فهرست مطالب

تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران - سال سی و هشتم شماره 4 (پیاپی 85، زمستان 1402)

مجله تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران
سال سی و هشتم شماره 4 (پیاپی 85، زمستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/10/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سعید مهدوی*، بهنام غلامپور صفحات 251-265
    سابقه و هدف
    بازیافت کاغذ علاوه بر کاهش مصرف منابع مختلف مانند آب، انرژی و نیز چوب درختان در کشورهای مختلف، به دلیل آلایندگی کمتر همواره رو به افزایش است. یکی از نقاط ضعف اصلی خمیرکاغذ کارتن کهنه، ویژگی های مقاومتی آن است که سبب محدود شدن کاربرد آن در بخش های مختلف صنعت بسته بندی شده است. در این مطالعه، به بررسی تاثیر استفاده از مواد افزودنی برای بهبود ویژگی های مقاومتی خمیرکاغذ کارتن کهنه در دو حالت تر و خشک به منظور ساخت کاغذ لاینر رویه کارتن پرداخته شده است.
    مواد و روش ها
    خمیرکاغذ کارتن کهنه از کارتن های تولید داخل کشور تهیه شد. به منظور بررسی عملکرد و تعیین مقدار بهینه مواد افزودنی، ابتدا از نشاسته کاتیونی ذرت (با سطوح 1، 4/1 و 2 درصد)، رزین بهبوددهنده مقاومت تر کاغذ (با سطوح 1، 2 و 3 درصد)، AKD (با سطوح 1، 2 و 3 درصد) و خمیرکاغذ الیاف بلند بازیافتی لفاف چای وارداتی (با سطوح 10، 15 و 20 درصد) بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ به عنوان مواد افزودنی و به صورت جداگانه به خمیرکاغذ کارتن کهنه استفاده شد و کاغذهای دست ساز آزمایشگاهی با جرم پایه 120 گرم بر مترمربع ساخته شد. برای مقایسه اثر مستقل افزودنی ها، مقاومت کششی، مقاومت به ترکیدن و مقاومت به پاره شدن در دو حالت تر و خشک و مقدار جذب آب (کاپ) بر روی نمونه های آزمونی اندازه گیری شد. بر این اساس، سطح بهینه مواد افزودنی مشخص شد و بعد از تیمار ترکیب بهینه شامل خمیر کارتن کهنه و سطوح مناسب همه افزودنی ها، کاغذهای دست ساز ساخته شد و خواص مختلف آنها مقایسه آماری گردید.  
    نتایج
    مقدار جذب آب (کاب) کاغذهای دست ساز با افزودن AKD، نسبت به نمونه تا حدود 90 درصد کاهش یافت و این افزودنی توانست مقدار جذب آب کاغذ دست ساز تهیه شده از کارتن کنگره ای کهنه را تا محدوده مناسبی (حدود 20 گرم بر مترمربع) کاهش دهد. بیشترین افزایش مقاومت کششی در حالت تر کاغذ با استفاده از 3 درصد رزین مقاومت تر نسبت به شاهد حاصل شد. این رزین مقاومت کششی، ترکیدن و پاره شدن باقیمانده در کاغذ بازیافتی را در حالت تر به ترتیب در حدود 25، 46 و 58 درصد نسبت به حالت خشک حفظ کرده است و عملکرد مناسبی داشته است. نتایج نشان داد که با افزودن نشاسته کاتیونی و خمیرکاغذ الیاف بلند بازیافتی، همه مقاومت های کاغذ دست ساز در حالت خشک نسبت به نمونه شاهد، به صورت مستقل افزایش یافتند. تیمار ترکیب بهینه براساس نتایج حاصل از استفاده افزودنی ها به طور مستقل در خمیرکاغذ OCC، شامل استفاده از 1 درصد نشاسته کاتیونی، 1 درصد AKD و 3 درصد رزین مقاومت تر براساس ملاحظات فنی- اقتصادی انتخاب شد. استفاده از این تیمار باعث شد که میانگین مقاومت های کششی و ترکیدن در حالت خشک کاغذهای دست ساز، با افزودن 20 درصد خمیرکاغذ الیاف بلند بازیافتی اختلاف معنی داری نداشته باشد و میانگین آنها در یک گروه آماری قرار بگیرد.
    نتیجه گیری
    استفاده از 20 درصد خمیرکاغذ الیاف بلند بازیافتی لفاف چای، موجب بهبود قابل توجه مقاومت های خمیرکاغذ کارتن کهنه در حالت خشک شده است، اما افزودن 1 درصد نشاسته کاتیونی ذرت موجب بهبود ناچیزی در مقاومت های خشک خمیرکاغذ کارتن کهنه شد. استفاده از 3 درصد رزین مقاومت تر نیز موجب بهبود معنی دار مقاومت های خمیرکاغذ کارتن کهنه در حالت تر شده است و افزودن 1 درصد AKD موجب کاهش معنی دار جذب آب خمیرکاغذ کارتن کهنه تا حدود 14 گرم بر مترمربع شد. تیمار بهینه اختلاط افزودنی های شیمیایی شامل 1 درصد نشاسته کاتیونی ذرت، 1 درصد AKD و 3 درصد رزین مقاومت تر برای بهبود مقاومت های تر و خشک کاغذ لاینر ساخته شده از خمیرکاغذ کارتن کهنه برای استفاده برای بسته بندی فراورده های سردخانه ای و فریزری توصیه می شود.
    کلیدواژگان: بسته بندی، لایه رویه، الیاف بلند بازیافتی، افزودنی های شیمیایی، مقاومت تر، مقاومت خشک
  • جعفر ابراهیم پور کاسمانی*، احمد ثمریها، علیرضا خاکی فیروز صفحات 266-280
    سابقه و هدف
    بازیافت کاغذ باطله به عنوان یک صنعت در ایران و جهان رشد کرده است و به محیط زیست و انسان ها مزایای زیادی ارایه می دهد. زباله های شهری نیز پس از فرایندهای بازیافت دوباره استفاده می شوند. صنعت بازیافت مقوا اهمیت زیست محیطی و اقتصادی زیادی دارد و با کمبود منابع چوبی و تقاضای بالا برای محصولات کاغذی، نقش مهمی در توسعه صنایع مرتبط با کاغذ ایفا می کند. بااین حال، بازیافت می تواند با کاهش ویژگی های نوری کاغذ همراه باشد. استفاده از نانوذرات در صنعت کاغذسازی نیز روز به روز در حال گسترش است. نانوسیلیکا یکی از مهمترین نانوذرات است که به عنوان ماده کمک نگه دارنده در صنعت کاغذسازی استفاده می شود. به منظور کاهش مصرف الیاف بلند و به دست آوردن ویژگی های نوری مطلوب، استفاده از نانوسیلیکا به تنهایی یا در ترکیب با مواد دیگر مانند نشاسته کاتیونی و پلی اکریل آمید کاتیونی بررسی می شود. هدف از این پژوهش، مقایسه تاثیر استفاده مجزا و ترکیبی از افزودنی های نانوسیلیکا، پلی اکریل آمید کاتیونی، نشاسته کاتیونی و الیاف بلند بر خواص نوری خمیرکاغذ لاینر سفید است.
    مواد و روش ها
    در این مطالعه، برای تهیه کاغذهای دست ساز از خمیرکاغذ سفید با روشنی حداقل 78 درصد و براقیت حداقل 45 درصد استفاده شد. خمیرکاغذ شیمیایی الیاف بلند از کرافت سوزنی وارداتی از روسیه با درجه روشنی 89 درصد در آزمایشگاه استفاده گردید. برای افزودنی ها، از پودر نانوسیلیس (NanoSiO2) تولیدشده توسط شرکت Degussa آلمان، پلی آکریل آمید کاتیونی با نام تجاری Farinret K325 تولید شرکت Degussa آلمان و نشاسته کاتیونی از شرکت LyckebyAmylex اسلواکی استفاده شد. تیمارهای مستقل شامل افزودن 10 درصد خمیرکاغذ الیاف بلند پالایش شده، 6 درصد نانوسیلیس، 5/1 درصد نشاسته کاتیونی و 15/0 درصد پلی آکریل آمید کاتیونی و تیمارهای ترکیبی شامل 6 درصد نانوسیلیس و 5/1 درصد نشاسته کاتیونی و 6 درصد نانوسیلیس و 15/0 درصد پلی آکریل آمید کاتیونی بود. سپس کاغذهای دست ساز 127 گرمی تهیه شده و خواص نوری و میکروسکوپی آنها ارزیابی شد.
    نتایج
    نتایج نشان داد که با افزودن 10% الیاف بلند، روشنی کاهش یافت و با استفاده از 6% نانوسیلیکا، روشنی بیشینه حاصل شد. همچنین، سفیدی کاغذها با 6% نانوسیلیکا کمینه و با 15/0% پلی آکریل آمید کاتیونی بیشینه بود. ماتی بیشترین مقدار خود را با ترکیب 6% نانوسیلیکا و 15/0% پلی آکریل آمید کاتیونی نشان داد. همچنین، با افزایش میزان پلی آکریل آمید و نشاسته کاتیونی، به صورت جداگانه یا ترکیبی با نانوسیلیکا، ماتی افزایش یافت. ضریب جذب نور در کاغذهای دارای 6% نانوسیلیکا کمینه و ضریب پخش نور در کاغذهای حاوی 6% نانوسیلیکا و 15/0% پلی آکریل آمید کاتیونی بیشینه بود. از دستگاه رنگ سنج برای اندازه گیری مولفه های رنگ استفاده شد و نتایج نشان داد که افزودنی ها تاثیری در روشنی و سفیدی کاغذها داشتند. همچنین، تغییرات در طیف رنگی و میزان تغییر رنگ نیز مشاهده شد. افزودنی ها موجب افزایش تیرگی و تغییرات در رنگ های مختلف شدند.
    نتیجه گیری
    استفاده از نانوسیلیکا به صورت مجزا و در ترکیب با نشاسته و پلی آکریل آمید کاتیونی، باعث افزایش روشنی کاغذها می شود. همچنین، استفاده از پلی آکریل آمید کاتیونی به صورت مجزا و در ترکیب با نانوسیلیکا، منجر به افزایش سفیدی و ماتی کاغذها می شود. عامل روشنی کاغذها که با نماینده مولفه L* است، به استثنای افزودن 10% الیاف بلند و 6% نانوسیلیکا، کاهش یافت. میزان تغییر رنگ کلی نیز با ∆E*، در نمونه هایی که 5/1% نشاسته کاتیونی داشتند، کمترین و در نمونه هایی که 15/0% پلی آکریل آمید کاتیونی داشتند، بیشترین مقدار را داشت. استفاده از برخی تیمارها می تواند منجر به کاهش خواص نوری و کاهش کیفیت چاپ پذیری لاینر سفید شود که برای رفع این مشکل می توان از خمیرکاغذ مکانیکی رنگبری شده یا اندود سطح کاغذ استفاده کرد. حضور ذرات نانوسیلیکا در ساختار کاغذ، باعث بهبود سطح پیوند و کاهش خلل و فرج می شود که درنتیجه به کاهش ناهمواری سطح و شکست کمتر نور منجر می شود و باعث افزایش انعکاس نور و روشنی کاغذ می گردد.
    کلیدواژگان: نانوسیلیکا، نشاسته کاتیونی، پلی آکریل آمید کاتیونی، لاینر سفید، کاغذ بسته بندی
  • اکبر مستوری، داود افهامی سیسی*، اصغر طارمیان، علیرضا قلی نژاد پیربازاری، محمد آزادفلاح صفحات 281-295
    سابقه و هدف

