پديد آورندگان :
رودي، حميدرضا دانشگاه شهيد بهشتي - دانشكده مهندسي انرژي و فناوري هاي نوين - گروه مهندسي فناوري سلولز و كاغ , اميري مرگاوي، محمدرضا , ابراهيم پور كاسماني، جعفر دانشگاه آزاد اسلامي واحد سوادكوه - گروه علوم و صنايع چوب و كاغذ
كليدواژه :
خميركاغذ شيميايي مكانيكي , كربنات كلسيم رسوبي , نشاستة كاتيوني , نانوسيليكاي آنيوني , لايه به لايه
چكيده فارسي :
سابقه و هدف:
افزودن پركننده‌هاي معدني به خميركاغذ موجب بهبود كيفي برخي از ويژگيهاي مهم كاغذ مي شود. امّا به علت عدم امكان اتصال بين ذرات پركننده با الياف سلولزي و ممانعت از پيوندهاي بين فيبري مقاومتهاي مكانيكي كاغذ كاهش مي‌يابد. يكي از راهكارهاي مهم جهت غلبه بر اين محدوديت، اصلاح سطح الياف سلولزي جهت بهبود قابليت پيوند يابي آنها با ساير اجزاء موجود در شبكه كاغذ مي‌باشد. در نتيجه مي‌توان پركننده را به شبكه تقويت شده الياف افزود. تحقيقات اخير نشان مي‌دهد كه روش نانوفناوري لايه به لايه روش خوبي براي اصلاح خواص الياف سلولزي و بهبود كيفيت آن مي‌باشد. در اين تكنيك، الياف سلولزي با ذرات يوني با بار مخالف در يك محيط واكنش قرار مي‌گيرد و طي آن ذرات يوني عمدتاً با جاذبة الكترواستاتيكي توسط سطح الياف جذب مي‌شود. در نتيجه مقاومت شبكه الياف بطور قابل ملاحظه‌اي توسعه مي‌يابد. لذا در اين تحقيق، ابتدا الياف خميركاغذ CMP با لايه‌نشاني سه‌لايه از نشاسته كاتيوني - نانوسيليكاي آنيوني - نشاسته كاتيوني تيمارشده و سپس پركننده معدني كربنات كلسيم رسوبي در سطوح مختلف به خميركاغذ تيمار شده اضافه شد. ميزان توسعه مقاومت‌ها با تيمار لايه‌نشاني و افت آن با افزودن پركننده كربنات كلسيم رسوبي موردارزيابي قرار گرفت تا سطح بكارگيري پركننده در خمير CMPتقويت‌شده محاسبه گردد.
مواد و روش‌ها:
تيمار لايه‌نشاني الياف خميركاغذ CMP بصورت يك در ميان با استفاده از پليمر نشاسته كاتيوني و نانوسيليكاي آنيوني انجام شد. براي تشكيل سه‌لايه متوالي، 500 ميلي‌ليتر سوسپانسيون خمير الياف با خشكي حدود 0/53 درصد به مدت 10 دقيقه با محلول‌‌‌هاي نشاسته كاتيوني (% 1/5)- نانوسيليكاي آنيوني (% 0/05)- نشاسته كاتيوني (% 1/5) توسط همزن آزمايشگاهي بهم زده شد. سپس پركننده كربنات كلسيم رسوبي در سه سطح 5، 10 و 15 درصد به خميركاغذ CMPسه‌لايه تيمارشده اضافه شد. از خميركاغذ تيمارنشده، تيمارشده و خميركاغذ تيمارشده حاوي پركننده، كاغذ‌‌هاي دست‌ساز با وزن‌پايه g/m23±60 تهيه و خواص فيزيكي (ضخامت، دانسيته ظاهري و حجيمي) و ويژگيهاي مقاومتي (شاخص مقاومت به كشش، شاخص مقاومت به تركيدن و شاخص مقاومت به پارگي) آن مورد مقايسه قرار گرفت. همچنين از نمونه‌هاي ذكرشده تصاوير الكتروني تهيه شد تا تغييرات در ساختار سطح الياف و شبكه كاغذ مورد ارزيابي قرارگيرد.
