ارزیابی توالی افزودن نانوالیاف سلولز، نشاسته و پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی بر مقاومت کششی کاغذ

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، ابتدای جداه دیلم، بهبهان، خوزستان

چکیده

سابقه و هدف: افزودنی‌های فراوانی در پایانه تر کاغذسازی معمولاً در قسمت‌های متفاوتی، برای اهداف معین، استفاده می‌شوند. هنگامی‌که از چند افزودنی به خمیر‌کاغذ استفاده می‌شود اغلب ترتیب اضافه کردن مواد تاثیر متفاوتی بر خواص کاغذ نهایی می‌گذارد. در این پژوهش، توالی افزودن نانوالیاف سلولز، نشاسته و پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی به خمیرکاغذ و اندازه‌گیری زمان زهکشی خمیر‌کاغذ، دانسیته و مقاومت کششی کاغذ دست‌ساز حاصل مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق خمیر کاغذ رنگبری شده باگاس از کارخانه کاغذ پارس، نانوالیاف سلولز تهیه شده به روش سوپر آسیاب، نشاسته کاتیونی با درجه جایگزینی حدود mol/mol 035/0، و پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی با وزن ملکولی زیاد و شارژ الکتریکی کم مورد استفاده قرار گرفت. قبل از تهیه کاغذها نمونه‌های خمیرکاغذ پایه با افزودن 3 درصد نانوالیاف سلولز با غلظت 3/0 درصد ، 1 درصد نشاسته کاتیونی با غلظت 5/0 درصد و 3/0 درصد پلی‌اکریل‌آمید ‌کاتیونی با غلظت 05/0 درصد با توالی‌های متفاوت تهیه و سپس کاغذ ساخته شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که استفاده از این مواد افزودنی با هر توالی باعث افزایش دانسیته، مقاومت کششی و زمان زهکشی شد. اما مناسبترین توالی با استفاده از دو افزودنی با ترتیب ابتدا بسپار و سپس نانوالیاف سلولز به سوسپانسیون رقیق خمیرکاغذ بدست آمد که تحت این شرایط فرض می‌شود الیاف سلولز ابتدا توسط بسپار کاتیونی شبکه‌های بزرگ کلوخه‌ای‌شکل تشکیل دهند و سپس طی نیروهای برشی به شبکه کوچکتر خرد ‌شوند و بعد نانوالیاف سلولز با جذب به درون شبکه موجب بهبود اتصالات و افزایش مقاومت کششی کاغذ، ضمن افزایش محدودی در زمان زهکشی ‌شود. بین توالی‌های مختلف استفاده از سه ماده افزودنی، شاخص مقاومت کششی و دانسیته تفاوت معنی‌داری نشان نداد. اما استفاده از سه ماده افزودنی در تمام حالات سبب بهبود مقاومت کششی نسبت به توالی دوتایی و کاغذ شاهد به‌طور معنی-داری شده است. همچنین هنگامی‌که ابتدا نشاسته کاتیونی افزوده شود کمترین زمان زهکشی و هنگامی‌که ابتدا نانوالیاف سلولز افزوده شود بیشترین زمان زهکشی مشاهده شد. بعلاوه در نمونه‌های دارای سه ماده افزودنی بیشترین ضخامت در تیماری به‌دست آمد که نانوالیاف سلولز در مرحله اول به سوسپانسیون اضافه شده بود.
نتیجه‌گیری: استفاده از نانوالیاف سلولز همراه با نشاسته و پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی ضمن اعمال نیروی برشی محدود می‌تواند با ماندگاری نرمه‌های میکرونی و نانویی بیشتر سبب افزایش دانستیه کاغذ و زمان زهکشی شود. با ارزیابی اثرات استفاده از توالی این افزودنی‌ها بر مقاومت به کشش، دانسیته و زهکشی می‌توان گفت که توالی دوتایی ابتدا نشاسته کاتیونی و سپس نانوالیاف سلولزی و توالی سه‌تایی ابتدا نشاسته کاتیونی و سپس نانوالیاف سلولز و نهایتاً پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی می‌تواند به‌عنوان بهترین توالی برای کاغذسازی از خمیر کاغذ سودای باگاس برای دست‌یابی به بیشترین مقاومت کششی و کمترین زمان زهکشی معرفی شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Sequence analysis using cellulose nanofibers, cationic starch and polyacrylamide in the paper tensile strength

نویسندگان [English]

  • Pejman Rezayati Charani
  • Mohammad Hadi Moradian
  • Mohammad Ali Saadatnia
Department of Cellulose Industries Engineering, Faculty of Natural Resources, Behbahan Khatam Alanbia University of Technology , Beginning of Deylam Road, Behbehan, Khuzestan
چکیده [English]

