بهبود ویژگی‌های مکانیکی، نوری و ضد‌باکتری کاغذ با استفاده از سلولز نانو‌فیبریله‌شده تیماره شده با نانو ذرات نقره ‏

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان،

2 دانش آموخته کارشناس ارشد ،گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان،

3 دانشجوی دکتری ،گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشجوی دکتری ، گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

رشد روز افزون مصرف مصنوعات کاغذی نیاز‌های مقاومتی ویژه بالاتر در محصولات جدید، از ‏جمله استفاده از مصنوعات سلولزی در مصارف غیر تحریر مثل محصولات بسته‌بندی و بهداشتی و ‏همچنین بهبود خواصی همچون چاپ پذیری و ...، نیاز به استفاده از روش‌ها و مواد مختلف تقویت ‏کننده ساختار کاغذ را افزایش می‌دهد‎. ‎در صنایع بسته‌بندی هدف‎ ‎از‎ ‎بسته‌بندی‎ ‎مواد‎ ‎غذایی‎ ‎جلوگیری‎ ‎از‎ ‎فساد‎ ‎باکتریایی‎ ‎و‎ ‎از‎ ‎دست‎ ‎رفتن‎ ‎مواد‎ ‎مغذی و‎ ‎در‎ ‎نتیجه،‎ ‎افزایش‎ ‎مدت زمان‎ ‎ماندگاری‎ ‎آن‌ها‎ ‎است. ‏بسته‌بندی مواد غذایی راهکاری حیاتی برای تضمین ایمنی آن‌ها است. در این مقوله یکی از ‏موضوعات مهم، بهداشتی بودن و بهداشتی کردن ماده مورد استفاده در این صنایع است که می‌توان ‏با ایجاد این خاصیت در کاغذ دامنه کاربرد آن را افزایش داد و موارد مصرف جدیدی را برای آن ‏تعریف کرد. در دنیای صنعتی امروز به دلیل ارتقای سطح آگاهی و توقع مصرف‌کننده نسبت به ‏کیفیت، همواره بایستی به دنبال راه حل‌های کارا و سودمند در جهت بهبود کیفیت بود. در حال ‏حاضر فرآیند‌های تکمیلی گسترش چشمگیری یافته‌اند و نقش به‌سزایی در کیفیت محصول دارند‎ ‎‏ ‏امروزه تلاش‌های زیادی به منظور بهبود خواص فیزیکی، مقاومتی و ممانعتی کاغذ‌ها انجام شده که ‏از جملهی آن می‌توان به افزودن مواد افزودنی فیبری چون الیاف بلند سوزنی‌برگان، الیاف نرمه‌ی ‏حاصل از خمیر شیمیایی و مواد افزودنی غیر‌فیبری مانند پرکننده‌ها، عوامل آهاردهی درونی و ‏چسب‌های ویژه خمیر‌کوب از جمله پلیمر‌های طبیعی و مصنوعی نام برد. هدف این تحقیق تولید نانو ‏کامپوزیت سلولز نانو‌فیبریله‌شده/ نانو‌نقره و به کارگیری آن در کاغذ به منظور بهبود همزمان ‏ویژگی‌های مکانیکی و ضد‌باکتری کاغذ می‌باشد. در این پژوهش احیای نانو ذرات نقره در دو سطح ‏مصرفیppm ‎‏ 5 و 10 بر روی سلولز نانو‌فیبریله‌شده با کمک سدیم‌بور‌هیدرید انجام شد و در نهایت ‏نانو کامپوزیت ‏NFC‏/ نانو نقره در سه سطح 5، 10 و 15% وزنی نسبت به وزن کاغذ به منظور بهبود ‏همزمان ویژگی‌های مکانیکی و ضد‌باکتری استفاده شد. نتایج افزایش دانسیته و شاخص مقاومت به ‏ترکیدگی را نشان می‌دهد. همچنین درجه روشنی کاغذ‌های تیمار شده با نانو کامپوزیت ‏NFC‏/ نانو ‏نقره‌ کاهش و شاخص ماتی افزایش یافت. ویژگی‌های‎ ‎ضدباکتریایی بر‎ ‎علیه‎ ‎دو‎ ‎نوع‎ ‎باکتری‎ ‎اشرشیاکلای‎ ‎و‎ ‎استفیلوکوکوس‌اورئوس که به ترتیب نماینده باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت هستند ‏مورد بررسی قرار گرفت.‏‎ ‎نتایج حاکی از آن است که با وجود مقادیر کم نقره در کاغذ‌های تیمار شده ‏مانع رشد باکتری شدند. به منظور هدف جانبی خواص ضد‌باکتری فیلم نانو کامپوزیت ‌‏NFC‏/ نقره و ‏فیلمNFC ‎‏ تیمار شده با نانو ذرات نقره به روش غوطه‌وری در دو سطح نقره مصرفیppm ‎‏ 5 و 10 ‏تهیه شد. نتایج نشان می‌دهد خواص ضد‌باکتری نانو کامپوزیت ‏NFC‏/ نانو نقره به دلیل لایه نشانی ‏نانو ذرات نقره بر روی ‏‎ NFCنسبت به فیلم ‏NFC‏ تیمار شده با نانو ذرات نقره به روش غوطه‌وری ‏بیشتر می‌باشد.‏

