چکیده:
به تازگی واژه دوستدار محیط‌زیست بودن اهمیت بیشتری را نسبت به گذشته در صنعت کاغذسازی پیدا کرده است. در این تحقیق پلیمرهای سلولزی تخریب‌پذیر محلول در آب ساخته و به‌عنوان جز اصلی پوشش‌ها به کار گرفته شده اند. پلیمر به کار گرفته شده از نوع سلورونیک اسیدبوده است که گروه‌های الکل اولیه در کربن شماره 6 به صورت گزینش‌پذیر به گروه‌های کربوکسیل اکسید شده‌اند. تاثیرات پلیمرهای محلول در آب مانند پلیمرهای سلولزی شامل سلورونیک اسید، نشاسته و پلی‌وینیل الکل بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده و خصوصیات پوشش مورد مطالعه واقع شد. آنالیز سطح پوشش با تکنولوژی طیف مادون‌قرمز و پراش پرتو X میکروسکوپ الکترونی پویشی[1] صورت گرفته است. نتایج حاکی از آن است که لاتکس اتصال‌دهنده به‌صورت کاملا یکنواخت نسب به پوشش‌هایی که شامل پلیمرهای سلولزی هستند، در جهت ضخامت پخش شده‌اند. این یکنواختی برای پلی‌وینیل الکل و نشاسته مشاهده نشده است. پوشش‌هایی که شامل پلیمرهای سلولزی هستند؛ باعث ایجاد خصوصیات خوب در سطح پوشش مانند تخلخل و ضریب پخش نور بالا می‌شوند. که بالا بودن تخلخل و ضریب پخش نور منجر به چاپ‌پذیری خوب پوشش می‌شود. پلیمرهای سلولزی تخریب‌پذیر علاوه بر ارایه ویژگی‌های چاپ‌پذیری مناسب، قابلیت بازیافت خوبی را از خود نشان می‌دهند.
کلید واژه‌ها: مهاجرت مواد اتصال‌دهنده، سلورونیک اسید[2]، کربوکسی متیل سلولز، پلیمر محلول در آب
مقدمه:
منظور از مهاجرت مواد اتصال‌دهنده، یعنی اینکه غلظت مواد اتصال‌دهنده لاتکس در نزدیکی سطح پوشش در زمانی‌که فرآیند خشک کردن پوشش انجام می‌شود؛ افزایش پیدا می‌کند. پدیده مهاجرت مواد اتصال‌دهنده احتمالا باعث تخریب خصوصیات سطحی پوشش مانند تخلخل و خصوصیات نوری، چاپ‌پذیری می‌شود. پدیده مهاجرت مواد اتصال‌دهنده از فاکتورهای مختلفی مانند خصوصیات کاغذ زمینه، ترکیبات پوشش، ساختار پوشش خیس، سیستم پوشش‌دهی و غیره تاثیر می‌گیرد. فرمولاسیون و به‌کارگیری نشاسته در پوشش باعث تشدید مهاجرت مواد اتصال‌دهنده در پوشش شد. در این تحقیق، تاثیر پلیمرهای سلولزی محلول در آب به‌عنوان افزودنی در پوشش بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده مورد مطالعه واقع شد و نتایج حاصله با هم مقایسه شد. پلیمرهای سلولزی تخریب‌پذیر محلول در اب، پلی‌گلوکورونیک اسید(سلورونیک اسید)، نمک‌های سدیم، به‌عنوان افزودنی‌های پوشش انتخاب شدند.
روش آزمایشگاهی:
نمونه‌های پلیمر محلول در آب
پلیمرهای سلولزی استفاده شده در این تحقیق از نوع پلیمرهای آنیونی با گروهای کربوکسیل یعنی سلورونیک اسید و کربوکسی متیل سلولز و پلیمرهای غیریونی مانند هیدروکسی متیل سلولز[3] و هیدروکسی پروپیل سلولز[4] بوده‌اند. سلورونیک اسید که گروه‌های الکل اولیه در کربن شماره6 به صورت گزینش‌پذیر به گروه‌های کربوکسیل اکسید شده است؛ از سلولز باز تولید شده با سیستم 2،2،6،6- تترامتیل‌پیپریدین-1- رادیکال اکسیل(TEMPO)[5]، برمید سدیم و هیپوکلریت سدیم[6] آماده شد که در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1- سلورونیک اسید
درجه استخلاف و درجه پلیمریزاسیون سلورونیک اسید به ترتیب برابر 1 و 55 بوده است. شش درجه از نمک‌های سدیم از نوع کربوکسی متیل سلولز با درجه استخلاف و پلیمریزاسیون گوناگون استفاده شد که در جدول 1 مشخصات این نمک‌ها ارایه شده است.
جدول 1- کربوکسی متیل سلولزهای مورد استفاده
ویسکوزیته بروک فیلد (مگاپاسکال در ثانیه)، 25 درجه سانتیگراد | درجه پلیمریزاسیون | درجه استخلاف | شماره |
10(2%) | 110 | 8/0 | 1 |
30(2%) | 360 | 8/0 | 2 |
300(2%) | 480 | 8/0 | 3 |
15(2%) | 500~460 | 55/0~45/0 | 4 |
750(2%) | 500~460 | 8/0~7/0 | 5 |
200(2%) | 500~460 | 95/0~85/0 | 6 |
در این تحقیق از سه نوع نشاسته شامل فسفات نشاسته، نشاسته اکسید شده و نشاسته اکسید شده TEMPO استفاده شد که از نشاسته صنعتی تهیه شده‌اند و نتایج آنها با نتایج سیستم TEMPO-NaBr-NaClO، آمیلوپکتین و پلیمر پلی‌وینیل الکل مقایسه شد.
پوشش
پوشش با غلظت50درصد وزنی که شامل پلیمرهای محلول در آب بوده است آماده شد. یک pph از تمامی پلیمرهای محلول در آب به صورت جداگانه به 100 pphکلسیم کربنات رسوب داده شده و محلولی با 10 pph از SB-لاتکس کربوسیله به‌عنوان اتصال‌دهنده، اضافه شدند. ویسکوزیته پوشش تا 25درصد نسبت وزنی رقیق شد. برای اندازه‌گیری ویسکوزیته از ویسکومتر بروک فیلد[7] اندازه‌گیری شد. ویسکوزیته در نرخ برشی ثابت 132 S-1 و دمای 23 درجه سانتیگراد به مدت 5 دقیقه اندازه‌گیری شد. پوشش‌ها بر روی فیلم پلی اتیلن ترفتالات با گراماژ 140 گرم بر متر مربع با یک سیستم میله‌ای اعمال شد. گراماژ پوشش به‌طور تقریبی برابر 18 گرم بر مترمربع بوده است. سپس پوشش‌ها توسط سیستم خشک‌کن هوای داغ به مدت یک دقیقه خشک شد. پوشش‌هایی که شامل فسفات، نشاسته اکسید شده یا پلی‌وینیل الکل بودند ویسکوزیته آنها بسیار پایین تر از زمانی که پلیمرهای محلول در آب استفاده نشده‌اند، بودند. پوشش‌هایی که شامل پلیمرهای سلولزی هستند، ویسکوزیته نسبتا زیادی را از خود نشان می‌دهند که معمولا ویسکوزیته با افزایش درجه پلیمریزاسیون و استخلاف کربوکسی متیل سلولز افزایش می‌یابد. پلیمرهای سلولزی احتمالا با اجزا لاتسک مانند رنگدانه‌ها یا اتصال‌دهنده اتصال برقرار کرده و ساختار شبکه‌های ایجاد می‌کنند. در مطالعه موردی پوشش‌های خاک رس، ساختار خیس پوشش به‌عنوان شبکه شکل گرفته با اتصالاتی که کربوکسی متیل سلولز جذب شده با کربوکسی متیل سلولز محلول برقرار می‌کنند، تشریح می‌شوند.
شکل 2: پرتو IR حاصل از سطح پوشش با روش ATR
مهاجرت مواد اتصال‌دهنده
میزان لاتکس اتصال‌دهنده در نزدیکی سطح پوشش در شکل 3 نشان داده شده است که این تصویر با تکنولوژی ATR برای پوشش‌های مختلف به‌دست آمده است.
شکل 3: میزان لاتکس اتصال‌دهنده سطح پوشش‌ها با پلیمرهای مختلف محلول در آب
نرخ جذب لاتکس اتصال‌دهنده در سطح پوشش با کربوکسی متیل سلولز و سلورونیک اسید مقادیر کمتری را از خود نشان دادند. به‌عنوان مثال، در شکل 4 عکس‌های میکروسکوپ با فلز اسمیم، توزیع لاتکس اتصال‌دهنده را در مقطع عرضی پوشش بدون پلیمر محلول در آب(A) و حاوی پلیمر محلول در آب (B) را نشان می‌دهد.
شکل 4: عکس‌های میکروسکوپی از توزیع لاتکس در مقطه عرضی پوشش‌ها.