    اصلاح سطح و پوشش دهی یکی از روش های موثر برای افزایش عملکرد و عمر مفید سازه های چوب محسوب می شود. انواع تکنیک های فوق آب گریزی با زاویه تماس بالای 150 درجه و زاویه لغزش کمتر از 10 درجه، علاوه بر ایجاد آبگریزی بسیار بالا، ماهیت ضد میکروبی و سایر خواص سطحی بستر را نیز بهبود می دهند. مواد فلوره و نانوذرات از رایج ترین مواد در این زمینه هستند. باوجوداین، مقاومت در برابر تخریب مکانیکی، رطوبتی و مسیله زیست محیطی در ارتباط با سطوح فوق آبگریز بسیار حایز اهمیت است. موم های طبیعی یکی از مواد کارآمد و سالم برای ایجاد پوشش فوق آبگریز بادوام با زیست سازگاری بالا مطرح هستند. در این تحقیق از نانو سیلیکای اصلاح شده با مواد الکیلی غیر فلویوره در حضور رزین اپوکسی برای ایجاد سطوح فوق آبگریز روی چوب توس (Betula pendula) استفاده شده است. همچنین، از موم گیاهی نخل کارنابا برای افزایش خودتمیزشوندگی و پایداری زاویه تماس در شرایط آسیب مکانیکی، رطوبتی و محیط های مخرب به طور مقایسه ای استفاده شده است.

