نشریه جنگل و فرآورده های چوب

نشریه جنگل و فرآورده های چوب

تأثیر لایه‌نشانی بر سطح کاغذ با استفاده از کیتوزان و کمپلکس کربوکسی­متیل­سلولز-کربنات­ کلسیم ­رسوبی بر خواص ساختاری، مکانیکی و ممانعتی کاغذهای دست‌ساز

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 صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
10.22059/jfwp.2026.417928.1401
چکیده
مقدمه : توسعة بسته‌بندی‌های پایدار به‌عنوان جایگزینی برای مواد مبتنی بر نفت، به یکی از مهم‌ترین اولویت‌های پژوهشی تبدیل شده است. کاغذ به‌دلیل قابلیت بازیافت و زیست‌تخریب‌پذیری، گزینه‌ای مناسب برای بسته‌بندی پایدار محسوب می‌شود، اما طبیعت آبدوست الیاف سلولزی و ساختار متخلخل آن خواص ممانعتی مطلوب را محدود می‌کند. ازاین‌رو، استفاده از پوشش‌های زیست‌پایه به‌عنوان جایگزینی برای پوشش‌های پایة نفتی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، سطح کاغذ دست‌ساز با استفاده از روش لایه‌نشانی لایه‌به‌لایه (LbL) با استفاده از کیتوزان (CS) و کمپلکس کربوکسی‌متیل سلولز-کربنات­کلسیم­رسوبی (CMC–PCC) اصلاح شد و تأثیر تعداد لایه‌های پوشش بر خواص ساختاری، مکانیکی و ممانعتی کاغذ مورد بررسی قرار گرفت.
روش پژوهش: ابتدا، خمیرکاغذ الیاف بلند رنگبری‌شده با درجة روانی ۷۵۰ میلی‌لیتر CSF، با استفاده از دستگاه PFI تا ۳۵۰ میلی‌لیتر CSF پالایش شد. سپس، سوسپانسیون خمیر با درصد خشکی ۲ درصد، با محلول CMC و CaCl₂ در دمای آب جوش به‌مدت ۲ ساعت تیمار شد و الیاف تیمارشده با نسبت ۳۰ درصد وزنی، در ساخت کاغذهای دست‌ساز با گراماژ 60 گرم بر مترمربع مورد استفاده قرار گرفت. برای اصلاح سطح، کاغذها ابتدا در محلول کیتوزان با غلظت 5/2 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر به‌مدت ۱۰ دقیقه غوطه‌ور شده، سپس با آب تصفیه شسته شدند. در مرحلة بعد، نمونه‌ها در ترکیب کمپلکس CMC-PCC با غلظت میلی‌گرم بر میلی‌لیتر 1/5 به‌مدت ۱۰ دقیقه غوطه‌ور شده و مجدداً شستشو شدند. این چرخه برای ایجاد یک، دو و سه جفت­لایه تکرار شد. ویژگی‌های ریخت­شناختی، اندازة ذرات و پتانسیل زتا، ضخامت و گراماژ، شاخص مقاومت کششی، نفوذپذیری هوا، زاویة تماس آب، زمان جذب آب، درجة روشنی و ماتی اندازه‌گیری شد.
یافته‌ها: تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که پوشش‌دهی با CS-CMC/PCC منجر به کاهش فضاهای خالی قابل مشاهده در سطح کاغذ شده است. حضور CMC به‌عنوان پایدارکننده، از ته‌نشینی ذرات PCC جلوگیری کرده و جذب آنها را بر سطح الیاف افزایش داد. اندازه‌گیری پتانسیل زتا، بار منفی سوسپانسیون الیاف اصلاح شده با CMC (۳/۱۰۲- میلی‌ولت) و کمپلکس CMC-PCC (5/7- میلی‌ولت) و همچنین، بار مثبت کیتوزان (13/2+ میلی‌ولت) را تأیید کرد که شرط لازم برای انجام فرآیند LbL را فراهم می‌آورد. نتایج نشان داد که ضخامت و گرماژ کاغذ با افزایش تعداد جفت­لایه‌ها به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. علی‌رغم حضور پرکنندة معدنی، شاخص مقاومت کششی در نمونه‌های یک، دو و سه جفت­‌لایه به‌ترتیب 4/25، 10/8 و 19/52 درصد نسبت به نمونه شاهد افزایش یافت که به تشکیل لایه‌های پایدار از طریق برهم‌کنش‌های الکترواستاتیکی و تقویت شبکة پیوندهای هیدروژنی میان کیتوزان،CMC و سلولز نسبت داده شد. مقاومت به عبور هوا در نمونه‌های یک، دو و سه‌ جفت­لایه به‌ترتیب 272/6، 652/6 و 1319/0 درصد افزایش یافت که مؤید کاهش چشمگیر فضای خالی بین الیاف بوده است. زاویة تماس آب در نمونة سه جفت­‌لایه، از 18/3 درجه در نمونة شاهد به 81/5 درجه افزایش یافت؛ علاوه بر این، زمان جذب آب این نمونه نیز بیشتر از نمونه شاهد بوده است. تیمار یک جفت‌لایه CS–CMC/PCC درجة روشنی کاغذ را به‌دلیل حضور CMC و PCC افزایش داد، اما با افزایش تعداد لایه‌ها، غلبة کیتوزان موجب کاهش درجة روشنی شد؛ بااین‌حال، اصلاح لایه‌به‌لایه باعث بهبود چشمگیر ماتی کاغذ شد.
نتیجه‌گیری: روش LbL با استفاده از کیتوزان و کمپلکس CMC-PCC به‌عنوان رویکردی مؤثر، زیست‌سازگار و قابل‌کنترل برای اصلاح همزمان خواص سطحی، مکانیکی، ممانعتی و نوری کاغذهای دست‌ساز مطرح می‌شود. افزایش تعداد جفت­لایه‌ها از یک به سه جفت­لایه، منجر به بهبود شاخص مقاومت کشش، مقاومت به عبور هوا، زاویة تماس آب، زمان جذب آب و ماتی شد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

The effect of layering on the paper surface using chitosan and a carboxymethyl cellulose–precipitated calcium carbonate complex on the structural, mechanical, and barrier properties of handsheets

نویسندگان English

moghadaseh akbari 1
Elyas Afra 1
Mohammadreza Dehghani Firouzabadi 1
Majid Zabihzadeh 2
1 Department of Paper Sciences and Engineering, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Department of Wood and Cellulose Products, Sari Agricultural and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده English

Introduction: The development of sustainable packaging as an alternative to petroleum-based materials has become one of the most important research priorities. Paper is a suitable option for sustainable packaging due to its recyclability and biodegradability, but the hydrophilic nature of cellulose fibers and their porous structure limit the desirable barrier properties. Therefore, the use of bio-based coatings has been considered as an alternative to petroleum-based coatings. In this study, the surface of handsheet was modified using a layer-by-layer (LbL) method using chitosan (CS) and carboxymethyl cellulose-precipitated calcium carbonate (CMC–PCC) complex, and the effect of the number of coating layers on the structural, mechanical, and barrier properties of the paper was investigated.
Method: First, bleached long fiber pulp with a freeness of 750 ml CSF was refined to 350 ml CSF using a PFI mill. Then, the pulp suspension (2% consistency) was treated with CMC and CaCl₂ solutions at boiling-water temperature for 2 h. The treated fibers (30% wt) were used to prepare handsheets with a grammage of 60 g/m². To modify the surface, the papers were first immersed in a chitosan solution (2.5 mg/mL) for 10 min, then rinsed with purified water. Next, the samples were immersed in a CMC-PCC complex mixture at 1.5 mg/mL for 10 min and rinsed again. This cycle was repeated to produce one-, two-, and three-bilayers. Morphological characteristics, particle size and zeta potential, thickness and grammage, tensile index, air permeability, water contact angle, water absorption time, brightness, and opacity were measured.
Results: Scanning electron microscope (SEM) images showed that coating with CS–CMC/PCC reduced the observable void spaces on the paper surface. The presence of CMC as a stabilizer prevented the sedimentation of PCC particles and increased their adsorption onto the fiber surface.
Zeta potential measurements confirmed the negative charge of the CMC-modified fiber suspension (−102.3 mV) and the CMC–PCC complex (−5.7 mV), as well as the positive charge of chitosan (+13.2 mV), which provides the necessary condition for the LbL process. The results showed that paper thickness and grammage increased significantly with increasing bilayer number. Despite the presence of the mineral filler, the tensile index increased by 4.25%, 10.89%, and 19.52% in the one-, two-, and three-bilayer samples, respectively, compared with the control sample, which was attributed to the formation of stable layers through electrostatic interactions and the reinforcement of the hydrogen-bond network among chitosan, CMC, and cellulose. Air permeability resistance increased by 272.66%, 652.62%, and 1319.05% in the one-, two-, and three-bilayer samples, respectively, confirming a considerable reduction in the void space between fibers. The water contact angle in the three-bilayer sample increased from 18.31° in the control sample to 81.50°; moreover, the water absorption time of this sample was also higher than that of the control sample. Treatment with one-bilayer of CS–CMC/PCC increased the brightness of paper due to the presence of CMC and PCC, but with an increase in the number of layers, the dominance of chitosan caused a decrease in brightness; nevertheless, layer-by-layer modification resulted in a considerable improvement in paper opacity.
Conclusion: The LbL method using chitosan and the CMC–PCC complex is proposed as an effective, biocompatible, and controllable approach for the simultaneous modification of the surface, mechanical, barrier, and optical properties of handsheets. Increasing the number of bilayers from one to three-bilayers resulted in the improvement of tensile index, air resistance, water contact angle, water absorption time, and opacity.

کلیدواژه‌ها English

Barrier properties
Layer-by-layer assembly
Surface modification
Sustainable packaging
[1]. Akhila, K., Ramakanth, D. & Gaikwad, K.K. (2022). Development of novel gallic acid-and cellulose acetate-coated paper as pH-responsive oxygen indicator for intelligent food packaging. Journal of Coatings Technology and Research, 19(5), 1493-1506. https://doi.org/10.1007/s11998-022-00622-0
[2]. Kumar, A., Deshmukh, R.K. & Gaikwad, K.K. (2024). Quality preservation in banana fruits packed in pine needle and halloysite nanotube-based ethylene gas scavenging paper during storage. Biomass Conversion and Biorefinery, 14(5), 6311-6320. https://doi.org/10.1007/s13399-022-02708-6
[3]. Oloyede, O.O. & Lignou, S. (2021). Sustainable paper-based packaging: a consumer’s perspective. Foods 10(5), 1035. https://doi.org/10.3390/foods10051035
[4]. Ramakanth, D., Singh, S., Maji, P.K., Lee, Y.S. & Gaikwad, K.K. (2021). Advanced packaging for distribution and storage of COVID-19 vaccines: a review. Environmental Chemistry Letters, 19(5), 3597-3608. https://doi.org/10.1007/s10311-021-01256-1
[5]. Yook, S., Park, H., Park, H., Lee, S.Y., Kwon, J. & Youn, H.J. (2020). Barrier coatings with various types of cellulose nanofibrils and their barrier properties. Cellulose, 27(8), 4509-4523. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03061-5
[6]. Nechita, P. & Roman, M. (2020). Review on polysaccharides used in coatings for food packaging papers. Coatings, 10(6), 566. https://doi.org/10.3390/coatings10060566
[7]. Esmat, B., Bibi, S., Soliman, M.M., Thabet, H.K., Wattoo, M.A., Nazir, M.A., El-Bahy, Z.M. & ur Rehman, A. (2026). Carboxymethyl cellulose: Structural modifications and their impact on barrier and mechanical properties for sustainable food packaging. Journal of Stored Products Research, 115, 102864. https://doi.org/10.1016/j.jspr.2025.102864
[8]. Du, Y.F., Zang, Y.H., Liu, S.F. & Xu, Y. (2011). The influence of CMC on paper coating properties. Advanced Materials Research, 236, 1391-1395. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.236-238.1391
[9]. Lungu, R., Ciolacu, F., Rosca, I., Marin, L. & Spiridon, I. (2026). Chitosan-citral coated paper: A simple and sustainable approach to eco-friendly food packaging. Cellulose, 1-20. https://doi.org/10.1007/s10570-026-07075-3
[10]. Dölle, K. (2021). In-situ precipitated calcium carbonate paper filler material: a review. Journal of Engineering Research and Reports, 21(11), 38-58. 10.9734/JERR/2021/v21i1117502
[11]. Vilsinski, B.H., de Oliveira, A.C., Souza, P.R., & Martins, A.F. (2024). Polysaccharide-based polyelectrolyte multilayers fabricated via layer-by-layer approach: From preparation to applications. Progress in Organic Coatings, 196, 108720. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2024.108720
[12]. Wu, T. & Farnood, R. (2014). Cellulose fibre networks reinforced with carboxymethyl cellulose/chitosan complex layer-by-layer. Carbohydrate Polymers, 114, 500-505. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.08.053
[13]. Bhardwaj, A., Sharma, N., Alam, T., Sharma, V., Sahu, J. K., Hamid, H., Bansal, V. & Alam, M.S. (2023). Development and characterization of chitosan and beeswax–chitosan coated biodegradable corn husk and sugarcane bagasse-based cellulose paper. Waste and Biomass Valorization, 14(5), 1625-1636. https://doi.org/10.1007/s12649-022-01952-1
[14]. Arbatan, T., Zhang, L., Fang, X. Y., & Shen, W. (2012). Cellulose nanofibers as binder for fabrication of superhydrophobic paper. Chemical Engineering Journal, 210, 74-79. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.08.074
[15]. Backfolk, K., Lagerge, S., Rosenholm, J.B. & Eklund, D. (2002). Aspects on the interaction between sodium carboxymethylcellulose and calcium carbonate and the relationship to specific site adsorption. Journal of Colloid and Interface Science, 248(1), 5-12. https://doi.org/10.1006/jcis.2001.8195
[16]. Fagundes, K.R.S., Luz, R.C.D.S., Fagundes, F.P., & Balaban, R.D.C. (2018). Effect of carboxymethylcellulose on colloidal properties of calcite suspensions in drilling fluids. Polímeros, 28, 373-379. https://doi.org/10.1590/0104-1428.11817
[17]. Rudi, H.R. (2018). Bonding improvement of three times recovered Kraft fibers through coating of chitosan/carboxyl methyl cellulose multilayers. Journal of Wood and Forest Science and Technology, 25(4). (In Persian).
[18]. Tanpichai, S., Witayakran, S., Wootthikanokkhan, J., Srimarut, Y., Woraprayote, W. & Malila, Y. (2020). Mechanical and antibacterial properties of the chitosan coated cellulose paper for packaging applications: Effects of molecular weight types and concentrations of chitosan. International journal of biological macromolecules, 155, 1510-1519. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.11.128
[19]. Li, H., He, Y., Yang, J., Wang, X., Lan, T. & Peng, L. (2019). Fabrication of food-safe superhydrophobic cellulose paper with improved moisture and air barrier properties. Carbohydrate polymers, 211, 22-30. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.107
[20]. Khantayanuwong, S., Khemarom, C. & Salaemae, S. (2017). Effects of shrimp chitosan on the physical properties of handsheets. Agriculture and Natural Resources, 51(1), 53-56. https://doi.org/10.1016/j.anres.2016.07.006
[21]. Ashori, A., Raverty, W. D., & Harun, J. (2005). Effect of chitosan addition on the surface properties of kenaf (Hibiscus cannabinus) paper. Fibers and Polymers, 6(2), 174-179. https://doi.org/10.1007/BF02875611
[22]. Fortună, M. E., Ungureanu, E. & Jitareanu, C. D. (2021). Calcium carbonate–carboxymethyl chitosan hybrid materials. Materials, 14(12), 3336. https://doi.org/10.3390/ma14123336
[23]. Maślana, K., Sielicki, K., Wenelska, K., Kędzierski, T., Janusz, J., Mariańczyk, G., Gorgon-Kuza, A., Bogdan, W., Zielińska, B. & Mijowska, E., (2023). Facile strategy for boosting of inorganic fillers retention in paper. Polymers, 16(1), 110. https://doi.org/10.3390/polym16010110

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 30 مهر 1405