نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری مهندسی چوب و فراورده‌های سلولزی_ صنایع سلولزی، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب 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 دانشیار، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: کاغذ سلولزی یک منبع مهم تجدیدپذیر است و از سلولز، همی­سلولزها و لیگنین تشکیل شده است. به دلیل مزایای آن در سبک­وزن، انعطاف‌پذیری، کم­هزینه و دوستدار محیط‌زیست بودن استفاده می­‌شود. بااین‌حال، کاغذ سلولزی به­طور ذاتی قابل‌اشتعال و سوختن است. ­در نتیجه، اصلاح کاغذ با مواد کند­سوز­کننده آلی برای کاهش مقدار بلایای آتش‌سوزی و گسترش دامنه کاربرد کاغذ سلولزی قابل‌توجه است. این مطالعه به بررسی تأثیر دی­آمونیوم فسفات و نانو رس  به همراه نشاسته کاتیونی بر ویژگی­‌های کاغذ تولید شده از خمیر سودا باگاس پرداخته است.
   مواد و روش‌ها: برای این منظور، کاغذ حاصل ازخمیرسودای باگاس کارخانه پارس با وزن پایه g/m2120 و ضخامت میانگین mm0.185 تهیه شد. سپس محلول‌های مختلف پوشش دهی با دی­آمونیوم فسفات و یا نانو رس با غلظت های 10، 20 و30 درصدو و 10درصد نشاسته کاتیونی تهیه شدند.  برای پوشش دادن کاغذ از 25 میلی لیتر از هر کدام از محلول ها استفاده شد. عملیات پوشش‌­دهی با استفاده از دستگاه Auto Bar Coater انجام شد و نمونه‌ها در آون با دمای 65-60 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 دقیقه خشک شدند. پس از خشک‌شدن، نمونه­‌ها به مدت 2 روز در دمای محیط قرار گرفتند. آزمون‌های مختلفی مانند مقاومت به نفوذ مایعات (آزمون Cobb)، ضخامت، زاویه تماس، مقاومت به کشش، مقاومت به ترکیدن و مقاومت به پاره شدن بر روی نمونه­‌ها انجام شد. همچنین ویژگی­های آتش کاغذ شامل: پایداری حرارتی و سوختن و اشتعال­پذیری عمودی نیز بررسی شد. نتایج حاصل از هر مرحله، آنالیز آماری شده و مورد بحث و نتیجه­گیری قرار گرفت.  
   نتایج: پژوهش حاضر نشان داد که پوشش‌دهی با دی‌آمونیوم فسفات و نانو رس در حضور نشاسته کاتیونی، موجب بهبود قابل توجه خواص مکانیکی، کاهش نفوذپذیری آب، و افزایش مقاومت در برابر شعله شد به‌ویژه، استفاده از دی‌آمونیوم فسفات در غلظت ۳۰ درصد، بازده زغال را به 165/48 درصد رساند که معادل افزایش ۱۳۳ درصدی نسبت به نمونه شاهد و ۱۱۱ درصدی نسبت به نانو رس بود. همچنین، پوشش‌های دارای نانورس نیز عملکرد مناسبی در کاهش اشتعال‌پذیری نشان دادند، اگرچه اثربخشی دی آمونیوم فسفات در غلظت‌های بالا چشمگیرتر بود. این نتایج تأیید می‌کند که اصلاح کاغذ حاصل از خمیر سودای باگاس با این ترکیب، امکان تولید کاغذ با خواص بازدارندگی شعله بالا و ایجاد رفتار خود خاموش شونده گی، بازده زغال مطلوب و بدون انتشار مواد مضری مانند هالوژن یا فرمالدئید را فراهم می‌سازد.
نتیجه‌گیری: استفاده از دی­آمونیوم فسفات و نانو رس در حضور نشاسته کاتیونی به‌­عنوان مواد پوششی می‌تواند ویژگی­‌های فیزیکی و مقاومتی کاغذ باگاس را بهبود ببخشد و آن را برای کاربرد­های مختلف مقاوم به شعله مناسب‌تر سازد. به­طور کلی کاغذ­های پوشش­داده شده با دی­آمونیوم فسفات در مقایسه با نانورس، ویژگی­های نسبتا بهتری را نشان دادند. لذا نتایج پژوهش حاضر تأیید می‌­کند که با این اصلاح می‌توان کاغذ حاصل از خمیر کاغذ سودای باگاس را با ویژگی­های مقاومت به آتش بسیار خوب،  بازده بالای بازدارندگی شعله و بدون انتشار هالوژن یا فرمالدئید تولید کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-ASTM, 2020. Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry. ASTM E1131-20.
-Ashley, R.H., Matthew, R., Gillian, G.A. and Elsie, E.E., 2013. Clays and tetracyclines: composite formulation and antibacterial properties’, in XV International Clay Conference.
-Basak, S., Samanta, K.K., Chattopadhyay, S.K. and Narkar, R., 2015. Thermally stable cellulosic paper made using banana pseudostem sap: a wasted by-product’, Cellulose, 22, pp. 2767–2776. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0662-7
-Božič, M., Liu, P., Mathew, A.P. and Kokol, V., 2014. Enzymatic phosphorylation of cellulose nanofibers to new highly-ions adsorbing, flame-retardant and hydroxyapatite-growth induced natural nanoparticles’, Cellulose, 21, pp. 2713–2726. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0281-8
-Browne, F., 1958. Theories of the combustion of wood and its control’, United States Department of Agriculture Forest Service Report, 2136, pp. 1–72.
-Castvan, S., Lazarevic, D., Stojanovic, P., Ivkovic, Z., Petrovic, R. and Kovic, J., 2015. Improvement of the mechanical properties of paper by starch coatings modified with sepiolite nanoparticles’, Starch, 67, pp. 373–380. https://doi.org/10.1002/star.201400171
-Davies, P.J., Horrocks, A.R. and Alderson, A., 2005. The sensitization of thermal decomposition of ammonium polyphosphate’, Thermochimica Acta, 432(1–2), pp. 73–82.
-Di Blasi, C., Branca, C. and Galgano, A., 2007. Effects of diammonium phosphate on the yields and composition of products from wood pyrolysis’, Industrial & Engineering Chemistry Research, 46, pp. 430–438. https://doi.org/10.1021/ie0612616
-Ding, Y., Huang, K., Li, W., Du, K., Lu, Y. and Zhang, T., 2020. Thermal interaction analysis of isolated hemicellulose and cellulose by kinetic parameters during biomass pyrolysis’, Energy, 195, p. 117010. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117010
-Dong, L.Y. and Zhu, Y.J., 2017. A new kind of fireproof flexible inorganic nanocomposite paper and its application to the protection layer in flame-retardant fiber-optic cables’, Chemistry – A European Journal, 23, pp. 4597–4604. https://doi.org/ 10.1002/ chem.201604552
-Fu, Q., Medina, L., Li, Y., Carosio, F., Hajian, A. and Berglund, L.A., 2014. Nanostructured wood hybrids for fire-retardancy prepared by clay impregnation into the cell wall’, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, pp. 36154–36163. https://doi.org/ 10.1021/acsami.7b10008
-Gholamian, H. and Javed, A., 2021. Investigating the effect of clay nanoparticles and different coatings on increasing the thermal properties and fire resistance of wood’, Color Science and Technology, 15(3), pp. 165–176.
-Guazzotti, V., Limbo, S., Piergiovanni, L., Fengler, R., Fiedler, D. and Gruber, L., 2015. A study into the potential barrier properties against mineral oils of starch-based coatings on paperboard for food packaging’, Food Packaging and Shelf Life, 3, pp. 9–18. https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2014.09.003
-Howell, B.A., Lienhart, G.W., Livingstone, V.J. and Aulakh, D., 2014. 1-Dopyl-1,2-(4-hydroxyphenyl) ethene: A flame retardant hardener for epoxy resin’, Polymer Degradation and Stability, 175, p. 109110. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109110
-Jia, Y.L., Lu, Y. and Zhang, G.X., 2017. Facile synthesis of an eco-friendly nitrogen-phosphorus ammonium salt to enhance the durability and flame retardancy of cotton’, Journal of Materials Chemistry A, 5, pp. 9970–9981. https://doi.org/10.1039/c7ta01106g
-Kazuaki, N., Megumi, A. and Takayuki, T., 2018. Lignocellulose nanofibers prepared by ionic liquid pretreatment and subsequent mechanical nanofibrillation of bagasse powder: application to esterified bagasse/polypropylene composites’, Carbohydrate Polymers, 182, pp. 8–14. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.11.003
-Kollman, F.F.P. and Côté, W.A., 1968. Principles of wood science and technology: solid wood. Allen & Unwin.
