اصلاح توپوشیمیایی الیاف باگاس با کربوکسی‌متیلاسیون سطح

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 استادیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 استادیار، گروه سلولزی و بسته‌بندی، پژوهشکدۀ شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران

چکیده

مهندسی توپوشیمیایی سطوح الیاف، از راهبردهای جذاب برای ساخت محصولی با ویژگی‌های سطحی مطلوب به‌ویژه از راه واکنش با مولکول‌های آلی در محیط آبی است. در این تحقیق، خمیرکاغذ سودای باگاس به‌منظور ایجاد گروه‌های باردار در سطح الیاف با کربوکسی متیل سلولز (CMC) تیمار شد. فرایند کربوکسی‌متیلاسیون سطح الیاف تحت شرایط دمایی 85، 95 و 120 درجۀ سانتی‌گراد و مدت زمان واکنش 60، 90 و 120 دقیقه در حضور الکترولیت کلرید کلسیم انجام گرفت. زمان زهکشی، قابلیت نگهداری آب (WRV)، شاخص مقاومت به کشش و مقاومت به ترکیدن خمیرکاغذهای اصلاح‌شده با CMC اندازه‌گیری و با مقادیر متناظر خمیرکاغذهای تیمارشده با کربوکسی‌متیل‌سلولز به‌صورت مرسوم و خمیرکاغذ شاهد (اصلاح‌نشده) مقایسه شد. نتایج نشان داد که تیمار با CMC، شاخص مقاومت به کشش و مقاومت به ترکیدن کاغذ دست‌ساز حاصل از خمیر اصلاح‌شده را نسبت به کاغذ دست‌ساز حاصل از خمیرکاغذ اصلاح‌نشده افزایش داد. بهترین ویژگی‌های مقاومتی در دمای 120 درجۀ سانتی‌گراد و مدت زمان 90 دقیقه حاصل شد، درحالی‌ که زمان زهکشی در اثر اصلاح تحت تأثیر قرار نگرفت. برخلاف انتظار، قابلیت نگهداری آب توسط خمیرکاغذ اصلاح‌شده در مواردی کاهش یافت. بررسی ساختار با استفاده از طیف‌بینی FTIR و تفرق پرتو X افزایش پیوندیابی هیدروژنی و کاهش اندک درجۀ بلورینگی الیاف اصلاح‌شده را تأیید کرد. می‌توان نتیجه گرفت که با وارد کردن گروه‌های اسیدی از طریق اصلاح توپوشیمیاییِ سطح الیاف باگاس توسط CMC، می‌توان بسیاری از ویژگی‌های خمیرکاغذ نهایی را متأثر ساخت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Topochemical modification of bagasse fiber with surface carboxymethylation

نویسندگان [English]

  • Zahra Gholami Barzoki 1
  • Mohammad Azadfallah 2
  • Soheila Izadyar 2
  • Mehdi Roohani 3
1 M.Sc, Department of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I.R. Iran
2 Assist., Prof., Department of Wood and Paper Science & Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, I.R. Iran
3 Assist., Prof., Research Group of Cellulosic Materials and Packaging, Research Department of Chemistry and Petrochemistry, Standard Research Institute, Karaj, I.R. Iran
چکیده [English]

Topochemical engineering of fiber surfaces is an attractive strategy to fabricate a product with desired surface properties especially by using reactions with organic molecules in aqueous medium. In this study, the bagasse soda pulp was treated with carboxymethyl cellulose (CMC) in order to introduce more charged groups on the surfaces of fibers. The carboxymethylation of fiber surface was carried out under temperatures of 85, 95, and 120°C at 60, 90 and 120 minutes in the presence of calcium chloride as an electrolyte. The drainage time, water retention value (WRV), tensile index, and burst strength of CMC-modified pulps were measured and compared with corresponding values of untreated pulp and CMC-treated pulps by conventional methods. The results indicated that the treatment of fibers with CMC markedly increased the tensile index and burst strength of the modified pulp hand-sheets in comparison with unmodified pulp ones. The maximum strength properties were achieved at the reaction conditions of 120 ᵒC and 90 min between fiber and CMC. However, drainage time was not impaired by modification of the pulp. Water retention value of CMC-modified pulps decreased unexpectedly in some conditions. Further characterization using FTIR spectroscopy and XRD demonstrated hydrogen bonding development and a slight decrease in crystallinity due to fiber modification process. It is concluded that introducing acidic groups via topochemical modification of bagasse fiber surfaces may influence the most properties of the final pulp.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bagasse soda pulp
  • carboxymethyl cellulose
  • water retention
  • drainage time
  • Tensile Strength
  • Burst strength
[1]. Nada, A. M., Ibrahim, A., Fahmy, Y., and Abo-Yousef, H. E. (2002). Peroxyacetic acid pulping of bagasse. I. Two-stage pulping. Cellulose Chemistry and Technology, 36:123-136

[2]. Atchison, J.E. (1996). Twenty-five years of global progress in nonwood plant fiber repulping. Tappi, 79:87-95.

[3]. Fahmy, Y., Fahmy, T. A., Mobarak, F., El-Sakhawy, M., and Fadl, M. (2017). Agricultural residues (wastes) for manufacture of paper, board, and miscellaneous products: background overview and future prospects. International Journal of ChemTech Research, 10(2): 424-448.

