بخشی از مقاله
کاغذ سازی
در بین النهرین از لوحه های گلی ، در مصر (1838 ق.م) از پاپـیروس ، در چین از حکاکی بر روی لوحه های چوبی و نمد با قلم مو و پارچة ابریشمی ، این منظور را عملی می کردند.با توجه به اینکه صنعت ، نمد ما لی در خاور دور سنّت و متداول بود، فردی چینی به نام تسائی لون (105 میلادی) از قطعات کهنه و اضافی ابریشم ، خمیر و بعد ورقه‌هایی به صورت نمد درست کرد و از آن به کمک قلم مو برای نقاشی و نوشتن استفاده کرد و بعد به جای ابریشم ، چوب خیزران و درخت توت را بکار گرفت. در حقیقت باید او را اولین مخترع کاغذ در دنیا دانست.
در ایران فعالیت کاغذ سازی اولین بار با تأسیس کارخانه مقواسازی و با استفاده از کاغذهای باطله درسال 1313 شمسی در کرج شروع شد و حدود 15 سال است که با تأسیس دو کارخانه کاغذ سازی پارس در هفت تپه خوزستان و کارخانه چوب و کاغذ ایران (چوکا) در گیلان ، به صورت یک تکنولوژی مدرن و پیشرفته درآمده است.
کاغذ و مقواسازي، صنعتي سرمايه‌بر است و زمان لازم براي به‌کارگيري فرايندهاي جديد در آن عموماً بسيار زياد است. با اين شرايط، تعويض تجهيزات پرهزينه فقط هنگام بازسازي‌هاي عمده و راه‌اندازي خطوط توليد جديد صورت مي‌گيرد.
تاکنون تنها تعداد اندکي از کاربردهاي فناوري‌نانو در صنعت کاغذ به کارگرفته شده است که يکي از مشهورترين آنها استفاده از نانو/ ميکرو ذرات (سيليکاي کلوئيدي، هيدروکسيد آلومينيوم کلوئيدي) به صورت ترکيب با پلي‌الکتروليت‌هاي کاتيوني است. کليه اين فناوري‌ها از دهه80 آغاز و محصولات جديد، در دهه 90 توسعه يافتنه‌اند. ديگر فناوري‌هاي در حال توسعه شامل استفاده از حفاظ‌هاي نانوکامپوزيتي براي استفاده در بسته‌بندي غذا و عايق‌هاي روغن و چربي است.
فناوري‌نانو را مي‌توان پل ارتباط ماشين‌آلات کاغذسازي و ساير تجهيزات فرايندي به شمار آورد. مي‌توان نانوفيلتراسيون را در تصفيه آب‌هاي فرايندي (مورد استفاده در ماشين‌ها و دستگاه‌هاي آسيابي توليد کاغذ و مقوا) به كاربرد و از نانوروکش‌هاي ضدخش براي توليد پرس‌ها و نيز ساخت اجزاي مختلف ماشين‌آلات کاغذ سازي استفاده كرد.
40 درصد از کاغذ و مقواي توليدي اروپا در بسته‌بندي به‌کار مي‌رود. نقش مواد کاغذي اساساً استحکام بخشيدن به بسته‌بندي و در درجه دوم ايجاد ظاهري زيبا براي آن است. روکش بستهبنديهاي استاندارد کاغذي را مي‌توان با استفاده از ترکيب فناوري‌هاي مختلفي مانند لايه‌لايه سازي/ اکستروژن (lamination/extrusion)، متاليزاسيون(metallization) و روکشدهي انتشاري (dispersion)، به دست آورد. روکشدهي انتشاري مقوا، روشي است که مي‌توان به‌طور توأم با روش لايه‌لايه سازي/ اکستروژن به‌کار برد. اگرچه روکشدهي انتشاري به شيوه سنتي، با قابليت
توليد انبوه است، اما براي توليد مناسب نيست. هم اکنون پيشنهادهاي جديد در مورد روش روکشدهي انتشاري مانند روکش‌دهي‌هاي خشک و روش‌هاي پلاستي سُل (Plastisol) در حال توسعه‌اند. روکشهاي رنگدانه‌اي به صورت سنتي و قالب‌زني سطحي از جمله روش‌هايي است که به دليل برخي ويژگي‌هاي خاص حفاظتي براي بسته‌بندي مواد استفاده مي‌شود.
