نشاسته کاتیونی در کاغذ

مقدمه

نشاسته، به عنوان یکی از فراوان‌ترین پلیمرهای طبیعی، نقشی حیاتی در صنایع مختلف از جمله صنعت کاغذسازی ایفا می‌کند. این ماده که عمدتاً از گیاهانی مانند ذرت، گندم، سیب‌زمینی و تاپیوکا استخراج می‌شود، به دلیل خواص چسبندگی، جذب آب و اصلاح‌پذیری، در فرآیند تولید کاغذ و مقوا به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. در صنعت کاغذسازی، نشاسته علاوه بر این‌که به عنوان یک افزودنی ارزان‌قیمت عمل می‌کند، کیفیت نهایی محصول را از لحاظ استحکام و چاپ پذیری نیز بهبود می‌بخشد.

نشاسته و ساختار آن

نشاسته یک پلیمر پیچیده تشکیل شده از واحدهای گلوکز  است که به دو جزء اصلی تقسیم می‌شود:

• آمیلوز (زنجیره‌های خطی، حدود ۲۰-۳۰ درصد)
• آمیلوپکتین (زنجیره‌های شاخه‌دار، ۷۰-۸۰ درصد)

ساختار گرانولی، نشاسته را قادر می‌سازد تا در حضور آب متورم شود، ژلاتینه گردد) و در نهایت بازآرایی (رتروگرید) شود. منابع اصلی نشاسته شامل ذرت، گندم، سیب‌زمینی و تاپیوکا هستند که در این میان ذرت از لحاظ فراوانی از سایر منابع پیشی گرفته است. در حالت خام، نشاسته برای برخی کاربردهای صنعتی مناسب نیست، لذا نشاسته اغلب اصلاح می‌شود تا خصوصیات مورد نظر در آن ایجاد یا تقویت شوند. در صنعت کاغذ، نشاسته به عنوان یک پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر، جایگزین مناسبی برای مواد شیمیایی مصنوعی به شمار می‌رود و سالانه میلیون‌ها تن از آن در این صنعت مصرف می‌شود.

فرآیند کاغذسازی در یک نگاه

• خمیرسازی: پس از خرد کردن چوب، از روش‌ شیمیایی کرفت (Kraft)، یعنی تیمار قلیایی در دمای بالا جهت جداسازی لیگنین، یا روش مکانیکی جهت جداسازی فیبر (سایش) استفاده می‌گردد. همچنین، افزودنی‌های مورد نظر مانند نشاسته، فیلرهایی مثل کربنات کلسیم، کائولن، و رنگدانه‌ها در این مرحله به خمیر اضافه می‌شوند.
• تصفیه، رنگبری و خالص‌سازی: ابتدا ذرات اضافه از فیبر جداشده و به‌منظور افزایش سفیدی و کیفیت کاغذ، معمولاً با پراکسید هیدروژن یا سایر عوامل شیمیایی رنگبری می‌شود. همچنین، افزودنی‌های مورد نظر مانند نشاسته، فیلرهایی مثل کربنات کلسیم، کائولن، انواع رزین‌ها و رنگدانه‌ها در این مرحله به خمیر اضافه می‌شوند.
• بخش Wet-end: پس از تهیه و خالص‌سازی خمیر، این بخش به عنوان قسمت اولیه فرآیند کاغذسازی شناخته می‌شود. در این بخش خمیر کاغذ (slurry) روی یک توری مشبک (forming fabric) پخش می‌شود تا آب اولیه از آن خارج و لایه‌ی اولیه کاغذ شکل بگیرد. بخش Wet-end به‌طور کلی شامل قسمت‌های زیر است:
  • Headbox: خمیر استاندارد شده (حاوی افزودنی‌ها) روی تور سیمی پخش می‌شود.
  • Forming section: در این بخش آب اضافی از طریق جاذبه و مکش از خمیر جدا می‌شود و لایه‌ای سلولز خشک تشکیل می‌شود
  • Press section: ورق تر از بین غلتک‌هایی عبور کرده و تحت فشار، بخش قابل‌توجهی از آب حذف می‌شود؛ این کار باعث فشرده‌تر شدن ساختار و افزایش چسبندگی بین الیاف می‌شود.
• بخش Dry-end: پس از فشرده‌سازی و یکدست‌شدن ساختار در انتهای بخش Wet-End، ورق خروجی همچنان حاوی مقادیر بالای رطوبت می‌باشد. در بخشDry-End ، این رطوبت اضافی تبخیر شده و کاغذ شکل نهایی خود را پیدا می‌کند که شامل قسمت‌های زیر است:
  • Drying section: ورق از روی سیلندرهای گرم عبور داده می‌شود و تا رطوبت آن تا حدود 5-6٪ کاهش می‌یابد
  • Size press: ممکن‌است در بین دو بخش خشک‌کن (که به‌عنوان Pre-/Post-dryer شناخته می‌شوند)، محلول سایزینگ (مانند نشاسته یا رزین) به‌منظور بهبود خصوصیات مکانیکی و سطحی بر روی سطح ورق اعمال می‌شود.
  • Calendaring: ورق تحت فشار غلتک‌های صیقلی قرار می‌گیرد تا سطح آن صاف و یکنواخت شود؛ این مرحله به بهبود چاپ‌پذیری و کاهش ضخامت منجر می‌شود.
  • Reeling / Winding: در نهایت، ورق خشک‌شده به صورت رول جمع‌آوری شده و آماده بسته‌بندی یا برش می‌شود.