A: بدون پلیمر محلول در آب B: حاوی پلیمرهای محلول در آب
لاتکس اتصال‌دهنده در پوشش‌های بدون پلیمرهای محلول آب به میزان بیشتری به سطح پوشش منتقل می‌شوند. در مقابل، لاتکس اتصال‌دهنده با کربوکسی متیل سلولز به‌طور کاملا یکنواخت در جهت ضخامت پخش شده‌اند. زمانی که نرخ جذب لاتکس با دستگاه ATR اندازه‌گیری شد، میزان جذب بیشتری نسبت به پوشش با کربوکسی متیل سلولز مشاهده شد. غلظت لاتکس اتصال‌دهنده در نزدیکی سطح بسیار زیاد است. کربوکسی متیل سلولز یا سلورونیک اسید می‌تواند از مهاجرت مواد اتصال‌دهنده به سطح پوشش جلوگیری کند. میزان لاتکس اتصال‌دهنده در سطح پوشش با کربوکسی متیل سلولز در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل 5: میزان لاتکس اتصال‌دهنده در پوشش‌هایی با انواع مختلف کربوکسی متیل سلولز
نرخ جذب SB-لاتکس به کربنات کلسیم، صرف نظر از درجه پلیمریزاسیون یا درجه استخلاف میزان نسبتا برابری را نشان می‌دهند، اختلاف درجه پلیمریزاسیون و استخلاف کربوکسی متیل سلولز معمولا در پوشش کاغذ مطرح می‌باشند که بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیر نمی‌گذارند. ویسکوزیته پوشش بر روی پدیده مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیری نمی‌گذارد البته ویسکوزیته به درجه پلیمریزاسیون و استخلاف پلیمر وابسته است. ویسکوزیته پوشش‌های مختلف در جدول 2 ارایه شده است.
جدول2- ویسکوزیته پوشش‌های مختلف
ویسکوزیته (مگاپاسکال در ثانیه)، و غلظت وزنی 25درصد | پلیمرهای محلول در آب |
17 | بدون پلیمر محلول در آب |
22 | CMC 1 |
25 | CMC 2 |
28 | CMC 3 |
30 | CMC 4 |
38 | CMC 5 |
32 | CMC 6 |
24 | HEC |
24 | HPC |
15 | سلورونیک اسید |
3 | فسفات نشاسته |
4 | نشاسته اکسید شده |
36 | آمیلاپکتین |
4 | پلی‌وینیل الکل |
براساس مطالعات صورت گرفته، مهاجرت مواد اتصال‌دهنده در رنگدانه‌هایی که به‌صورت پایدار پخش شده و ویسکوزیته کمتری نسبت به رنگدانه‌هایی با پایداری کمتر در پخش و ویسکوزیته بالاتر دارند، از شدت بیشتری برخوردار است. زیرا رنگدانه‌هایی که پایداری بیشتری دارند؛ تمایل بیشتری به داشتن مایع آزاد تا مرحله تثبیت از خود نشان می‌دهند، اما مهاجرت مواد اتصال‌دهنده با اعمال آمیلوپکتین در پوشش بیشتر می‌شود که در شکل 3 و جدول 2 نشان داده شده است.
با ارزیابی تاثیرات شارژ الکتریکی پلیمرهای محلول در آب بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده، سلولز آنیونی با گروهای کربوکسی یعنی کربوکسی متیل سلولز و سلورونیک اسید و پلیمرهای غیریونی مانند HEC و HPC نتایج قابل توجهی حاصل شد که با هم مقایسه شدند. زمانی که پلیمرهای سلولزی، صرف نظر از حضور گروهای کربوکسی، در پوشش‌ها به کار گرفته می‌شوند، لاتکس اتصال‌دهنده به سطح پوشش مهاجرت نمی‌کند یعنی باعث کاهش و حدف مهاجرت مواد اتصال‌دهنده به سطح پوشش می‌شود، همانگونه که در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 6: میزان لاتکس اتصال‌دهنده در سطح پوشش‌های حاوی پلیمرهای سلولزی
بر طبق نتایج، شارژ الکتریکی پلیمرهای سلولزی بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیر نمی‌گذارد. ایکدا و همکاران در تحقیق عنوان کردند که نشاسته بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیری نداشته و اختلافی بین نشاسته آنیونی، فسفات و هیدروکسی اتیل نشاسته غیریونی وجود ندارد. همانگونه که در شکل 7 نشان داده شده است، هیچ اختلافی بین نشاسته‌ها در جلوگیری از مهاجرت مواد اتصال‌دهنده نشدند.
شکل 7: میزان لاتکس اتصال‌دهنده در سطح پوشش با انواع مختلف نشاسته
نتایج حاکی از اتصالات شیمیایی بین گروه‌های کربوکسی پلیمرهای محلول در آب و محیط‌های آنیونی لاتکس اتصال‌دهنده یا رنگدانه می‌باشد که فاکتور اصلی تاثیرگذار بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده نیستند. با توجه به نتایج، ویسکوزیته پوشش و شارژ الکتریکی پلیمرهای محلول در آب در پوشش‌ها بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیری نمی‌گذارند. در پلی ساکاریدهای خطی سلولزی، صرف‌نظر از حضور گروهای کربوکسی، بر روی مهاجرت مواد اتصال‌دهنده تاثیر مثبت داشته و مانع از آن می‌شود. علاوه بر این پلیمرها، سدیم آلژینات[8]، کربوکسی متیل سلولز و پلی‌وینیل الکل به پوشش کاغذ جهت اجتناب از مهاجرت مواد اتصال‌دهنده، افزوده شد. منظور از اثربخشی، کاهش غلظت لاتکس اتصال‌دهنده در سطح الژینات> کربوکسی متیل سلولز> پلی‌وینیل الکل بوده است. آلژینات یک پلی‌ساکارید خطی است که از اتصالات بتا 1 به 4 تشکیل شده و ساختاری شبیه به سلولز دارد. پیش‌بینی شده است که خصوصیات ساختاری پلی‌ساکاریدهای خطی در برخی مواقع بر روی مکانسیم مهاجرت مواد اتصال تاثیرگذار می‌باشند.
تخلخل و ضریب پخش نور
میزان تخلخل و ضریب پخش نور پوشش‌ها در جدول 3 ارایه شده است.
جدول 3- خصوصیات پوشش‌ها
ضریب اختصاصی پخش نور (مترمربع بر کیلوگرم) | تخلخل(درصد) | پلیمرهای محلول در آب |
173 | 46 | نام |
182 | 50 | CMC 2 |
202 | 49 | سلورونیک اسید |
141 | 47 | فسفات نشاسته |
173 | 46 | PVA |
پوشش‌هایی با کربوکسی متیل سلولز و سلورونیک اسید نسبت به پوشش‌هایی که بدون پلیمرهای محلول در آب هستند؛ از میزان تخلخل و ضریب پخش نور بیشتری برخوردارند. دلیل احتمالی بالا بودن تخلخل و ضریب پخش نور در پوشش‌های حاوی پلیمرهای سلولزی، ساختارهای متراکم شده که به علت تماس بین پلیمرهای سلولزی، رنگدانه‌ها و لاتکس اتصال‌دهنده می‌باشد که نواحی جامد/ هوا باعث ازدیاد تخلخل می‌شود که تخلخل باعث افزایش ضریب پخش نور می‌شود. عملا، پوشش‌های حاوی کربوکسی متیل سلولز یا سلورونیک اسید باعث افزایش ضریب پخش نور می‌شود. رنل و همکاران گزارش کردند که میزان کمی از کربوکسی متیل سلولز منجر به افزایش کمی در تخلخل پوشش‌هایی بر مبنای رنگدانه‌های پلاستیکی می‌شود. برای پوشش‌هایی که رنگدانه آن بر مبنای خاک رس می‌باشد؛ افزودن کربوکسی متیل سلولز باعث افزایش چشمگیر تخلخل می‌شود. در این مورد، تجمع رنگدانه‌ها باعث تولید تخلخل می‌شود همچنین باعث به کند شدن نرخ جهت‌گیری مجدد ذرات در زمان تثبیت آنها می‌شوند.
Refrences:
1-Kline, J. E., 1993 Advanced Coating Fundamentals Symposium proc., Tappi Press, Atlanta, USA, 93 (1993)
2- Ikeda, A., Enomae, T. and Onabe, F., Japan Tappi, 55 (2) 82 (2001)
3- Isogai, A. and Kato, Y., Cellulose 5 (3) 153 (1998)
4- Tachibana, T., Fujihira, S., Shigetomi, K. and Nagai, K., Japan Tappi, 46 (11) 96 (1992)
5- Hamada, H., Enomae, T., Onabe, F. and Saito, Y., Japan Tappi, 55 (11) 79 (2001)
6- Whalen-Shaw, M., Gautan, N., 1990 Coating Conference proc., Tappi Press, Boston, USA, 371 (1990)
7- Whalen-Shaw, M. et al, Binder Migration in Paper and Paperboard Coatings, Tappi Press, chapter 2 (1993)
8- Steven, G., 1991 Coating Conference proc., Tappi Press, Atlanta, USA, 221 (1991)
9- Rennel, C., Eriksson, U. and Rigdahl, M., Nordic Pulp and Paper Research J., no. 4, 254 (1994)
10- Eriksson, U. and Rigdehl, M., 1993 TAPPI Advanced Coating Fundamentals Symposium proc., 19 (1993)
[1] energy dispersive X-ray analysis of scanning electron microscopy
[2] Cellouronic acid
[3] HEC
[4] HPC
[5] 2,2,6,6,-tetramethylpipelidine-1-oxyl radical (TEMPO)
[6] NaClO
[7] Brookfield
[8] sodium alginate