قابل ذکر است که در صورت استفاده از نانوکامپوزيت‌هاي پايه رسي در غشاءها و روکش‌ها، خواص محافظتي بسيار مطلوب و پيشرفته‌اي به دست مي‌آيد که اين مقوله هم‌اکنون بخش مهمي از فعاليت‌‌هاي تحقيق و توسعه را به خود اختصاص داده است.
بسته‌بندي هوشمند نيز از زمينه‌هاي بسيار مهم تحقيق و توسعه است. با ورود خصوصيات هوشمند به فرايند چاپ، مثلاً با استفاده از جوهرهايي که عملکردهاي دلخواهي را به کاغذ مي‌بخشد، توليد مواد بسته‌بندي مناسب، امکان‌پذير خواهد بود. در حال حاضر، چندين فناوري براي ايجاد ويژگي‌هاي جديد در محصولات کاغذي، مانند تعبيه انواع مختلف آشکارسازها بر روي محصولات کاغذي، با استفاده از فناوري‌هاي چاپ مدرن با همراه جوهرهاي ويژه و پليمرهاي رسانا، در حال بررسي است.
چالش ها
با شرايطي که بدان اشاره شد، صنعت کاغذ با چالش‌هايي روبه‌رو است که در زير به برخي از آنها اشاره مي‌شود:
کاهش مقدار مواد خام و افزودني‌هاي مورد نياز براي دستيابي به ويژگي‌هاي مورد نياز در کاغذ؛
بسط حوزه کاربرد کاغذ از طريق جزء جزء کردن فيبرها؛ و فناوري لايه‌بندي صفحات؛
اصلاح شيوه تشکيل، نگهداري و کنترل مواد زائد آنيوني از طريق افزودني‌هاي جديد به کاغذ؛ و کنترل خواص و مشخصه‌هاي سطحي فيبرها؛
توسعه فناوري‌هاي روکشدهي ساختاري به منظور چاپ بهبود يافته و افزايش کارکرد سطوح کاغذي؛
توسعه روکشهاي محافظ براي افزايش مقاومت مقوا در برابر آب، چربي و گاز؛
ايجاد ابزارهاي هوشمند شامل حسگرها و الکترونيک مولکولي براي خدمات بسته‌بندي و سيستم‌هاي منطقي؛ حصول بازارهاي جديد براي کاغذ؛ و برچسب‌گذاري به منظور تسهيل روند اصلاح و بازيافت فيبرها.
فرصت‌هاي فناوري‌نانو
پيوندزني فيبرها با ماکرومولکول‌هاي طراحي شده
اخيراَ راهبردهاي پليمريزاسيون به گونه‌اي گسترش يافته‌اند که ساخت پليمرهاي مجزا و يا ترکيبي با ساختارهاي کنترل شده، دقيق و بدون نقص را امکان‌پذير نموده‌اند. سنتز پلي آمينو اسيدها و يا پروتئين‌ها و پپتيد‌هاي مصنوعي با استفاده از روش‌هاي بازسازي شده، پليمريزاسيون حلقه گشايي (ring-opening) لاکتون‌ها و لاکتيدها، و پليمريزاسيون راديکالي کنترل شده مونومرهاي وينيل مانند پليمريزاسيون (ATRP) و پليمريزاسيون RAFT از آن جمله‌اند. با اين روش‌هاي جديد، سنتز زنجيره‌هاي پليمري با ساختار مولکولي مشخص، امکان‌پذير مي‌شود. به عنوان مثال ATRP را مي‌توان براي پيوند زدن مونومرهاي وينيل به سطوح سلولزي، که به‌وسيله آغازگرهاي محدود کننده سطح مانند برومواسترها فعال شده‌اند، به‌کار برد.
