نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری رشته صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

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

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

4 استادیار، دانشکده جنگل‌داری و فناوری چوب، دانشگاه علوم زیستی پوزنان، لهستان

5 استاد، دانشکده جنگل‌داری و فناوری چوب، دانشگاه علوم زیستی پوزنان، لهستان

10.22092/ijwpr.2023.363811.1762

چکیده

سابقه و هدف: اثرات مخرب ناشی از افزایش حرارت در بستر‌های سلولزی که به‌عنوان پایه‌های اصلی صنایع بسته‌بندی، بسته‌بندی‌های مرغوب بهداشتی و بسته‌بندی مهمات به‌کار می‌روند، امری بدیهی و ناگزیر است. از این رو، اصلاح ساختار این فرآورده‌های زیستی توسط ترکیبات شیمیائی سبز و دوست‌دار محیط زیست به‌منظور افزایش دوام در برابر حرارت، ضروری است.
مواد و روش‌ها: در پژوهش حاضر، نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال‌های سلولزی اکسید شده با تمپو، به‌صورت جداگانه، توسط ترکیبات حاوی مواد کندسوز‌کننده، به‌صورت مخلوط دو‌گانه شامل "مونو‌آمونیوم فسفات و پروتئین آلبومین"، "سیلیکا و متیل-تری‌متوکسی سیلان" و مخلوط چهار‌گانه حاوی هر چهار ماده یاد شده، کندسوز شدند. سپس هر مخلوط به‌صورت جداگانه توسط پوشش‌دهنده میله‌ای روی مقوا‌های سلولزی تولیدی، پوشش‌دهی شد. ویژگی‌های کندسوزی مقوا‌های حاصل توسط سه آزمون حرارتی شامل: لوله آتش کوچک، درصد شاخص اکسیژن محدود و گرما‌سنج کاهش وزن ارزیابی شدند.
نتایج: بر مبنای نتایج مشاهده شده، نقش مونو‌آمونیوم فسفات، به‌سبب حضور گروه‌های فسفات به‌عنوان عامل پیش‌برنده واکنش زغال‌سازی در حین سوختن، به‌تنهایی در مخلوط دو‌گانه برجسته‌تر از مخلوط چهار‌گانه پوشش‌دهی، در مقوا‌های پوشش-دهی‌شده بر پایه نانوالیاف سلولزی و مقوا‌های پوشش‌دهی‌شده بر پایه نانوکریستال‌های سلولزی، بود. مقایسه نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال‌های سلولزی کندسوز شده، به‌عنوان پایه اصلی فرمول پوشش‌دهی نشان داد که مقوا‌های پوشش‌دهی‌شده با نانوالیاف سلولزی کندسوز شده، به‌سبب دارا بودن بخش‌های آمورف و کریستالی، میزان کاهش وزن بسیار کم‌تری در آزمون لوله آتش کوچک، درصد شاخص اکسیژن محدود تقریبا مشابه و حداکثر سرعت آزاد‌سازی گرما و سرعت آزاد‌سازی گرمای تقریبا یکسانی را در آزمون گرما-سنج کاهش وزن، نسبت به مقوا‌های پوشش‌دهی‌شده با نانوکریستال‌های سلولزی کندسوز شده، نشان دادند.
نتیجه‌گیری: به‌طور کلی، نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال‌های سلولزی کندسوز شده با مونو‌آمونیوم فسفات و آلبومین حتی در غلظت کم، می‌توانند به‌عنوان کندسوز‌کننده موثر و جایگزین کندسوز‌کننده‌های سنتی متداول، برای تولید بسته‌بندی‌های سلولزی باکیفیت استفاده شوند.


کلیدواژه‌ها

موضوعات

- Alongi, J., Bosco, F., Carosio, F., Di Blasio, A. and Malucelli, G., 2014. A new era for flame retardant materials. Mater. Today, 17: 152-153.
- Costes, L., Laoutid, F., Brohez, S. and Dubois, P., 2017. Bio-based flame retardants: When nature meets fire protection. Materials Science and Engineering: R: Reports, 117: 1–25.
- Freire, C.S.R., Fernandes, S.C.M., Silvestre, A.J.D. and Neto, C.P., 2013. Novel cellulose-based composites based on nanofibrillated plant and bacterial cellulose: recent advances at the University of Aveiro – a review. Holzforschung, 67 (6): 603–612.
- Grześkowiak,W., 2017. Effectiveness of New wood Fire retardants Using a Cone Calorimeter. Journal of Fire Sciences, 35: 565–576.
- Hamada, H., Beckvermit, J. and Bousfield, W.D., 2010. Nanofibrillated cellulose with fine clay as a coating agent to improve print quality. PaperCon 2010 Conference, 201: 11.
- Helanto, K., Matikainen, L., Talja, R. and Rojas, O.J., 2019. Bio-Based Polymers for Sustainable Packaging and Biobarriers: A Critical Review. Bioresources, 14 (2): 4902-4951.
- Ioelovich, M., 2008. Cellulose as a nanostructured polymer: a short review. BioResources, 3 (4): 1403–1418.
- Kargarzadeh, H., Ioelovich, M., Ahmad, I., Thomas, S. and Dufresne, A., 2017. Handbook of Nanocellulose and Cellulose Nanocomposites. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co Weinheim Germany, 49p.
- Klemm, D., Heublein, B., Fink, H-P. and Bohn, A., 2005. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angewandte chemie international edition, 44 (22): 3358–3393.
- Kumar Rastogi, V. and Samyn, P., 2015. Bio-Based Coatings for Paper Applications. Coatings, 5 (4): 887–930.
- Laoutid, F., Bonnaud, L., Alexandre, M., Lopez-Cuesta, J.M. and Dubois, P., 2009. New prospects in flame retardant polymer materials: From fundamentals to nanocomposites. Materials Science and Engineering: R: Reports, 63 (3): 100–125.
- Mariano, M., El Kissi, N. and Dufresne, A., 2014. Cellulose nanocrystals and related nanocomposites: Review of some properties and challenges. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 52 (12): 791–806.
- Mazela, B., Batista, A. and Grześkowiak, W., 2020. Expandable Graphite as a Fire Retardant for Cellulosic Materials—A Review. Forests, 11 (7): 755.
- Mngomezulu, M.E., John, M.J., Jacobs, V. and Luyt, A.S., 2014. Review on flammability of biofibres and biocomposites. Carbohydrate Polymers, 111: 149–182.
- Osong, S.H., Norgren, S., Engstrand, P., Lundberg, M. and Hansen, P., 2014. Crill: a novel technique to characterize nano-ligno-cellulose. Nord. Pulp Pap. Res. J, 29 (2): 190–194.
- Price, D., Anthony, G. and Carty, P., 2001. Introduction: polymer combustion, condensed phase pyrolysis and smoke formation. In: Fire Retardant Materials. Elsevier, 30p.
- Rezayati Charani, P., Dehghani-Firouzabadi, M.R., Afra, E., Blademo, A., Naderi, A. and Lindstrom, 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): 2559–2267.
- Silva, TCF., Habibi, Y., Colodette, J.L., Elder, T. and Lucia, L.A., 2012. A fundamental investigation of the microarchitecture and mechanical properties of tempo-oxidized nanofibrillated cellulose (NFC)-based aerogels. Cellulose, 19 (6): 1945–1956.
- Song, Z., Xiao, H. and Zhao, Y., 2014. Hydrophobic-modified nano-cellulose fiber/PLA biodegradable composites for lowering water vapor transmission rate (WVTR) of paper. Carbohydr Polym, 111: 442–8.
- Sonnier, R., Taguet, A., Ferry, L. and Lopez-Cuesta, J-M., 2018. Towards Bio-based Flame Retardant Polymers. Springer.
- Syverud, K. and Stenius, P., 2009. Strength and barrier properties of MFC films. Cellulose, 16 (1): 75–85.
- Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R. and Mazela, B., 2022. Cellulose and Its Nano-Derivatives as a Water-Repellent and Fire-Resistant Surface: A Review. Materials, 15 (1): 82.
- Vartiainen, J., Shen, Y., Kaljunen, T., Malm, T., Vaha-Nissi, M., Putkonen, M. and Harlin, A., 2016. Bio-based multilayer barrier films by extrusion, dispersion coating and atomic layer deposition. J. Appl. Polym. Sci, 133 (2).
- Xie, J., Xu, J., Cheng, Z., Chen, J., Zhang, Z., Chen, T., Yang, R. and Sheng, J., 2020. Facile synthesis of fluorine-free cellulosic paper with excellent oil and grease resistance. Cellulose, 27:7009–7022.
- Yang, S., Tang, Y., Wang, J., Kong, F. and Zhang, J., 2014. Surface treatment of cellulosic paper with starch-based composites reinforced with nanocrystalline cellulose. Ind. Eng. Chem. Res, 53 (36): 13980–13988.
- Yook, S., Park, H., Park, H., Lee, S.Y., Kwon, J. and Youn, H. J., 2020. Barrier coatings with various types of cellulose nanofibrils and their barrier properties. Cellulose, 27: 4509–4523.
- Zhang, D., Williams, B.L., Shrestha, S.B., Nasir, Z., Becher, E.M., Lofink, B.J., Santos, V.H., Patel, H., Peng, X. and Sun, L., 2017. Flame retardant and hydrophobic coatings on cotton fabrics via sol-gel and self-assembly techniques. Journal of Colloid and Interface Science, 505: 892–899.