انواع نشاسته در کاغذسازی

نشاسته‌ها در کاغذسازی به دو دسته اصلی خام و اصلاح‌شده تقسیم می‌شوند. نشاسته خام، مانند نشاسته ذرت یا گندم، مستقیماً از گیاه استخراج می‌شود و برای کاربردهای ساده مانند افزایش استحکام کاغذ خشک استفاده می‌گردد. این نوع نشاسته معمولا ارزان‌تر است اما محدودیت‌های ذاتی آن مانند حساسیت به رطوبت و رتروگراسیون، می‌تواند منجر به شکنندگی کاغذ شود.

نشاسته‌های اصلاح‌شده، که بیش از ۹۰ درصد نشاسته مصرفی در کاغذسازی را تشکیل می‌دهند، شامل انواع فیزیکی (مانند نشاسته پری‌ژلاتینه)، شیمیایی (مانند اکسیدشده یا کاتیونی) و آنزیمی هستند. انتخاب نشاسته بر اساس نوع فرآیند، نحوه به‌کارگیری نشاسته، و نتایج مورد انتظار از نشاسته صورت می‌گیرد. به‌عنوان مثال، از نشاسته اکسید‌شده به صورت سطحی (External) و جهت استفاده در فرآیند سایزپرس (بخش Dry-end) و از نشاسته کاتیونی در بخش (Wet-end) و به صورت داخلی (Internal) استفاده می‌شود.

کاربرد مستقیم نشاسته در خمیر کاغذ

نشاسته به صورت مستقیم در مرحله خمیرسازی اضافه می‌شود تا خواص فیزیکی و مکانیکی کاغذ را بهبود بخشد. نشاسته پیش از تشکیل ورق و پس از تصفیه خمیر، به‌عنوان یک افزودنی بهبود دهنده استحکام کاغذ خشک شناخته می‌شود. افزودن نشاسته به خمیر، پیوند بین فیبرها را تقویت کرده و مقاومت به کشش و پارگی را بالا می‌برد.

نشاسته کاتیونی

نشاسته کاتیونی نوعی نشاسته اصلاح‌شده است که منجر به وارد کردن گروه‌های کاتیونی (حاوی بار مثبت) به ساختار بدون بار نشاسته می‌گردد. عامل اصلی تعیین کننده خصوصیات نشاسته اصلاح‌شده به عنوان درجه جایگزینی شناخته می‌شود. هرچه درجه جایگزینی افزایش یابد، بار کلی مثبت نشاسته نیز افزایش می‌یابد. این نوع نشاسته اصلاح‌شده به ‌طور خاص برای کاغذهای بر پایه فیبرهای سلولزی با بار منفی توسعه داده شده است.

فیبرهای سلولزی (که پایه اصلی خمیر کاغذ هستند) در محیط آبی بار منفی (آنیونیک) دارند. این بار منفی ناشی از گروه‌های یونیزه‌شده مانند کربوکسیل (-COOH) و هیدروکسیل (-OH) حاضر روی سطح فیبرها، و همچنین باقی‌مانده‌های لیگنین یا سایر مواد در خمیر کاغذ می‌باشد. این بار منفی باعث دفع فیبرها از یکدیگر می‌شود، که منجر به حفظ نه‌چندان ذرات ریز (fines) و فیلر‌ها (مانند کربنات کلسیم)، در نتیجه هدررفت فیبر و کاهش استحکام کاغذ می‌شود. نشاسته کاتیونی به دلیل بار مثبت خود، به طور خودبه‌خودی به سطوح آنیونیک فیبرهای سلولزی جذب می‌شود. این جذب الکترواستاتیک (electrostatic attraction) قوی، باعث می‌شود مولکول‌های نشاسته روی فیبرها بنشینند و لایه‌ای چسبنده تشکیل دهند. در واقع فرآیندی مثل “پل‌زنی” (bridging)  صورت می‌گیرد، که در آن زنجیره‌های بلند نشاسته (آمیلوز و آمیلوپکتین) بین فیبرها و ذرات ریز پیوند ایجاد می‌کنند.

تاثیرات نشاسته کاتیونی روی کاغذ

نشاسته کاتیونی تاثیرات گسترده‌ای بر خواص کاغذ دارد که از آن‌ها می‌توان به:

1. افزایش استحکام مکانیکی: پس از جذب، نشاسته کاتیونی پیوندهای هیدروژنی بین فیبرها را تقویت می‌کند. این امر مقاومت به کشش (tensile strength)، پارگی (tear strength) و ترکیدگی (bursting) را افزایش می‌دهد. همچنین افزودن نشاسته کاتیونی به خمیر حاصل از از بازیافت کاغذ، منجر به جبران نسبی کاهش استحکام کاغذ به دلیل کاهش اندازه فیبر‌ها طی فرآیند بازیافت می‌شود.
2. بهبود retention و drainage: پس استفاده از نشاسته کاتیونی، به دلیل بار مثبت اعمال شده، فیبر‌های ریز سلولزی به میزان قابل توجهی در خمیر کاغذ باقی‌مانده و طی فرآیند آب‌زدایی، به میزان کمتری از خمیر خارج می‌شوند. همچنین بار مثبت نشاسته باعث توده‌ای شدن (flocculation) کنترل‌شده فیبرها می‌شود.
3. کاهش هزینه‌ها: استفاده از نشاسته، منجر به کاهش استفاده از فیبر‌ سلولزی گران قیمت شده و امکان افزایش استفاده از فیلر‌ها را فراهم می‌کند. به‌علاوه ، به دلیل تسریع خروج آب از خمیر با به‌کارگیری نشاسته کاتیونی، فرآیند تولید تسریع‌شده، و انرژی مصرفی ماشین‌آلات کاهش می‌یابد. بهبود retention فیبر‌های ریز هم با حفظ هرچه بیشتر مواد اولیه، به افزایش راندمان تولید کمک می‌کند. همچنین استفاده از نشاسته کاتیونی بار COD و BOD پساب را کاهش می‌دهد، که هزینه‌های تصفیه فاضلاب را کاهش می‌دهد.

جمع‌بندی

نشاسته‌های اصلاح‌شده، به عنوان پلیمری طبیعی و فراوان، نقش کلیدی در صنعت کاغذسازی دارد. استفاده از نشاسته‌های اصلاح‌شده کیفیت کاغذ را از نظر استحکام، چاپ‌پذیری و بازده تولید ارتقا می‌بخشد. از انواع نشاسته‌های اصلاح‌شده، نشاسته کاتیونی یکی از اثر‌گذارترین انواع نشاسته‌ها به‌شمار می‌رود. این نوع نشاسته اصلاح‌شده، به دلیل داشتن بار مثبت، به فیبرهای کاغذ که دارای بار منفی هستند متصل شده و با پل‌زدن میان فیبر‌های سلولز، منجر به افزایش استحکام مکانیکی (در برابر کشش و پارگی)، بهبود حفظ ذرات ریز و فیلر‌ها، و تسریع آب‌زدایی از خمیر می‌گردد. در نتیجه، کیفیت کاغذ بهبود یافته و هزینه‌ها با کاهش هدررفت فیبر، مصرف انرژی و تسهیل تصفیه پساب کاهش می‌یابد.