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Mechanical, optical and antibacterial properties improvement of paper using nanofibrillated ‎cellulose modified with nanosilver particles

نویسندگان [English]

  • Elyas Afra 1
  • Mahdis Shafaee 2
  • Ali Abyaz 3
  • Parvaneh Narchin 4
1 Department of Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and ‎Natural Resources, Gorgan, Iran‎
2 Department of Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and ‎Natural Resources, Gorgan, Iran‎
3 Department of Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural ‎Resources, Gorgan, Iran‎
4 Department of Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and ‎Natural Resources, Gorgan, Iran‎
چکیده [English]

The packaging industry is one of the most important consumers of paper, in that about one ‎third of materials used in the packaging industry are paper and paperboard. In general, ‎packaging papers need to have high barrier and mechanical properties. Regarding the importance ‎of sustainable development and debates on using petrochemical-based polymers in food ‎packaging, there is an increasing interest in replacing synthetic and fossil-based polymers with ‎more renewable and sustainable materials. A renewable biomaterial that may be a good ‎alternative for improving strength and barrier properties of paper and composites is ‎nanofibrillated cellulose (NFC).‎
Cellulose is the most abundant natural, renewable, biodegradable and biocompatible polymer. ‎Cellulose and its derivatives have been used in a variety of applications in several areas, such as ‎the textile industry, the paper industry and in the medical field, where they are used as tissue ‎engineering materials owing to their good biocompatibility and mechanical properties similar to ‎those of hard and soft tissue and easy fabrication into a variety of shapes with adjustable ‎interconnecting porosity. Cellulose and its derivatives are viable alternatives to alleviate such ‎issues, due to their inherent properties such as non-toxicity, hydrophilicity, and chemical ‎resistivity (1). The use of nanofibrillated cellulose (NFC) for the production of nanocomposites ‎containing inorganic nanoparticles has attracted the attention of the scientific community. ‎Nanofibrillated cellulose (NFC) and microbial cellulose, due to their nanosized dimensions can ‎impart improvement and in many cases new properties to the ensuing (nano) composite ‎materials (2). With the growing public health awareness of disease transmissions and cross-‎infection caused by microorganisms, use of antimicrobial materials has increased in many ‎application areas like protective clothing for medical and chemical works, other health related ‎products. The aim of this study was to produce NFC/Ag nanocomposites and used paper to ‎improve the mechanical and antibacterial properties. Silver nanoparticles reducing was used to ‎help NaBH4 on nanofibrillated cellulose at the level 5 and 10 ppm and finally, nanocomposite ‎NFC /Ag at 5, 10, 15% w/w of the paper were used to improve mechanical and antibacterial ‎properties. The results show an increase density and burst index. The brightness of paper treated ‎with nanocomposite NFC /Ag was low and opacity index was increased. Antibacterial properties ‎investigated towards gram negative (E.colie) and gram positive (S. aureus) bacteria. The results ‎indicated that the presence of few amounts of silver in treated paper were inhibited bacterial ‎growth. Lateral to target antibacterial properties was prepared of nanocomposite NFC/Ag ‎nanocomposite the immersion method used by the silver 5 and 10 ppm.‎

