تهیه کاغذ آب‌گریز با روش خودتجمعی لایه‌به‌لایه از پلیمرهای زیستی و کربنات‌کلسیم‌رسوبی اصلاح‌شده با اسید‌ استئاریک

بیان مساله و اهداف: کاغذ به عنوان ماده‌ای تجدیدپذیر، زیست‌تخریب‌پذیر و قابل بازیابی، مناسب‌ترین گزینه برای بسته‌بندی سبز محسوب می‌شود. در مقایسه با پلاستیک، بسته بندی های کاغذی، به دلیل ویژگی آب دوستی ذاتی الیاف سلولزی، هنگامی‌که در طی ذخیره سازی و فرآیند انتقال، در تماس با آب قرار می گیرند، مقاومت های خود را از دست می دهند. در نتیجه، تهیه بسته‌بندی های کاغذی مقاوم به آب با مواد زیست تخریب پذیر و دوستدار محیط زیست بسیار مطلوب است. در این تحقیق، تاثیر استفاده از روش خودتجمعی لایه به لایه (lbl) با پلیمرهای زیستی و کربنات کلسیم رسوبی اصلاح شده با اسید استئاریک، بر ویژگی های کاغذ، مورد بررسی قرار گرفته است. مواد و روشها: ماده اولیه مورد استفاده برای تهیه کاغذهای دست ساز، خمیرکاغذ کرافت سوزنی برگان رنگ بری شده (lf) با درجه روانی 350 میلی‌لیتر csf بوده است. به‌منظور بهبود ویژگی های مقاومتی، الیاف با کربوکسی متیل سلولز (cmc) تیمار شدند و سوسپانسیونی از الیاف سلولزی تیمار نشده (70 درصد) و تیمار شده با cmc (30 درصد) (mlf)، برای تهیه کاغذ دست ساز با گراماژ g/m2 60 مورد استفاده قرار گرفته است. کربنات کلسیم رسوبی (pcc) با اسید استئاریک اصلاح شد (mpcc) و با cmc به عنوان یک عامل کنترل کننده رئولوژی ترکیب‌شدند، سپس با استفاده از کیتوزان و روش lbl، روی سطح کاغذ دست ساز رسوب داده شدند. طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (ftir) برای تایید اصلاح pcc  با اسید استئاریک مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، به‌منظور ارزیابی بار سطحی سوسپانسیون الیاف mlf، محلول کیتوزان و ترکیب cmc+mpcc، پتانسیل زتا اندازه‌گیری گردید. برای بررسی تاثیر اصلاح سطح کاغذ بر ویژگی ها، ضخامت، گراماژ، شاخص مقامت کشش، زاویه تماس آب، زمان جذب آب و جذب آب (کاب)، مورد ارزیابی قرار گرفته است.نتایج: نتایج طیف ftir، تیمار سطحی pcc با اسید استئاریک را به دلیل وجود گروه های معین (cooh، ch2 و ch3) در طیف mpcc، که مشخصه اسید استئاریک بوده است، را تایید کرده است. بررسی ها نشان داد که سوسپانسیون mlf، به دلیل حضور گروه‌های هیدروکسیل در ساختار سلولزی، دارای بار منفی بوده و پتانسیل زتای آن mv 103.2- اندازه‌گیری شده است. محلول کیتوزان، به دلیل وجود گروه‌های آمین در زنجیره مولکولی، بار سطحی مثبت mv 13.2+ را نشان داد. همچنین، ترکیب cmc+mpcc دارای پتانسیل زتای mv 6.5 - بود که به دلیل حضور گروه‌های coo- در سطح ذرات cmc می باشد. اصلاح کاغذ با روش lbl باعث افزایش ضخامت و گراماژ کاغذ گردیده و با افزایش تعداد لایه ها، این افزایش، روند صعودی داشته است. شاخص مقاومت کشش کاغذهای اصلاح شده در درصدهای کم اسید استئاریک در مقایسه با کاغذهای شاهد، بهبود یافته است اما با افزایش درصد اسید استئاریک مورد استفاده، کاهش یافته است. زمانی که نمونه‌های کاغذ اصلاح‌شده با چندلایه mpcc با درصدهای مختلف اسید استئاریک تیمار شدند، زاویه تماس آب و زمان جذب آب افزایش‌یافته و جذب آب (کاب) کاهش یافته است. حداکثر زاویه تماس آب، در کاغذهای تیمار شده با pcc اصلاح‌شده با 12 درصد اسید استئاریک، °136.17، اندازه‌گیری شد که حاکی از افزایش قابل‌توجه خاصیت آب‌گریزی این نمونه‌ها است.نتیجه گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که روش lbl، تاثیر بسزایی در بهبود ویژگی‌های ممانعتی و آب‌گریزی کاغذ دارد. روش lbl یک روش ساده، کم‌هزینه و سازگار با محیط‌زیست است که بدون نیاز به مواد شیمیایی مضر، می تواند ویژگی های کاغذ را بهبود بخشد. بنابراین، این روش می‌تواند به‌عنوان یک راهکار موثر برای تهیه کاغذهای آب‌گریز در صنعت بسته‌بندی و سایر کاربردهای مرتبط مورد استفاده قرار گیرد.

preparation of hydrophobic paper by layer-by-layer assembly method of biopolymers and precipitated calcium carbonate modified with stearic acid

problem definition and objectives: paper, as a renewable, biodegradable, and recyclable material, is considered the most suitable option for green packaging. compared to plastic, paper-based packaging loses its mechanical strength when exposed to water during storage and transportation due to the inherent hydrophilicity of cellulose fibers. consequently, developing water-resistant paper packaging using biodegradable and environmentally friendly materials is highly desirable. in this research, the effect of using the layer-by-layer self-assembly method with biopolymers and precipitated calcium carbonate modified with stearic acid on the properties of paper was investigated.methodology: the raw material used to make handsheet paper was 350 ml csf (lf) bleached softwood kraft pulp. to improve strength properties, the fibers were treated with carboxymethylcellulose (cmc), and a suspension of untreated (70%) and cmc-treated (30%) cellulose fibers was used to create handsheet (mlf) with a grammage of 60 g/m2. precipitated calcium carbonate (pcc) modified with stearic acid (mpcc) was combined with carboxymethyl cellulose (cmc) as a rheological controlling agent and deposited on the surface of the handsheet paper using chitosan and the layer-by-layer method (lbl). fourier-transform infrared spectroscopy (ftir) was used to confirm the modification of pcc with stearic acid. additionally, to evaluate the surface charge of the mlf fiber suspension, chitosan solution, and cmc+mpcc composite, the zeta potential was measured. to examine the effect of paper surface modification on characteristics, thickness, grammage, tensile strength index, water contact angle, water absorbency time, and water absorption (cobb), it has been evaluated.results: the results of the ftir spectrum have confirmed the surface treatment of pcc with stearic acid due to the presence of certain groups (cooh, ch₂, and ch₃) in the mpcc spectrum, which is characteristic of stearic acid. the investigations showed that the mlf suspension, due to the presence of hydroxyl groups in the cellulose structure, had a negative charge, and its zeta potential was measured as -103.2 mv. the chitosan solution, due to the presence of amine groups in the molecular chain, exhibited a positive surface charge of +13.2 mv. additionally, the cmc+mpcc composite had a zeta potential of -6.5 mv, which is attributed to the presence of coo- groups on the surface of cmc particles. paper modified with lbl method showed increased thickness and grammage as the number of layers increased. the tensile index of modified paper has improved at lower stearic acid percentages compared to blank paper, but decreased with higher percentages of stearic acid. when mpcc multilayer modified paper samples with different stearic acid percentages were treated, the water contact angle and water absorption time increased while water absorption decreased. the maximum water contact angle in the papers treated with pcc modified with 12% stearic acid was measured at 136.17°, indicating a significant enhancement in their hydrophobic properties.conclusion: the results of this study demonstrated that the lbl method has a significant impact on enhancing the barrier properties and hydrophobicity of paper. lbl is a simple, cost-effective, and environmentally friendly technique that can improve paper properties without the need for harmful chemicals. therefore, this method can serve as an effective approach for the preparation of hydrophobic paper in the packaging industry and other related applications.