Background and objectives: Many additives are usually used in wet end papermaking in different sections for specific goals. When using several additives, the sequence of adding materials often influences differently on final paper properties. In this research, the sequence of adding cellulose nanofibers, cationic starch and polyacrylamide to pulp and their impact on drainage time, handsheet density and tensile strength were investigated.
Materials and methods: In this research, bagasse bleached pulp from Pars paper mill, supper grinded cellulose nanofibers, cationic starch with 0.035 mol/mol substitution degree, and high molecular weight and low electrical charge cationic polyacrylamide were used. Prior to make papers, 3% cellulose nanofibers (with 0.3 % concentration), 1% cationic starch (with 0.5 % concentration), and 0.3% cationic polyacrylamide (with 0.05 % concentration) were added in different orders to bagasse pulp to make handsheets.
Results: The results showed that adding materials in every sequence increased density, tensile strength, and drainage. The best sequence of two adding materials was for adding cationic polymer firstly and cellulose nanofibers secondly to dilute pulp suspension through which it is assumed that fibers and cationic polymers make large agglomerates which break to smaller fractions afterwards with shear force. In the following, adding cellulose nanofibers and being absorbed to cellulose fiber networks resulted in paper higher tensile strength and a limited increase in drainage. Between the sequences of adding three materials, tensile index and density of papers showed no significant differences. Nevertheless, adding three materials in every sequence increased tensile strength significantly compared with two materials and control specimen. In addition, when cationic starch is added firstly the least drainage time and when cellulose nanofibers added firstly the highest drainage time were observed. Furthermore, in specimen with three adding materials, the highest thickness was measured when cellulose nanofibers had been added firstly.
Conclusion: using cellulose nanofibers together with cationic starch and polyacrylamide, while implementing shear forces, retains micro and nano fines and can increase paper density and pulp drainage time. To sum up the influences of additive sequences on tensile, density and drainage, it can be concluded that the sequence of adding two materials of cationic starch at first and cellulose nanofibers at second, and the sequence of adding three materials in the order of cationic starch, polyacrylamide, and cellulose nanofibers respectively were introduced as the best orders for papermaking from bagasse pulp to be able to gain the highest tensile strength and the least drainage time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tensile strength
  • Cationic Starch
  • Cellulose nanofibers
  • Cationic Polyacrylamide
  • Papermaking