    مواد و روش ها

    از دودسیل تری کلروسیلان در حضور حلال تولوین برای عامل دار و هیدروفوب کردن نانو سیلیکا استفاده شد. از فرمولاسیون حاوی 2 درصد نانو سیلیکای اصلاح شده و مقداری رزین اپوکسی به روش اسپره برای پوشش دهی و فوق آبگریز کردن چوب توس استفاده گردید. همچنین، از مقدار بهینه موم نخل برزیلی کارنابا (موم گیاهی) به عنوان عامل تقویت کننده و مقاوم ساز برای ساخت پوشش نانوهیبریدی استفاده شد. دوام و پایداری به تخریب مکانیکی (سایش سمباده، ضربه آب) و شرایط پرمخاطره (اسیدی، قلیایی، اشعه فرابنفش و حلال) بررسی گردید. در نهایت ظرفیت خودتمیزشوندگی سطوح چوبی فراوری شده، به روش های متفاوت کیفی (سطح شیب دار) و کمی (قطره گذاری) با استفاده از مایعات مصرفی خوراکی ارزیابی شد.

    یافته ها

    هر دو نوع نانو پوشش کامپوزیتی (بدون موم) و هیبریدی (حاوی موم) سبب ایجاد ماهیت فوق آبگریزی روی چوب توس شدند. افزودن مقدار بهینه از موم کارنابا به ساختار نانو پوشش بر پایه اپوکسی، منجر به زاویه تماس 170 درجه و زاویه لغزش کمتر از 3 درجه قطره آب می شود. علاوه بر این، افزودن موم کارنابا سبب پایداری و استحکام سطوح فوق آب گریز در شرایط پرمخاطره آبی و مکانیکی (سایش سمباده) شد. بالاترین میزان پایداری در محیط های پرمخاطره مربوط به نانو پوشش هیبریدی بود. بالاترین میزان زاویه تماس برای آب انار و کمترین برای شیر مشاهده شد. همچنین، ظرفیت خودتمیزشوندگی با انواع نوشیدنی نوشابه زرد و مشکی بر روی سطح فوق آبگریز موفقیت آمیز بود.

    نتیجه گیری

    استفاده از موم کارنابا سبب افزایش زاویه تماس و کاهش زاویه لغزش شد. استفاده از موم کارنابا سبب بهبود چشمگیر خواص مکانیکی و ضدآبی پوشش فوق آبگریز شد. ماهیت شیمیایی موم درون پوشش نانو هیبریدی دلیل برتری پوشش فوق آبگریز روی چوب است. سطح فوق آب گریز ساخته شده با پوشش نانوهیبریدی در حضور موم کارنابا دارای ظرفیت خودتمیزشوندگی، زیست سازگاری و پایداری در شرایط سرویس بوده و برای حفاظت از انواع سطوح عمومی در زمینه مواد غذایی، به ویژه مواد لیگنوسلولزی مانند چوب و کاغذ می تواند استفاده شود.

    کلیدواژگان: فوق آب گریز، پوشش نانو کامپوزیتی‎، ‎‏ هیبریدی، موم کارنابا، دودسیل تری کلروسیلان، زیست سازگار. ‏
  • مصطفی خواجه محمودی*، مهرناز آزادی بویاغچی، محسن محمدی آچاچلویی، مجید قهرمان افشار صفحات 296-315
    سابقه و هدف
    سفیدکاری کاغذ دغدغه بسیاری از حفاظت گران است. تحقیقاتی با هدف ارزیابی برخی مواد سفید کننده سنتی مورد استفاده در حفاظت اسناد و کتاب ها مانند پراکسید هیدروژن و بوروهیدرید سدیم انجام شده است که نشان می دهد این مواد در خصوصیات مکانیکی کاغذهای تاریخی بهبود قابل توجهی ایجاد نمی کند. همچنین بررسی تاثیر احیاء کننده ها بر کاغذهای اکسید شده، نشان از اثربخشی کمپلکس ترت بوتیل آمین بوران داشته است. در بررسی دیگر، پنج فرایند رنگبری با اکسید کننده ها (هیپوکلریت کلسیم، پراکسید هیدروژن در دو غلظت، سفیدگری نوری (Light Bleaching) و پرمنگنات پتاسیم) و دو فرایند رنگبری با احیاء کننده ها (بوروهیدرید سدیم و ترت بوتیل آمین بوران) با یکدیگر مقایسه و تاثیر آنها بر روی سلولز خالص (کاغذ صافی واتمن) و دو کاغذ مختلف تاریخی بررسی شده است. نتایج حکایت از آن دارد که تمام روش های رنگبری آزمایش شده منجر به افزایش روشنی شده اند. با توجه به اختلاف نظرها، در این پژوهش میزان اثربخشی دو ماده کاهنده بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم بر ویژگی های ظاهری و ساختاری کاغذ بررسی می گردد.
    مواد و روش ها
    در این تحقیق از کاغذ فیلتر واتمن شماره 1 (Whatman Filter Paper No. 1) ساخت کشور انگلستان با ضخامت 180 میکرون، قطر 11 سانتی متر، وزن پایه 87 گرم بر مترمربع (گرماژ) و درصد خاکستر 06/0 درصد استفاده شده است. معرف های شیمیایی شامل پرسولفات پتاسیم، بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم در بالاترین خلوص در نوع آزمایشگاهی از شرکت مرک آلمان تهیه شده است.سه محلول شامل پرسولفات پتاسیم (2 درصد وزنی/حجمی)، بوروهیدرید سدیم (1 درصد وزنی/حجمی) و دی تیونیت سدیم (1 درصد وزنی/حجمی) در آب مقطر (Distilled water, pH; 7)، برای انجام آزمون ها بر روی نمونه های کاغذ به شیوه غوطه وری استفاده شده است.نمونه های کاغذ فیلتر واتمن  به مدت 2 روز (48 ساعت) تحت اکسیداسیون در محلول 2 درصد پرسولفات پتاسیم در آب مقطر به روش غوطه وری قرار گرفتند و بعد نمونه ها شسته شدند. در ادامه، نمونه های اکسید شده به وسیله دو محلول بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم 1 درصد در آب مقطر در بازه های زمانی 1 تا 5 ساعت، اصلاح شده و بعد در آب مقطر شسته شدند. همچنین، نمونه ها تحت کهنه سازی تسریع یافته بر اساس استاندارد ASTM به شماره D4714-96 در درجه حرارت 2±90 سانتی گراد و میزان رطوبت نسبی 2 ±50 درصد به مدت 384 ساعت قرار گرفتند. روش های آزمون شامل پتانسیواستات، رنگ سنجی، مقاومت به کشش،  pH سنجی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف سنجی مادون قرمز است.
    نتایج
    نتایج نشان می دهد اکسید کننده ترین محلول در بین سه محلول مورد استفاده در روز اول، پرسولفات پتاسیم است و نشان دهنده کاهنده بودن دو محلول دی تیونیت سدیم و بوروهیدرید سدیم است که با توجه به نتایج آزمون، بوروهیدرید سدیم قدرت کاهندگی بیشتری را نسبت به دی تیونیت سدیم نشان می دهد. نمونه اکسید شده با pH 92/3 پس از کهنه سازی تسریع یافته، با افزایش چند واحدی pH پس از اصلاح با دو ماده کاهنده همراه بوده است. بررسی داده های حاصل از آزمون مقاومت به کشش نشان می دهد در قیاس با نمونه اکسید شده با شاخص کشش 06/1، نمونه های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم در همه پنج بازه زمانی اصلاح، سبب افزایش شاخص کششی نمونه های کاغذ شده است. بررسی طیف سنجی مادون قرمز نمونه های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم نشان می دهد این ماده کاهنده، با احیاء پیوندهای C=O به C-O و کاهش جذب در ناحیهcm-1 1640 سبب بهبود ساختار سلولز پس از کهنه سازی تسریع یافته شده است. کاهش باند جذبی در ناحیهcm-1 1640 تقریبا در همه بازه های زمانی اصلاح با این ماده نسبت به طیف نمونه اکسید شده دیده می شود.بر اساس داده ها، نمونه های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم افزایش قابل توجهی (تقریبا 25 واحدی) را در فاکتور L (روشنی-تیرگی) پس از کهنه سازی داشته اند که نشان می دهد این دو ماده با احیاء ترکیبات رنگی سبب افزایش روشنی نمونه ها شده اند. در بررسی میکروسکوپی از سطح الیاف، در نمونه اکسید شده با پرسولفات پتاسیم جدایی موضعی الیاف مشاهده می شود. در نمونه های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم، الیاف با قوام و درهم تنیدگی بیشتری مشاهده می گردد.
    نتیجه گیری
    پیوندهای دوگانه و گروه های کربونیل شکل گرفته در نمونه کاغذهای اکسید شده با پرسولفات پتاسیم، مسیول اصلی زردی و تیرگی کاغذ بوده اند. عوامل کاهنده بوروهیدرید سدیم و دی تیونیت سدیم سبب کاهش این آلدهید و کتون به هیدروکربن شده، در نتیجه با از بین رفتن پیوندهای چندگانه مزدوج، جذب نور کاغذ کم شده و این مسیله سبب افزایش روشنی کاغذ شده است. کاهش پیوندهای دوگانه و احیاء آنها سبب بازآرایی دوباره زنجیره سلولز شده که به افزایش مقاومت مکانیکی و استحکام نمونه های کاغذ منجر شده است.
    کلیدواژگان: زردشدگی، اکسیداسیون کاغذ، سفیدگری، عوامل کاهنده
  • امید اسمعیلی، اسماعیل رسولی گرمارودی*، سید رحمان جعفری پطرودی صفحات 316-329
    سابقه و هدف

