropylene composites’, Carbohydrate Polymers, 182, pp. 8–14.
[2] Dong, L.Y. and Zhu, Y.J. (2017) ‘A new kind of fireproof flexible inorganic nanocomposite paper and its application to the protection layer in flame-retardant fiber-optic cables’, Chemistry – A European Journal, 23, pp. 4597–4604.
[3] Basak, S., Samanta, K.K., Chattopadhyay, S.K. and Narkar, R. (2015) ‘Thermally stable cellulosic paper made using banana pseudostem sap a wasted by-product’, Cellulose, 22, pp. 2767–2776.
[4] Browne, F. (1958) Theories of the combustion of wood and its control. United States Department of Agriculture Forest Service Report, 2136, pp. 1–72.
[5] Mazela, B., Perdoch, W., Peplińska, B. and Zieliński, M. (2020) ‘Influence of chemical pre-treatments and ultrasonication on the dimensions and appearance of cellulose fibers’, Materials, 13(22), p. 5274. doi: 10.3390/ma13225274.
[6] Silva, T.C.F., Habibi, Y., Colodette, J.L., Elder, T. and Lucia, L.A. (2012) ‘A fundamental investigation of the microarchitecture and mechanical properties of tempo-oxidized nanofibrillated cellulose (NFC)-based aerogels’, Cellulose, 19(6), pp. 1945–1956.
[7] Zhang, T., Wu, M., Kuga, S., Ewulonu, C.M. and Huang, Y. (2020) ‘Cellulose nanofibril-based flame retardant and its application to paper’, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(27), pp. 10222–10229.
[8] Howell, B.A., Lienhart, G.W., Livingstone, V.J. and Aulakh, D. (2020) ‘1-Dopyl-12-(4-hydroxyphenyl) ethene: a flame retardant hardener for epoxy resin’, Polymer Degradation and Stability, 175, p. 109110.
 
