مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

ارزیابی ویژگی های کاغذ لاینر بازیافتی پوشش داده شده با نانولیگنین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ-دانشکده منابع طبیعی- دانشگاه تهران
2 دانشیار، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان- دانشکده مهندسی چوب و کاغذ- گروه علوم و مهندسی کاغذ
3 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران
4 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ ایران، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران
5 گروه فناوری های شیمیایی، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
6 گروه اقتصاد کشاورزی- دانشکده کشاورزی- دانشگاه تهران
10.22034/ijwp.2026.2076313.1738
چکیده
بیان مسأله و اهداف: صنعت بسته‌بندی به‌دلیل وابستگی به پلیمرهای نفتی غیرقابل تخریب زیستی، با چالش‌های محیط زیستی جدی مواجه است. کاغذ و مقوا به‌عنوان جایگزین‌های زیست‌تخریب‌پذیر، به‌دلیل ساختار متخلخل و جذب رطوبت بالا نیازمند پوشش‌دهی مناسب هستند. نشاسته به‌عنوان پوشش‌دهنده رایج، محدودیت‌هایی همچون ضعف مکانیکی و استفاده از یک ماده غذایی دارد. لیگنین، به‌عنوان یک زیست‌پلیمر فراوان و ارزان از پسماند صنعت خمیرکاغذ، با خواص مقاومتی و ضدباکتریایی، یک منبع تجدیدپذیر امیدوارکننده است. با این حال، علیرغم تحقیقات گسترده در مورد ارزش-گذاری لیگنین، کاربردهای عملی لیگنین در مقیاس نانوذرات در پوشش‌دهی کاغذ همچنان ناشناخته مانده و کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. هدف این پژوهش، استخراج و تبدیل لیگنین به نانولیگنین و بررسی کاربرد آن در پوشش‌دهی کاغذ لاینر بازیافتی جهت بهبود ویژگی‌های فیزیکی، ممانعتی و مکانیکی کاغذ است.
مواد و روش‌ها: کاغذ لاینر بازیافتی بدون آهار از شرکت کاغذسازی کاوه و نشاسته آنیونی از شرکت گلوکزان تأمین شد. لیگنین از مایع سیاه پخت کرافت به روش رسوب اسیدی (2 - 5/1 = pH) با اسید سولفوریک %30 استخراج و با اتانول %98 خالص‌سازی گردید. نانولیگنین به روش رسوب با ضدحلال تولید شد. بدین‌ترتیب که، لیگنین در اتیلن‌گلیکول به‌عنوان حلال قطبی حل شده و با افزودن اسید هیدروکلریک به‌عنوان ضدحلال، رسوب داده شد. سپس محلول دیالیز و نانوذرات با سانتریفیوژ جداسازی و پس از اعمال امواج فراصوت، به روش انجماد خشک و به پودر تبدیل شدند. مورفولوژی نانولیگنین با میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM) ارزیابی شد. محلول‌های پوشش‌دهی شامل نانولیگنین، لیگنین و نشاسته با درصدهای مختلف و به همراه کربوکسی‌متیل‌سلولز به‌عنوان اتصال‌دهنده عرضی تهیه شدند. پوشش‌دهی به میزان 7-5 گرم بر مترمربع با دستگاه خودکار (میله 30 میکرون) انجام و نمونه‌ها پس از خشک شدن در آون، تحت شرایط استاندارد نگهداری شدند. ویژگی‌های فیزیکی (ضخامت، گراماژ و دانسیته)، ممانعتی (مقاومت به جذب آب، مقاومت به عبور هوا) و مکانیکی (شاخص‌های ترکیدگی، پارگی و کشش) مطابق استانداردهای TAPPI اندازه‌گیری و داده‌ها با آزمون‌های ANOVA و دانکن در سطح معنی‌داری %5 تجزیه و تحلیل شدند.