    در تولید خمیرکاغذ از موادی مانند هیپوکلریت سدیم، دی اکسید کلر، ازن، پروکسید هیدروژن و... در فرایند رنگبری استفاده می شود. بعلاوه، از مواد ذکرشده می توان به عنوان مواد اکسیدکننده و افزایش بار سطحی الیاف استفاده کرد که با حضور بر روی سطح الیاف در کاغذ نهایی می تواند به مقاومت تر کاغذ کمک کند. ازاین رو، این تحقیق برای بررسی اثر اکسیداسیون الیاف با دو ماده پروکسید هیدروژن و هیپوکلریت سدیم بر ویژگی های خمیرکاغذهای NSSC و OCC به ترتیب به عنوان خمیرکاغذهای بکر و بازیافتی انجام شد.

    مواد و روش ها

    خمیرکاغذهای مورد نیاز این تحقیق، خمیرکاغذ NSSC به صورت رنگبری نشده و خمیرکاغذ OCC از کارخانه چوب و کاغذ مازندران تهیه گردید و درصد خشکی، درجه روانی اولیه و روشنی خمیرکاغذها اندازه گیری شد. همچنین، مواد شیمیایی مورد نیاز همگی از درجه صنعتی استفاده شدند که پروکسید هیدروژن (به صورت مایع 52 درصد) از شرکت کلر پارس تبریز و هیپوکلریت سدیم (به صورت مایع 4/16 درصد) از شرکت کلران سمنان و سیلیکات سدیم از شرکت باوند شیمی قزوین، کاستیک (سود مایع) با درصد خلوص 47 برای رنگبری با پروکسید از پتروشیمی اروند آبادان و سود پرک (سود جامد) با درصد خلوص 90 برای رنگبری با هیپوکلریت از کلران پارس سمنان تهیه گردید. برای کنترل اثرهای تخریبی فلزات انتقالی، تمام خمیرکاغذها قبل از رنگبری، با 2/0% DTPA، در شرایط 2 درصد خشکی، زمان 30 دقیقه، دمای 90 درجه سلسیوس و 5/5-5pH=  تیمار شدند. در پایان این مرحله، خمیرکاغذها با آب مقطر به طور کامل شستشو داده شده و برای مراحل بعدی مورد استفاده قرار گرفتند. برای اکسیداسیون هر دو نوع خمیرکاغذ با پروکسید هیدروژن از نسبت های 3،4 و 5 درصد و هیپوکلریت سدیم برای اکسیداسیون خمیرکاغذ NSSC از نسبت های ذکرشده (مشابه پروکسید) و برای خمیرکاغذ OCC از نسبت های 0،5، 1 و 1، 5 درصد هیپوکلریت استفاده شد. سپس ویژگی های ساختاری الیاف مانند درجه روانی، عدد کاپا، قابلیت نگهداری آب، گرانروی و گروه های کربوکسیل بررسی و در پایان خمیرکاغذها به وسیله طیف سنجی FT-I.R ارزیابی شدند.

