سنتز کمپلکس گلیسیرین- کلسیم‌کربنات و اثر آن بر مقاومت کششی کاغذ

Abstract

بیان مساله و اهداف: یکی از چالش‌های عمده در استفاده از کلسیم کربنات، تمایل به رسوب‌گذاری در سیستم‌های تولید کاغذ به دلیل اندازه ذرات آن است. برای کاهش این مشکل معمولاً از پلی‌آکریل‌آمید کاتیونی (CPAM) استفاده می‌شود. با وجود این، مصرف بیش از حد (CPAM) می‌تواند اثرات محیط­زیستی نامطلوبی داشته باشد. از سوی دیگر، استفاده از کلسیم کربنات ممکن است منجر به کاهش پیوندهای بین الیاف و در نتیجه افت مقاومت مکانیکی کاغذ شود. به‌منظور کاهش این چالش‌ها و بهبود خواص مکانیکی کاغذ، اصلاح شیمیایی کلسیم کربنات پیشنهاد شده است. در این مطالعه، کلسیم کربنات با استفاده از گلیسیرین تیمار شده است. گلیسیرین، به دلیل داشتن گروه‌های عاملی هیدروکسیل، می‌تواند با یون‌های کلسیم واکنش داده و کمپلکس‌های پایدار تشکیل دهد. این پژوهش با هدف بررسی اثر گلیسیرین بر ماندگاری پرکننده‌ها، ماندگاری الیاف و مقاومت مکانیکی کاغذ انجام شده است. همچنین تلاش شده است تا جایگزینی سازگار با محیط زیست برای CPAM ارائه شود.مواد و روشها: برای تهیه کمپلکس گلیسیرین-کلسیم کربنات، از کربنات کلسیم آسیابی ‌(GCC)، گلیسیرین، نشاسته خام، پلی‌وینیل‌الکل (PVA) و کربوکسی‌متیل‌سلولز (CMC) استفاده شد. در فرآیند سنتز، گلیسیرین و کلسیم کربنات با نسبت‌های مولی مختلف ترکیب شدند و محلول حاصل به مدت 90 دقیقه در دمای 50 درجه سانتی‌گراد هم‌زده شد تا کمپلکس تشکیل گردد. در مرحله بعد، محلول 7/0 درصد PVA جداگانه تهیه شد و به مخلوط گلیسیرین-کلسیم کربنات افزوده شد و به مدت 50 دقیقه هم‌زده شد. سپس نشاسته خام (که از قبل پخته شده بود) و CMC به مقادیر 2/1 و 1 درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه گردید. این ترکیب به مدت 20 دقیقه هم‌زده شد و در نهایت بوراکس به مقادیر 01/0، 005/0 و 001/0 گرم در یک میلی‌لیتر آب مقطر به آرامی به محلول اضافه شد. محلول نهایی با هم زدن به یک ترکیب یکنواخت تبدیل گردید. برای تنظیم pH خمیرکاغذ در محدوده 8، سدیم هیدروکسید به آن افزوده شد. کربنات کلسیم آسیابی در حالت اصلاح‌نشده و اصلاح‌شده، به مقادیر 20، 35 و 47 درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه شد. سپس نمونه‌های کاغذ با وزن پایه 60 گرم بر مترمربع تهیه شدند. برای بررسی ویژگی‌های ریزساختاری و اندازه ذرات نمونه‌های کلسیم کربنات و ساختار شیمیایی آن‌ها، از آزمون‌های مختلف شامل میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و طیف‌سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه استفاده شد.نتایج: حضور پیک‌های پهن و قوی در cm-13370 و cm-13500 نشان‌دهنده کشش گروه‌های O-H بود. میزان خاکستر کاغذهای تیمارشده با کمپلکس حاوی 05/0 درصد بوراکس و 32 درصد کلسیم کربنات، قابل مقایسه با نمونه‌های تیمارشده با 03/0 درصد CPAM بود. مقدار خاکستر کاغذهای حاوی کمپلکس گلیسیرین-کلسیم با مصرف 3/0 درصد بوراکس و 49 درصد کلسیم کربنات برابر با نمونه‌های حاوی 06/0 درصد CPAM بود. با استفاده از این کمپلکس، امکان تولید کاغذی با محتوای بالای کلسیم کربنات فراهم شد که در مقایسه با نمونه‌های شاهد، ماندگاری پرکننده‌ای بین 5 تا 40 درصد بیشتر داشت. این فرآیند امکان افزودن 5 تا 7 درصد پرکننده بیشتر در کاغذ دست‌ساز را بدون نیاز به CPAM فراهم کرد که به‌طور مشابه مصرف خمیرکاغذ شیمیایی را کاهش داد.نتیجه­ گیری: استفاده از کمپلکس گلیسیرین-کلسیم موجب افزایش پیوندهای هیدروژنی در ساختار کاغذ شد. در مقابل، روش‌های معمول افزودن کلسیم کربنات با استفاده از CPAM باعث کاهش پیوندهای بین الیاف می‌شوند. این امر منجر به بهبود شاخص مقاومت در برابر کشش در نمونه‌های تیمارشده با کمپلکس گردید. این پژوهش نشان می‌دهد که کمپلکس گلیسیرین-کلسیم کربنات می‌تواند به‌عنوان جایگزینی مؤثر برای پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی در صنعت کاغذسازی مورد استفاده قرار گیرد و بهبود خواص مکانیکی و ماندگاری کاغذ را فراهم کند.