نوع مقاله : تبدیل شیمیایی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری شیمی فیزیک دانشگاه پیام نور مشهد، مشهد، ایران

2 استادیار، گروه شیمی فیزیک دانشگاه پیام نور مشهد، مشهد، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی چوب و فراورده‌های سلولزی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

4 استادیار، گروه شیمی فیزیک دانشگاه پیام نور تهران، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: افزودن برخی مواد شیمیایی و همین‌طور برخی اصلاحات (Modify) اجزای تشکیل‌دهنده کاغذ (سلولز و مواد شیمیایی افزودنی) عاملی مهم برای تغییر یا تقویت پیوندهای بین‌مولکولی کاغذ می‌شود، به‌نحوی‌که عامل بروز ویژگی‌هایی می‌گردد که کاربردهای متنوع و خاصی را برای ترکیبات سلولزی فراهم می­کند. بیشتر افزودنی‌های مقاومتی عمدتاً بر تشکیل پیوندهای هیدروژنی متعدد برای حفظ و اثربخشی خود متکی هستند. سرسین ابریشم ماکرومولکولی طبیعی است و به‌دلیل یک پروتئین «چسب مانند» شناخته می‌شود. سرسین ماده‌ای آبدوست است که سازگاری عالی با سایر بیوپلیمرهای آبدوست مانند نشاسته، پلی وینیل الکل (PVA) و آلژینات دارد. با توجه به تطبیق‌پذیری و خواص برجسته سرسین، به‌طور گسترده‌ای برای تولید اسفنج‌ها، فیلم‌ها و هیدروژل‌ها (Hydrogel) برای استفاده بیشتر در کاربردهای مختلف زیست پزشکی بکار می­رود. جایگزینی مواد زیست‌تخریب‌پذیر به‌جای منابع جنگلی در صنایع کاغذسازی اهمیت زیادی دارد. با وجود استفاده گسترده از خمیر بازیافتی، کاهش مقاومت مکانیکی این مواد به دلیل تکرار چرخه‌های بازیافت، چالشی جدی به‌شمار می‌آید. این پژوهش باهدف اصلاح نشاسته و نانوسلولز با سرسین با خواص پلیمری برای ایجاد خواص تقویتی و برخی خواص جدید و بررسی آن، بر بهبود ویژگی‌های کاغذ ساخته‌شده از مقوای کنگره‌ای کهنه (OCC) انجام شد.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش از سرسین، نانوسلولز و نشاسته استفاده شده است. در شرایط آزمایشگاهی هیدروژل نانوسلولز حاوی سرسین تهیه شده است. نانوسلولز و نشاسته با اپی‌کلروهیدرین (ECH) با واکنش گروه‌های هیدروکسیل آن با گروه اپوکسی (ECH) عاملدار شده‌ است. نانوسلولز و نشاسته عاملدار شده با اپوکسید با این گروه‌ها روی سرسین ابریشم که حاوی اسیدهای آمینه مختلف با گروه‌های جانبی فعال مانند گروه‌های آمین، کربوکسیل و هیدروکسیل کنش می‌دهد و یک پیوند کووالانسی و یا هیدروژنی ایجاد می‌کند. با پیوند بین گروه‌های آمینی و آمیدی سرسین و گروه‌های هیدروکسی نانوسلولز و نشاسته، پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده و کامپوزیت نهایی ایجاد می‌شود. نشاسته و نانوسلولز با استفاده از سرسین اصلاح شدند و با استفاده از تجهیزات آنالیز دستگاهی مانند FT-IR و دیگر دستگاه‌های مشابه به وجود آمدن ترکیب جدید نشاسته – سرسین و نانوسلولز- سرسین تأیید شده است و در نسبت‌های مختلف (20/70، 30/70، 40/70 و 50/70) به خمیرکاغذ بازیافتی اضافه شدند (70 نسبت خمیربازیافتی). کاغذهای دست‌ساز با گرماژ g/m² 60 تهیه گردید. ویژگی‌های مکانیکی مانند شاخص مقاومت به کشش، طول پارگی، شاخص مقاومت به ترکیدگی، شاخص مقاومت به پارگی و درجه روانی با استفاده از استانداردهای مرتبط بررسی شد.