[9] Weil, E.D. and Levchik, S.V. (2015) Flame retardants for plastics and textiles: practical applications. Munich: Hanser, pp. 303–333.
[10] Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R. and Mazela, B. (2021) ‘Cellulose and its nano-derivatives as a water-repellent and fire-resistant surface: a review’, Materials, 15(1), p. 82.
[11] Sandberg, D., Kutnar, A. and Mantanis, G. (2017) ‘Wood modification technologies – A review’, iForest, 10(6), pp. 895–908.
[12] Li, P., Zhang, Y., Zuo, Y., Lu, J., Yuan, G. and Wu, Y. (2020) ‘Preparation and characterization of sodium silicate impregnated Chinese fir wood with high strength, water resistance, flame retardant and smoke suppression’, Journal of Materials Research and Technology, 9(1), pp. 1043–1053.
[13] Whitney, R.S. (2009) System and method for programming a weighing scale using a key signal to enter a programming mode. United States Patent, 1(12), pp. 14.
[14] Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R. and Mazela, B. (2021) ‘Cellulose and its nano-derivatives as a water-repellent and fire-resistant surface: a review’, Materials, 15(1), pp. 82–90.
[15] Xu, F., Zhong, L., Xu, Y., Feng, S., Zhang, C., Zhang, F. and Zhang, G. (2019) ‘Highly efficient flame-retardant kraft paper’, Journal of Materials Science, 54(2), pp. 1884–1897.
[16] Suttipintu, T., Lhosupasirirat, S., Osotchan, T. and Srikhirin, T. (2022) ‘Development of flame retardant property on sodium silicate treated paper-based materials’, Journal of Physics: Conference Series, 2175(1), p. 012035. IOP Publishing.
[17] Oliveira, P., Conceição, S., Santos, N.F., Velho, J. and Ferreira, P. (2004) ‘The influence of rheological modifiers on coated papers: a comparison between CMC and MHPC’, in Proceedings of III CIADICYP Congress, Madrid/Cordoba, Spain, pp. 354–359.
[18] Zaheri, S. and Asadpur, G. (2019) ‘Feasibility study of using different types of bio-polymer coatings on paper packaging materials’, Packaging Science and Art, 10(38), pp. 18–27. (In Persian).
[19] Song, Z., Xiao, H. and Zhao, Y. (2014) ‘Hydrophobic-modified nano-cellulose fiber/PLA biodegradable composites for lowering water vapor transmission rate (WVTR) of paper’, Carbohydrate Polymers, 111, pp. 442–448.
Dr.Soleiman Zaheri, [۲۰.۰۸.۲۵ ۱۳:۵۶]
[20] Wang, Q., Xiong, J., Chen, G., Xinping, O., Yu, Z., Chen, Q. and Yu, M. (2019) ‘Facile approach to develop hierarchical roughness fiber@SiO2 blocks for superhydrophobic paper’, Materials, 12(9), p. 1393.
[21] TAPPI (2013) Standard conditioning and testing atmospheres for paperboard pulp handsheets and related products. TAPPI Test Methods, T 402 sp-08.
[22] ASTM (2020) Standard test method for compositional analysis by thermogravimetry. ASTM E1131-20.
[23] TAPPI (1979) Testing procedure using YG815B vertical fabric flame-retardant tester. TAPPI T461OS-79.
[24] Castvan, S., Lazarevic, D., Stojanovic, P., Ivkovic, Z., Petrovic, R. and Kovic, J. (2015) ‘Improvement of the mechanical properties of paper by starch coatings modified with sepiolite nanoparticles’, Starch, 67, pp. 373–380.
[25] Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R. and Mazela, B. (2022) ‘Cellulose and its nano-derivatives as a water-repellent and fire-resistant surface: a review’, Materials, 15(1), p. 82.
[26] Ding, Y., Huang, K., Li, W., Du, K., Lu, Y. and Zhang, T. (2020) ‘Thermal interaction analysis of isolated hemicellulose and cellulose by kinetic parameters during biomass pyrolysis’, Energy, 195, p. 117010.
[27] Oliveira, P., Conceição, S., Santos, N.F., Velho, J. and Ferreira, P. (2004) ‘The influence of rheological modifiers on coated papers: a comparison between CMC and MHPC’, in Proceedings of III CIADICYP Congress, Madrid/Cordoba, Spain, pp. 354–359.
[28] Sharifi, N. and Taghavinia, N. (2009) ‘Silver nano-islands on glass fibers using heat segregation method’, Materials Chemistry and Physics, 113, pp. 63–66.
[29] Mark, R.E. Jr., Habeger, C.C., Borch, J., Lyne, M.B. and Decker, M. (2002) Handbook of physical testing of Paper. 1st edn. pp. 562–873.
[30] Li, P., Wang, B., Xu, Y.J., Jiang, Z., Dong, C., Liu, Y. and Zhu, P. (2019) ‘Ecofriendly flame-retardant cotton fabrics: preparation, flame retardancy, thermal degradation properties and mechanism’, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7, pp. 19246–19256.
[31] Di Blasi, C., Branca, C. and Galgano, A. (2007) ‘Effects of diammonium phosphate on the yields and composition of products from wood pyrolysis’, Industrial & Engineering Chemistry Research, 46, pp. 430–438.
 
[32] Jia, Y.L., Lu, Y., Zhang, G.X., Liang, Y. and Zhang, F. (2017) ‘Facile synthesis of an eco-friendly nitrogen-phosphorus ammonium salt to enhance the durability and flame retardancy of cotton’, Journal of Materials Chemistry A, 5, pp. 9970–9981.
[33] Riva, A., Camino, G., Fomperie, I. and Amigouet, P. (2003) ‘Fire retardant mechanism in intumescent ethylene vinyl acetate compositions’, Polymer Degradation and Stability, 82(2), pp. 341–346.
 
[34] Ghiyasiyan-Arani, M., Masjedi-Arani, M., Ghanbari, D., Bagheri, S. and Salavati-Niasari, M. (2016) ‘Novel chemical synthesis and characterization of copper pyrovanadate nanoparticles and its influence on the flame retardancy of polymeric nanocomposites’, Scientific Reports, 6, pp. 1–9.
[35] Davies, P.J., Horrocks, A.R. and Alderson, A. (2005) ‘The sensitization of thermal decomposition of ammonium polyphosphate by selected metal ions and their potential for improved cotton fabric flame retardancy’, Polymer Degradation and Stability, 88, pp. 114–122.
[36] Li, P., Wang, B., Xu, Y.J., Jiang, Z., Dong, C., Liu, Y. and Zhu, P. (2019) Ecofriendly flame-retardant cotton fabrics: preparation. In: Papaspyrides, C.D. and Kiliaris, P. (eds.) Polymer Green Flame Retardants. Amsterdam: Elsevier, pp. 3–6.