يافته‌ها:
نتايج نشان داد كه با تيمار الياف خميركاغذ CMP با روش لايه به لايه، تغيير معني‌داري در خواص فيزيكي كاغذ ايجاد نمي‌شود. درصورتيكه اين سيستم تأثير قابل توجهي در توسعه مقاومتهاي كاغذ داشته است. ارزيابي ويژگيهاي مقاومتي كاغذ نشان داد كه با تيمار سه‌لايه الياف خميركاغذ CMP، شاخص كششي كاغذ از N.m/g28/54 (در الياف تيمارنشده) به N.m/g39/18، شاخص تركيدن از kPa.m2/g 1/36 به kPa.m2/g 2/68 و شاخص پارگي كاغذ از mN.m2/g 6/11 به mN.m2/g 11/12 افزايش يافت. در ريزنگار‌‌هاي الكتروني تهيه شده نيز ظاهر متفاوتي از سطح الياف سه‌لايه تيمارشده نسبت به الياف تيمار نشده مشاهده شده است كه بيانگر افزايش ژلاتيني‌شدن سطح الياف تيمارشده در اثر افزايش جذب نشاستة كاتيوني مي‌باشد. كه منجر به توسعه سطح پيونديافته بين الياف و افزايش مقاومتهاي كاغذ مي‌شود. با افزودن 10 درصد پركننده PCC به اين خميركاغذ؛ شاخص كششي، شاخص تركيدن و شاخص پارگي كاغذ بترتيب N.m/g40/26، kPa.m2/g 1/79 و mN.m2/g 8/07 اندازه‌گيري شد. ريزنگار‌‌هاي الكتروني نيز تثبيت پركننده PCC در شبكه الياف CMP تيمارشده و پراكنش تقريباً يكنواخت آن را تأييد مي‌كند.
نتيجه‌گيري:
تحليل نتايج نشان داد در صورت تقويت خميركاغذ CMP با روش لايه به لايه مورداستفاده در اين تحقيق، ويژگيهاي مقاومتي كاغذ بدون تغيير قابل ملاحظه خواص فيزيكي بهبود معني‌داري مي‌يابد. از نظر آماري، با افزايش مقاومت در خميركاغذ تيمارشده مي‌توان تا 10 درصد پركننده كربنات كلسيم رسوبي به آن اضافه نمود.
چكيده لاتين :
Background and objectives: Addition of mineral fillers to the paper pulp results
in improvement of some important paper properties. But the paper mechanical
properties would decrease due to the impossibility of attachment between filler
particle and cellulosic fibers and inhibition of fiber-fiber bonds. One of the
substantial approaches to overcome such restriction is to modify cellulosic fiber
surface to improve their bonding-ability with other paper network fragments. Thus
filler can be added to the reinforced fibers network. Recent researches show that
nanotechnology layer-by-layer method is a good way for modifying the cellulose
fibers characteristics and improving its quality. In this technique, cellulosic fibers
and counter-ionic particles are placed in an interaction media. During the
interaction, ionic particles are absorbed by fibers surface mainly via electrostatic
absorption. Therefore the fibers network strength would improve considerably. In
current research, CMP fibers were firstly treated with three layers of cationic starch
- anionic nanosilica - cationic starch Then PCC filler was added to the treated pulp
in different levels. The extent of strengths improvement with layering treatment
and the strength loss due to the PCC addition was evaluated in order to calculate
the level of filler application in reinforced CMP pulp.
Materials and methods: The layering treatment of CMP fibers was successively
conducted using cationic starch polymer and anionic nanosilica For three
subsequent layers constitution, 500 ml pulp suspension with 0.53 consistency was
mixed for 10 minutes with solutions of cationic starch (1.5 %) - anionic nanosilica
(0.05 %) - cationic starch (1.5 %) applying laboratory mixer. Then PCC filler was
added to the 3-layer treated CMP pulp in three levels of 5, 10, and 15 %. Handsheets with 60±3 g/m2 basis weight was prepared from untreated, treated, and
treated pulp containing PCC filler; and their physical properties (thickness,
apparent density, bulk) and mechanical characteristics (tensile index, burst index,
tear index) have been compared. Also, SEM micrographs were prepared from the
above samples to evaluate the variation of fiber surface structure and paper
network.
Results: The results indicated that by treatment of CMP fibers with layer-by-layer
method, there occurs no meaningful variation in paper physical properties.
Whereas this system had a considerable effect in paper strengths improvement.
Evaluation of strength properties showed that by 3-layer treatment of CMP fibers,
Tensile index of paper improved from 28.54 N.m/g (in untreated fibers) to 39.18
N.m/g, burst index from 1.36 kPa.m2/g to 2.68 kPa.m2/g, and tear index from 6.11
mN.m2/g to 11.12 mN.m2/g Also, in prepared SEM micrographs a different
appearance in 3-layer treated fibers surface compared to the untreated fibers; It
indicated an increase in gelatinization of treated fiber surface due to an increase in
cationic starch absorption, results to improve the bonded surface between fibers
and increase in paper strengths. By adding 10 % of PCC filler to this pulp, tensile
index, burst index and tear index was measured 26.40 N.m/g, 1.79 kPa.m2/g, and
8.07 mN.m2/g respectively. Furthermore, SEM micrographs confirmed PCC filler
retaining and its relative uniform distribution in the treated CMP fibers network.
Conclusions: Analysis of the results showed that by reinforcing CMP pulp with
layer-by-layer method used in current research, paper strength characteristics
increases considerably without significant increase in physical properties. From
statistical viewpoint, with increasing of the strength in the treated CMP pulp, 10 %
of PCC filler can be added to it.