چنانچه بتوان پليمرهايي با کارکرد مناسب و طراحي شده را به سطح فيبرها متصل نمود، فيبرها هم با سيالات آلي و هم با آب سازگار مي‌شوند و اين عمل براي فيبرهاي مقوايي به خصوص براي کاربردهاي ويژه‌اي مانند کامپوزيت‌هاي تقويت شده فيبري، بسيار ايده‌‌آل است.
اصلاح فيبرها با استفاده از خود آرايي
در اواخر دهه 90 کشف شد که با استفاده از اصلاح سطوح به وسيله پليمرها يا نانوذرات با بار مخالف، امکان تشکيل لايه‌هاي نازک خودسامان کنترل شده، روي زيرلايه‌هاي جامد وجود دارد.
از آن زمان به بعد تحقيقات نظري قابل ملاحظه‌اي روي اين موضوع عملي، متمرکز شد و امروزه وسايل ساطع کننده نور و لايه‌هاي با برهم‌کنش الکترونيکي يا شيميايي از دستاوردهاي اين تحقيقات است. همچنين ثابت شده است که اين روش را مي‌توان براي توليد فيبرهاي سلولزي و فيبرهاي رسانا به‌کار برد.
روش ديگري نيز براي هنگامي که سطوح با استفاده از کمپلکس‌هاي پلي‌الکتروليتي (PEC) به عمل مي‌آيند توسعه داده شده است. با اين روش، عملکردي تقريباً مشابه روش پلي‌الکتروليت چند لايه‌اي (PEM) امکان‌پذير مي‌شود كه در اين روش تعداد مراحل نصف مراحل روش قبلي است. همچنين مي‌توان پلي‌الکتروليت‌ها و نانوذرات را با هم ترکيب نمود و در نهايت ذرات بسيار کوچک‌تري به دست آورد. با توجه به گسترش سريع نانوذرات مي‌توان محصولاتي چوبي توليد كرد كه داراي دامنه خواص وسيعي هستند.
ترکيب انواع جديد پلي‌الکتروليت‌ها، روش‌هاي پليمريزاسيون و انواع پليمرهاي خود ساخته، فرصت‌هاي قابل توجهي را در هر دو زمينه PEC و PEM پيش روي ما قرارمي‌دهد. همچنين اخيراً ثابت شده است که رسوب دادن انواع مختلفي از ترکيبات اسيدي سيليس‌دار درون ديواره فيبرها، روش بسيار مؤثري براي ايجاد يک ساختار از پيش تعيين شده و نيز افزودن خواص
عملکردي اساسي و ويژه به فيبرهاست.
اصلاح فيبرها با استفاده از آنزيم‌ها
در دهه اخير، آنزيم‌هاي تک‌عضوي زيادي به‌صورت تجاري توليد و در دسترس قرار گرفته‌اند. اين آنزيم‌ها قادر به اصلاح و يا کاهش ميزان انتخاب‌پذيري بالاي سلولز بوده و کاربردهاي فني بسيار گسترده‌اي در مواد شوينده و فرايندهاي ويژه‌اي مانند جوهرزدايي در صنعت کاغذ پيدا نموده‌اند. با استفاده از آنزيم‌هاي تک عضوي، انجام اصلاحات سطحي ويژه روي فيبرها، به منظور فعال نمودن و تغيير خواص آنها با روش‌هاي متداول امکان‌پذير مي‌شود.
مي‌توان روش‌هاي آنزيمي را در تلفيق با روش‌هاي فيزيکي و شيميايي براي ساخت موادي با عملکرد بسيار بالا و قابل استفاده در محصولات تعاملي به‌کار برد. آنزيم‌ها ابزارهاي ايده‌آلي براي توليد فيبرهاي زيست تعاملي هستند.
آنزيم سلوبايوز د‌هيدروژناز، مورد مناسبي براي کاربرد در حسگرهاي زيستي آمپرسنج است. اين آنزيم در ترکيب با لايه‌هاي سطحي رساناي فيبرهاي چوبي، يک حسگر زيستي آمپرسنج کاغذي را به وجود مي‌آورد.
