مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

ساخت کاغذ بسته بندی آب‌گریز از طریق پوشش دهی با حلال‌های یوتکتیک عمیق (حلال‌های سبز) بر پایه استئاریک اسید – الکل‌های چرب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 عضو هیئت علمی گروه سلولزی و بسته بندی -پژوهشکده شیمی و پتروشیمی - پژوهشگاه استاندارد
2 استادیار شیمی آلی، گروه سلولزی و بسته بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران
3 استادیار صنایع چوب و کاغذ، گروه سلولزی و بسته بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران
4 استادیار شیمی تجزیه، گروه شیمی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران
10.22034/ijwp.2026.2086648.1775
چکیده
بیان مساله و اهداف: کاغذ به‌عنوان ماده‌ای سلولزی، تجدیدپذیر و زیست‌تخریب‌پذیر، جایگاه مهمی در صنایع بسته‌بندی و سایر کاربردهای صنعتی دارد. با این حال، ساختار متخلخل و حضور فراوان گروه‌های هیدروکسیل در سلولز موجب ماهیت ذاتی آب‌دوست آن شده و در شرایط مرطوب سبب افت خواص و محدودیت کاربرد می‌شود. از این رو، ایجاد خاصیت آب‌گریزی برای ارتقای عملکرد و گسترش دامنه کاربرد کاغذ ضروری است. هرچند پوشش‌های پلیمری نفت‌پایه می‌توانند مقاومت به آب را افزایش دهند، اما این مواد با چالش‌های زیست‌محیطی همراه بوده و فرآیند بازیافت کاغذ را با مشکل مواجه می‌کنند. بر این اساس، توسعه روشی پایدار و سازگار با محیط زیست برای ایجاد آب‌گریزی، بدون اختلال در قابلیت بازیافت، اهمیت ویژه‌ای دارد. هدف این پژوهش، تولید کاغذ آب‌گریز از طریق پوشش‌دهی سطح کاغذ کرافت با حلال‌های یوتکتیک عمیق بر پایه اسید استئاریک و الکل‌های چرب به‌عنوان سامانه‌ای زیست‌پایه و کارآمد است.
مواد و روش‌ها: کاغذ کرافت با گرماژ 95 گرم بر متر مربع به‌عنوان بستر پایه انتخاب شد. به‌منظور اصلاح سطح، حلال‌های یوتکتیک عمیق بر پایه اسید استئاریک به‌عنوان دهنده پیوند هیدروژنی و ستیل الکل یا لوریل الکل به‌عنوان گیرنده پیوند هیدروژنی در نسبت‌های مولی 1:1، 1:2 و 1:3 تهیه شدند. ترکیبات مذکور بر اساس جرم مولی اجزا آماده‌سازی شده و با گرماژ پوشش‌دهی 10 گرم بر متر مربع بر سطح کاغذ اعمال گردیدند. پس از فرآیند پوشش‌دهی، نمونه‌ها از نظر رفتار ترشوندگی، خواص ممانعتی و مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای این منظور زاویه تماس دینامیک، نفوذپذیری نسبت به بخار آب (WVP)، مقاومت کششی، مقاومت خمشی (Taber) و مقاومت به ترکیدن تمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) برای شناسایی پیوندها و تغییرات ساختار شیمیایی و گروه‌های عاملی استفاده شد.
نتایج: نتایج طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ (FTIR) تأیید کرد که سامانه‌های یوتکتیک استئاریک اسید–الکل از طریق برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی پایدار شده‌اند. افزایش باندهای آلیفاتیک و کاهش سهم گروه‌های هیدروکسیل بیانگر ایجاد لایه‌ای هیدروفوبیک بدون واکنش شیمیایی جدید است. این رویکرد اصلاح سطحی، راهکاری مؤثر و سازگار با اصول شیمی سبز برای بهبود آبگریزی کاغذ محسوب می‌شود. نتایج اندازه‌گیری زاویه تماس دینامیکی نشان داد که بر روی کاغذ بدون پوشش قطره آب تشکیل نشده و زاویه تماسی ثبت نگردید که بیانگر آبدوستی شدید ناشی از حضور گروه‌های هیدروکسیل و تخلخل بالای ساختار است. در مقابل، پوشش‌دهی با سامانه‌های یوتکتیک حاوی زنجیره‌های آلکیلی بلند موجب افزایش قابل توجه زاویه تماس و تبدیل رفتار سطح از آبدوست به آب‌گریز شد. عملکرد سامانه اسید استئاریک–ستیل الکل نسبت به اسید استئاریک–لوریل الکل بهتر بود که به طول زنجیره بلندتر و انرژی سطحی کمتر آن نسبت داده شد. در هر دو سامانه، نسبت مولی 1:1 کارایی بالاتری نشان داد. پوشش‌دهی با حلال‌های یوتکتیک همچنین موجب کاهش چشمگیر سرعت عبور بخار آب گردید که به پر شدن بخشی از تخلخل‌های سطحی، کاهش حفرات باز و تشکیل لایه‌ای نسبتاً پیوسته با قطبیت پایین از زنجیره‌های آلکیلی نسبت داده شد. ارزیابی‌های مکانیکی نشان داد که مقاومت به ترکیدن، مقاومت کششی و مقاومت خمشی تغییر محسوسی نداشته و تنها افزایش جزئی مشاهده شده است. این افزایش محدود به کاهش جذب رطوبت، افزایش انسجام سطحی و توزیع مناسب‌تر تنش نسبت داده شد.
نتیجه‌‌گیری: در مجموع، نتایج نشان داد که پوشش یوتکتیک توانست رفتار ترشوندگی سطح را از آبدوست به آب‌گریز تغییر داده و خواص ممانعتی را بهبود دهد، بدون آنکه ساختار فیبری یا عملکرد مکانیکی کاغذ به‌طور معنی‌دار تضعیف شود. این رویکرد می‌تواند مسیری مؤثر برای توسعه کاغذهای با عملکرد بالا و سازگار با محیط زیست فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Yang, J., Liu, Y., Zhang, X., Wang, H. and Chen, L., 2025. Synergistic enhancement of hydrophobicity and mechanical properties of cellulose paper by (3-glycidoxypropyl) trimethoxy silane and rosin. International Journal of Biological Macromolecules, 268, 131456.
[2] Li, Y., Chen, Z., Wang, S. and Zhou, X., 2024. Improving hydrophobicity and water vapor barrier properties of paper coatings using cellulose nanofiber-stabilized emulsions. Coatings, 14(10), 1310.
[3] Ashrafi Rad, B., Azadfallah, M., Kolaei Moakhar, F., Izadyar, S. and Rahmaninia, M., 2017. Hydrophobization of paper using organosilane and titanium dioxide nanoparticles applying layer by layer method. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research. 2017, Vol. 32 No. (4) 
 [4] Zhang, J.P., Wu, L., Zhang, Y.J. and Wang, A.Q., 2015. Mussel and fish scale-inspired underwater superoleophobic kapok membranes for continuous and simultaneous removal of insoluble oils and soluble dyes in water. J. Mater. Chem. A, 3, 18475–18482.
 [5] Zhao, Y., Qiu, J. and Li, J., 2023. Superhydrophobic modification of cellulosic paper-based materials: Recent progress and challenges. Progress in Organic Coatings, 176, 107358.
[6] El Achkar, T., Greige-Gerges, H. and Fourmentin, S., 2021. Basics and properties of deep eutectic solvents: A review. Environ. Chem. Lett. 2021, 19, 3397–3408.
[7] Skarpalezos, D. and Detsi, A., 2019 Deep Eutectic Solvents as Extraction Media for Valuable Flavonoids from Natural Sources. Appl. Sci. 2019, 9, 4169.
