بررسی مقایسه‌ای اثر تیمار پوششی سیلیکات سدیم و نانورس بر ویژگی‌های مقاومت به آتش و مکانیکی کاغذ حاصل از خمیر سودای باگاس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکدة مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران.

2 گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکدة مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران.

10.22059/jfwp.2025.395287.1348

چکیده

کاغذ­های سلولزی به‌دلیل ویژگی­‌هایی مانند وزن سبک، قابلیت بازیافت و زیست‌تخریب‌پذیری، در صنایع مختلف از جمله بسته‌بندی، ساختمان و دکوراسیون کاربرد گسترده ای دارند. با این حال، وجود گروه‌های عاملی هیدروکسیل و ساختار متخلخل آنها، سبب کاهش مقاومت در برابر حرارت و آتش می­شود و استفاده از این مواد را محدود می­سازد. به‌منظور ارتقای ویژگی‌های مکانیکی و مقاومت حرارتی، در این پژوهش، از تیمار پوششی سیلیکات سدیم و نانورس مونت‌موریلونیت همراه با نشاستة کاتیونی بر روی کاغذ حاصل از خمیر سودای باگاس استفاده شد. محلول پوشش­دهی­ در غلظت‌های 10، 20 و 30 درصد اعمال و نمونه‌ها از نظر ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که تیمار با سیلیکات سدیم، در غلظت ۲۰ درصد بهترین بهبود در ویژگی‌­های مقاومتی و در غلظت ۳۰ درصد، بیشترین مقاومت در برابر اشتعال را فراهم می‌کند. در آزمون اشتعال‌پذیری عمودی نیز هر دو تیمار موجب کاهش زمان سوختن و افزایش طول زغال شدند. اما، سیلیکات سدیم با تشکیل لایة معدنی سرامیکی پایدار، در کاهش گسترش شعله و افزایش بقایای زغالی برتری داشت. این لایه­ نه تنها مانع نفوذ اکسیژن به بافت سلولزی شد بلکه از پیشرفت سریع تخریب حرارتی جلوگیری کرد. آزمون وزن‌سنجی حرارتی TGA نشان داد که تیمار سیلیکات سدیم موجب افزایش دمای آغاز تخریب و افزایش درصد زغال باقیمانده در دمای 600 درجة سلسیوس شد. نتایج طیف‌سنجی FTIR نیز افزایش شدت پیوند­های سیلیکاتی و کاهش بیشتر گروه‌­های هیدروکسیل را تأیید کرد .در مجموع، تیمار با سیلیکات سدیم برتری داشته و می­‌تواند رویکردی کارآمد برای تولید کاغذ­های مقاوم به حرارت، در کاربرد­های صنعتی باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Comparative study of the effect of sodium silicate and nanoclay coating treatments on the fire resistance and mechanical properties of paper made from soda bagasse pulp

نویسندگان [English]

  • Soleiman Zaheri 1
  • Ali Ghasemian 1
  • Mohammad Reza Dehghani Firouzabadi 1
  • Ghasem Asadpur 2
1 Department of Paper Science and Engineering, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran. Email: asadpur2002@yahoo.com
2 Department of Paper Science and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده [English]

Cellulosic papers, due to their light weight, recyclability, and biodegradability, are widely used in industries such as packaging, construction, and decoration. However, the presence of hydroxyl functional groups and a porous structure reduce their heat and fire resistance, limiting applications. To improve mechanical properties and thermal resistance, this study applied sodium silicate and montmorillonite nanoclay coatings combined with cationic starch on paper produced from soda bagasse pulp. Coating solutions at concentrations of 10, 20, and 30% were tested, and samples were evaluated for physical, mechanical, and thermal properties. Results showed that sodium silicate at 20% concentration provided the greatest improvement in strength, while 30% concentration offered the highest fire resistance. In vertical flammability tests, both treatments reduced burning time and increased char length. Sodium silicate performed better by forming a stable ceramic-like mineral layer that reduced flame spread and increased char residue. This layer not only prevented oxygen penetration into the cellulose matrix but also inhibited rapid thermal degradation. Thermogravimetric analysis (TGA) indicated that sodium silicate increased the onset temperature of degradation and char yield at 600 °C. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) further confirmed enhanced silicate bonding and greater reduction of hydroxyl groups. Overall, sodium silicate treatment showed superior performance and can be considered an effective method for producing heat-resistant papers for industrial applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fire-retardancy
  • Bagasse paper
  • Coating
  • Paper flamability

مراجع

[1] Kazuaki, N., Megumi, A. & Takayuki, T. (2018). Lignocellulose nanofibers prepared by ionic liquid pretreatment and subsequent mechanical nanofibrillation of bagasse powder: application to esterified bagasse/polypropylene composites. Carbohydrate Polymers, 182(8), 8–14.
[2] Basak, S., Samanta, K.K., Chattopadhyay, S.K. & Narkar, R. (2015). Thermally stable cellulosic paper made using banana pseudostem sap a wasted by-product. Cellulose, 22(4), 2767-2776.
[3] Zaheri, S. & Asadpur, G. (2019). Feasibility study of using different types of bio-polymer coatings on paper packaging materials. Packaging Science & Art, 10(38), 18-27. (In Persian)
[4] Sandberg, D., Kutnar, A. & Mantanis, G. (2017).Wood modification technologies - A review. iForest, 10(6), 895–908.
[5] Whitney, R.S. (2009). System and Method for Programming a Weighing Scale Using a Key Signal to Enter a Programming Mode. United States Patent, 1(12), 14.
[6] Tutus, A., Cicekler, M. & Deniz, I. )2012(. Using of burnt red pine wood for pulp and paper production (Turkish, Abstract in English). Journal of King Saud University - Engineering Sciences, 90-95.
[7] Kollman, F.F.P. & Côté, W.A. (1968). Principles of wood science and technology: solid wood: Allen & Unwin.
[8] Browne, F. (1958) 'Theories of the combustion of wood and its control', United States Department of Agriculture Forest Service Report, 2136, 1-72.
[9] Li, P., Zhang, Y., Zuo, Y., Lu, J., Yuan, G. & Wu, Y. (2020) 'Preparation and characterization of sodium silicate impregnated Chinese fir wood with high strength, water resistance, flame retardant and smoke suppression', Journal of Materials Research and Technology, 9(1), 1043-1053.
[10] Tavakoli, M., Ghasemian, A., Dehghani-Firouzabadi, M.R., & Mazela, B. (2021). Cellulose and its nano-derivatives as a water-repellent and fire-resistant surface: a review. Materials, 15(1), 82.
[11] Xie, J., Xu, J., Cheng, Z., Chen, J., Zhang, Z., Chen, T., Yang, R. & Sheng, J. (2020). Facile synthesis of fluorine-free cellulosic paper with excellent oil and grease resistance. Cellulose, 27(11), 7009–7022.
[12] Dong, L.Y. & Zhu, Y.J. (2017). A new kind of fireproof flexible inorganic nanocomposite paper and its application to the protection layer in flame-retardant fiber-optic cables. Chemistry - A European Journal, 23(19), 4597-4604.
[13]Weil, E.D. & Levchik, S.V. (eds) (2015) Flame Retardants for Plastics and Textiles: Practical Applications. Munich: Hanser, 303-333.
[14] Laoutid, F., Bonnaud, L., Alexandre, M., Lopez-Cuesta, J.M. & Dubois, P. (2009). New prospects in flame retardant polymer materials: From fundamentals to nanocomposites. Materials Science and Engineering: R: Reports, 63(3), 100-125.
[15] Kiliaris, P. & Papaspyrides, C. (2010). Polymer/layered silicate (clay) nanocomposites: An overview of flame retardancy. Progress in Polymer Science, 35(7), 902-958.
[16] ASTM E1131-20. Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry.
[17] TAPPI T461OS-79. Testing procedure using YG815B vertical fabric flame-retardant tester (Nantong Sansi Electromechanical Science & Technology Co. Ltd. China).
[18] Castvan, S., Lazarevic, D., Stojanovic, P., Ivkovic, Z., Petrovic, R. & Kovic, J. (2015). Improvement of the mechanical properties of paper by starch coatings modified with sepiolite nanoparticles. Starch, 67(3–4), 373-380.
[19] Rezayati Charani, P. & Moradian, M. H. (2019). Utilization of cellulose nanofibers and cationic polymers to improve breaking length of paper. Journal of Cellulose Chemistry and Technology, 53(7-8), 767–774.
[20] Barati Darband, G., Aliofkhazraei, M., Khorsand, S., Sokhanvar, S. & Kaboli, A. (2020). Science and engineering of superhydrophobic surfaces: Review of corrosion resistance, chemical and mechanical. Arabian Journal of Chemistry, 13(1), 1763-1802.
[21] Mortazavi, F., Resalati, H., Rasouli, S. & Asadpour, G. (2021). Investigation of industrial paper coating with recycled kaolin. Journal of Color Science and Technology, 15(2), 117-129. (In Persian)
[22]Weil, E. D. & Levchik, S.V. (2015). Flame retardants for plastics and textiles: Practical applications. Hanser Germany.
[23]Ashley, R.H., Matthew, R., Gillian, A.H. & Elsie, E.G. (2013). Clays and tetracyclines: Composite formulation and antibacterial properties. XV International Clay Conference.
[24] Di Blasi, C., Branca, C. & Galgano, A. (2007). Effects of diammonium phosphate on the yields and composition of products from wood pyrolysis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 46(2), 430–438.
[25] Ghiyasiyan-Arani, M., Masjedi-Arani, M., Ghanbari, D., Bagheri, S. & Salavati-Niasari, M. (2016) ‘Novel Chemical Synthesis and Characterization of Copper Pyrovanadate Nanoparticles and its Influence on the Flame Retardancy of Polymeric Nanocomposites. Scientific Reports, 6(1), 1-9.
[26] Jia, Y.L., Lu, Y., Zhang, G.X., Liang, Y. & Zhang, F. (2017). Facile synthesis of an eco-friendly nitrogen-phosphorus ammonium salt to enhance the durability and flame retardancy of cotton. Journal of Materials Chemistry A, 5(20), 9970-9981.
[27] Davies, P.J., Horrocks, A.R. & Alderson, A. (2005). The sensitization of thermal decomposition of ammonium polyphosphate. Thermochimica Acta, 432(1-2), 73-82.
[28] Fu, Q., Medina, L., Li, Y., Carosio, F., Hajian, A. and Berglund, L.A. (2014). Nanostructured wood hybrids for fire-retardancy prepared by clay impregnation into the cell wall. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(41), 36154-36163.
[29] Xiao, Z., Xu, J., Mai, C., Militz, H., Wang, Q. & Xie, Y. (2016). Combustion behavior of Scots pine (Pinus sylvestris L.) sapwood treated with a dispersion of aluminum oxychloride-modified silica’, Holzforschung, 70(12), 1165-1173.
نشریه جنگل و فرآورده های چوب
دوره 78، شماره 2
شهریور 1404
صفحه 191-207

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار