بخشی از مقاله
چکیده
لایه نشانی چندلایه های پلی الکترولیتی - PEM - 1 با تکنیک لایه به لایه پتانسیل زیادی را برای اصلاح خواص الیاف سلولزی نشان داده است. از اینرو در این پژوهش، لایه نشانی یک در میان پلیمرهای نشاسته کاتیونی و نشاسته آنیونی بر روی الیاف CMP مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشات لایه نشانی یک در میان نشاسته کاتیونی و نشاسته آنیونی در شرایط اختلاط با دور همزن حدود 750 در دقیقه بمدت10دقیقه، برای تشکیل یک تا پنج لایه متوالی - بهمراه مرحله شستشوی بین لایه نشانی ها - انجام شد. فرآیند لایه نشانی با رصد روند تغییرات شاخص مقاومت به کشش کاغذ ارزیابی شد. نتایج پیش آزمون ها برای بهینه سازی مقدار مصرف پلیمرها نشان داد که سطح 1%نشاسته کاتیونی و 1% نشاسته آنیونی در لایه های متوالی روند مطلو بتری در توسعه مقاومت کششی کاغذ داشته است. همچنین نتایج نشان داد که با لایه نشانی این دو پلیمر تا لایه سوم، شاخص مقاومت به کشش کاغذ از حدود N.m/g 28/54 در الیاف تیمارنشده به حدود N.m/g 35/91 در کاغذ تهیه شده از الیاف تیمار شده افزایش یافته است. این نتایج بیانگر تأثیرات مطلوب و امیدوارکننده تشکیل چندلایه های پلیمری در اصلاح ویژگی های سطح و پیوندپذیری الیاف خمیر CMP و توسعه خواص مکانیکی کاغذ حاصل از آن می باشد.
کلمات کلیدی : فن آوری نانو ، خمیر کرافت ، چندلایه های پلیمری ، نشاسته کاتیونی و آنیونی، تکنیک لایه به لایه، ویژگی مقاومتی
مقدمه
خمیرکاغذهای مکانیکی و شیمیایی - مکانیکی در مقایسه با خمیرکاغذهای شیمیایی به دلیل داشتن برخی ویژگی های نامطلوب مثل تمایل به زرد شدن و برگشت روشنی، خواص مقاومتی نسبتا کم و ماندگاری پایین نرمه ها برای استفاده در کاغذسازی به ویژه ساخت کاغذهای با کیفیت زیاد از مطلوبیت کمی برخوردارهستند. کاستن از مشکلات مربوط به این خمیرکاغذها و به تبع آن توسعه کاربرد آنها در ساخت کاغذهای مرغوب سال ها توجه محققان را به خود معطوف کرده است و این تحقیقات همچنان ادامه دارد . به عنوان مثال برای بهبود ویژگی های مقاومت این نوع خمیرکاغذها در طی دو دهه اخیر روش های متعددی شامل: پیش تیمار الیاف سلولزی مانند پیش تیمار حرارتی، پالایش و مصرف مواد شیمیایی به منظور افزایش واکنش پذیری الیاف به کار گرفته شده است. به طورکلی الیاف، نرمه ها و پرکننده های معدنی مهمترین مواد مورد استفاده در کاغذسازی هستند . اغلب همه این مواد به علت بار آنیونی همدیگر را دفع می کنند، که اشکالات مربوط به این اثر شامل ماندگاری ضعیف نرمه ها، پیوند ضعیف بین الیاف و خواص مقاومتی کم و همچنین مسائل مربوط به آب گیری و افزایش حجم پساب می باشد. برای رفع مشکلات ناشی از بار سطحی الیاف و نرمه ها، سطح الیاف را می توان با استفاده از روش های اتری کردن، استری کردن، اکسید کردن و یا با استفاده از تکنیک های لایه به لایه2اصلاح نمود - . - 1
سیستم رسوب لایهای اولین بار توسط Iler در سال 1966 گزارش شد و در اوایل دهه 1990 توسط Decher و همکارانش بهینه شدو به عنوان روشی ارزان، ساده و تطبیق پذیر جهت تشکیل لایههای مرکب در مقیاس میکرو و نانو روی سطح یک بستر به شمار میرود . - 2 - روش رسوب لایه ای باعث ایجاد ویژگیهای مطلوب شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی، حرارتی و نوری در ساختارها و لایههای مرکب میشود. عملکرد روش رسوب لایه ای، برپایه رسوب یک درمیان پلیکاتیون و پلیآنیون از طریق فعل و انفعالات الکترواستاتیکی استوار است - . - 3 در این فرایند، میتوان با اشباع مجدد سوسپانسیون با پلیکاتیون و پلیآنیون به طور یک در میان بار یا پتانسیل زتای سطح ماده پوشش داده شده را تغییر داده و از این طریق لایههای زیادی از پلیالکترولیت یا نانوذرات را روی بستر مورد نظرتشکیل داد . - 4 - در اکثر موارد عمل جذب پلی الکترولیت بر اساس فعل و انفعالات الکترواستاتیکی بین دو ماده با بار مخالف صورت میگیرد. الیاف لیگنوسلولزی به جهت داشتن گروههای عاملی با بار یا پتانسیل زتای منفی میتوانند به عنوان یک پلی الکترولیت در واکنشهای خودسامان شرکت کنند . - 5 - درروش رسوب لایهای، اندودسازی الیاف با پلی الکترولیتهای مثبت ومنفی سبب ایجاد اتصالات الکترواستاتیک علاوه بر پیوندهای هیدروژنی بین الیاف شده که این امر باعث افزایش شدید مقاومت کاغذ دست ساز میشود. بخشهایی از الیاف که با لایههای مثبت اندودشدهاند، بخش جداییناپذیر ساختار کاغذ را تشکیل میدهند و درنتیجه سبب محکمترشدن ساختار کاغذ میشوند . - 6 - گزارشهای تجربی حاکی از آن است که رسوب لایهای روشی موثر برای اصلاح خواص سطحی الیاف سلولزی میباشد. با لایهگذاری بیشتر مواد افزودنی مقاومت دهنده برروی الیاف و افزایش ماندگاری این مواد با رسوب لایهای، سطح پیوند بین الیاف بیشتر شده و در نتیجه مقاومتهای کاغذ افزایش مییابد. این روش نهتنها برای افزایش ویژگیهای مقاومتی کاغذ بلکه برای تهیه کاغذهایی با کاربردهای ویژه همانند کاغذهای هوشمند، کاغذهای مغناطیسی، کاغذهای فوق آبگریزو ساخت نانوحسگرهای کاغذی که در طی آن ذرات با تکنیک LbL بر روی سطوح الیاف سلولزی پوششدهی میشوند، بکار برده میشود. . - 7 -
Lvov و همکاران - 2006 - ، در یک تحقیق با روش لایه نشانی نانو ذرات بر روی الیاف برگشتی - الیاف فرآیندی - جهت بهبود خواص کاغذ اظهار داشتند که با لایهگذاری نانو ذرات سیلیس و هالوسیت بر روی این الیاف و اختلاط آن با خمیر بکر با نسبت 1:1، مقاومت کششی کاغذ دو برابر شده است. آنها علت این امر را جاذبه الکترواستاتیکی بین پلیالکترولیتهای کاتیونی و آنیونی لایهگذاری شده بر روی سطح الیاف سلولزی دانستند که باعث افزایش پیوندهای بین الیاف شده است - Pettersson . - 8 و همکاران - 2006 - به منظور افزایش ویژگیهای مقاومتی کاغذ، از نسبتهای مختلف اختلاط خمیر تیمارشده با لایه نشانی چندلایه پلی الکترولیت نشاسته کاتیونی و کربوکسی متیل سلولز با خمیر شیمیایی رنگبری نشده و خمیر CTMP استفاده نمودند. نتایج نشان داد میزان مقاومت پیوند داخلی الیاف و شاخص کشش در ورقههای دست ساز افزایش زیادی داشت - Ryu . - 9 و همکاران - 2009 - اصلاح الیاف خمیر کرافت رنگبری شده پهن برگان را با لایه نشانی پلیمرهای مصنوعی پلی آلیل آمین کلراید - PAC - و پلی اکریلیک اسید - PAA - بررسی نمودند و اشاره کردند که به علت جاذبه الکترواستاتیکی بین پلیمرهای آنیونی و کاتیونی جذب شده برروی سطح الیاف، با افزایش جذب پلیمرها، پتانسیل پیوند بین الیاف بیشتر شده است. همچنین تشکیل لایههای بسیار نازک این پلیمرها وابستگی نزدیکی به مقدار pH داشته است. طوریکه به تقریب در pH=10 شاخص مقاومت به کشش کاغذهای تهیه شده به طور قابل ملاحظهای افزایش یافته است. این تحقیق با هدف بهبود مقاومت های مکانیکی کاغذهای تهیه شده از الیاف CMP با تکنیک لایه به لایه وجذب چندلایه های نشاسته های کاتیونی و آنیونی انجام شده است - . - 10
مواد و روش ها
در این پژوهش، از خمیر CMP که از کارخانه چوب وکاغذ مازندران تهیه گردید. ابتدا خمیر بر روی غربال مش 400 آزمایشگاهی آبگیری و شست وشو شد و در داخل زیپ کیپ و در یخچال آزمایشگاهی قرار گرفت و برای ادامه آزمایش ها استفاده شد.
مواد شیمیایی
از پلیمرهای نشاسته کاتیونی کوارترنری و نشاسته آنیونی جهت لایه نشانی استفاده گردید. آماده سازی مواد شیمیایی مورداستفاده در این تحقیق براساس دستورالعمل شرکت های عرضه کننده محصول انجام شد. بمنظور آماده سازی نشاسته کاتیونی، محلول 1 درصد آن را بر روی اجاق الکتریکی به مدت 30 دقیقه به آرامی حرارت داده تا به دمای 90 درجه سانتی گراد برسد. سپس در این دما به مدت 30 دقیقه دیگر نگهداری شده و در نهایت پس از خنک شدن تا دمای محیط، در طول مدت همان روز مورد استفاده قرار گرفت. برای جلوگیری از تغییر غلظت نشاسته در اثر تبخیر آب در خلال پخت، دهانه ارلن محتوی محلول نشاسته تا زمان خنک شدن با فویل آلومینیمیکاملاً مسدود نگه داشته شد. نشاسته آنیونی دارای حلالیت در آب سرد می باشد. به منظور آماده سازی نشاسته آنیونی، ابتدا پودر خشک آن با آب مقطر به محلول یکنواخت یک درصدی تبدیل و سپس این محلول یک درصدی برروی همزن مغناطیسی به مدت نیم ساعت همزده شد.
لایه نشانی لایه به لایه - LbL -
جهت اختلاط خمیر الیاف و محلول های نشاسته کاتیونی و آنیونی و تشکیل چندلایه های متوالی پلیمری کاتیونی آنیونی از دستگاه همزن آزمایشگاهی استفاده شد. بدین منظور، برای هر مرحله لایه نشانی، 500 میلی لیتر سوسپانسیون خمیر الیاف کرافت تهیه شد. سوسپانسیون تهیه شده را در یک بشر یک لیتری ریخته و توسط دستگاه همزن آزمایشگاهی با دور ثابت 750 در دقیقه به مدت 10 دقیقه، با محلول های نشاسته هم زده شد. به علت آنیونی بودن بار الکتریکی سطح الیاف، اولین لایه نشانی با نشاسته کاتیونی انجام شد. پس از پایان زمان اختلاط، محتویات ظرف بر روی الک مش 400 آبگیری شد. در مرحله بعدی لایه نشانی با نشاسته آنیونی همانند مرحله اول صورت گرفت. تا این مرحله یک جفت لایه بر روی سطح الیاف تشکیل شده است. جهت تشکیل لایه های بیشتر که در این پژوهش در سه لایه انجام گرفت، مراحل فوق مجدد تکرار شد - شکل. - 1
آزمون کاغذهای دست ساز
پس از آماده سازی سوسپانسیون، ساخت کاغذ دست ساز با گراماژ 60 گرم بر مترمربع مطابق با استاندارد TAPPI T205 SP-95 انجام شد. کاغذ های ساخته شده در اتاق کلیما برای گرفتن تست های مورد نظر نگهداری شده اند. اندازه گیری مقاومت به کشش طبق استاندارد شماره SCAN-P 67:93 آیین نامه TAPPI انجام گردید. شاخص مقاومت به ترکیدن طبق استاندارد به شماره T 403 OM-97 آیین نامه TAPPI و با دستگاه Burst استفاده گردید. مقاومت به پاره شدن کاغذ بر اساس استاندارد شماره T414 OM -98 آیین نامه TAPPI و با استفاده از دستگاه دیجیتالی مقاومت در برابر پاره شدن Lorentzen & Wettre انجام گرفت.
نتایج و بحث
شاخص مقاومت در برابر کشش به مقاومت اتصالات بین لیفی بستگی دارد. شاخص مقاومت کششی کاغذهای تهیه شده از خمیرهای تیمار شده با روش لایه نشانی در پایان هر مرحله افزایش لایه اندازه گیری شد. شکل 2 نشان میدهد که تشکیل چندلایههای پلیمری نشاسته تأثیر بسیار زیادی بر روی قابلیت پیوندپذیری الیاف و مقاومت کششی کاغذ داشته است. بطوریکه با افزایش تعداد لایه ها در هر مرحله مقاومت کششی افزایش یافت. مقاومت کششی از28,54نمونه شاهد به 35,91درلایه سوم رسیده است. به عبارت دیگر این افزایش را می توان به عملکرد نشاسته کاتیونی در بهبود خواص کاغذ و بخصوص در ترکیب با نشاسته آنیونی بصورت لایه نشانی بر روی الیاف مرتبط