نتایج: تصاویر FE-SEM تشکیل موفقیت‌آمیز نانولیگنین با اندازه ذرات 50 - 150 نانومتر را تأیید کرد، درحالیکه لیگنین اولیه دارای ذرات 1- 5 میکرومتر بود. نتایج نشان داد که پوشش‌های نانولیگنین تأثیر معنی‌داری بر پارامترهای ساختاری کلی (ضخامت، گراماژ و دانسیته) نداشتند (05/0P>)، اما به‌طور قابل توجهی بر ویژگی‌های سطحی تأثیر گذاشتند. در آزمون جذب آب، نانولیگنین خالص با کاهش ۳۰ درصدی (۳۹.۹ گرم بر متر مربع) بهترین عملکرد را نشان داد. این برتری ناشی از کاهش اندازه ذرات و افزایش سطح مساحت ویژه است. در آزمون مقاومت در برابر هوا، تفاوت‌های بسیار معنی‌داری بین پوشش‌ها مشاهده شد (01/0P<) و نانولیگنین نفوذ‌ناپذیری هوا را به‌طور قابل توجهی افزایش داد. درمقابل، شاخص‌های مکانیکی (ترکیدگی، پارگی و کشش) تفاوت آماری معنی‌داری بین پوشش‌ها نشان ندادند (05/0P>)، که تایید می‌کند این ویژگی‌ها عمدتاً توسط خواص کاغذ پایه، شبکه الیافی و پیوندهای بین الیافی کنترل می‌شوند تا پوشش‌های سطحی. افزایش جزئی شاخص کشش در نمونه پوشش داده شده با نانولیگنین (Nm/g 36/24) نسبت به کاغذ شاهد (Nm/g 49/22)، هرچند از نظر آماری معنی‌دار نبود، می‌تواند ناشی از اثرات سطحی پوشش و نوسانات محدود داده‌ها باشد و نشان‌دهنده عدم تأثیر منفی پوشش نانولیگنین بر خواص مکانیکی کاغذ است.
نتیجه‌گیری: این پژوهش، کاربرد نانولیگنین به‌عنوان پوشش پایدار جایگزین نشاسته در کاغذ لاینر را بررسی کرد. نانولیگنین استخراج‌شده از مایع سیاه کرافت از طریق روش رسوب با ضدحلال سنتز و با پوشش‌های مرسوم مقایسه گردید. نتایج نشان داد پوشش‌های نانولیگنین، مقاومت در برابر هوا و جذب آب را به‌طور معنی‌داری بهبود بخشیدند که از نظر موضوع نفوذپذیری دربرابر هوا در بسته‌بندی‌های غذایی بسیار حائز اهمیت می‌باشد، درحالیکه خواص مکانیکی (مقاومت کشش، ترکیدن و پارگی) تغییر قابل ملاحظه‌ای نداشت. این یافته‌ها نانولیگنین را به‌عنوان ماده پوششی زیستی امیدوارکننده برای ارتقای خواص ممانعتی کاغذهای بازیافتی معرفی می‌کند که می‌تواند پایه‌ای برای جایگزینی نشاسته و پیشبرد پایداری محیط زیستی در صنعت بسته-بندی فراهم آورد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Perumal, T., de Souza, C. K., Nihues, T. C., Jain, P., Gaikwad, K. K. and Roy, S., 2025. A review on biopolymer-based oil and water-resistant functional paper coating for food packaging. Food Bioscience, 63, 105656, pp.1-25.  https://doi.org/10.1016/j.fbio.2024.105656
[2] Babaei, S. M. and Patel, M. K., 2025. Optimizing energy use in the pulp and paper industry: Pinch, techno-economic, and sensitivity analyses on an innovative heat recovery system. Journal of Cleaner Production, 520, 146109, pp.1-18. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.146109
[3] Kathuria, A. and Zhang, S., 2022. Sustainable and repulpable barrier coatings for fiber-based materials for food packaging: A review. Frontiers in Materials, 9, 929501, pp. 1-21. https://doi.org/10.3389/fmats.2022.929501
[4] Nair, A., Kansal, D., Khan, A. and Rabnawaz, M., 2022. New alternatives to single‐use plastics: Starch and chitosan‐graft‐polydimethylsiloxane‐coated paper for water‐and oil‐resistant applications. Nano Select, 3(2), pp.459-470. https://doi.org/10.1002/nano.202100107
[5] Nowak, T., Mazela, B., Olejnik, K., Peplińska, B. and Perdoch, W., 2022. Starch-silane structure and its influence on the hydrophobic properties of paper. Molecules, 27(10), 3136, pp.1-15. https://doi.org/10.3390/molecules27103136
[6] Ghafarzadeh, O., Hedjazi, S., Abdolkhani, A., Ataeefard, M. and Taherzadeh, M., 2023. Improvement of Physical and Mechanical Properties of Testliner Coated by Unmodified and Modified Lignins. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 14(1), pp. 1-15. (In Persian). https://doi.org/ 10.22034/ijwp.2023.1975439.1577
[7] Khwaldia, K., Basta, A. H., Aloui, H. and El-Saied, H., 2014. Chitosan–caseinate bilayer coatings for paper packaging materials. Carbohydrate polymers, 99, pp.508-516. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.08.086
[8] Hussin, M. H., Appaturi, J. N., Poh, N. E., Abd Latif, N. H., Brosse, N., Ziegler-Devin, I. and Ibrahim, M. N. M., 2022. A recent advancement on preparation, characterization and application of nanolignin. International Journal of Biological Macromolecules, 200, pp.303-326. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.01.007
[9] Boarino, A. and Klok, H. A., 2023. Opportunities and challenges for lignin valorization in food packaging, antimicrobial, and agricultural applications. Biomacromolecules, 24(3), pp.1065-1077. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01385
[10] Narapakdeesakul, D., Sridach, W. and Wittaya, T., 2013. Novel use of oil palm empty fruit bunch's lignin derivatives for production of linerboard coating. Progress in Organic Coatings, 76(7-8), pp.999-1005. http://dx.doi.org/10.1016/j.porgcoat.2013.02.015
[11] Zhang, Z., Terrasson, V., and Guénin, E., 2021. Lignin nanoparticles and their nanocomposites. Nanomaterials, 11(5), pp.1-30. https://doi.org/10.3390/nano11051336
[12] Deng, J., Sun, S. F., Zhu, E. Q., Yang, J., Yang, H. Y., Wang, D. W. & Shi, Z. J., 2021. Sub-micro and nano-lignin materials: Small size and rapid progress. Industrial Crops and Products, 164, 113412, pp.1-20. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113412
[13] Rastogi, V. K. and Samyn, P., 2015. Bio-based coatings for paper applications. Coatings, 5(4), pp.887-930. doi:10.3390/coatings5040887
[14] Shorey, R. and Mekonnen, T. H., 2022. Sustainable paper coating with enhanced barrier properties based on esterified lignin and PBAT blend. International Journal of Biological Macromolecules, 209, pp.472-484. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.04.037
[15] Han, K. M. and Cho, B. U., 2016. Effect of surface sizing of black liquor on properties of corrugated medium. BioResources, 11(4), pp.10391-10403. https://doi.org/ 10.15376/biores.11.4.10391-10403
[16] Hasanjanzadeh, H., Hedjazi, S., Hamzeh, Y. and Abdolkhani, A., 2022. The potential of replacing the starch with soda and formacell lignins in surface sizing and evaluation of physical and mechanical properties of produced liner papers. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 12(4), pp.453-464. (In Persian). DOR: 20.1001.1.20089066.1400.12.4.1.8
[17] Chen, Y., Gong, X., Yang, G., Li, Q. and Zhou, N., 2019. Preparation and characterization of a nanolignin phenol formaldehyde resin by replacing phenol partially with lignin nanoparticles. RSC advances, 9(50), pp.29255-29262. https://doi.org/ 10.1039/c9ra04827h