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical
  • optical and antibacterial properties of paper
  • nanofibrillated cellulose
  • nanosilver

مراجع

1.Afra, E., Yousefi, H., Hadilam, M.M., and Nishino, T. 2013. Comparativeeffect of mechanical beating and nanofibrillation of cellulose on paper properties made from bagasse and softwood pulps. Carbohydrate polymers, 97: 2. 725-730.
2.Afra, E., Alinia, S., and Yousefi, H. 2012. Effect of Pulp and Cellulose Nanofibers on Reinfored Paper properties, Wood For. Sci. Technol. J. 20: 2. 151-160.
3.Afreen, R.V., and Ranganath, E. 2011. Synthesis of monodispersed silver nanoparticles by Rhizopus Stolonifer and its antibacterial activity against MDR strains of Pseudomonas Aeruginosa from burnt patients. Int. J. Environ. Sci.1: 7. 1582-1592.
4.Ahola, S., Osterberg, M., and Laine, J. 2008. Cellulose nanofibrilsadsorption with poly amid eamine epichlorohydrin studied by QCM-D and applicationas a paper strength additive. Cellulose, 15: 303-314.
5.Becker, O., Robert, M.D., Spardaro, A., and Joseph, J. 1978. Bone Joint Surg. 60: 871.
6.Caulfield, D.F., and Gunderson, D.E. 1988. Paper testing and strength characteristics. In 1988 Paper Preservation Symposium: Capital Hilton, Washington, DC, October 19-21 (pp. 31-40). TAPPI Press.
7.Chen, X., and Schluesener, H.J. 2008. Nanosilver: a nanoproduct in medical application. Toxicology letters, 176: 1. 1-12.
8.Cheng, C.L., Sun, D.S., Chu, W.C., Tseng, Y.H., Ho, H.C., Wang, J.B., and Chang, H.H. 2009. The effects of the bacterial interaction with visible-light responsive titania photocatalyst on the bactericidal performance. J. Biomed. Sci. 16: 1. 7.
9.Choi, O., Deng, K.K., Kim, N.J., Ross Jr, L., Surampalli, R.Y., and Hu, Z. 2008. The inhibitory effects of silver nanoparticles, silver ions, and silver chloride colloids on microbial growth. Water research, 42: 12. 3066-3074.
10.Csóka, L., Božanić, D.K., Nagy,V., Dimitrijević-Branković, S., Luyt, A.S., Grozdits, G., and Djoković,V. 2012. Viscoelastic properties and antimicrobial activity of cellulosefiber sheets impregnated with Ag nanoparticles. Carbohydrate polymers, 
11.Dankovich, T.A., and Gray, D.G. 2011. Bactericidal paper impregnated with silver nanoparticles for point-of-use water treatment. Environmental science and technology, 45: 5. 1992-1998.
12.Díez, I., Eronen, P., Österberg,M., Linder, M.B., Ikkala, O., andRas, R.H. 2011. Functionalization of nanofibrillated cellulose with silver nanoclusters: Fluorescence and antibacterial activity. Macromolecular Bioscience, 11: 9. 1185-1191.
13.ibbons, J.H. 1984.  Wood Use:U.S. Competitiveness and Technology "Vol II, U.S. Government Printing Office,  Washington, DC 20402, 94p.
14.Gottesman, R., Shukla, S., Perkas, N., Solovyov, L.A., Nitzan, Y., and Gedanken, A. 2010. Sonochemical coating of paper by microbiocidal silver nanoparticles. Langmuir, 27: 2. 720-726.
15.Hadilam, M.M. 1391. Production and evaluation of nanocomposite cellulose (NFC) properties of α-cellulose and its use in improving the characteristics of old conical paper pulp (OCC). Master's Thesis. University of Agricultural Sciences and Natural Resources. ( In persion)
16.Henglein, A., and Meisel, D. 1998. Spectrophotometric observations of the adsorption of organosulfur compounds on colloidal silver nanoparticles. J. Physic. Chem. B. 102: 43. 8364-8366.
17.Henriksson, M. 2008. Cellulose nanofibril networks and composites; preparation, structures and properties. KTH Chemical Science and Engineering. 51p.
18.Iwamoto, S., Kai, W., Isogai, A.,and Iwata, T. 2009. Elastic modulusof single cellulose microfibrilsfrom tunicate measured by atomicforce microscopy. Biomacromolecules, 10: 9. 2571-2576.
19.Jafari Petrodi, R., Ariaeemonfared, H., Rezayaticharani, P., and Vaziri, V. 2014. Nanocellulose application and potential as environmentally friendly nano material, 1st Natural Resources national Conference.
20.Jalali Tershizi, H., Jahan Latibari, A., Mirshokraee, A., and Faezipour, M. 1999. Evaluation of cationic starch operation and CMC on Paper strength properties, Res. Build. Natur. Resour. J. 88: 70-76.
21.John Lessi Web. 1998. Comparisionof dry strength additives on paper parameters. TAPPI J. 84: 10.
22.Kang, T. 2007. Role of external fibrillation in pulp and paper properties. Helsinki University of Technology.
23.Kim, S., and Kim, H.J. 2006.Anti-bacterial performance of colloidal silver-treated laminate wood flooring. International biodeterioration and biodegradation, 57: 3. 155-162.
24.Kumar, R., and Münstedt, H. 2005. Silver ion release from antimicrobial polyamide/silver composites. Biomaterials, 26: 14. 2081-2088.
25.Lee, H.J., Yeo, S.Y., and Jeong, S.H. 2003. Antibacterial effect of nanosized silver colloidal solution on textile fabrics. J. Mater. Sci. 38: 10. 2199-2204.
26.Liaghati, L., Azizi, M.H., and Jokar,M. 2013. Nanocomposite application in food and packaging industries, Nanotech. J. 11: 10. 14-18.
27.Lloyd, J.R. 2003. Microbial reduction of metals and radionuclides. FEMS microbiology reviews, 27: 2‐3. 411-425.
28.Madani, A., Kiiskinen, H., Olson,J.A., and Mark Martinez, D.2011. Fractionation of microfibrillated cellulose and its effects on tensile index and elongation of paper. Nord. Pulp Paper Res. J. 26: 3. 306.
29.Martins, N.C., Freire, C.S., Neto, C.P., Silvestre, A.J., Causio, J., Baldi, G., ... and Trindade, T. 2013. Antibacterial paper based on composite coatingsof nanofibrillated cellulose and ZnO. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 417: 111-119.
30.Martins, N.C., Freire, C.S., Pinto,R.J., Fernandes, S.C., Neto, C.P., Silvestre, A.J., ... and Trindade, T.2012. Electrostatic assembly ofAg nanoparticles onto nanofibrillated cellulose for antibacterial paper products. Cellulose, 19: 4. 1425-1436.
31.McDonnell, G., and Russell, A.D.1999. Antiseptics and disinfectants: Activity, action, and resistance. Clinical Microbiology Reviews, 12: 147-179.
32.Mirshokraee, S.A. 2003. Pulp and Paper technology, Garee Smook, Aeezhpress, 501p.
33.Morones, J.R., Elechiguerra, J.L., Camacho, A., Holt, K., Kouri,J.B., Ramírez, J.T., and Yacaman,M.J. 2005. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology, 16: 10. 2346.
