کاربرد فن آوری نانو در صنایع کاغذسازی

این فن آوری آن چنان جای خود را باز کرده که هیچ علم و صنعتی در دهۀ آینده بدون اتکا به آن پیشرفت نمی کند. صنعت چوب و کاغذ نیز از این قاعده مستثنی نیست. این تکنولوژی متنوع همچنین می تواند در بخش پرکننده ها، بهبود کیفیت کاغذ (ویژگی های نوری و مکانیکی)، عامل پوشش دهنده سطحی، نانو کامپوزیت های تمام سلولزی    و... مورد استفاده قرار گیرد. تحقیقات اکتشافی در نانو ساختازرهای چوب و خمیر کاغذ، ساختارهای مهم شامل سیستم متخلخل دیواره فیبر، سازماندهی و توزیع اجزای دیواره فیبر، اصلاح آنزیمی اجزای فیبر، تحقیق و توسعه اکتشافی با هدف  بهره برداری صنعتی از نانو الیاف سلولزی، فرایندهای تجمیع و توزیع، اندازه گیری خواص مقاومتی و شبکه ای الیاف در کاغذ و خمیرسازی، کاربرد الیاف سلولزی با هدف اصلاح سطوح انجام شده است. بنابراین با فرصت ها و چالش هایی که فن آوری نانو پیش روی قرار داده است، ایجاد یک شبکه هدفمند در این صنعت، متشکل از دانشمندان و سایر اعضای این صنعت بسیار به جا به نظر می رسد.

نانو تکنولوژی در صنایع خمیر و کاغذ

به طور سنتی، تحقیق و توسعه در زمینه نانو فیلرها یعنی فیلرهایی با حداقل یک بعد در محدوده 1 تا 100 نانومتر و یا حتی در دامنه وسیع تر 1 تا 400 نانومتر، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. در حال حاضر، پیشرفت ها در زمینه نانو فیلرها (موارد تجاری شده و یا بخش هایی که هنوز در مرحله تحقیق و بررسی عملی است) برای کاربردهای پایانه تر کاغذسازی، عمدتاً می توان شامل نانو مواد معدنی موجود که به طور تجاری در دسترس است (مثل رنگدانه دی اکسید تیتانیم) باشد که با ویژگی های مطلوب ویژه به طور مستقیم به ترکیب خمیر کاغذ قبل از تشکیل نوار تر کاغذ اضافه می شود و هدف آن دستیابی به ویژگی های کاغذ عالی مثل پراکنش نور مطلوب برای ماتی و روشنی کاغذ است. اگر چه نانو کربنات کلسیم تحت شرایط مشخص به دلیل ضریب شکست نور بسیار کم کلسیت (در مقایسه با دی اکسید تیتانیم) پراکنش نور ضعیفی دارد، اما استفاده از نانو کربنات کلسیم تجاری به لحاظ مصرف و شرایط عملیاتی، عملی است.

 

فن آوری ذرات نانو برای شیمی پایانه تر، اساساً علم مونومرهای سیلیکاست که به صورت توده در می آیند. اولین نسل آنها، ترکیب ذرات نانوآنیونی (سیلیکاس کلوئیدی) و نشاسته ها کاتیونی، امروزه هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد. در اوایل دهۀ 1190، نسل جدیدی از ذرات نانو که ساختار سیلیکاسل در آنها تکامل یافته بود و قابلیت استفاده در ترکیب به همراه پلی اکریل آمیدهای سنتزی را داشتند معرفی شد. این پیشرفت، بهبود قابل توجهی ورای فن آوری های قدیمی تر بود. زیرا ذرات نانو با پلی اکریل آمیدهای سنتزی پیوند بهتری حاصل کرده بودند. گوی های سیلیس، پیوندهای قوی کوالانسی سیلوکسان ایجاد می کنند که تحت تاثیر نیروهای برشی در ماشین کاغذسازی شکسته نخواهد شد. با وجود این ویژگی های اصلاح شده، آنها فقط روی کاغذهای نرم و تمیزتر و طبقه مقوا و موثر استو برای آن دسته از کاغذهایی که در پایانه تر از هدایت بالایی برخوردارند مناسب نیست. کاغذسازها برای بهبود آبگیری و حفظ نرمه ها در ماشین کاغذ از سیلیس کلوئیدی و محصولات مرتبط با آن، سالانه در تولید بالغ بر 10 میلیون تن کاغذ و مقوا استفاده می کنند. نوع دوم افزودنی های صنعتی مورد استفاده در ترکیب با پلیمرهای کاتیونی برای بهبود نگهداری و       زهکشی، مونتموریلونیت های قلیایی هستند که اصطلاحاً   «رس واکشیدگی» نامیده می شوند و به طور معمول به عنوان بنتونیت یا اسمکتایت شناخته می شوند.

در مقایسه با     سیستم های میکرو که در آنها از ذرات سیلیس کلوئیدی استفاده می شود، نمونه هایی از کاربردهای جدید نانو ذرات، رنگدانه کائولین است که به عنوان یک عامل پوشش دهنده سطحی و بهبود دهنده سفتی کاغذ است. پر کننده های با اندازه نانو به دلیل داشتن وزن پایه کمتر می توانند جایگزین الیاف در کاغذسازی شوند. این ترکیبات در حقیقت نانو ذراتی هستند که باعث تقویت و بهبود ویژگی های چاپ پذیری کاغذ  و مقوا    می شوند. استفاده از مقادیر بیشتری از پرکننده و نانوذرات به عنوان کمک نگهدارنده مناسب برای ماشین های با سرعت بالا است که باعث افزایش بهره وری و بازده می شود. همچنین عوامل آهاردهی کاغذ که برای مقاوت کاغذ به جذب رطوبت اضافه می شوند دارای چنین ویژگی هایی هستند. در مقیاس تجاری، ابعاد اولیه مواد افزودنی سیلیس کلوئیدی عمدتاٌ  در محدوده 1-5 نانومتر قرار دارد.  با توجه به اینکه این ذرات در مقیاس نانو و تقریباً کروی شکلند، سطح ویژه انها زیاد و حدود 500-3000 متر مربع بر گرم است. در حقیقت سطح ویژه این ذرات حدود 1000 برابر بیشتر از سطح ویژه سایر مواد جامد تشکیل دهنده کاغذ است. سطح ویژه الیاف کاملاً واکشیده از خمیر کاغذ چوب در حالت مرطوب در حدود 200 مترمربع بر گرم است. اما این مقدار در مقایسه با سطح ویژه ذرات نانو کلوئید سیلیس تجاری مورد استفاده در بهبود ماندگاری و آبگیری، اختلاف زیادی دارد. سطح سیلیس می تواند اسیدی باشد، یعنی این پروتون های جدا شده از گروه های سیلانول از کنار یک بار منفی، محل برخورد را ترک می کنند. این عمل باعث افزایش دانسیته شارژ سطحی و افزایش PH می شود. ساختار ترکیبات سیلیس کلوئیدی نیز می تواند متفاوت باشد. اگر یک کلوئید سیلیسی صرفاً به شکل پراکنده به دوغاب خمیر یا الیاف تیمار نشده افزوده شود، تاثیر خاصی نخواهد داشت یعنی این که الیاف نه انباشته می شوند و نه  پراکنده و هیچ تغییری در سرعت خروج آب از خمیر کاغذی روی توری دیده نمی شود.