اطلاعات رو به گسترش در مورد ريزساختار چوب و ساير مشتقات آن، که در طي پنج سال اخير جمع‌آوري شده است را مي‌توان همراه با فناوري زيست تقليد (biomimetic)، براي ساخت موادي با عملکرد بالا و بي‌نظير مانند فيبرهاي تعاملي به‌کار گرفت. همچنين از سلولزهاي ميکروفيبري که از طريق يک روش فعال‌سازي آنزيمي توليد مي‌شوند براي ساخت نانومواد کامپوزيتي با شکل و کاربردهاي جديد استفاده كرد.
کاربرد ديگر فناوري زيست تقليد، توليد چوب پنبه مصنوعي (پليمر گياهي موجود در ريشه و پوست درخت)، است که مي‌توان از آن به عنوان مقاوم‌ترين و آبگريز‌ترين ماده چوبي نام برد. اين ماده را مي‌توان با استفاده از محصولات جانبي صنعت کاغذسازي پليمريزه كرده، و آن را براي ساخت مواد ضد رطوبت - مناسب براي استفاده در گوشي‌هاي همراه- به‌کار برد.
مثال آخر، کاربرد زايلوگلوکان در اصلاح آنزيمي سلولز به منظور ساخت شبکه‌هاي فيبري است.
بسته بندي هاي تعاملي
محصولات الکترونيک چاپي طي 15 سال اخير پيشرفت چشمگيري نمودند و هم‌اکنون نيز با سرعت فوق‌العاده‌اي در حال گسترش مي باشند. از جمله بازارهاي الکترونيک چاپي مي‌توان به بستهبنديهاي هوشمند، نمايشگرهاي کاغذي پيشرفته، حسگرها و اسباب بازي‌هاي تعاملي با مبناي کاغذ‌هاي ساده براي بچه‌ها اشاره کرد.
پيشرفت در اين زمينه به حدي است که امکان ساخت نمايشگرها/OLEDS، ترانزيستورها OTFTS براي کاربرد در مدارهاي منطقي ساده، دکمه‌هاي فشاري برقي، حسگرها و آنتن‌هاي کاغذي را فراهم آورده است.
روکشهاي عملکردي
در حوزه فناوري روکشدهي، حداقل دو زمينه بسيار وسيع وجود دارد که عبارتند از: روکشهاي ميکرو و نانوساختاري و روکشهاي نانوکامپوزيتي.
روش روکشدهي تيغه‌اي (blade coating) يک شيوه متداول در صنعت کاغذسازي است. در اين روش هيچ ساختار خاصي تشکيل نمي‌شود؛ زيرا فشار بالاي تيغه موجب شکسته شدن تعاملات کلوئيدي در طي فرايند روکشدهي مي‌شود.
فناوري‌هاي جديد روکشدهي مانند روکشدهي پاششي و روکش دهي اکستروژني/ غشائي، زمينه را براي روکشدهي ميکرو و نانوساختاري فراهم آورده‌اند. کاربردهاي اين فناوري چند منظوره است؛ روکشدهي ساختاري مي‌تواند روکشهاي حجيمي را با خواص بسيار ممتاز و ويژگي خشک‌کنندگي سريع جوهر ايجاد نمايد. ساختار سطح روکش‌ها زمينه‌هايي از ساخت سطوح مافوق آبگريز و مافوق جاذب براي کاربردهاي بسيار گسترده ارائه مي‌دهد.
در روکشهاي نانوکامپوزيتي از ناهمسان‌گردي بسيار زياد نانورس‌ها براي افزايش مقاومت روکش‌ها در برابر آب، چربي و گازها استفاده مي‌شود. روکشهاي نانوکامپوزيتي قادر به ايجاد لايه‌هاي بسيار نازک، فوق‌العاده مستحکم و ضد خراش هستند.
با استفاده از نانوذراتي مانند دي‌اکسيد تيتانيوم مي‌توان روکش‌هايي مقاوم در برابر اشعه فرابنفش يا ديگر پديده‌‌هاي نوري خاص توليد کرد.