پرسش‌های مرتبط

1. چه تفاوت ساختاری بین آمیلوز و آمیلوپکتین در نشاسته وجود دارد؟
   نشاسته از دو جزء اصلی تشکیل شده است:  آمیلوز با زنجیره‌های خطی، تقریباً ۲۰–۳۰٪ و آمیلوپکتین با ساختار شاخه‌دار، حدود ۷۰–۸۰٪ نشاسته را تشکیل می‌دهد. ساختار گرانولی امکان متورم‌شدن و ژلاتینه‌شدن نشاسته در نهایت بازآرایی (رتروگرید) آن را ایجاد می‌کند. این ویژگی‌ها عملکرد نشاسته را در کاربردهای مختلف صنعتی تعیین می‌کند.
2. کاربرد نشاسته خام در کاغذسازی چیست و محدودیت‌های آن کدام‌اند؟
   نشاسته خام مانند نشاسته ذرت یا گندم می‌تواند به‌طور مستقیم در مرحله خمیرسازی برای افزایش استحکام کاغذ خشک به‌کار می‌رود. این نوع نشاسته ارزان است اما محدودیت‌هایی دارد؛ مثلاً حساسیت به رطوبت و رتروگراسیون که می‌تواند منجر به شکنندگی کاغذ شود. این مشکلات باعث می‌شود در بسیاری از کاربردها، به نشاسته اصلاح‌شده اولویت داده شود.
3. ارتباط بار الکتریکی نشاسته کاتیونی و عملکرد آن در کاغذ چیست؟
   نشاسته کاتیونی به‌علت بار مثبت خود، به فیبرهای سلولزی که بار منفی دارند جذب شده و ببین فیبر‌ها سلولزی پل ایجاد می‌کند. این امر به‌خصوص در بخش wet-end اهمیت دارد؛ زیرا به بهبود حفظ فیبر‌ها (retention)، آب‌زدایی (drainage) و بهبود استحکام کاغذ خشک کمک می‌کند. این کنترل بار باعث عملکرد مؤثرتر افزودنی‌ها و بهبود کیفیت نهایی کاغذ می‌شود.
4. نقش نشاسته کاتیونی در افزایش استحکام مکانیکی کاغذ چیست؟
   نشاسته کاتیونی به‌دلیل بار مثبت خود، تعامل الکترواستاتیکی قوی با سطح منفی فیبرهای سلولزی دارد. این تعامل باعث تشکیل پل بین الیاف عمل کرده و مقاومت در برابر کشش، پارگی و ترکیدگی کاغذ را بهبود می‌بخشند. به‌ویژه در خمیرهای بازیافتی که فیبرها ضعیف‌تر هستند، نشاسته کاتیونی می‌تواند افت استحکام کاغذ را جبران نماید.
5. نشاسته‌ چه مزایای زیست‌محیطی نسبت به افزودنی‌های شیمیایی مصنوعی دارد؟
   نشاسته یک پلیمر طبیعی، تجدیدپذیر و زیست‌تخریب‌پذیر است که از منابع گیاهی استخراج می‌شود. در صنعت کاغذ به‌عنوان جایگزینی پایدار برای مواد شیمیایی مصنوعی استفاده می‌شود. این ویژگی‌ها باعث کاهش بار آلودگی، پایین آوردن  COD/BOD پساب و سازگاری بیشتر با محیط‌زیست می‌گردد.

چگونه نشاسته کاتیونی به بهبود retention و drainage کمک می‌کند؟
نشاسته کاتیونی با بار مثبت موجب جذب و نگهداری ذرات ریز (fines) و فیلرها در شبکه خمیر می‌شود و به‌طور مؤثر retention را بالا می‌برد. همچنین با افزایش توده‌سازی (flocculation) و ایجاد پل بین ذرات در حین خروج آب از ورق، به بهبود drainage کمک می‌کند. در نتیجه، مصرف مواد اولیه کاهش و راندمان تولید افزایش می‌یابد.