کاربرد نشاسته در صنایع مختلف بسیار گسترده است، لیکن در صنایع بسته‌بندی سلولزی می تواند به‌عنوان اندود، آهار و یا چسب محدود شود. در این صنایع، کیفیت مناسب چاپ، پایین بودن میزان جذب آب، مناسب‌بودن چسبندگی لایه‌ها و زیست‌تخریب‌پذیر بودن چسب مصرفی، نشاسته را در جایگاه رفیعی به‌عنوان یکی از مواد اولیه‌ی مناسب قرار داده است… در این پژوهش، به‌صورت مبسوط به مبحث کاربرد نشاسته در صنایع کاغذ و کارتن سازی پرداخته شده است که هم‌اکنون «بخش اول» آن را در پیش‌رو دارید.
نشاسته ویژگی های ارزشمندی از جمله زیست تخریب‌پذیر بودن، فراوانی، آلودگی کم برای محیط زیست، قیمت ارزان و ویژگی های دیگری مانند قدرت چسبندگی و توانایی تشکیل فیلم را داراست. در صنایع کاغذسازی، نشاسته کاربردهای گسترده‌ای دارد که شامل موارد زیر میشود:
– آهار کاغذ،
– اندود کاغذ،
– چسب.
در صنایع بسته‌بندی عمدتاً نشاسته در چسبهای مورد استفاده در مقوای کنگره‌ای، ساک‌های کاغذی و روکش کردن بسته‌بندی‌ها کاربرد دارد.
چسبهای نشاستهی مورد استفاده در نخستین ماشین‌های کنگره‌کننده شامل نشاسته‌ها و آردهای کاملاً پخته‌شده بودند که در این‌صورت کل مواد جامد چسب‌ها ۶ تا ۸ درصد می‌شد. استفاده از مواد جامد بیشتر به‌دلیل ایجاد گرانروی بیشتر، امکان‌پذیر نبود. در این سیستم ها به‌دلیل مقدار زیاد آب، سرعت عملیاتی خیلی پایین بود.
در اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰ از سیلیکات سدیم در چسب استفاده می شد. در این‌صورت گرانروی چسب با تبخیر یا جذب آب افزایش می‌یافت و با استفاده از این چسب‌ها، سرعت ماشین نسبت به گذشته نیز افزایش یافت. معایب استفاده از این چسب‌ها، این بود که سیلیکات خشک بسیار سخت و ساینده است و منجر به سایندگی تجهیزات میشود. همچنین مقوای ساخته‌شده با این چسب بسیار سنگین بود که منجر به تشکیل پیوندهای شکننده می‌شد.
در سال ۱۹۳۵، شرکت استین‌هال فرآیند جدیدی را جهت ساخت چسب نشاسته ارائه داد. این شرکت از نشاستهی خام به‌صورت مخلوط‌شده با آب استفاده می‌کرد. این گرانول‌های نشاستهی خام به‌صورت معلق در سیال دارای نشاستهی متورم‌شده با مواد شیمیایی حضور داشتند. در این روش، گرانروی چسب مناسب شده و نشاستهی خام در لوله‌ها و مخازن ذخیره، ته‌نشین نمی‌شود. در ماشین چسب‌زنی با اعمال حرارت به خط چسب، نشاستهی خام ژله‌ای شده و گرانروی افزایش می‌یابد و تشکیل پیوند می‌دهد. این روش اقتصادی‌تر و سرعت عملیاتی آن بالاتر است.
امروزه در اغلب کارخانجات از چسب نشاستهی اصلاح‌نشده به همان روش قدیمی استفاده میشود که مشکلات عدیده‌ای را به همراه دارد. تلاش‌های زیادی جهت رفع این کاستی ها صورت گرفته است. جیس فلت و همکارانش (۱۹۹۶)، ساخت چسب مقوای کنگره‌ای با ترکیب الیاف گیاهی حل‌شده را مورد تحقیق قرار دادند.
ترکیب چسب شامل پلی‌وینیل الکل، الیاف حل‌شده و نشاسته است. الیاف از منابع مختلفی مثل چوب و محصولات کشاورزی بوده و الیاف گیاهی ذرت ترجیح داده میشود. این چسب‌ها مقاومت به آب و مقاومت پیوند و چسبندگی بهتری را برای چسب مقوای کنگره‌ای به روش‌های حامل و بدون حامل فراهم می‌آورند.
راجر گراهام و همکارانش (۱۹۹۸)، ترکیبات چسب نشاسته – سیلیکات را برای مقوای کنگره‌ای مورد استفاده قرار دادند. چسبهای نشاستهی ساخته‌شده به این‌صورت دارای مواد جامد بالاتری نسبت به چسبهای نشاستهی سنتی هستند که مزایایی از جمله صرفه‌جویی در مصرف انرژی، پیچیدگی کمتر مقوای چسب‌خورده، سرعت بیشتر ماشین و افت کمتر مقاومت مقوای لاینر و لایه‌ی کنگره‌ای را در بر دارد.