موانع فناوري نانو در بسته بندي و ساخت کاغذ و مقواابداع فناوري‌هاي جديد، خود مي‌تواند موانعي در بخش‌هاي بعدي ايجاد کند. براي مثال توسعه نانوروکش‌ها، خود مستلزم ايجاد برخي تغييرات در فناوري چاپ همچون تغيير فرمولاسيون جوهرهاست. اين امر براي يک زنجيره چند بخشي، مانند کارگاه‌هاي چاپ به عنوان يک مانع به حساب مي‌آيد؛ زيرا روند انطباق بازار با فناوري‌هاي جديد در اين صنعت بسيار کند است.
بنيادي‌ترين ابداعات فناوري‌نانو نيازمند برقراري تعامل ميان اکثريت اعضاي بازار است و تلاش براي ايجاد چنين تعاملاتي، اغلب به‌وسيله سياست‌هاي رقابتي محدود مي‌شود.
تحقيقات اوليه مورد نياز در صنعت مقوا، کاغذ سازي و بسته‌بندي موارد کوتاه مدت (تا 3 سال) توسعه نمونه‌هاي کاربرد فناوري‌نانو مانند سطوح نانومتري و فناوري‌هاي اصلاح مواد توده‌‌اي در فيبرها؛ توسعه روکشهاي نانوکامپوزيتي و نانوساختاري براي ايجاد انواع جديدي از مواد ممانعت‌کننده در برابر آب، چربي و گاز؛ ارزيابي اوليه ميزان سودمندي نانومواد گوناگون مانند نانومواد سلولزي و نانوذرات، به منظور کاربرد احتمالي آنها در صنعت توليد کاغذ و مقوا؛ توسعه سيستم‌هاي الکترونيک کاغذي چاپي.
موارد ميان مدت (تا سال 2010)
کاربرد تجاري و موفقيت‌آميز نمونه‌ها و تحقيق روي موارد وعده داده شده؛توسعه نانوکاتاليست‌ها با خصوصيات اصلاح شده براي کاربرد در ساخت کاغذ؛ کاربردهاي نانوزيست فناوري، توسعه انواع جديد سيستم‌هاي آنزيمي به منظور اصلاح و بهبود عملکرد مواد ليگنوسلولزي؛توسعه حسگرهاي شيميايي و زيستي؛ توسعه کاغذهايي با خواص ضدميکروبي، کارکردهاي دارورساني، کنترل عطر و يا آزادسازي عطر موارد بلند مدت (تا سال 2020)
1. معرفي و سنتز چسب‌هاي پليمري و ديگر افزودني‌هاي شيميايي مورد استفاده در توليد نانوساختارها، ساختارهاي خود آراينده که مي‌توان آنها را براي دستيابي به اهداف بسيار گسترده اي در صنعت کاغذ سازي به‌کار گرفت؛
ساخت نانوساختارهاي کاغذي در مقياس نانو با کمک فناوري زيست تقليدي
دید کلی
برخلاف این تصور که تولید کاغذ اساسا یک فرآیند مکانیکی است، در این فرآیند ، پدیده‌های شیمیایی نقش برجسته‌ای دارند. از تبدیل چوب به خمیر کاغذ گرفته تا تشکیل کاغذ ، اصول شیمیایی دخالت آشکاری دارند. لیگنین زدایی از یک منبع گیاهی مناسب ، معمولا چوب ، یک فرآیند شیمیایی ناهمگن است که در دما و فشار زیاد انجام می‌شود.
دامنه شیمی کاغذ ، وسیع و جالب است شامل مباحثی از قبیل شیمی کربوهیدراتها ، رنگدانه‌های معدنی ، رزینهای آلی طبیعی و سنتزی و افزودنی‌های پلیمری متعدد می‌باشد. در فرآیند تشکیل نیز تا حد زیادی شیمی کلوئید و شیمی سطح دخالت دارد. نقش پلیمر ، شیمی محیط زیست و شیمی تجزیه را نیز نباید فراموش کرد.