35.Mucha, H., Hofer, D., Assfalg, S.,and Swerev, M. 2002. Antimicrobial finishes and modifications. Melliand Textilberichte International Tevtile Reports, 83: 4. 238-243.
36.Myllytie, P., Salmi, J., and Laine,J. 2009. The influence of pH onthe adsorption and interaction of chitosan with cellulose. BioResources, 4: 4. 1647-1662.
37.Nassar, M.A., and Youssef, A.M. 2012. Mechanical and antibacterial properties of recycled carton paper coated by PS/Ag nanocomposites for packaging. Carbohydrate polymers, 89: 1. 269-274.
38.Pcast. 2008. Second Evaluation of National Nanotechnology Initiative Program in the United States. Retrieved April 21 2008, from http://www.nano.ir. (In Farsi)
39.Petica, A., Gavriliu, S., Lungu, M., Buruntea, N., and Panzaru, C. 2008. Colloidal silver solutions with antimicrobial properties. Materials Science and Engineering, 152: 1. 22-27.
40.Pinto, R.J., Marques, P.A., Neto,C.P., Trindade, T., Daina, S., and Sadocco, P. 2009. Antibacterial activity of  nanocomposites of silver and bacterial or vegetable cellulosic fibers. Acta biomaterialia, 5: 6. 2279-2289.
41.Porchangiz, M.J. 1392, Production and Evaluation of Cellulose Nano viscera on Paper strength and optical properties, M.Sc. Thesis, University of Agricultural Sciences and Natural Resources.
42.Rai, M., Yadav, A., and Gade, A. 2009. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology advances, 27: 1. 76-83.
43.Rabea, E.I., Badawy, M.E.T., Stevens, C.V., Smagghe, G., and Steurbaut, W. 2003. Chitosan as antimicrobial agent: applications and mode of action. Biomacromolecules, 4: 6. 1457-1465.
44.Sehaqui, H., Allais, M., Zhou, Q., and Berglund, L.A. 2011. Wood cellulose biocomposites with fibrous structures
at micro-and nanoscale. Composites Science and Technology, 71: 3. 382-387.
45.Sheldon, R.D. 2001. Introductionto stock preparation refining. Manchester, CT 06040 (860) 645-5340. www.finebar.com.
46.Silver, S. 2003. Bacterial silver resistance: molecular biology and uses and misuses of silver compounds. FEMS Microbiology Reviews, 27: 341-353.
47.Syverud, K., and Stenius, P. 2009. Strength and barrier properties of MFC films. Cellulose, 16: 1. 75-85.
48.Tankhiwale, R., and Bajpai, S.K. 2009. Graft copolymerization onto cellulose-based filter paper and its further development as silver nanoparticles loaded antibacterial food-packaging material. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 69: 2. 164-168.
49.Van Dong, P., Ha, C.H., and Kasbohm, J. 2012. Chemical synthesis and antibacterial activity of novel-shaped silver nanoparticles. International Nano Letters, 2: 1. 1-9.
 50.Wagberg, L., and Winter, L. 1999. Application of Wet End Paper Chemistry, Chapter 1, Papermaking Chemicals and Their Functions, Blackie Academic and Professional.
51.Wani, I.A., Ganguly, A., Ahmed, J., and Ahmad, T. 2011. Silver nanoparticles: ultrasonic wave assisted synthesis, optical characterization and surface area studies. Materials Letters, 65: 3. 520-522.
52.Yousefi, H., and Mashkor, M. 2008. Cellulose Nanocrysta renewable and cheap for nanocomposite production, Nanotech. J. 7: 131. 345-350.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار