بخشی از مقاله
چکیده
روش لایه به لایه - - LbL در حوزه فناوری نانو از روش های جدیدی است که برای اصلاح خواص سطح مواد جامد استفاده می شود. در این تحقیق، الیاف خمیر کرافت پالایش شده با لایه نشانی متوالی پلی الکترولیت نشاسته - در سطح 1/5 درصد - و نانوسیلیکا - در سطح 0/05 درصد - با روش لایه به لایه درpH= 6.7 با دور همزن 750 در دقیقه و بمدت 10 دقیقه تا تشکیل سه لایه تیمار شدند. نتایج تیمار الیاف کرافت با چندلایه های پلیمری نشاسته و نانو سیلیکا نشان داد که شاخص های مقاومت مکانیکی کاغذهای تهیه شده همچون مقاومت به کشش و مقاومت به ترکیدن بطور قابل ملاحظه ایی نسبت به نمونه شاهد - کاغذ تهیه شده از الیاف خمیرکرافت پالایش شده تیمارنشده - افزایش داشته است. مقاومت به پارگی کاغذ نیز در ابتدا بصورت سریع و در ادامه لایه نشانی پلیمر نشاسته-نانوسیلیکا با شیب کمتر، نسبت به نمونه شاهد افزایش یافته است. این نتایج بیانگر تأثیرات مثبت تشکیل چندلایه های پلیمری در توسعه خواص مکانیکی کاغذ کرافت می باشد.
کلمات کلیدی : فن آوری نانو ، خمیر کرافت ، چندلایه های پلیمری ، نشاسته کاتیونی
مقدمه
به طور کلی، مقا ومت های کاغذ با دو روش مکانیکی و شیمیایی افزایش می یابد. ویژگی های الکتروشیمیایی سطح الیاف در هر دو روش توسعه یافته و تعامل بین الیاف و در نتیجه سطح تماس و پیوند بین آن ها افزایش می یابد. پالایش با تغییراتی که در ساختار الیاف ایجاد می کند، موجب افزایش پیوندپذیری آنها می شود، اما سبب افزایش درصد نرمه های الیاف، کاهش قابلیت آبگیری از سوسپانسیون خمیرکاغذ، و کاهش ماتی کاغذ نیز می شود .[1] از اینرو از مواد مقاومت دهنده نظیر نشاسته کاتیونی برای توسعه مقاومتها استفاده می شود.
تحقیقات نشان می دهد جذب بیشتر مواد افزودنی مقاومت دهنده همچون نشاسته کاتیونی باعث افزایش بیشترمقاومت ها در کاغذ می شود.[2] دراین راستا درسالهای اخیر تلاش برای استفاده از روش های نوین نانو فناوری هم چون خود تجمعی لایه به لایه - self-assembly - layer-by- layer technique LbL به عنوان یکی از روش های بهبود ماندگاری و افزایش جذب مقدار افزودنی ها در سطح الیاف لیگنوسلولزی و در نهایت افزایش مقاومت کاغذ مطرح شده است. گزارشهای اخیر حاکی از آن است که می توان مقاومت های الیاف سلولزی را به طور چشمگیری با تکنیک لایه نشانی - LbL - افزایش داد .[3]
این روش اولین بار توسط Iler در سال 1966 گزارش شد و در اوایل دهه 1990 توسط Decher و همکارانش بهینه سازی شد و به عنوان روشی ارزان، ساده و تطبیق پذیر جهت تشکیل لایههای مرکب در مقیاس میکرو و نانو روی سطح یک بستر جامد به شمار میرود [4] این فناوری در زمینه تحقیقات خمیر وکاغذ، اولین بار توسط Wagberg و همکاران در سال 2002 برای افزایش مقاومت های کاغذ مورد بررسی قرار گرفت.[5] رودی و همکاران - 1391 - با بررسی اثر درجه استخلاف نشاسته کاتیونی در تشکیل چندلایه های نشاسته کاتیونی و آنیونی روی الیاف بازیافتی OCC به این نتیجه رسیدند که مقاومت به کشش کاغذ های تیمار شده بصورت قابل توجهی افزایش داشته است . [6] ایمانی و همکاران - 1389 - در تحقیقی با ایجاد لایههای کایتوزان و نانوذره سیلیکا روی سطح الیاف خمیر کرافت رنگبری شده کاج، نشان داد که مقاومت کششی کاغذهای تیمار شده به روش رسوب لایهای در اکثر موارد افزایش داشته است Lvov .[7] و همکاران - 2006 - ، در یک تحقیق با روش لایه نشانی نانو ذرات بر روی الیاف برگشتی - 1 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 11:1، مقاومت کششی کاغذ دو برابر 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 .[9] در این تحقیق اثر چندلایه نشانی نشاسته کاتیونی و نانوسیلیکا بر خواص مقاومتی الیاف کرافت پالایش شده بررسی شده است.
مواد و روش ها
در این پژوهش از خمیر کرافت پالایش شده که از کارخانه چوکا تالش تهیه شده، استفاده شده است. پس از عمل آبگیری، خمیر در کیسه های پلاستیکی تا انجام لایه نشانی در یخچال نگهداری شد. نشاسته کاتیونی مورد استفاده - 6 0/027 - تهیه شده از گیاه تاپیوکا و در یک سطح 1/5 درصد مورد استفاده قرار گرفت . سوسپانسیون شیری رنگ نانو سیلیکا آنیونی، از شرکت EKA با نام تجاری NP320 تهیه شد و در یک سطح0/05 درصد استفاده شده است. نشاسته کاتیونی پس از پخت محلول درآب بوده ولی نانو سیلیکا در آب سرد حلالیت دارد . نشاسته کاتیونی به مدت30 دقیقه در دمای 90 درجه سانتی گراد پخت داده شد و در نهایت پس از خنک شدن تا دمای محیط ، در همان روز مورد استفاده قرار گرفت. 500 میلی لیتر سوسپانسیون الیاف با درصد خشکی حدود 0/5 وPH= 6/7 تهیه شد. جهت اختلاط خمیر الیاف و محلول های نشاسته کاتیونی و نانوسیلیکا و تشکیل چندلایه های متوالی پلیمری کاتیونی - آنیونی از دستگاه همزن با دور ثابت 750 در دقیقه و بمدت 10 دقیقه استفاده شد. بعلت آنیونی بودن بار الکتریکی سطح الیاف، اولین لایه نشانی، با نشاسته کاتیونی انجام شد. پس از اتمام زمان اختلاط محتویات درون بشر روی غربال 400 مش ریخته شد و با آب تصفیه شده شستشو داده شد. . بعد از آبگیری، خمیر مجدد درون بشر ریخته شد و نانوسیلیکا نیز مانند مرحله اول به سوسپانسیون افزوده تا یک جفت لایه روی سطح الیاف تشکیل شد. رسوب 3 لایه به همین صورت انجام گرفت. کاغذ دستساز 60 گرمی بر اساس استاندارد T 205 sp-95 ساخته شد. بعد از انجام عملیات پرس و خشک کن، کاغذ ها تا زمان انجام آزمونها در اتاق کلیما جهت مشروط سازی قرار داده شدند. آزمونهای مقاومت به کشش، مقاومت به پارگی، مقاومت به ترکیدن اندازه گیری شد.
نتایج و بحث
همانطوریکه در شکل شماره 1 ملاحظه می شود شاخص مقاومت به کشش با 3 لایه تشکیل شده بر روی سطح الیاف به طور قابل ملاحظهایی افزایش یافته است؛ بطوری که شاخص مقاومت به کشش کاغذ از 23/96N.m/g در نمونه شاهد به 38/47 N.m/g در لایه سوم رسیده است. با تیمار LbL خصوصیات الکتروشیمیایی سطح الیاف بهبود می یابد 9]،.[8 در نتیجه، با جذب بیشتر مولکول های پلیمری افزاینده مقاومت، پیوند بین الیاف توسعه یافته و مقاومت های آن افزایش می یابد. نمودار شاخص مقاومت به ترکیدن نیز همانند شاخص مقاومت به کشش دارای سیر صعودی بود. شاخص مقاومت در برابر ترکیدن نیز همانند مقاومت کششی متأثر از مقاومت خود الیاف و پیوند بین الیاف است. لذا با افزایش قابلیت پیوندپذیری بین الیاف شاخص مقاومت به ترکیدن در لایه سوم افزایش زیادی نسبت به نمونه شاهد افزایش یافت. برای شاخص مقاومت به پارگی با افزودن لایه اول شاخص مقاومت به پارگی افزایش چشمگیری داشته که از 9 /14 Nm.m2 نمونه شاهد به از14/48 Nm .m2 /gو سپس با افزودن لایه دوم نمودار سیر نزولی به خود گرفته و در ادامه نیز در لایه سوم افزایش داشته است - شکل. - 2
شاخص پارگی کاغذ بیشتر وابسته به طول الیاف و کمتر متأثر از پیوند بین الیاف می باشد. لذا با تشکیل لایه ها تا لایه سوم تغییر چشمگیری مشاهده نشد و نشان داد که افزودن بیش از حد پلی الکترولیت ها تأثیر معنی داری روی شاخص مقاومت به پارگی ندارد - شکل . - 3 بطورکلی نتایج بر این نکته اشاره دارند که تشکیل چندلایه های پلیمری نشاسته و نانو سیلیکا در توسعه خواص مکانیکی کاغذ تهیه شده از خمیر کرافت قابل ملاحظه می باشد.
شکل – 1 تأثیر لایه نشانی نشاسته بر شاخص مقاومت به کشش
شکل – 2 تأثیر لایه نشانی بر شاخص مقاومت به پارگی