نتایج: افزودن نشاسته و نانوسلولز اصلاح‌شده با سرسین به‌طور معناداری موجب بهبود شاخص مقاومت به کشش، ترکیدگی و پارگی کاغذ شد. بیشترین بهبود با نسبت 20/70 نشاسته اصلاح‌شده مشاهده گردید. افزودن این مواد به خمیرکاغذ، تأثیر مثبتی بر این ویژگی‌ها داشته است. ازآنجاکه افزودن این مواد تغییری در مقاومت ذاتی الیاف ایجاد نمی‌کند، تغییرات مشاهده‌شده در مقاومت کششی کاغذ احتمالاً ناشی از افزایش یا کاهش پیوند بین الیاف است، این افزایش می‌تواند به دلیل نفوذ مواد اعمال‌شده در فضای بین الیاف باشد. در مقابل، افزایش غلظت سرسین در ترکیبات، در برخی نسبت‌ها موجب کاهش جزئی این ویژگی‌ها شد. شاخص مقاومت به پاره شدن از ویژگی­های مهم در ارزیابی­های کاغذ است. این شاخص عموماً تحت تأثیر عوامل متعددی از قبیل میانگین طول الیاف، مقاومت ذاتی الیاف، میزان پیوند بین الیاف و میزان جهت‌یافتگی الیاف است. در اینجا میزان پیوند بین الیاف و جهت‌یافتگی بیشترین تأثیر را می‌توانند داشته باشند. نانوسلولز اصلاح‌شده با سرسین مقاومت به عبور هوا را افزایش داد و پراکندگی یکنواخت‌تری در ساختار کاغذ ایجاد کرده است، یعنی ­به‌طور غیر­مستقیم نشان­دهنده ساختار داخلی و کیفیت شکل­گیری کاغذ است؛ همین‌طور افزودن نشاسته و نانوسلولز اصلاح‌شده با سرسین باعث کاهش درجه روانی خمیر در نسبت‌های مختلف اشاره شده گردید.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که نشاسته و نانوسلولز با سرسین پیوند داده است و اصلاح در ساختار این دو ماده به وجود آمده است و استفاده از نشاسته و نانوسلولز اصلاح‌شده با سرسین می‌تواند راهکاری مؤثر و زیست‌سازگار برای بهبود مقاومت مکانیکی کاغذ بازیافتی باشد. این روش نه‌تنها کیفیت کاغذ را بهبود می‌بخشد، بلکه گامی مهم در راستای توسعه پایدار و استفاده از مواد زیستی تجدیدپذیر به‌شمار می‌آید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Aad, R., Dragojlov, I. & Vesentini, S., 2024. Sericin Protein: Structure, Properties, and Applications. Journal of Functional Biomaterials, 15(11), 322.‏ https://doi.org/10.3390/jfb15110322
-Aguilar-Rivera, N., 2021. Emerging technology for sustainable production of bleached pulp from recovered cardboard. Clean Technologies and Environmental Policy, 23, 2575-2588.‏ https://doi. org/10.1007/s10098-021-02171-3
-Ahmed, A.B., Tahir, H.M., Yousaf, M.S., Munir, F. & Ali, S., 2023. Efficacy of silk sericin and Jasminum grandiflorum L. leaf extract on skin injuries induced by burn in mice. Journal of Burn Care & Research, 44(1), 58-64.‏ https://doi. org/10.1093/jbcr/irac069
-Alinia, S., Afra, E., Resalati, H. & Yousefi, H., 2013. Effect of Mixing Temperature of CMP Pulp and Cellulose Nanofiber on Paper Properties. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 3(2), 77-90.‏
-Amiri, E., Rahmaninia, M. & Khosravani, A., 2018. Effect of chitosan electrostatic charge on the performance of chitosan-nanosilica in recycled old corrugated container pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 9(3), 459-469.‏ https://doi.org/10.15376/biores.14.4.7687-7701
-Arik kabir, E.A. & Us, F., 2014. Evaluation of structural properties of cellulose ether-corn starch-based biodegradable films, International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials 63(7) (2014) 342-351. https://doi.org/10. 1080/00914037.2013.845190
-Asadi, F., Nazarnezhad, N. & Attoeii, G.A., 2016. Preparation of nano-cellulose from cladophora, fibrous algae, and utilizing at the product to improve the strength properties of CMP pulp.‏
-Ashori, A. & Nourbakhsh, A., 2008. A comparative study on mechanical properties and water absorption behavior of fiber-reinforced polypropylene composites prepared by OCC fiber and aspen fiber. Polymer Composites, 29(5), 574–578. https://doi.org/10.1002/pc.20582