مراجع

1. Choi, D.C., Won, J.M., and Cho, B.U. 2015. Effect of Mixing Shear on Flocculation of Anionic PAM and Cationic Starch Adsorbed PCC and Its Effect on Paper Properties. Journal of Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry. 47: 2. 53-60.
2. Dong-dong, L., Shi-lin, C., Xiao-juan, M., Bin, Z., Liu-lian, H. and Li-hui, C. 2015. Preparation of Starch-coated Calcium Carbonate Filler and its Application in Papermaking. Paper Science and Technology. 3: 010.
3. Kolari, M., Ekman, J., Ikävalko, S., and Kemira, Oyj. 2015. Prevention of Starch Degradation in Pump, Paper or Board Making Processes. U.S. Patent Application 14/968,981.
4. Li, T., Fan, J., Chen, W., Shu, J., Qian, X., Wei, H., Wang, Q., and Shen, J. 2016. Coaggregation of mineral filler particles and starch granules as a basis for improving filler-fiber interaction in paper production. Carbohydrate polymers. 149: 20-27.
5. Ebrahim Berisa, R., and Tavakoli, H. 2015. Starch application as dry strength additives in papermaking. Iran Polymer and Petrochemical Institute., 5: 3.90-101. (In Persian)
6. Wang, Q., Liu, S., Yang, G., Chen, J., and Ni, Y. 2015. Cationic polyacrylamide enhancing cellulase treatment efficiency of hardwood kraft-based dissolving pulp. Bioresource technology., 183: 42-46.
7. Yoon, D.H., Jang, J.W., and Cheong, I.W. 2012. Synthesis of cationic polyacrylamide/silica nanocomposites from inverse emulsion polymerization and their flocculation property for papermaking. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 411: 18-23.
8. Tajik, M., Resalati, H., Hamzeh, Y., Torshizi, H.J., Kermanian, H., and Kord, B. 2016. Improving the Properties of Soda Bagasse Pulp by Using Cellulose Nanofibers in the Presence of Cationic Polyacrylamide. BioResources. 11: 4. 9126-9141.
9. Jalali, T.H. Zare, B.S., Ramezani, O., and Rudi, H. 2016. Effect of nano silica and cationic polyacrylamide on retention, drainage and strength properties of recycled paper from OCC. Forest and Wood Products., 68: 4. 771-784. (In Persian)
10. Adel, A.M., El-Gendy, A.A., Diab, M.A., Abou-Zeid, R.E., El-Zawawy, W.K., and Dufresne, A. 2016. Microfibrillated cellulose from agricultural residues. Part I: Papermaking application. Industrial Crops and Products., 93: 161-174.
11. Boufi, S., González, I., Delgado-Aguilar, M., Tarrès, Q., Pèlach, M.À., and Mutjé, P. 2016. Nanofibrillated cellulose as an additive in papermaking process: A review. Carbohydrate polymers., 154: 151-166.
12. Osong, S.H., Norgren, S., and Engstrand, P. 2016. Processing of wood-based microfibrillated cellulose and nanofibrillated cellulose, and applications relating to papermaking: a review. Cellulose., 23: 1. 93-123.
13. Tarrés, Q., Delgado-Aguilar, M., Pèlach, M.A., González, I., Boufi, S., and Mutjé, P. 2016. Remarkable increase of paper strength by combining enzymatic cellulose nanofibers in bulk and TEMPO-oxidized nanofibers as coating. Cellulose. 23: 6. 3939-3950.
14. Tarrés, Q., Saguer, E., Pèlach, M.A., Alcalà, M., Delgado-Aguilar, M., and Mutjé, P. 2016. The feasibility of incorporating cellulose micro/nanofibers in papermaking processes: the relevance of enzymatic hydrolysis. Cellulose. 23: 2. 1433-1445.
15. Rezayati-Charani, P., Dehghani-Firouzabadi, M., Afra, E., Blademo, Å., Naderi, A., and Lindström, T. 2013. Production of microfibrillated cellulose from unbleached kraft pulp of Kenaf and Scotch Pine and its effect on the properties of hardwood kraft: microfibrillated cellulose paper. Cellulose. 20: 5. 2559-2567.
16. Vallejos, M.E., Felissia, F.E., Area, M.C., Ehman, N.V., Tarrés, Q., and Mutjé, P. 2016. Nanofibrillated cellulose
(CNF) from eucalyptus sawdust as a dry strength agent of unrefined eucalyptus handsheets. Carbohydrate polymers. 139: 99-105.
17. He, M., Cho, B.U., and Won, J.M. 2016. Effect of precipitated calcium carbonate—cellulose nanofibrils composite filler on paper properties. Carbohydrate polymers. 136: 820-825.
18. Ämmälä, A., Liimatainen, H., Burmeister, C., and Niinimäki, J. 2013. Effect of tempo and periodate-chlorite oxidized nanofibrils on ground calcium carbonate flocculation and retention in sheet forming and on the physical properties of sheets. Cellulose., 20: 5. 2451-2460.
19. He, M., Cho, B.U., Lee, Y.K., and Won, J.M. 2016. Utilizing Cellulose Nanofibril as an Eco-Friendly Flocculant for Filler Flocculation in Papermaking. BioResources. 11: 4. 10296-10313.
20. Hormi, O.E. 2014. Strong, self-standing oxygen barrier films from nanocelluloses modified with regioselective oxidative treatments. ACS applied materials and interfaces. 6: 16. 14384-14390.
21. Boufi, S., González, I., Delgado-Aguilar, M., Tarrès, Q., and Mutjé, P. 2017. Nanofibrillated cellulose as an additive in papermaking process. In Cellulose-Reinforced Nanofibre Composites. 153-173.
22. Ankerfors, M. 2015. Microfibrillated cellulose: energy-efficient preparation techniques and applications in paper (Doctoral dissertation, KTH Royal Institute of Technology)
23. Lindström, T., Naderi, A., and Wiberg, A. 2015. Large Scale Applications of Nanocellulosic Materials. Journal of Korea TAPPI, 47: 6. 5-21.
24. Song, H., Anderfors, M., Hoc, M., and Llindström, T. 2010. Reduction of the linting and dusting propensity of newspaper using starch and microfibrillated cellulose. Nordic Pulp and Paper Research Journal. 25: 4. 495-504.
25. GUO, X., XUE, G.X., YU, Y., and WENG, L.Q. 2013. The synergetic strengthening and retention of nanocrystal cellulose with cationic starch, cationic polyacrylamide in papermaking. China Pulp & Paper Industry. 6: 013.
26. Taipale, T., Österberg, M., Nykänen, A., Ruokolainen, J., and Laine, J. 2010. Effect of microfibrillated cellulose and fines on the drainage of kraft pulp suspension and paper strength. Cellulose., 17: 5. 1005-1020.
27. Yan, Z., and Deng, Y. 2002. Cationic microparticles in Papermaking wet end.
28. Shaikh, S.M., Nasser, M.S., Hussein, I.A., and Benamor, A. 2017. Investigation of the effect of polyelectrolyte structure and type on the electrokinetics and flocculation behavior of bentonite dispersions. Chemical Engineering Journal., 311: 265-276.
29. Afra, E., Eskandari, M., Resalati, H., and Dehghani-Firouzabadi, M.R. 2014. Comparison of the Physical, Mechanical and Optical Properties Paper Treated with Nanoclay and Homogenized Nanoclay. J. of Wood and Forest Science and Technology., 21: 3.131-148.
30. Latibari, A.J. Khosravani, A., Nabavi, S.M.H. 2011. Application of Micro and Nanoparticles in Papermaking. Ayiizh Press. 216p. (In Persian)
Sehaqui, H., Zhou, Q., Ikkala, O., and Berglund, L.A. 2011. Strong and tough cellulose nanopaper with high specific surface area and porosity. Biomacromolecules., 12: 10. 3638-3644.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار