سنتز کمپلکس گلیسیرین- کلسیم کربنات و اثر آن بر مقاومت کششی کاغذ

بیان مساله و اهداف: یکی از چالش های عمده در استفاده از کلسیم کربنات، تمایل به رسوب گذاری در سیستم های تولید کاغذ به دلیل اندازه ذرات آن است. برای کاهش این مشکل معمولا از پلی آکریل آمید کاتیونی (CPAM) استفاده می شود. با وجود این، مصرف بیش از حد (CPAM) می تواند 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. به منظور کاهش این چالش ها 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 گروه های عاملی هیدروکسیل، می تواند با یون های کلسیم واکنش داده و کمپلکس های پایدار تشکیل دهد. این پژوهش با هدف بررسی اثر گلیسیرین بر ماندگاری پرکننده ها، 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، پلی وینیل الکل (PVA) و کربوکسی متیل سلولز (CMC) استفاده شد. در فرآیند سنتز، گلیسیرین و کلسیم کربنات با نسبت های مولی مختلف ترکیب شدند و محلول حاصل به مدت ۹۰ دقیقه در دمای ۵۰ درجه سانتی گراد هم زده شد تا کمپلکس تشکیل گردد. در مرحله بعد، محلول ۷/۰ درصد PVA جداگانه تهیه شد و به مخلوط گلیسیرین-کلسیم کربنات افزوده شد و به مدت ۵۰ دقیقه هم زده شد. سپس نشاسته خام (که از قبل پخته شده بود) و CMC به مقادیر ۲/۱ و ۱ درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه گردید. این ترکیب به مدت ۲۰ دقیقه هم زده شد و در نهایت بوراکس به مقادیر ۰۱/۰، ۰۰۵/۰ و ۰۰۱/۰ گرم در یک میلی لیتر 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 ۸، سدیم هیدروکسید به آن افزوده شد. کربنات کلسیم آسیابی در حالت اصلاح نشده و اصلاح شده، به مقادیر ۲۰، ۳۵ و ۴۷ درصد (بر اساس وزن خشک خمیرکاغذ) به محلول اضافه شد. سپس نمونه های کاغذ با وزن پایه ۶۰ گرم بر مترمربع تهیه شدند. برای بررسی ویژگی های ریزساختاری و اندازه ذرات نمونه های کلسیم کربنات و ساختار شیمیایی آن ها، از آزمون های مختلف شامل میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و طیف سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه استفاده شد.نتایج: حضور پیک های پهن و قوی در cm-۱۳۳۷۰ و cm-۱۳۵۰۰ نشان دهنده کشش گروه های O-H بود. میزان خاکستر کاغذهای تیمارشده با کمپلکس حاوی ۰۵/۰ درصد بوراکس و ۳۲ درصد کلسیم کربنات، قابل مقایسه با نمونه های تیمارشده با ۰۳/۰ درصد CPAM بود. مقدار خاکستر کاغذهای حاوی کمپلکس گلیسیرین-کلسیم با مصرف ۳/۰ درصد بوراکس و ۴۹ درصد کلسیم کربنات برابر با نمونه های حاوی ۰۶/۰ درصد CPAM بود. با استفاده از این کمپلکس، امکان تولید کاغذی با محتوای بالای کلسیم کربنات فراهم شد که در مقایسه با نمونه های شاهد، ماندگاری پرکننده ای بین ۵ تا ۴۰ درصد بیشتر داشت. این فرآیند امکان افزودن ۵ تا ۷ درصد پرکننده بیشتر در کاغذ دست ساز را بدون نیاز به CPAM فراهم کرد که به طور مشابه مصرف خمیرکاغذ شیمیایی را کاهش داد.نتیجه­ گیری: استفاده از کمپلکس گلیسیرین-کلسیم موجب افزایش پیوندهای هیدروژنی در ساختار کاغذ شد. در مقابل، روش های معمول افزودن کلسیم کربنات با استفاده از CPAM باعث کاهش پیوندهای بین الیاف می شوند. این امر منجر به بهبود شاخص مقاومت در برابر کشش در نمونه های تیمارشده با کمپلکس گردید. این پژوهش نشان می دهد که کمپلکس گلیسیرین-کلسیم کربنات می تواند به عنوان جایگزینی موثر برای پلی اکریل آمید کاتیونی در صنعت کاغذسازی مورد استفاده قرار گیرد و بهبود خواص مکانیکی و ماندگاری کاغذ را فراهم کند.

کلیدواژه ها:

واژگان کلیدی: کلسیم کربنات سنتزی ، شاخص مقاومت در برابر کشش ، پلی اکریل آ میدکاتیونی ، پیوند هیدروژنی ، ماندگاری پرکننده