    نتایج

    نتایج نشان داد با افزایش میزان مصرف هیپوکلریت، در خمیرکاغذ NSSC اکسید شده درجه روانی افزایش یافته ولی در خمیرکاغذ OCC اکسید شده روند درجه روانی کاهشی است. این موضوع در مورد استفاده از پروکسید حالت عکس را نشان می دهد. همچنین، اکسیداسیون خمیرکاغذ توسط هیپوکلریت سدیم نسبت به پروکسید، باعث خروج مقدار لیگنین بیشتری شده است و از این نظر، اثرپذیری خمیرکاغذ OCC در مقایسه با خمیرکاغذ NSSC بیشتر بوده است. میزان نگهداری آب در الیاف خمیرکاغذ در تیمارهای خمیرکاغذ NSSC نسبت به خمیرکاغذ شاهد روند افزایشی داشته است و در مورد تیمارهای OCC نسبت به تیمار شاهد آن تغییر معنی دار نداشته و تنها در یک مورد (OC-Na1) کاهش معنی دار داشته است. با افزایش مصرف پروکسید در فرایند اکسیداسیون هر دو نوع خمیرکاغذ NSSC و OCC، با وجود افزایش میزان گرانروی، بین سطوح مختلف مصرف اختلاف معنی داری وجود ندارد. بعلاوه، با افزایش سطح مصرف هیپوکلریت، روند افزایش معنی دار بین گرانروی خمیرکاغذهای ذکرشده مشاهده می شود. مقدار گروه های کربوکسیل خمیرکاغذهای تیمار شده با پروکسید در هر دو نوع خمیرکاغذ NSSC و OCC نسبت به نمونه شاهد افزایش یافت. اثرگذاری هیپوکلریت در مقایسه با پروکسید در ایجاد گروه های کربوکسیل در هر دو نوع خمیرکاغذ بیشتر بوده است. ارزیابی طیف سنجی FT-IR هم نشان می دهد که عملیات اکسیداسیون با پروکسید و هیپوکلریت باعث افزایش گروه های کربوکسیل بر روی هر دو نوع خمیرکاغذ نسبت به نمونه های شاهد شده است.

    نتیجه گیری

    اثرگذاری هیپوکلریت در مقایسه با پروکسید در ایجاد گروه های کربوکسیل در هر دو نوع خمیر بیشتر بوده است، به طوری که به نظر می رسد افزایش گروه های کربوکسیل روی زنجیره سلولزی توسط پروکسید بیشتر بر روی C6 و توسط هیپوکلریت بیشتر بر روی C2 و C3 رخ داده است. عملیات اکسیداسیون با افزایش گروه های کربوکسیل و به دلیل ایجاد وزن مولکولی بالاتر باعث افزایش گرانروی خمیرکاغذها می شود. بعلاوه، افزایش گروه های کربوکسیل به دلیل فعالیت شیمیایی بالاتر، قادر به جذب آب بالاتر و WRV بالاتر می باشد.

    کلیدواژگان: خمیر NSSC، خمیرOCC، پروکسید هیدروژن، هیپوکلریت سدیم، اکسیداسیون
  • مهرنوش توکلی*، علی قاسمیان، محمدرضا دهقانی فیروزآبادی، ویتک گرژکویاک، بارت مازلا صفحات 330-340
    سابقه و هدف

    اثرات مخرب ناشی از افزایش حرارت در بستر های سلولزی که به عنوان پایه های اصلی صنایع بسته بندی، بسته بندی های مرغوب بهداشتی و بسته بندی مهمات به کار می روند، امری بدیهی و ناگزیر است. از این رو، اصلاح ساختار این فرآورده های زیستی توسط ترکیبات شیمیایی سبز و دوست دار محیط زیست به منظور افزایش دوام در برابر حرارت، ضروری است.

    مواد و روش ها

    در پژوهش حاضر، نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال های سلولزی اکسید شده با تمپو، به صورت جداگانه، توسط ترکیبات حاوی مواد کندسوز کننده، به صورت مخلوط دو گانه شامل "مونو آمونیوم فسفات و پروتیین آلبومین"، "سیلیکا و متیل-تری متوکسی سیلان" و مخلوط چهار گانه حاوی هر چهار ماده یاد شده، کندسوز شدند. سپس هر مخلوط به صورت جداگانه توسط پوشش دهنده میله ای روی مقوا های سلولزی تولیدی، پوشش دهی شد. ویژگی های کندسوزی مقوا های حاصل توسط سه آزمون حرارتی شامل: لوله آتش کوچک، درصد شاخص اکسیژن محدود و گرما سنج کاهش وزن ارزیابی شدند.

    نتایج

    بر مبنای نتایج مشاهده شده، نقش مونو آمونیوم فسفات، به سبب حضور گروه های فسفات به عنوان عامل پیش برنده واکنش زغال سازی در حین سوختن، به تنهایی در مخلوط دو گانه برجسته تر از مخلوط چهار گانه پوشش دهی، در مقوا های پوشش-دهی شده بر پایه نانوالیاف سلولزی و مقوا های پوشش دهی شده بر پایه نانوکریستال های سلولزی، بود. مقایسه نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال های سلولزی کندسوز شده، به عنوان پایه اصلی فرمول پوشش دهی نشان داد که مقوا های پوشش دهی شده با نانوالیاف سلولزی کندسوز شده، به سبب دارا بودن بخش های آمورف و کریستالی، میزان کاهش وزن بسیار کم تری در آزمون لوله آتش کوچک، درصد شاخص اکسیژن محدود تقریبا مشابه و حداکثر سرعت آزاد سازی گرما و سرعت آزاد سازی گرمای تقریبا یکسانی را در آزمون گرما-سنج کاهش وزن، نسبت به مقوا های پوشش دهی شده با نانوکریستال های سلولزی کندسوز شده، نشان دادند.

    نتیجه گیری

    به طور کلی، نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال های سلولزی کندسوز شده با مونو آمونیوم فسفات و آلبومین حتی در غلظت کم، می توانند به عنوان کندسوز کننده موثر و جایگزین کندسوز کننده های سنتی متداول، برای تولید بسته بندی های سلولزی باکیفیت استفاده شوند.

    کلیدواژگان: پوشش دهی، کندسوزی، نانوالیاف سلولزی، نانوکریستال های سلولزی
|
  • Saeed Mahdavi *, Behnam Gholampoor Pages 251-265
    Background and objectives
    In addition to reducing the consumption of various resources such as water, energy, and wood, paper recycling is constantly increasing in different countries due to less pollution. One of the major defects of the old corrugated container (OCC) is its relatively weak strength, which has limited its use in various sections of the packaging industry. In this study, the effect of using some additives was studied to improve the strengths of OCC to make the top liner of cartons in both wet and dry conditions.
    Methodology
    OCC was prepared from domestically produced cartons. To determine the performance and optimal amount of additives, corn cationic starch (at 1, 1.4 and, 2%), wet strength resin (at 1, 2 and, 3%), AKD (at 1, 2 and, 3%), and imported tea envelope recycled long fiber paper (at 10, 15 and, 20%) were separately used as additives based on the dry weight of OCC pulp. The handsheets made by laboratory sheet former with a basis weight of 120 g/m2 and then tensile, burst, and tear indices were measured at wet and dry conditions to compare the effect of additives. Also, water absorption was measured by the Cobb test on the test samples. The optimal level of each additive was determined based on the results, then handsheets made from optimal combination treatment including appropriate levels of all additives, and different properties of handsheets were statistically compared.
    Results
    The water absorption of handsheet was decreased by 90% compared to the control by adding AKD. This additive was able to decline the water absorption of handsheet made from OCC to about 20 g/m2 as the suitable range. The greatest increase of wet tensile strength of the handsheet was achieved using 3% wet strength resin compared to the control. The resin maintained the wet tensile, burst, and tear indices of the residual strength of handsheet by 25, 46, and 58%, respectively, compared to dry strengths so it has good performance. The results showed that by adding cationic corn starch and recycled long fiber paper, all the dry strengths of handsheet independently increased compared to the control. The optimal combination treatment was determined according to the independent use of additives in OCC pulp, including 1% cationic starch, 1% AKD, and 3% wet strength resin based on technical-economic considerations. There is no significant difference between dry tensile and burst strength of handsheet using this treatment and 20% recycled long fiber paper, which both means ranked statistically in the same group. 
    Conclusion
    The use of 20% recycled long fiber paper of tea wrapper has significantly improved the dry strength of OCC pulp, but adding 1% cationic corn starch to OCC pulp caused a few increases of dry strength. The wet strength of handsheet was significantly improved by adding 3% wet strength resin whereas 1% AKD significantly decreased the water absorption of the OCC pulp to 14 g/m2. The optimal combination treatment of chemical additives including 1% cationic corn starch, 1% AKD, and 3% wet strength resin improved the wet and dry strength of handsheet made from OCC pulp that could be used for packaging products that should be kept in refrigerator and freezer.
    Keywords: Packaging, top liner, recycled long fiber, Chemical Additives, wet strength, dry strength
  • Jafar Ebrahimpour Kasmani *, Ahmad Samariha, Alireza Khakifirooz Pages 266-280
    Background and objectives
    Waste paper recycling has grown as an industry in Iran and the world and offers many benefits to the environment and humans. Municipal waste is also reused after recycling processes. Cardboard recycling industry has great environmental and economic importance and with the lack of wood resources and high demand for paper products, it plays an important role in the development of paper-related industries. However, recycling can be associated with a reduction in the optical properties of the paper. The use of nanoparticles in the paper industry is also expanding day by day. Nanosilica is one of the most important nanoparticles used as a retention aid in the paper industry. In order to reduce the consumption of long fibers and obtain the desired optical properties, the use of nanosilica alone or in combination with other materials such as cationic starch and cationic polyacrylamide is investigated. The purpose of this research is to compare the effect of separate and combined use of nanosilica additives, cationic polyacrylamide, cationic starch and long fibers on the optical properties of white liner paper pulp.
    Methodology
    In this study, white paper pulp with a brightness of at least 78% and a gloss of at least 45% was used to prepare handmade papers. Long fiber chemical paper pulp from coniferous kraft imported from Russia with a brightness of 89% was used in the laboratory. Nanosilica powder (NanoSiO2) produced by Degussa, Germany, cationic polyacrylamide with Farinret K325 brand, produced by Degussa, Germany, and cationic starch from LyckebyAmylex, Slovakia, were used. Independent treatments include the addition of 10% refined long fibers paper pulp, 6% nanosilica, 1.5% cationic starch and 0.15% cationicpolyacrylamide and combined treatments include 6% nanosilica and 1.5% cationic starch and 6% nanosilica and 0.15% cationic polyacrylamide. Then 127 g.m-2 handmade papers were prepared and their optical and microscopic properties were evaluated.
    Results
    The results showed that by adding 10% of long fibers, the brightness decreased and by using 6% of nanosilica, the maximum brightness was obtained. Meanwhile, the whiteness of papers with 6% nanosilica was minimum and maximum with 0.15% cationic polyacrylamide. Opacity showed its highest value with the combination of 6% nanosilica and 0.15% cationic polyacrylamide. Also, by increasing the amount of polyacrylamide and cationic starch, individually or in combination with nanosilica, the opacity increased. The light absorption coefficient was the lowest in papers with 6% nanosilica and the light scattering coefficient was the highest in papers containing 6% nanosilica and 0.15% cationic polyacrylamide. A colorimeter was used to measure the color components and the results showed that the additives had an effect on the brightness and whiteness of the papers. Also, changes in the color spectrum and the amount of color change were also observed. Additives increased the darkness and changes in different colors.
    Conclusion
    The use of nanosilica separately and in combination with starch and cationic polyacrylamide increases the brightness of papers. Also, the use of cationic polyacrylamide separately and in combination with nanosilica leads to an increase in the whiteness and opacity of papers. The brightness factor of the papers, which is representative of the L* component, decreased with the exception of the addition of 10% long fibers and 6% nanosilica. The amount of overall color change with ∆E* was the lowest in samples containing 1.5% cationic starch and the highest in samples containing 0.15% cationic polyacrylamide. The use of some treatments can lead to a decrease in the optical properties and a decrease in the printability quality of the white liner. To solve this problem, mechanical paper pulp that has been decolorized or coated on the surface of the paper can be used. The presence of nano-silica particles in the structure of the paper improves the bond surface and reduces the prosity, which results in the reduction of surface roughness and less light refraction, and increases the light reflection and brightness of the paper.
    Keywords: nanosilica, cationic starch, Polyacrylamide, White liner, Packaging paper
  • Akbar Mastouri, Davood Efhamisisi, Asghar Tarmian, AliReza Gholinezhad-Pirbazari, Mohamad Azad fallah Pages 281-295
    Background and objectives

     Surface modification and coating is one of the effective methods to increase the performance and service life of wooden structures. All kinds of super-hydrophobic techniques with a contact angle above 150 degrees and a sliding angle less than 10 degrees, in addition to creating high hydrophobicity, also improve the antimicrobial and other surface properties of the substrate. Nevertheless, resistance to mechanical and moisture damage are very important in connection with super-hydrophobic surfaces. Natural waxes are one of the efficient and healthy materials for creating a durable super-hydrophobic coating with high biocompatibility. In this research, nano-silica modified with non-fluorine alkyl materials in the presence of epoxy resin has been used to create superhydrophobic surfaces of birch wood (Betula pendula). Also, carnauba wax has been used to improve water repellency, self-cleaning property and durability in conditions of mechanical damage, humidity and harsh environments, comparatively.

