استفاده از پرکننده معدنی PCC در خمیرکاغذ CMP تقویت شده با لایه نشانی نشاسته کاتیونی- نانوسیلیکای آنیونی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی/دانشگاه شهید بهشتی

2 کارشناس ارشد صنایع چوب و کاغذ

3 دانشگاه آزاد اسلامی- واحد سوادکوه

چکیده

چکیده
سابقه و هدف:
افزودن پرکننده‌های معدنی به خمیرکاغذ موجب بهبود کیفی برخی از ویژگی‌های مهم کاغذ می شود. امّا به‌ علت عدم امکان اتصال بین ذرات پرکننده با الیاف سلولزی و ممانعت از پیوندهای بین فیبری مقاومت‌های مکانیکی کاغذ کاهش می‌یابد. یکی از راهکارهای مهم جهت غلبه بر این محدودیت، اصلاح سطح الیاف سلولزی جهت بهبود قابلیت پیوند یابی آنها با سایر اجزاء موجود در شبکه کاغذ می‌باشد. در نتیجه می‌توان پرکننده را به شبکه تقویت شده الیاف افزود. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که روش نانوفناوری لایه ‌‌به ‌‌لایه روش خوبی برای اصلاح خواص الیاف سلولزی و بهبود کیفیت آن می‌باشد. در این تکنیک، الیاف سلولزی با ذرات یونی با بار مخالف در یک محیط واکنش قرار می‌گیرد و طی آن ذرات یونی عمدتاً با جاذبة الکترواستاتیکی توسط سطح الیاف جذب می‌شود. در نتیجه مقاومت شبکه الیاف بطور قابل ملاحظه‌ای توسعه می‌یابد. لذا در این تحقیق، ابتدا الیاف خمیرکاغذ CMP با لایه‌نشانی سه‌لایه از نشاسته کاتیونی - نانوسیلیکای آنیونی - نشاسته کاتیونی تیمارشده و سپس پرکننده معدنی کربنات کلسیم رسوبی در سطوح مختلف به خمیرکاغذ تیمار شده اضافه شد. میزان توسعه مقاومت‌ها با تیمار لایه‌نشانی و افت آن با افزودن پرکننده کربنات کلسیم رسوبی موردارزیابی قرار گرفت تا سطح بکارگیری پرکننده در خمیر CMPتقویت‌شده محاسبه گردد.
مواد و روش‌ها:
تیمار لایه‌نشانی الیاف خمیرکاغذ CMP بصورت یک در میان با استفاده از پلیمر نشاسته کاتیونی و نانوسیلیکای آنیونی انجام شد. برای تشکیل سه‌لایه متوالی، 500 میلی‌لیتر سوسپانسیون خمیر الیاف با خشکی حدود 53/0 درصد به مدت 10 دقیقه با محلول‌‌‌های نشاسته کاتیونی (% 5/1)- نانوسیلیکای آنیونی (% 05/0)- نشاسته کاتیونی (% 5/1) توسط همزن آزمایشگاهی بهم زده شد. سپس پرکننده کربنات کلسیم رسوبی در سه سطح 5، 10 و 15 درصد به خمیرکاغذ CMPسه‌لایه تیمارشده اضافه شد. از خمیرکاغذ تیمارنشده، تیمارشده و خمیرکاغذ تیمارشده حاوی پرکننده، کاغذ‌‌های دست‌ساز با وزن‌پایه g/m23±60 تهیه و خواص فیزیکی (ضخامت، دانسیته ظاهری و حجیمی) و ویژگی‌های مقاومتی (شاخص مقاومت به کشش، شاخص مقاومت به ترکیدن و شاخص مقاومت به پارگی) آن مورد مقایسه قرار گرفت. همچنین از نمونه‌های ذکرشده تصاویر الکترونی تهیه شد تا تغییرات در ساختار سطح الیاف و شبکه کاغذ مورد ارزیابی قرارگیرد.
یافته‌ها:
نتایج نشان داد که با تیمار الیاف خمیرکاغذ CMP با روش لایه به لایه، تغییر معنی‌داری در خواص فیزیکی کاغذ ایجاد نمی‌شود. درصورتیکه این سیستم تأثیر قابل توجهی در توسعه مقاومت‌های کاغذ داشته است. ارزیابی ویژگیهای مقاومتی کاغذ نشان داد که با تیمار سه‌لایه الیاف خمیرکاغذ CMP، شاخص کششی کاغذ از N.m/g54/28 (در الیاف تیمارنشده) به N.m/g18/39، شاخص ترکیدن از kPa.m2/g 36/1 به kPa.m2/g 68/2 و شاخص پارگی کاغذ از mN.m2/g 11/6 به mN.m2/g 12/11 افزایش یافت. در ریزنگار‌‌های الکترونی تهیه شده نیز ظاهر متفاوتی از سطح الیاف سه‌لایه تیمارشده نسبت به الیاف تیمار نشده مشاهده شده است که بیانگر افزایش ژلاتینی‌شدن سطح الیاف تیمارشده در اثر افزایش جذب نشاستة کاتیونی می‌باشد. که منجر به توسعه سطح پیوندیافته بین الیاف و افزایش مقاومتهای کاغذ می‌شود. با افزودن 10 درصد پرکننده PCC به این خمیرکاغذ؛ شاخص کششی، شاخص ترکیدن و شاخص پارگی کاغذ بترتیب N.m/g40/26، kPa.m2/g 79/1 و mN.m2/g 07/8 اندازه‌گیری شد. ریزنگار‌‌های الکترونی نیز تثبیت پرکننده PCC در شبکه الیاف CMP تیمارشده و پراکنش تقریباً یکنواخت آن را تأیید می‌کند.
نتیجه‌گیری:
تحلیل نتایج نشان داد در صورت تقویت خمیرکاغذ CMP با روش لایه به لایه مورداستفاده در این تحقیق، ویژگیهای مقاومتی کاغذ بدون تغییر قابل ملاحظه خواص فیزیکی بهبود معنی‌داری می‌یابد. از نظر آماری، با افزایش مقاومت در خمیرکاغذ تیمارشده می‌توان تا 10 درصد پرکننده کربنات کلسیم رسوبی به آن اضافه نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Use of PCC mineral filler in CMP pulp reinforced with cationic starch-nanosilica layering

نویسنده [English]

  • hamidreza Rudi 1
چکیده [English]

Abstract
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 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 was firstly treated with three layer 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 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; 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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • CMP Pulp
  • PCC
  • Cationic Starch
  • Anionic Nanosilica
  • Layer-by-Layer