مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بهینه‌سازی ویژگی‌های نوری و مکانیکی خمیرکاغذ CMP تجاری با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
2 گروه مهندسی چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، مازندران، ایران
10.22034/ijwp.2025.2047949.1690
چکیده
بیان مساله و اهداف: در میان خمیرکاغذهای با بازده بالا، خمیرکاغذ شیمیایی–مکانیکیCMP)) پهن‌برگان کاربرد گسترده‌ای در تولید کاغذهای چاپ و نوشتاری دارد. با این حال، کیفیت پایین خواص نوری و مکانیکی کاغذهای حاصل از این خمیرکاغذ، چالشی اساسی در کاربرد صنعتی آن به شمار می‌رود. در این پژوهش، به‌منظور ارتقای این ویژگی‌ها، شرایط بهینه استفاده از نانوکیتوزان، روشن‌کننده نوری (OBA) و پلی‌آکریل‌آمید بررسی شد. هدف اصلی تحقیق، دستیابی به خواص نوری و مکانیکی مطلوب در کاغذهای تولیدشده از خمیر CMP  بود. برای این منظور، از تحلیل خطی و بررسی اثرات متقابل متغیرها بهره گرفته شد. نتایج این مطالعه می‌تواند به‌عنوان مبنایی علمی برای بهبود فرآیند تولید و ارتقای کیفیت کاغذ در صنایع کاغذسازی مورد استفاده قرار گیرد.
مواد و روشها: در این پژوهش، به‌منظور بهبود خواص نوری و مکانیکی کاغذ، از خمیرکاغذ CMP رنگ‌بری شده استفاده شد. نانوکیتوزان (2 و 0،1 درصد)، پلی‌آکریل‌آمید (1 و 5/0، 0) و OBA (1 و 5/0، 0 درصد) بر مبنای وزن خشک خمیر به سوسپانسیون کاغذ افزوده شدند. طراحی آزمایش به روش باکس-بنکن و مدل‌سازی سطح پاسخ (RSM) با نرم‌افزارDesign Expert V13 انجام گرفت. در مجموع 15 آزمایش طراحی شد و نانوکیتوزان، پلی‌آکریل‌آمید و OBA به‌عنوان متغیرهای مستقل و خواص نوری و مکانیکی کاغذ به‌عنوان متغیرهای وابسته در نظر گرفته شدند. کاغذهای دست‌ساز با وزن پایه 60 گرم بر مترمربع تهیه و خواص آن‌ها اندازه‌گیری شد. داده‌ها با آنالیز واریانس و مدل‌سازی سطح پاسخ تحلیل گردید. نتایج منجر به ارائه مدل ریاضی فرآیند و تعیین شرایط بهینه افزودنی‌ها جهت دستیابی به بالاترین کیفیت خواص نوری و مکانیکی کاغذ گردید.
نتایج: آزمون آنالیز واریانس نشان داد که مدل درجه دوم، بهترین تطابق را با داده‌های آزمایشگاهی ارائه می‌دهد (66/91=R2) که بیانگر دقت و قابلیت پیش‌بینی بالای مدل است. نتایج نشان دادند که تأثیر متغیرهای مستقل یعنی نانوکیتوزان و OBA بر بهبود خواص کاغذهای دست‌ساز از نظر آماری معنی‌دار است. افزودن پلی‌آکریل‌آمید تأثیر معنی‌داری بر خواص بهینه کاغذ نداشت. در بررسی تأثیر نانوکیتوزان، افزایش غلظت نانوکیتوزان تا سطح 1 درصد منجر به بهبود خواص بهینه کاغذ شد. افزایش بیشتر از این مقدار (بیش از 1 درصد) منجر به کاهش خواص بهینه گردید. افزایش مقدارOBA  تا سطح 75/0 درصد به بهبود قابل توجه خواص کاغذ منجر می‌شود، اما افزودن بیشتر (تا سطح 1 درصد) باعث کاهش خواص بهینه با شیب ملایمی شد. OBA مؤثرترین عامل در بهبود متغیرهای پاسخ شناسایی شد. این نتایج نشان‌دهنده اهمیت بهینه‌سازی دقیق مقادیر نانوکیتوزان و OBA برای دستیابی به حداکثر کیفیت خواص نوری و مکانیکی کاغذهای دست‌ساز است.
نتیجه ­گیری: این پژوهش با هدف بررسی و بهینه‌سازی اثر نانوکیتوزان،  OBA و پلی‌آکریل‌آمید کاتیونی بر خواص نوری و مکانیکی خمیرکاغذ CMP رنگ‌بری شده، با بهره‌گیری از روش سطح پاسخ انجام شد. نتایج نشان داد OBA بیشترین و پلی‌آکریل‌آمید کمترین تأثیر را بر بهبود ویژگی‌های کاغذ داشتند. شرایط بهینه شامل 21/1 درصد نانوکیتوزان، 1 درصد OBA و 2/0 درصد پلی‌آکریل‌آمید تعیین گردید که منجر به بیشینه‌سازی شاخص ترکیبی خواص نوری و مکانیکی (04/1) شد. بر این اساس، یافته‌ها می‌تواند به‌عنوان راهبردی کاربردی برای ارتقای کیفیت کاغذهای تولیدی از خمیر CMP در صنایع کاغذسازی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Vaysi, R., and Amani-Bishegah, N., 2023. The effect of DTPA and complementally bleaching on the optical properties of hornbeam and beech CMP pulps. Forest and Wood Products, 75(4): 365-375. https://doi.org/10.22059/jfwp.2022.346580.1218. (In Persian)
[2] Faal, A., Moezzipour, B., Moezzipour, A., and Sharari, M., 2023. Utilization of the various recycled fibers composition in producing packaging paper. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 14(1): 65-78. https://doi.org/10.22034/ijwp.2023.2000139. (In Persian)
[3] Jouybari, I. R., Yoosefi, M., and Azadfallah, M., 2017. Preparation of cationic CMP and softwood long fibers as strength-enhancing additive to CMP pulp. Bioresources, 12(2): 3890-3904. https://doi.org/10.15376/biores.12.2.3890-3904
[4] Fang, G., and Shen, K., 2018. Wheat straw pulping for paper and paperboard production. In Global wheat production (pp. 223-239). London, UK: Intech Open. https://doi.org/10.5772/intechopen.77274.
[5] Barbosa, B. M., Gomes, F., Colodette, J., Carvalho, D., and Manfredi, M., 2013. Effect of Optical Brightening Agent (OBA) on Bleaching Process on Paper of Eucalyptus Kraft Pulp. Natural Resources, 4(5): 378-382. https://doi.org/10.4236/nr.2013.45046.
[6] Ganicheva, S.I., Bystrova, E.S., and Lotsmanova, E.M., 2004. Influence of thermal aging conditions on the molecular characteristics of cellulose and mechanical properties of paper. Russian Journal of Applied Chemistry, 77 (7): 1172-1177. https://doi.org/10.1023/B:RJAC.0000044170.31238.33.
[7] Zhang, R. Ni, Y. Wong, D., Schmidt, J., Heitner, C., and Jordan, B., 2009. Intractions of Optical Brightening Agents with High Yield Pulps. Journal of Wood Chemistry and Technology, 29(4):358-370. https://doi.org/10.1080/02773810902981284.
[8] Liu, H., Shi, H., Wang, Y., Wu, W., Ni, Y., 2014. Interactions of lignin with optical brightening agents and their effect on paper optical properties, Industrial & Engineering Chemistry Research, 53,3091-96. https://doi.org/10.1021/ie4032082.
[9] Nada, A.M.A., El-Sakhawy, M., Kamel, S., and Eid, M.A.M., 2005. Effect of Chitosan and Its Derivatives on the Mechanical and Electrical Properties of Paper Sheets. Egyptian journal of solids, 28 (2): 202-208. https://doi.org/10.21608/ejs.2005.149335.