    Materials and methods

    Dodecyltrichlorosilane was used in the presence of toluene solvent for functionalizing and hydrophobicizing silica nanoparticles. A formulation containing 2% of modified nano silica and some epoxy resin was used by spray method to fabricate super-hydrophobic coating on birch wood. Also, the optimal amount of vegetable carnauba wax (Brazilian palm) was used as a reinforcing agent to make the nanohybrid formulation. Durability and stability to mechanical damage (sandpaper abrasion, water impact) and harsh environments (acidic, alkaline, ultraviolet rays and solvents) were investigated. Finally, the self-cleaning potential of the processed wooden surfaces was evaluated by qualitative (inclined surface) and quantitative (dropping) methods using edible liquids.

    Results

    Both types of nanocomposite (without wax) and nanohybrid (containing wax) coatings caused the super-hydrophobicity on birch wood. The adding the optimal amount of carnauba wax to the epoxy-based nanocoating structure leads to a contact angle of 170 degrees and a sliding angle of less than 3 degrees by water drops. In addition, carnauba wax caused the stability and strength of superhydrophobic surfaces in aging and mechanical conditions. The highest level of stability in harsh environments was related to the hybrid nanocoating. The highest contact angle was observed for pomegranate juice and the lowest for milk. Also, the self-cleaning potential with various types of Fanta and Coca-Cola drinks on the superhydrophobic surface was successful.

    Conclusion

    The use of carnauba wax increased the contact angle and decreased the sliding angle. The use of carnauba wax significantly improved the mechanical properties and water-repellency of the super-hydrophobic coating. The chemical nature and morphological structure of wax in the coating is the reason for this superiority. The super-hydrophobic surface made with nanohybrid coating in the presence of carnauba wax has the potential of self-cleaning, biocompatibility and stability in service conditions and can be used to protect all types of general surfaces in the field of food, especially lignocellulosic substrates such as wood and paper.
    Keywords

    Keywords: Superhydrophobic, Carnauba wax, Nano-composite‏, ‏‎ hybrid‏ ‏coating, Dodecyltrichlorosilane, Eco-friendly
  • Mostafa Khaje-Mahmouid *, Mehrnaz Azadi Boyaghchi, Mohsen Mohammadi Achachlui, Majid Ghahramanafshar Pages 296-315
    Background and objectives
    Paper bleaching is a concern of many conservationists. Research has been conducted with the aim of evaluating some traditional bleaching materials used in the preservation of documents and books, such as hydrogen peroxide and sodium borohydride, which shows that these materials do not significantly improve the mechanical properties of historical papers. Also, investigating the effect of reducing agents on oxidized papers has shown the effectiveness of tert-butylamine borane complex. In another study, five dyeing processes with oxidizers (calcium hypochlorite, hydrogen peroxide in two concentrations, light bleaching and potassium permanganate) and two dyeing processes with reducing agents (sodium borohydride and tert-butylamine borane) were compared. And their effect on pure cellulose (Whatman filter paper) and two different historical papers have been investigated. The results indicate that all the tested dye removal methods have led to a clear increase. Due to the differences of opinion, in this research, the effectiveness of two reducing agents sodium borohydride and sodium dithionite on the appearance and structural characteristics of paper is investigated.
    Methodology
    In this research, Whatman Filter Paper No. 1 (Whatman Filter Paper No. 1) made in England with a thickness of 180 microns, a diameter of 11 cm, a base weight of 87 grams per square meter and an ash percentage of 0.06% was used. Chemical reagents including potassium persulfate, sodium borohydride and sodium dithionite in the highest purity were prepared in a laboratory from Merck, Germany.Three solutions including potassium persulfate (2% by weight/volume), sodium borohydride (1% by weight/volume), sodium dithionite (1% by weight/volume) in distilled water (distilled water, pH; 7), to perform tests on zinc. Paper samples have been used by immersion.Whatman filter paper samples were subjected to oxidation in 2% peta persulfate in distilled water for 2 days (48 hours) and then the samples were immersed. Next, the identified samples were modified by two solutions of sodium borohydride and sodium dithionite 1% in distilled water for 1 to 5 hours and then purified in holy water. Also, the samples were subjected to accelerated aging according to ASTM standard number D4714-96 at a temperature of 90±2 centigrade and a relative humidity of 50±2% for 384 hours. Test methods include potentiostat, colorimetry, tensile strength, pH measurement, scanning electron microscope and infrared examination.
    Results
    The results show that potassium persulfate is the most neutralizing solution among the three solutions used on the first day, and it also indicates the reducing power of two solutions of sodium dithionite and sodium borohydride, which according to the test results, sodium borohydride is the reducing power. Compared to sodium dithionite. The sample prepared with pH 92.3, after accelerated aging, was accompanied by an increase of several units of pH after modification with two reducing substances. Examining the data obtained from the tensile strength test shows that in comparison with the tested samples with a tensile index of 1.06, the samples modified with sodium borohydride and sodium dithionite increased the index in all five modified periods. Tensile of paper samples. The infrared spectrometry investigation of the samples modified with sodium borohydride and sodium dithione shows that this old material improves the structure of cellulose after aging by reviving the C=O bonds to C-O and reducing the area of 1640 cm-1. Accelerated. The reduction of the absorption band in the region of 1640 cm-1 has been opened in almost all time cases with this material compared to the modified sample. Based on the data, samples modified with sodium borohydride and sodium dithionite had a significant increase (approximately 25 units) in the L-factor (light-darkness) after aging, indicating that two substances have increased the brightness of the sample by reviving the color compounds. In the microscopic examination of the surface of the fibers, in the samples identified with potassium persulfate, local separation of the fibers is observed. In the samples modified with sodium borohydride and sodium dithionite, fibers with higher consistency and entanglement are observed.
    Conclusion
    Double bonds and carbon groups in paper samples formed with potassium persulfate have been the main responsible for the yellowness and darkness of the paper, the reducing agents sodium borohydride and sodium dithionite reduce this aldehyde and ketone to hydrocarbon and as a result. With the loss of multiple conjugates, the light absorption of the paper is reduced and this causes the paper to lighten. The double bonds and their regeneration also cause rearrangement of the chain cells, which has resulted in increasing the mechanical resistance and strength of the paper samples.
    Keywords: yellowing, Paper oxidation, Whitening, Reducing agents
  • Omid Esmailiey, Esmaeil Rasooly Garmaroody *, Rahman Jafari Petroudi Pages 316-329
    Background and purpose

    In the production of pulp, materials such as sodium hypochlorite, chlorine dioxide, ozone, hydrogen peroxide, etc. are used in the bleaching process.  In addition, the above-mentioned materials can be used as oxidizing materials to increase the surface charge of fibers, can help the paper to be more resistant. Therefore, this research was conducted to investigate the effect of fiber oxidation with hydrogen peroxide and sodium hypochlorite on the characteristics of NSSC and OCC pulps as fresh and recycled pulps, respectively.