-Ashori, A., Harun, J., Zin, W.M. & Mohd. Yusoff, M.N., 2006. Enhancing dry-strength properties of kenaf (Hibiscus cannabinus) paper through chitosan. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 45(1), 125-129.‏ https://doi.org /10.1080/03602550500373709
-Ashori, A., Marashi, M., Ghasemian, A. & Afra, E., 2013. Utilization of sugarcane molasses as a dry-strength additive for old corrugated container recycled paper. Composites Part B: Engineering45(1), 1595-1600.‏https://doi.org /10. 1016/j.compositesb.2012.09.030
-Bárta, J., Hájková, K., Sikora, A., Jurczyková, T., Popelková, D. & Kalous, P., 2023. Effect of a Nanocellulose Addition on the Mechanical Properties of Paper. Polymers16(1), 73.‏ https://doi.org/10.3390/polym16010073
-Canto-Pinto, J. C., Reyes-Pérez, E., Pérez-Pacheco, E., Ríos-Soberanis, C. R., Chim-Chi, Y.A., Lira-Maas, J.D. & Mina-Hernández, J.H., 2022. A Novel Starch from Talisia floresii Standl Seeds: Characterization of Its Physicochemical, Structural and Thermal Properties. Polymers15(1), 130.‏ https://doi.org/10.3390/polym15010130
-Cao, F., Lu, S., Wang, L., Zheng, M. & Quek, S.Y., 2023. Modified porous starch for enhanced properties: Synthesis, characterization and applications. Food Chemistry415, 135765.‏ https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.135765
-Chacon, L., Lavoine, N. & Venditti, R.A., 2022. Valorization of mixed office waste as macro-, micro-, and nano-sized particles in recycled paper containerboards for enhanced performance and improved environmental perception. Resources, Conservation and Recycling, 180, 106125.‏ https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.106125
-Chauhan, V. S. & Bhardwaj, N.K., 2012. Effect of particle size of talc filler on structural and optical properties of paper. Lignocellulose, 1(3), 241-259.
-Chen, Y., Wan, J., Ma, Y. & Lv, H., 2010. Modification of properties of old newspaper pulp with biological method. Bioresource technology101(18), 7041-7045.‏ https://doi.org/ 10.1016/j.biortech.2010.04.015
-Cheng, Lan, 2018. "Effect of different additives in diets on secondary structure, thermal and mechanical properties of silkworm silk." Materials 12.1 (2018): 14. https://doi.org/10. 3390/ ma 12010014
-Cho, B.U. & Garnier, G., 2000. Effect of the paper structure and composition on the surface sizing pickup. Tappi journal, 83(12).
-Das, G., Shin, H.S., Campos, E.V.R., Fraceto, L.F., del Pilar Rodriguez-Torres, M., Mariano, K.C. F., & Patra, J.K., 2021. Sericin based nanoformulations: a comprehensive review on molecular mechanisms of interaction with organisms to biological applications. Journal of Nanobiotechnology, 19, 1-22.‏ https://doi.org/10. 1186/s12951-021-00774-y
-Ek, M., Gellerstedt, G. and Henriksson, G., 2014. Pulp and Paper Chemistry and Technology, Volume 4, Paper Products Physics and Technology, 251p. https://doi.org/10.1515 / 9783110213461
-Felgueiras, H.P. & Amorim, M.T.P., 2017. Functionalization of electrospun polymeric wound dressings with antimicrobial peptides. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 156, 133-148.‏ https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2017.05.001
-Filipova, I., Andze, L., Skute, M., Zoldners, J., Irbe, I. & Dabolina, I., 2023. Improving Recycled Paper Materials through the Incorporation of Hemp, Wood Virgin Cellulose Fibers, and Nanofibers. Fibers11(12), 101.‏ https://doi. org/10.3390/fib11120101
-Hamzeh, Y.  & Rostam Pourhaftkhani A., 2008 Principles of Papermaking Chemistry, Tehran University Press.