[8] Gurkan, B., Squire, H. and Pentzer, E., 2019 Metal-Free Deep Eutectic Solvents: Preparation, Physical Properties, and Significance. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 7956–7964.
[9] Mako´s, P., Slupek, E. and Gebicki, J., 2020. Hydrophobic deep eutectic solvents in microextraction techniques - A review. Microchem. J. 2020, 152, 104384.
[10] Shishov, A., Pochivalov, A., Nugbienyo, L., Andruch, V. and Bulatov, A., Deep eutectic solvents are not only effective extractants. TrAC Trends Anal. Chem. 2020, 129, 115956.
[11] Cao, J., Yang, M., Cao, F., Wang, J. and Su, E., 2017. Tailor-made hydrophobic deep eutectic solvents for cleaner extraction of polyprenyl acetates from Ginkgo biloba leaves. J. Clean. Prod. 2017, 152, 399–405.
[12] Coates, J., Interpretation of infrared spectra, a practical approach. In R. A. Meyers (Ed.), Encyclopedia of Analytical Chemistry 2000, (pp. 10815–10837). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9780470027318.a5606.
[13] Silverstein, R. M., Webster, F. X., Kiemle, D. J., & Bryce, D. L. (2014). Spectrometric identification of organic compounds (8th ed.). John Wiley & Sons.
[14] Abbott, A. P., Capper, G., Davies, D. L., Rasheed, R. K., & Tambyrajah, V. Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures. Chemical Communications, 2003 (1), 70–71. https://doi.org/10.1039/B210714G
[15] Smith, E. L., Abbott, A. P., & Ryder, K. S. (2014). Deep eutectic solvents (DESs) and their applications. 2014, Chemical Reviews, 114(21), 11060–11082. https://doi.org/10.1021/cr300162p
[16]   Hansen, B. B., Spittle, S., Chen, B., Poe, D., Zhang, Y., Klein, J. M., Horton, A., Adhikari, L., Zelovich, T., Doherty, B. W., Gurkan, B., Maginn, E. J., Ragauskas, A., Dadmun, M., Zawodzinski, T. A., Baker, G. A., Tuckerman, M. E., Savinell, R. F., & Sangoro, J. R. (2021). Deep eutectic solvents: A review of fundamentals and applications. 2021, Chemical Reviews, 121(3), 1232–1285. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00385
[17]   Oh, S. Y., Yoo, D. I., Shin, Y., & Seo, G. (2005). FTIR analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide. 2005, Carbohydrate Research, 340(3), 417–428. https://doi.org/10.1016/j.carres.2004.11.027
[18] Hubbe, M. A., Ferrer, A., Tyagi, P., Yin, Y., Salas, C., Pal, L., & Rojas, O. J. (2015). Nanocellulose in thin films, coatings, and plies for packaging applications: A review. 2015, BioResources, 10(3), 6093–6202.
[19] Samyn, P. (2013). Wetting and hydrophobic modification of cellulose surfaces for paper applications. 2013, Industrial Crops and Products, 47, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.02.020
[20] Lakovaara, M., Sirviö, J. A., Sliz, R., Vida, J., Homola, T. and Liimatainen, H., 2022. Modification of nanocellulose films in deep eutectic solvents using vinyl esters. Cellulose, 2022, 29:9073–9087.  https://doi.org/10.1007/s10570-022-04840-y
[21] Akbari, M., Afra, E., Dehghani Firouzabadi, M. and Zabihzadeh, S. M., 2024. Preparation of hydrophobic papar by layer-by-layer assembly method of
biopolymers and precipitated calcium carbonate modified with stearic acid. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 15, 4:393–409.
[22] Hubbe, M. A., Gardner, D. J. and Shen, W., 2015.  Contact angles and wettability of cellulosic surfaces: A review of proposed mechanisms and test strategies, BioRes. 2015, 10(4), 8657-8749.
[23] Hubbe, M. A., 2006.  Bonding between cellulosic fibers in the absence and presence of dry-strength agents - A review, 2006, BioRes. 1(2), 281-318.