افزودن و نگهداری نانوالیاف سلولز به نمد تر کاغذ بدون کمک نگهدارنده و کاهش سرعت آب‌گیری

بیان مساله و اهداف: نانو الیاف ‌سلولز (cnf) در کاغذسازی بیشتر به عنوان عامل افزایش مقاومت خشک و تر کاغذ به روش افزودن به سوسپانسیون خمیرکاغذ همراه با کمک ‌نگهدارنده و نیز به عنوان پوشش برای بهبود ویژگی‌های ممانعتی در پایانه خشک استفاده شده است. با این وجود افزودن نانو الیاف سلولز به خمیرکاغذ مشکلاتی از قبیل کاهش سرعت آب‌گیری و سرعت تولید، هدر رفت بخشی از نانو ذرات از زیر توری ماشین کاغذسازی، چسبندگی به تجهیزات و افزایش انرژی خشک‌کردن را در پی دارد. در این پژوهش افزودن نانو الیاف سلولز به سطح و لایه میانی نمد تر با درصد خشکی مختلف خمیرکاغذ برای غلبه بر این مشکلات بررسی‌شده است.مواد و روشها: ابتدا 2 درصد cnf به سوسپانسیون خمیرکاغذ باگاس اضافه شد و زمان آب‌گیری و میزان خروج cnf از توری کاغذسازی در دماهای مختلف (5، 15، 25، 35 و 45 درجه سانتی‌گراد) مورد بررسی قرار گرفت. سپس امکان افزودن cnf به سطح نمد تر و همچنین به میان دو لایه نمد تر بدون کمک نگهدارنده در سطح آزمایشگاهی بررسی شد. بدین منظور 1 و 2 درصد cnf روی سطح نمد تر با 4 سطح خشکی (5، 10، 20 و 35 درصد) توسط دستگاه ساخته شده در آزمایشگاه خمیر و کاغذ دانشگاه پاشیده شد تا کاغذهایی با گراماژ نهایی g/m2 2±80 به دست‌آید. روش پاشش cnf بر سطح نمد تر باعث چسبندگی بخشی از آن با کاغذ خشک‌کن‌ آزمایشگاهی شد که در صورت به‌کارگیری در صنعت امکان چسبندگی cnf به فلت پرس یا سیلندرهای خشک‌کن وجود دارد؛ بنابراین پاشش 1 و 2 درصد cnf به وسط دو لایه نمد تر (هر یک با گراماژ g/m2 1±40) با خشکی 20 درصد انجام تا این مشکل برطرف شد. در مرحله پاشش، خلا به مدت 2 دقیقه از زیر توری برای تمام تیمارها اعمال شد در عین حال ماندگاری cnf به‌طور کامل صورت گرفت.نتایج: نتایج افزودن cnf به سوسپانسیون خمیرکاغذ نشان داد که با زیاد شدن دما از 5 به 45 درجه سانتی‌گراد زمان آب‌گیری 30 درصد کاهش اما خروج cnf از توری کاغذسازی از 20 به 41 درصد افزایش می‌یابد. به‌طور کلی افزودن نانو الیاف سلولز موجب کاهش ضخامت کاغذ ها شد و تصاویر sem اتصال بیشتر بین لایه‌های الیاف و فشردگی بیشتر کاغذ چندلایه را تایید کرد. با این وجود هرچه درصد خشکی نمد تر بیشتر باشد نفوذ نانو الیاف ‌سلولز در ضخامت آن کمتر شده و تاثیر کمتری بر الیاف لایه‌های زیرین و در نتیجه بر کاهش ضخامت کاغذ نهایی داشت. تیمارهای پاششcnf به سطح و میان نمد نسبت به افزودن همان مقدار cnf به سوسپانسیون خمیرکاغذ مقاومت کششی بیشتری برای کاغذ ایجاد کرد؛ اما شاخص پارگی کلیه تیمارها از نظر آماری اختلاف معنی‌دار نداشت. همچنین تیمار پاشش 2 درصد cnf بین دو لایه نمد با خشکی 20 درصد، بیشترین مقدار شاخص کشش را در بین تمام تیمارها ایجاد کرد.نتیجه گیری: روش پاشش نانو الیاف ‌سلولز به سطح نمد تر با درصد خشکی بیش از 10 درصد می‌تواند بدون کمک ‌نگهدارنده، هدر رفت نانو الیاف ‌سلولز را به صفر برساند و تاثیری نیز در سرعت آب‌گیری سوسپانسیون خمیرکاغذ ایجاد نکند. همچنین افزودن نانو الیاف سلولز بین دو لایه نمد تر با خشکی حدود 20 درصد باعث ماندگاری کامل آن بدون کاهش سرعت آب‌گیری و تولید و عدم چسبندگی با تجهیزات کاغذسازی باشد و ویژگی‌های مکانیکی کاغذ را بهبود دهد؛ بنابراین می‌تواند مورد بهره‌برداری واحدهای صنعتی با قابلیت تولید کاغذ چندلایه قرار گیرد.

addition and retention of cellulose nanofibers to wet paper web without retention aids and dewatering reduction

problem definition and objectives: cellulose nanofibers (cnf) have primarily been utilized in papermaking to enhance both the dry and wet strengths of paper. this is achieved by adding cnf to the pulp suspension along with a retention aid, as well as by applying it as a coating in the dry end of the paper machine to improve barrier properties. however, incorporating cnf into the pulp can lead to challenges such as reduced dewatering speed, decreased production rates, partial loss of nanoparticles from the paper machine wire, adhesion to equipment, and increased drying energy consumption. this research investigates the addition of cnf to both the surface and middle layers of the wet paper web at varying pulp consistencies to address these issues.methodology: initially, 2% cnf was added to a bagasse pulp suspension, and the drainage time, along with the rate of cnf exit from the papermaking wire, was assessed at different temperatures (5, 15, 25, 35, and 45 degrees celsius). subsequently, the feasibility of adding cnf to the surface of the wet paper web and between two layers of the web—without any retention aids—was examined at the laboratory level. for this purpose, 1% and 2% cnf were sprayed onto the surface of the web at four levels of web consistency (5%, 10%, 20%, and 35%) using a device manufactured in the university’s pulp and paper laboratory. the goal was to produce papers with a final grammage of 80 ± 2 g/m². during the spraying process, some cnfs adhered to laboratory blotter papers, raising concerns that similar sticking could occur in industrial settings with felt press or drying cylinders. to mitigate this issue, spraying 1% and 2% cnf between two web layers (each with a grammage of 40 ± 1 g/m²) at a consistency of 20% was performed. during the spraying phase, the vacuum was applied for two minutes from beneath the laboratory paper-making mesh for all treatments, ensuring complete cnf retention.results: the findings indicated that as temperature increased from 5 to 45 degrees celsius, drainage time decreased by 30%, while cnf exit from the papermaking wire rose from 20% to 41%. overall, the addition of cellulose nanofibers reduced paper thickness, and scanning electron microscopy (sem) images confirmed enhanced bonding between fiber layers and greater compressibility in multilayer paper. however, higher web consistencies resulted in decreased cnf penetration into the thickness of the paper, leading to less impact on the fibers in lower layers and, consequently, less reduction in final paper thickness. treatments involving spraying cnf on the surface and middle of the pulp web yielded greater tensile strength compared to adding the same amount of cnf directly to the pulp suspension. nevertheless, no statistically significant difference was observed in the tear index in all treatments. notably, spraying 2% cnf between two layers of the web at a 20% consistency produced the highest tensile index among all treatments.conclusion: the method of spraying cellulose nanofibers onto the surface of pulp webs with consistencies exceeding 10% can eliminate cnf loss without requiring additional retention aids and does not adversely affect drainage speed. furthermore, adding cnf between two web layers at approximately 20% consistency ensures complete retention without compromising dewatering speed or production rates while preventing adhesion to papermaking equipment and enhancing mechanical properties. therefore, this approach is suitable for industrial units capable of producing multilayer papers.