-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), pp. 100–125. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.002
-Mark, R.E. Jr., Habeger, C.C., Borch, J., Lyne, M.B. and Decker, M., 2002. Handbook of physical testing of paper. 1st edn. pp. 562–873. https://doi.org/10.1201/9781482290103
-Mortazavi, F., Resalati, H., Rasouli, S. and Asadpour, G., 2021. Investigation of industrial paper coating with recycled kaolin’, Journal of Color Science and Technology, 15(2), pp. 117–129.
-Narchin, P. and Afra, E., 2014. Characteristics, operation mechanism, and applications of clay’, Quarterly Journal of Scientific-Promotional of Nanoworld, (35), p. 4.
-Oliveira, P., Conceição, S., Santos, N.F., Velho, J. and Ferreira, P., 2004. The influence of rheological modifiers on coated papers: A comparison between CMC and MHPC’, in Proceedings of III CIADICYP Congress, Madrid/Cordoba, Spain, pp. 354–359.
-Pan, H., Song, L., Ma, L., Pan, Y., Liew, K.M. and Hu, Y., 2014. Layer-by-layer assembled thin films based on fully biobased polysaccharides: Chitosan and phosphorylated cellulose for flame-retardant cotton fabric’, Cellulose, 21(5), pp. 2995–3006. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0318. https://doi.org/10.1007/s10570-014-0276-5
-Papaspyrides, C.D. and Kiliaris, P., 2014. Polymer green flame retardants. Netherlands: Elsevier, pp. 3–6. https://doi.org/10.1016/b978-0-444-53808-6.05001-0
-Roohani, M., Habibi, Y., Belgacem, N.M., Ebrahim, G., Karimi, A.N. and Dufresne, A., 2008. Cellulose whiskers reinforced polyvinyl alcohol copolymers nanocomposites’, European Polymer Journal, 44(8), pp. 2489–2498. https://doi.org/10.1016 /j. eurpolymj.2008.05.024
-Sharifi, N. and Taghavinia, N., 2009. Silver nano-islands on glass fibers using heat segregation method’, Materials Chemistry and Physics, 113, pp. 63–66. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys. 2008.07.026
-Shen, J. and Qian, X., 2012. Use of mineral pigments in fabrication of superhydrophobically engineered cellulosic paper’, BioResources, 7(4), pp. 4495–4498. https://doi.org/10.15376/biores.7.4.4495-4498.
-Silva, T.C.F., 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), pp. 1945–1956. https://doi.org/10.1007/s10570-012-9761-x
-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’, Carbohydrate Polymers, 111, pp. 442–448. https://doi.org/10.1016/j.carbpol. 2014.04.049
-TAPPI (2013) ‘Standard conditioning and testing atmospheres for paperboard pulp handsheets and related products’, TAPPI Test Methods, T 402 sp-08.
-Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R. and Mazela, B., 2021 Cellulose and its nano-derivatives as a water-repellent and fire-resistant surface: A review’, Materials, 15(1), p. 82. https://doi.org/10.3390/ma15010082
-Tutus, A., Cicekler, M. and Deniz, I., 2012 ‘Using of burnt red pine wood for pulp and paper production’, KSU Journal of Engineering Science, pp. 90–95. (In Turkish, abstract in English).
-Weil, E.D. and Levchik, S.V., 2015. Flame retardants for plastics and textiles: Practical applications. Germany: Hanser, pp. 303–333. https://doi.org/10. 3139/9781569905791.fm
-Xiao, Z., Xu, J., Mai, C., Militz, H., Wang, Q. and Xie, Y., 2016. Combustion behavior of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood treated with a dispersion of aluminum oxychloride-modified silica’, Holzforschung, 70, pp. 1165–1173. https://doi.org/ 10.1515/hf-2016-0062
-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, pp. 7009–7022. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03248-w.
-Younis, A.A., Mohamed, S.A.A., El-Samahy, M.A. and Abdel Kader, A.H., 2021. Novel fire-retardant bagasse papers using talc/cyclodiphosphazane and nanocellulose as packaging materials’, Egyptian Journal of Petroleum, 30, pp. 25–32. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2020.12.005
-Zaheri, S. and Asadpur, G., 2019. Feasibility study of using different types of bio-polymer coatings on paper packaging materials’, Packaging Science and Art, 10(38), pp. 18–27. (In Persian)
-Zhang, T., Wu, M., Kuga, S., Ewulonu, C.M. and Huang, Y., 2020. Cellulose nanofibril-based flame retardant and its application to paper’, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(27), pp. 10222–10229. https://doi.org/10. 1021/ acssusch emeng.0c02892