اثر پوشش‏دهی با خاک دیاتومه اصلاح‏شده به‏وسیله نانوزایکوسیل بر ویژگی‏های کاغذ

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

2 دانشیار گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

10.22069/jwfst.2026.25229.2183

چکیده

سابقه و هدف: استفاده گسترده از کاغذ و مقوا در صنعت بسته‏بندی به‏دلیل زیست‏تخریب‏پذیری، قیمت کم، وزن سبک، دسترسی گسترده، سهولت چاپ، انعطاف و مقاومت مکانیکی نسبتاً خوب است. از طرفی، کاغذ به‏علت ماهیت متخلخل و آب‏دوستی، دارای عیوبی نظیر مقاومت کم در برابر عبور گازها، رطوبت و روغن و از دست‏دادن مقاومت هنگام جذب آب می‏باشد. این عیوب سبب می‏شود تا استفاده از کاغذ در صنعت بسته‏بندی با محدودیت مواجه شود. باتوجه به مصرف کاغذ و مقوا به شکل‏های مختلف در بسته‏بندی مواد غذایی، دارویی و ...، هدف از انجام این پژوهش، اصلاح سطح کاغذ با مواد فوق ‏آب‏گریز می‏باشد. در راستای این هدف، از خاک دیاتومه که ماده‏ای طبیعی، در دسترس، ارزان و به‏طور طبیعی دارای ناهمواری سطحی در ابعاد میکرو و نانو است، به‏عنوان بستری برای ایجاد فوق ‏آب‏گریزی با ترکیب نانوزایکوسیل که یک ارگانوسیلان آب‏گریز و کاهنده انرژی سطحی می‌باشد، استفاده شده است.

مواد و روش‌ها: از خمیر کاغذ الیاف بلند وارداتی رنگ‌بری‏شده و پالایش شده تا درجه روانی 400 میلی‏لیتر، کاغذهای دست‏ساز تهیه گردید. از ترکیب نشاسته کاتیونی، خاک دیاتومه و نانوزایکوسیل در چهار سطح 0، 5، 5/7 و 10% (درصد وزنی نسبت به وزن خاک دیاتومه) محلول پوشش‌دهی تهیه گردید. این محلول با استفاده از اسپری‏نمودن به‏وسیله پیستوله با قطر نازل 3/1 میلی‏متر روی کاغذهای دست‏ساز، پوشش داده شد. ویژگی های نوری، مقاومتی و ممانعتی کاغذهای شاهد و پوشش‌دهی شده بر اساس استاندارد TAPPI اندازه‌گیری شد. بررسی زاویه تماس با استفاده از نرم‏افزار Image J انجام گردید. جهت بررسی ویژگی‏های ساختاری، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز طیف‏سنجی انرژی پراش پرتو ایکس (EDS) تهیه شد. جهت بررسی معنی‏داری نتایج به‏دست‏آمده، از آزمون تجزیه واریانس یک‏طرفه و برای گروه‏بندی میانگین‏ها از آزمون دانکن استفاده گردید.

یافته‌ها: با افزایش درصد نانوزایکوسیل، ویژگی‏های مقاومتی شامل شاخص مقاومت به کشش و شاخص مقاومت به ترکیدن نمونه‏ها نسبت به کاغذ شاهد، کاهش یافت. در ویژگی‏های ماتی و درجه روشنی به‌ترتیب افزایش و کاهش در نمونه‏های تیمارشده نسبت به نمونه شاهد مشاهده شد. در ویژگی‏های مانع‏شوندگی جذب آب، مقاومت به عبور روغن و نرخ‏ انتقال بخار آب، کاغذ پوشش‏داده نسبت به کاغذ شاهد مقاومت بهتری نشان داد. زاویه تماس قطره آب در نمونه پوشش‏داده‏ شده با 10% نانوزایکوسیل به 129 درجه رسید که در محدوده آب‏گریزی قابل توجهی قرار دارد. بررسی ساختار سطح با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز ساختاری با استفاده از طیف‏سنجی انرژی پراش پرتو ایکس، حضور ذرات خاک دیاتومه را در نمونه‏های پوشش‏داده‌شده نشان دادند.

نتیجه‏گیری: در اثر پوشش‏دهی کاغذ، با خاک دیاتومه و ترکیب ارگانوسیلان با نام تجاری نانوزایکوسیل با فرمولاسیون مناسب، کاغذهای با آب‏گریزی زیاد و خصوصیات مانع‏شوندگی خوب، تهیه شد که می‏توانند کاربری گسترده در بسته‏بندی انواع محصولات داشته باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of coating with NanoZykosil-modified diatomaceous earth on the properties of the paper

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Kolaei moakhar 1
  • Mohammadreza Dehghani Firouzabadi 2
  • Ali Ghasemian 1
1 Department of Paper Science and Engineering, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran
2 Associate Prof., Department of Paper Science and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Background and Objective: Paper and paperboard are widely used in the packaging industry due to their biodegradability, low cost, light weight, broad availability, ease of printing, flexibility, and relatively good mechanical strength. However, owing to its porous and hydrophilic nature, paper suffers from drawbacks such as poor resistance to the permeation of gases, moisture, and oils, as well as a loss of strength upon water absorption. These limitations restrict the use of paper in packaging applications. Given the extensive use of paper and paperboard in packaging for food, pharmaceuticals, and other products, this research aims to modify the paper surface using superhydrophobic materials. To achieve this, diatomaceous earth—a natural, readily available, and inexpensive material possessing inherent micro- and nano-scale surface roughness—was utilized as a substrate to induce superhydrophobicity in combination with Nanozycosil, a hydrophobic organosilane that reduces surface energy.

Materials and Mehtods: Handmade paper sheets were produced from bleached long-fiber pulp refined to a freeness of 400 ml CSF. Coating solutions were prepared by combining cationic starch, diatomaceous earth, and Nanozycosil at four levels: 0%, 5%, 7.5%, and 10% (based on the weight of the diatomaceous earth). These solutions were applied to the handmade paper sheets using a spray gun with a 1.3 mm nozzle diameter. The optical, strength, and barrier properties of both control and coated papers were measured in accordance with TAPPI standards. Contact angle analysis was performed using Image J software. Structural properties were examined via scanning electron microscopy (SEM) imaging and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis. One-way analysis of variance (ANOVA) was used to assess the significance of the results, and Duncan's test was employed to group the means.

Results: As the percentage of Nanozycosil increased, strength properties—specifically the tensile strength index and bursting strength index—decreased compared to the control paper. Regarding optical properties, opacity increased while brightness decreased in the treated samples relative to the control. The coated paper demonstrated superior barrier performance—specifically regarding water absorption, oil resistance, and water vapor transmission rate—compared to the control paper. The water contact angle for the sample coated with 10% Nanozycosil reached 129 degrees, indicating significant hydrophobicity. Surface structure examination via scanning electron microscopy (SEM) and structural analysis using X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of diatomaceous earth particles in the coated samples.

Conclusion: By coating paper with diatomaceous earth and an organosilane compound—commercially known as NanoZykosil—using an appropriate formulation, papers with high hydrophobicity and good barrier properties were produced; these materials offer broad potential for use in packaging various products.

کلیدواژه‌ها [English]

  • hydrophobicity
  • coating
  • diatomaceous earth
  • Nanozycosil