[4]. Atchinson, J. E. (1987). Data on Non-Wood Plant Fibres. Pulp and Paper Manufacture, Volume 3: Secondary Fibres and Non-wood Pulping (Kocurek, M.J. ed.). 3rd edition. TAPPI Press, Atlanta. p. 157-169.

[5]. Salehi, K., Golbabaei, F., Fakhryan, A., and Mahdavi, S. (2012). Papermaking aspects of five common varieties of sugarcane in Iran. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 27 (1): 114-128.

[6]. Ankerfors, M., Duker, E., and Lindström, T. (2013). Topo-chemical modification of fibres by grafting of carboxymethyl cellulose in pilot scale. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 28 (1):6-14.

[7]. Lindström, T., Kolseth, P., and Näslund, P. (1985). The dry strengthening effect of cationic starch wet-end addition on filled papers. Papermaking Raw Materials, Trans, 8:589-611.

[8]. Lindström, T., Wågberg, L., and Larsson, T. (2005). On the nature of joint strength in paper-A review of dry and wet strength resins used in paper manufacturing. In 13th fundamental research symposium. Cambridge, UK: The Pulp and Paper Fundamental Research Society, 1:457-562.

[9]. Laine, J., Lindstrom, T., Nordmark, G. G., and Risinger, G. (2002). Studies on topochemical modification of cellulosic fibres-Part 2. The effect of carboxymethyl cellulose attachment on fibre swelling and paper strength. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 17(1): 50-56.

[10]. Yan, H., Lindstrom, T., and Christiernin, M. (2006). Some ways to decrease fibre suspension flocculation and improve sheet formation. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 21(1):36-43.

[11]. Segal, L., Creely J., Martin A., and Conrad C. (1959). An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, 29(10): 786-794.

[12]. Braihi, A. J., Salih, S. I., Hashem, F. A. and Jaleel Kareem Ahmed J. K. (2014). Proposed cross-linking model for carboxymethyl cellulose /starch superabsorbent polymer blend. International Journal of Materials Science and Applications, 3(6): 363-369.

[13]. Madhusudana Rao, K., Mallikarjuna, B., Krishna Rao, K. S. V., Prabhakar, M. N., Chowdoji Rao, K., and Subha, M. C. S. (2001). Preparation and characterization of pH sensitive poly(vinyl alcohol)/sodium carboxymethyl cellulose IPN microspheres for in vitro release studies of an anti-cancer drug. Polymer Bulletin, 68:1905-1913.

[14]. Mitikka-Eklund, M., Halttunen, M., Melander, M., Ruuttunen, K., and Vuorinen, T. (1999). Fibre engineering. 10th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, Yokohama, Japan, June 7-10, 432-439.

[15]. Blomstedt, M. (2007). Modification of cellulosic fibers by carboxymethyl cellulose: effects on fiber and sheet properties. Helsinki University of Technology, 75p. ISBN: 978-951-22-9060-4

[16]. Kargl, R., Mohan, T., Bračič, M., Kulterer, M., Doliška, A., Stana-Kleinschek, K., and Ribitsch V. (2012). Adsorption of carboxymethyl cellulose on polymer surfaces: evidence of a specific interaction with cellulose. Langmuir, 28(31):11440-11447.

[17]. Laine, J.  and Lindström, T. (2000). Studies on topochemical modification of cellulosic fibres. Part 1. Chemical conditions for the attachment of carboxymethyl cellulose onto fibres. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 15(5): 520-526.

[18]. Hubbe, M. A. (2014). Prospects for maintaining strength of paper and paperboard products while using less forest resources: A Review.BioResources, 9(1), 1634-1763.

[19]. Adinugraha, M.P., and Marseno Haryadi, D.W. (2005). Synthesis and characterization of sodium carboxymethylcellulose from cavendish banana pseudo stem (Musa cavendishii LAMBERT). Carbohydrate Polymers, 62(2): 164-169.

[20]. Mohkami, M., and Talaeipour M., (2011). Investigation of the chemical structure of carboxylated and carboxymethylated fibers from waste paper via XRD and FTIR analysis. BioResources, 6(2):1988-2003.

[21]. Myllytie P., Holappa S., Paltakari J., and Laine J. (2009). Effect of polymers on aggregation of cellulose fibrils and its implication on strength development in wet paper web. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 27:125–134.

[22]. Duker, E., and Lindström, T. (2008). On the mechanisms behind the ability of CMC to enhance paper strength. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 23(1): 57-64.

[23]. Laine, J., Lindstrom, T., Bremberg, C., and Glad-Nordmark, G. (2003). Studies on topochemical modification of cellulosic fibres-Part 5. Comparison of the effects of surface and bulk chemical modification and beating of pulp on paper properties. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 18 (3): 325-332.

[24]. Azadfallah, M. (2019). Carboxymethyl cellulose applications in papermaking. In: Carboxymethyl Cellulose. Volume II. Pharmaceuticals and industrial applications. (Editor: Md Ibrahim H. Mondal). Nova Science Publishers Inc., New York, 253-270.

[25]. Ahmadi Lajimi, A., Azadfallah, M., Rahmaninia and Hamzeh, Y. (2017). The potential of GL as a cationic polymer to control the stickies of OCC pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 33(2): 258-269.

[26]. Blomstedt, M., Kontturi, E., and Vuorinen, T. (2007). Optimising CMC sorption in order to improve tensile stiffness of hardwood pulp sheets. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 22 (3):336-342.