-Hamzeh, Y., Najafi, S.M. H., Hubbe, M.A., Salehi, K. & Firouzabadi, M.R.D., 2012.
Recycling potential of unbleached and bleached chemical pulps from juvenile
and mature wood of Populus deltoids. Holzforschung, 66(2), 155–161.
-Hamzeh, Y., Sabbaghi, S., Ashori, A., Abdulkhani, A. & Soltani, F., 2013. Improving wet and dry strength properties of recycled old corrugated carton (OCC) pulp using various polymers. Carbohydrate polymers94(1), 577-583.‏ https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013. 01.  078
-Hii, C., Gregersen, Ø.W., Chinga-Carrasco, G. & Eriksen, Ø., 2012. The effect of MFC on the pressability and paper properties of TMP and GCC based sheets. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 27(2), 388-396.‏ https://doi.org/10.3183 /npprj-2012-27-02-p388-396
-Hubbe, M. A. (2006). Bonding between cellulosic fibers in the absence and presence of dry-strength agents–A review. BioResources, 1(2), 281-318.‏ https://doi.org/10.15376/biores.1.2.281-318
-Kim, T.Y., Jung, Y.J., Jang, Y.J., Yoon, J.H. & Heo, Y.D., 2008. Effects of Base Paper Properties and the Composition of Adhesives on the Physical Properties of Multilayered Paper. Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry, 40(4), 34-42.‏ https://doi.org/10.7584/ ktappi.2014.46.4.001
-Kermanian, H., Razmpour, Z., Ramezani, O., Mahdavi, S., Rahmaninia, M. & Ashtari, H., 2013. The Influence of Refining History of Waste NSSC Paper on its Recyclability. BioResources, 8(4).‏ https://doi.org/10.15376/biores.8.4.5424-5434
-Khosravani, A., Latibari, A.J., Mirshokraei, S.A., Rahmaninia, M. & Nazhad, M.M., 2010. Studying the effect of cationic starch-anionic nanosilica system on retention and drainage. BioResources, 5(2): 939-950. https://doi.org/10. 15376/ biores.5 .2.939-950
-Kunz, R. I., Brancalhão, R.M.C., Ribeiro, L.D.F.C. & Natali, M.R.M., 2016. Silkworm sericin: properties and biomedical applications. BioMed research international, 2016(1), 8175701.‏ https://doi.org/ 10.1155/2016/8175701
-Lu, Z., Liu, Y., Lee, Y.E.J., Chan, A., Lee, P.R. & Yang, H., 2023. Effect of starch addition on the physicochemical properties, molecular interactions, structures, and in vitro digestibility of the plant-based egg analogues. Food Chemistry403, 134390.‏ https://doi.org/ 10.1016 / j.foodchem.2022.134390
-Marzbani, P., Azadfallah, M., Yousefzadeh, M., Najafi, F., Pourbabaee, A.A., Koivula, H. & Ritala, M., 2021. Effect of polyethylene wax/soy protein-based dispersion barrier coating on the physical, mechanical, and barrier characteristics of paperboards. Journal of Coatings Technology and Research, 18, 247-257. https://doi.org/10.1007 / s11998-020-00403-7
-Miguel, G.A. & Álvarez-López, C., 2020. Extraction and antioxidant activity of sericin, a protein from silk. Brazilian Journal of Food Technology, 23, e2019058.‏ https://doi.org/10.1590/1981-6723. 05819
-Nayak, S., Talukdar, S. & Kundu, S.C., 2012. Potential of 2D crosslinked sericin membranes with improved biostability for skin tissue engineering, Cell, and tissue research 347 (2012) 783-794. https://doi.org/10.1007/s00441-011-1269-4
-Noosak, C., Jantorn, P., Meesane, J., Voravuthikunchai, S. & Saeloh, D., 2022. Dual-functional bioactive silk sericin for osteoblast responses and osteomyelitis treatment. PLoS One, 17(3), e0264795.‏ https://doi.org/10.1371/journal. pone.0264795
-Rahmaninia, M., Hosseinian, K. and Khosravani, A., 2017. The influence of nanochitosan addition on the process and quality properties of printing and writing paper made from recycled fibers. Journal of Forest and Wood Products (JFWP), Iranian Journal of Natural Resources, 69(4): 831-840.
-Rahmaninia, M., Rohi, M., Hubbe, M.A., Zabihzadeh, S.M. & Ramezani, O., 2018. The performance of chitosan with bentonite microparticles as wet-end additive system for paper reinforcement. Carbohydrate polymers179, 328-332.‏ https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017. 09.036
-Rohi, M., Ramezani, O., Rahmaninia, M., Zabihzadeh, S.M. & Hubbe, M.A., 2016. Influence of pulp suspension pH on the performance of chitosan as a strength agent for hardwood CMP paper. Cellulose Chemistry and Technology, 50(7-8), 873-878.‏ https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2017.09.036
-Saha, J. & Mondal, M.I., 2019. Extraction, structural and functional properties of silk sericin biopolymer from Bombyx mori silk cocoon waste, J. Text. Sci. Eng 9(2) (2019). https://doi.org/10.4172/2165-8064.1000390
-Sericin cocoon bio-compatibilizer for reactive blending of thermoplastic cassava starch
ScientificReports
 volume 11,Article number: 19945 (2021) Cite this article 5908 Accesses. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-701614/v1
-Shen, J., Zhou, X., Wu, W. & Ma, Y., 2012. improving paper strength by gelation of native starch and borax in the presence of FIBERS. BioResources7(4). https://doi.org/10. 15376/biores.7.4.5542-5551
-Silva, A. S., Costa, E. C., Reis, S., Spencer, C., Calhelha, R. C., Miguel, S. P., ... & Coutinho, P. (2022). Silk sericin: A promising sustainable biomaterial for biomedical and pharmaceutical applications. Polymers, 14(22), 4931.‏ https://doi.org/10.3390/polym14224931
-Syverud, K. & Stenius, P., 2009. Strength and barrier properties of MFC films. Cellulose16, 75-85. https://doi.org/10.1007/s10570-008-9244-2
-Taipale, T., Österberg, M., Nykänen, A., Ruokolainen, J. & Laine, J., 2010. Effect of microfibrillated cellulose and fines on the drainage of kraft pulp suspension and paper strength. Cellulose, 17, 1005-1020.‏ https://doi.org/10.1007/ s10570-010-9431-9
-Wang, L. & Wu, Y., 2015. Thermal-sensitive Starch-g-PNIPAM prepared by Cu (0) catalyzed SET-LRP at the molecular level, RSC advances 5(87) (2015) 70758-70765. https://doi.org/10.10 39/c5 ra14765d. https://doi.org/10.1039/c5ra14765d
-Wang, J., Liu, H., Shi, X., Qin, S., Liu, J., Lv, Q., ... & Wang, L., 2024. Development and Application of an Advanced Biomedical Material‐Silk Sericin. Advanced Materials, 2311593.‏ https://doi.org/10. 1002/adma.202470178
-Warren, F.J., Gidley, M.J. & Flanagan, B.M., 2016.  Infrared spectroscopy as a tool to characterize starch ordered structure—a joint FTIR–ATR, NMR, XRD and DSC study, Carbohydrate polymers 139 (2016) 35-42. https://doi.org/ 10. 1016/j.carbpol.2015.11.066
-Zhang, X., Cai, B., Luo, Q., Dang, J., Liu, X. & Ma, X., 2024. Two-step modification strategy enhances carbon fiber/old corrugated container fiber flexible conductive film. Diamond and Related Materials146, 111209.‏ https://doi.org/10.1016/j. diamond.2024.111209