[10] Rahmaninia, M., Rohi, M., Ramezani, O., and Zabihzadeh, S.M., 2015. The effect of pulp suspension pH on the performance of chitosan-nanobentonite as a dry strength additive in hardwood CMP pulp, Journal of Forest and Wood Products, 68(2),347-357. https://doi.org/10.22059/jfwp.2015.54836.
[11] Vaysi, R., Behrooze, R., and Khaj-e-Ali, E., 2016. The effect of ECF bleaching on optical and mechanical properties of bagasse soda pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 31 (2),349-361. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2016.105981.
[12] Vaysi, R., and Yousefi Glowardi, Y., 2020. The effect of chitosan and cellulose nanofiber biopolymer system on optical and resistance properties of chemical-mechanical pulp (CMP). Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 35 (1), 61-75. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2020.128617.1584. (In Persian)
[13] Vaysi, R., Rezazadeh, E., and Ebadi, S.E., 2024. The Effect of nano-chitosan, nano-cellulose and DTPA Spray on the optical properties of paper obtained from chemimechanical pulp (CMP). Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 39(1):55-71. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2024.364606.1766. (In Persian)
[14] Akbarpour, I., 2015. Improvement of qualitative properties of mixed recycled ONP and OMG pulps with chemical, enzymatic and ultrasonic treatments. Ph.D. Thesis, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, 345p.
[15] Hamzeh, Y., and Rostampour, A., 2008. Principles of papermaking chemistry, Tehran University Press, 424 p.
[16] Sharifi, H., and Nazarnezhad, N., 2018. Use of central composite design for optimization of ultrasonic pre-treatment parameters on chemical
deinking of old newspaper, Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 33(4): 489-500. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2018.122366.1480.
[17] Sharifi, H., Zabihzadeh, S. M., and Ghorbani, M., 2018. The application of response surface methodology on the synthesis of conductive polyaniline/cellulosic fiber nanocomposites. Carbohydrate Polymers, 194, 384–394. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.04.083.
[18] Lu, S. Y., Qian, J. Q., Zhang, G. W., Wei, D. Y., Wu, G. F., and Yi, B. P., 2009. Application of statistical method to evaluate immobilization variables of trypsin entrapped with sol-gel method. Journal of Biochemical Technology, 1(3): 79–84.
[19] Hassan, E. A., Hassan, M. L., Abou-Zeid, R. E., and El-Wakil, N. A., 2016. Novel nanofibrillated cellulose/chitosan nanoparticles nanocomposites films and their use for paper coating. Industrial Crops and Products, 93, 219-226. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.12.006.
[20] Vikele, L., Laka, M., Sable, I., Rozenberga, L., Grinfelds, U., Zoldners, J., and Mauret, E., 2017. Effect of chitosan on properties of paper for packaging. Cellul. Chem. Technol, 51(1-2), 67-73.
[21] Ghahramani, S. Hejazi, S., and Abdolkhani, A., 2024. Investigating the Application of Nano Chitosan in the Paper and Food Packaging Industry. Scientific Journal of Packaging Science and Art, 15(57): 61-68.
[22] Ghasemian, A., Armand, K. h., Afra, A., Saraeian, A. R., and Salari, M., 2020. Effect of coating packing paper with polylactic acid-chitosan and polylactic acid-nano-chitosan complexes. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 34(4):507-519. https://doi.org/10.22092/ijwpr.2020.128661.1585.
[23] Zhang, R., Ni, Y., Wong, D., Schmidt, J., Heitner, C., and Jordan, B., 2009. Interactions of optical brightening agents with high yield pulps. Journal of wood chemistry and technology, 29(4): 358-370. https://doi.org/10.1080/02773810902981284.
[24] Liu, H., Shi, H., Wang, Y., Wu, W., and Ni, Y., 2014. Interactions of lignin with optical brightening agents and their effect on paper optical properties. Industrial & Engineering Chemistry Research, 53(8): 3091-3096.  https://doi.org/10.1021/ie4032082.
[25] Liu, L., Cao, J., Huang, J., Cai, Y., and Yao, J., 2010. Extraction of pectins with different degrees of esterification from mulberry branch bark. Bioresource Technology, 101, 3268-3273. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.12.062.