    Materials and methods

    The pulps required for this research, unbleached NSSC pulp and OCC pulp were obtained from Mazandaran wood and paper factory, and first, the percentage of consistency, initial freeness and brightness of the pulp were measured. Also, the required chemicals were all of industrial grade, hydrogen peroxide (in liquid form 52%) from Chlor Pars Tabriz Company and sodium hypochlorite (in liquid form 16.4%) from Kleran Semnan Company and sodium silicate from Bawand Shimi Qazvin Company, caustic (Liquid soda) with a purity of 47% for bleaching with peroxide was obtained from Arvand Abadan Petrochemical, and soda ash (solid soda) with a purity of 90% for bleaching with hypochlorite was obtained from Chloran Pars, Semnan. In order to control the destructive effects of transition metals, all pulps were treated with 0.2% DTPA, in 2% dryness conditions, time 30 minutes, temperature 90 degrees Celsius and pH=5.5-5, before bleaching. At the end of this step, the pulp is thoroughly washed with distilled water and used for the next steps. For the oxidation of both types of pulp, 3, 4, 5% hydrogen peroxide and sodium hypochlorite were used for oxidation of NSSC pulp using the above ratios (similar to peroxide) and for OCC pulp, 0.5, 1 and 1.5% hypochlorite ratios were used. Then the structural characteristics of the fibers such as pulp freeness, kappa number, WRV, viscosity, carboxyl groups were investigated and finally, the pulps were evaluated by FT-IR spectroscopy.

    Results

    The results showed that with the increase in the consumption of hypochlorite, freeness increased in the oxidized NSSC pulps, but the trend of freeness decreased in the oxidized OCC pulp. This issue shows the situation regarding the use of peroxide. Also, the oxidation of pulp by sodium hypochlorite compared to peroxide has resulted in the release of more lignin, and in this sense, the effectiveness of OCC pulp (with 1.5% hypochlorite, equivalent to 56.68% Kappa loss) has been higher compared to NSSC pulp (with 5% hypochlorite, equivalent to 83.27% Kappa loss).The amount of water retention value in the pulp fibers in the NSSC pulp treatments has increased compared to the control pulp, and in the case of the OCC treatments, it has not changed significantly compared to the control treatment, and only in one case (OC-Na1) has a significant decrease. With the increase of peroxide consumption in the oxidation process of both types of NSSC and OCC pulp, despite the increase in viscosity, there is no significant difference between different consumption levels. In addition, with the increase in the level of hypochlorite consumption, a significant increase in the viscosity of the aforementioned pulps is observed So that the highest increase related to the sample using 5% hypochlorite for NSSC pulps was equal to 731.87 ml/g. The amount of carboxyl groups of pulps treated with peroxide increased in both types of NSSC and OCC pulps compared to the control sample so that the highest amount of carboxyl groups related to 5% treatment was equal to 0.0468 mmol/g for NSSC samples. The evaluation of FT-IR spectroscopy also shows that the oxidation treatment with peroxide and hypochlorite has increased the carboxyl groups on both types of pulp compared to the control samples.

    Conclusion

    The effectiveness of hypochlorite compared to peroxide in the creation of carboxyl groups in both types of pulp was more, which seems that the increase of carboxyl groups on the cellulose chain occurred more on C6 by peroxide and more on C2 and C3 by hypochlorite. The oxidation process increases the viscosity of paper pulp by increasing the carboxyl groups and due to the creation of a higher molecular weight. In addition, the increase of carboxyl groups due to higher chemical activity has made them able to absorb higher water and thus higher WRV.

    Keywords: NSSC, OCC, hydrogen peroxide, Sodium Hypochlorite, oxidation
  • Mehrnoosh Tavakoli *, Ali Ghasemian, MohammadReza Dehghani Firouzabadi, Wojciech Grzeskowiak, Bartłomiej Mazela Pages 330-340
    Background and objectives

    The destructive effects of heat increasing in cellulose substrates, which are the basic materials for the packaging industries, high-quality hygiene packaging, and ammunition packaging, are obvious and inevitable. Therefore, it is essential to modify the structure of these bio-based products with green and environmentally friendly materials, to increase their durability against heat.

    Methodology

    In the current study, TEMPO-oxidized CNFs and CNCs, were initially and separately retarded using flame retardant mixtures, including dual “ammonium monophosphate+albumin”, “silica+methyltri-methoxysilane”, and quadruple “ammonium monophosphate+albumin+silica+methyltri-methoxysilane”. Using a rod coater, each combination was then coated individually on the produced cellulosic paperboards. Flame retardancy properties were evaluated by three thermal experiments, including a Mini Fire Tube, Limited Oxygen Index, and Mass Loss Calorimeter.

    Results

    Based on the observed results, the role of mono-ammonium phosphate, due to the presence of phosphorus-containing groups as the driving force of the charring during combustion, was more prominent and significant in the dual coating mixture than the quadruple coating mixture, containing silica and phosphorus, both in the paperboards coated based on CNFs and paperboards coated based on CNCs. Comparison of the CNFs and CNCs based-flame retardant, as the main basis of the coating formulation, showed that paperboards coated with CNFs based-flame retardant, due to having amorphous and crystalline regions, had much lower amount of mass loss in the Mini Fire Tube test, almost similar Limited Oxygen Index, and Peak Heat Release Rate (PHRR) and Heat Release Rate (HRR) in the Mass Loss Calorimeter test, compared to those of the paperboard coated with CNCs based-flame retardant.

    Conclusion

    In general, CNFs and CNCs based-flame retardants with mono-ammonium phosphate and albumin, even in low concentrations, can be used as effective retardants and replacements for conventional flame retardants, in high-quality cellulose-based packaging production.

    Keywords: Coating, Flame retardancy, Cellulose nanofibers, Cellulose nanocrystals