در این تحقیق خواصی مثل گرانروی، ویژگی های رئولوژیکی در یک دمای ژله‌ای به‌خصوص و سرعت تشکیل پیوندهای موقتی، کنترل‌شده و مطابق با ماشین‌های جدید با سرعت بالا تنظیم میشود. سیلیکات قلیایی، ارزان و مقاوم به آتش و آفت و قابل بازیافت است.
ایمن گو و همکارانش (۲۰۰۲)، ویژگیهای چسبندگی و قدرت پیوند بین کاغذ-کاغذ، کاغذ-پلاستیک، کاغذ-شیشه و کاغذ-فلز در چسبهای حاصل از نشاستههای یم، تاپیوکا، ذرت، سیب‌زمینی و برنج را مورد تحقیق قرار دادند و دریافتند که هیچ‌کدام از نشاسته‌ها چسبندگی خوبی را برای کاغذ-شیشه و کاغذ-فلز نداشتند ولی همه‌ی آن‌ها چسبندگی خوبیی را برای کاغذ-کاغذ و کاغذ-پلاستیک داشتند. نشاستههای حاصل از یم، تاپیوکا، ذرت و سیب‌زمینی اصلاح‌شده با اسید و حرارت زیاد، چسبندگی و قدرت پیوند بالایی را برای کاغذ-کاغذ و کاغذ-شیشه فراهم آوردند. این اصلاح میانگین عددی جرم مولی این نشاسته را کاهش می‌دهد.
تأکید می‌گردد در این پژوهش، نگاه کلی به استفاده از نشاسته در صنایع کاغذسازی و بسته‌بندی است و مشکلات موجود در صنعت بسته‌بندی در خصوص چسب نشاسته بیان شده و راه‌کارهایی در راستای اصلاح نشاسته و چسب نشاسته آورده شده است.
آهاردهی کاغذ
در صنایع کاغذسازی هرساله مقدار زیادی از این نوع نشاسته هم به‌عنوان اندود و هم به‌عنوان آهار مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این صنعت نشاسته از پایانه ترتاپرس آهار کاربرد دارد. در مجموع دلیل استفاده از نشاسته، کاهش هزینه‌‌های تولید و بهبود ویژگیهای محصول است.
شکل۱- آهارزنی در پرس آهار
در گذشته، جهت آهاردهی ورق از میان حوضچه دوغاب، نشاسته عبور داده شده و سپس از میان دو غلتک بزرگ می‌گذشت. مقدار نشاستهی منتقل‌شده به کاغذ از طریق پرس آهار به چند عامل بستگی دارد:
– غلظت دوغاب نشاسته در پرس آهار، گرانروی دوغاب نشاسته،
– ابعاد غلتک‌های پرس آهار،
– ارتفاع حوضچه‌ی پرس آهار،
– سختی لایه‌ی پوششی غلتک‌های پرس آهار،
– فشار نقطه‌ی تماس و آب موجود در ورق.
مشکلات عملیاتی به‌دلیل انتقال زیاد آب به کاغذ طی آهاردهی و همچنین ناپایداری حوضچه منجر به گسترش پرس‌های آهار سنجشی شد. در این پرس آهار نشاستهی بین دو غلتک ریخته شده و مازاد آن از لبه‌ها جمع‌آوری میشود.
عملیات آهاردهی سطح کاغذ، عمدتاً به‌منظور مقاوم‌ساختن کاغذ در برابر نفوذ آب و محلول‌های آبی انجام میشود. با این عملیات، سایر ویژگی های سطح کاغذ نیز بهبود می‌یابد و خواص فیزیکی آن بهتر میشود.
روش‌های مهم آهاردهی مورد استفاده در کاغذهای عبارت‌اند از:
– آهاردهی درونی،
– آهاردهی سطحی.
برای آهاردهی درونی از مواد شیمیایی مختلفی استفاده میشود تا سرعت نفوذ آب از طریق زاویه‌ی تماس کاهش یابد. برای آهار سطحی معمولاً از ذرات نشاسته استفاده میشود تا نقاط خالی و حفره‌‌های روی کاغذ را پر کند. با انجام این عملیات از شعاع این حفره‌ها کاسته شده و در نتیجه سرعت نفوذ آب در کاغذها کم میشود.
در صنعت کاغذ، حجم زیادی از نشاسته برای آهار سطحی کاغذ بهکار می‌رود. آهاردهی سطحی عملیات مهمی است که در آن کاغذ از میان محلول آهار عبور داده شده و سپس از میان غلتک آهار عبور می‌کند. این غلتک‌ها آهار را روی کاغذ پرس کرده و مازاد آن را از سطح کاغذ خارج می‌کنند. هدف اصلی این عملیات بهبود ویژگیهای سطحی جهت دست‌یابی به خواص چاپ و تحریر بهتر می‌باشد.
غلظت نشاسته در محلول آهار می‌تواند از ۲ تا ۱۵ درصد بسته به نوع پرس آهار موجود در ماشین و نیازمندی‌های محصول نهایی باشد. نشاستهی پخته‌شده‌ی اصلاح‌نشده، گرانروی بسیار بالایی برای اغلب عملیات آهار دراد. بنابراین معمولاً از گرانروی نشاسته باید کاسته شود. این عملیات در کارخانه‌ی کاغذ هم با تبدیل آنزیمی و هم با تبدیل شیمیایی – حرارتی انجام می‌گیرد. به‌هرحال، نشاستههای دپلیمریزه‌شده تمایل به تخریب دارند که این تمایل منجر به کاهش کارایی آهار میشود.
بهبود ویژگی های نشاستهی مورد استفاده در آهار
نشاستههای اصلاح‌شده یا پیش‌تبدیل‌شده می‌توانند در این عملیات مفید باشند. نشاستهی اکسیدشده یکی از متداول‌ترین نشاسته‌ها جهت استفاده در آهار سطحی است. دلیل این امر، خواص خوب تشکیل فیلم و تمایل کم به تخریب می‌باشد. در بازیافت کاغذ، نشاستهی اکسیدشده که دارای بار منفی است می‌تواند به‌عنوان پراکنده‌ساز عمل کند و در از بین بردن فیلر و خود نشاسته در پساب که باعث آلودگی می‌شوند، همکاری کند.
استفاده از نشاستهی کاتیونی نیز به‌شدت در حال افزایش است و دلیل این امر، کاهش مشکلات زیست‌محیطی جهت کاهش مواد معلق و اکسیژن‌خواهی در پساب حاصل از کارخانجات است. نشاستههای کاتیونی برای همه‌ی درجات کاغذ و مقوا مورد استفاده قرار می‌گیرند و مقاومت کاغذ را بهبود بخشیده و در کاهش اکسیژن‌خواهی زیستی و افزایش شفافیت نقش دارند. نشاستههای آنیونی توسط کربوکسی متیله‌کردن نشاستهی ذرت به‌دست می‌آیند و باعث بهبود مقاومت فیلم و مقاومت به کنده‌شدن الیاف از سطح و ماتی می‌شوند.
اندودکردن کاغذ
نشاستهی اتصالدهندهی اصلی برای اندود کاغذ نیز است که به‌صورت یک اتصال‌دهنده ی منحصربه‌فرد به‌صورت ترکیب‌شده با اتصال‌‌دهنده‌های سنتزی مختلف موجود است. نشاسته‌هایی که برای استفاده در اندود بهکار می‌روند باید وزن مولکولی مشخصی داشته باشند تا خواص رئولوژیکی مورد نیاز برای انتشار یکنواخت اندود و کنترل ماندگاری آب در سرعت‌های عملیاتی بالا را به‌دست آورند.
شکل ۲- تجهیزات اندودسازی کاغذ در ماشین کاغذ
فناوری رو به پیشرفت چاپ و بسته‌بندی، نیاز به بهبود سطح کاغذ را دوچندان کرده است. برای پاسخ‌گویی به این نیاز‌ها سطح کاغذها را با ترکیبات شیمیایی مختلفی اندود می‌کنند تا سفیدی، صافی، رنگ و درخشش آن بهبود یابد.
شکل۳- اندودسازی توسط تیغه
فرآیند‌های اندودسازی
فرآیند‌های اندودسازی را معمولاً به دو دسته اندودسازی رنگ‌دانه‌ای و اندودسازی عاملی تقسیم می کنند.
گرچه استعمال محلول نشاسته نیز درواقع نوعی اندودسازی عاملی است، اما در عرف این عمل را آهاردهی تلقی می کنند نه اندودسازی.
انواع مختلفی از اتصال‌دهنده‌ها برای اتصال ذرات رنگ‌دانه به سطح کاغذ بهکار می‌رود که عبارت‌اند از:
– نشاسته‌ها،
– پروتئین‌ها،
– مواد سنتزی.
نشاسته‌ها جهت اتصال ذرات رنگ‌دانه به یک‌دیگر و به کاغذ بهکار می‌روند. همان‌طور که در بالا توضیح داده شد. به‌عنوان اتصالدهندهی اندود نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. نشاستهی مورد استفاده در اندود نیاز به گرانروی کمتری نسبت به دیگر نشاستههای موجود در صنعت کاغذ دارد و دلیل این امر، نیاز به مقادیر زیاد نشاسته در ترکیب اندود جهت فراهم‌آوردن اتصال قوی برای رنگ‌دانه‌‌ها است. دلیل دیگر آن این است که نشاسته باید تا سطح مشخصی و به‌صورت فیلم یکنواخت روی سطح کاغذ قرار گیرد.
ادامه دارد…
نویسندگان: نگین نیک‌بین – سعید مهدوی
