فهرست مطالب
Toggleنشاسته و کاربرد آن در کاغذسازی
مقدمه
قدمت مصرف نشاسته در کاغذسازی تقریباً کمی بعد از زمان اختراع کاغذ می باشد. صنعت کاغذسازی در جهان سالانه بیش از ۵ میلیون تن نشاسته مصرف میکند و این امر نشاسته را به سومین ماده خام مهم در کاغذسازی تبدیل کرده است. تقریباً ۲۰% از این مقدار مستقیماً به خمیر کاغذ افزوده می شود. نشاسته کاتیونی نشاسته اصلی مورد استفاده در بخش پایانه تر (Wet End) است.
شیمی نشاسته
نشاسته توسط همه گیاهان به جز قارچها تولید میشود. برگهای سبز گیاهان حاوی کلروفیل هستند که قادر به جذب نور خورشید و استفاده از انرژی برای کاتالیز و تشکیل گلوکز و اکسیژن از دی اکسید کربن و آب هستند؛ این فرایند فتوسنتز نام دارد. این گلوکز بعداً به نشاسته (بعنوان یک ذخیره غذایی) و سلولز پلیمریزه میشود.
اگر به شماره گذاری اتم های کربن در واحد گلوکز توجه کنیم، سه محل واکنشپذیر برای جایگزینی شیمیایی وجود دارد، یعنی موقعیتهای ۲، ۳ و ۶. درجه جایگزینی (DS) به تعداد مکانهای واکنش داده شده در هر واحد گلوکز اشاره دارد. برای مثال اگر هر سه سایت واکنش داده شوند، درجه جایگزینی سه است (DS = 3.0).
حلقههای گلوکز میتوانند برای ایجاد مواد زیر پلیمریزه شوند:
- سلولز: یک زنجیره پلیمری از ۲،۰۰۰ تا ۵،۰۰۰ واحد گلوکز
- آمیلوز: یک زنجیره پلیمری از ۱،۰۰۰ تا ۴،۰۰۰ واحد گلوکز
- آمیل پکتین: یکی از بزرگترین پلیمرهای طبیعی موجود است و ممکن است حاوی تا ۴،۰۰۰،۰۰۰ واحد گلوکز باشد.
نشاسته و سلولز ایزومرهایی با شیمی سطح مشابه هستند به همین دلیل بین این مواد میل ترکیبی قابل توجهی وجود دارد.
پیوند هیدروژنی که بین سطوح الیاف هیدراته یافت میشود، بین سطوح نشاسته هیدراته و همچنین بین نشاسته و سلولز نیز وجود دارد. این برهم کنش غیر الکترواستاتیکی بین نشاسته و سلولز نقش مهمی در عملکرد نشاسته ایفا میکند، به عنوان مثال، نشاسته تمایل بیشتری به پیوند با الیاف یک خمیر شیمیایی کاملاً سفید شده (بلیچ شده) نسبت به الیاف در یک خمیر مکانیکی دارد.
نسبت آمیلوز/آمیل پکتین و DP آمیلوز برای نشاستههای مختلف متفاوت است. تحقیقات اخیر نشاندهنده تفاوتهای قابل توجهی در DP آمیل پکتین است، به طوری که آمیل پکتین سیبزمینی به مراتب بزرگتر است.
بین نشاستههای ریشه و غده (سیبزمینی و نشاسته تاپیوکا) و نشاستههای غلات تفاوتهای عمدهای وجود دارد. نشاستههای مومی انواع خاصی هستند که حاوی حداقل مقدار آمیلوز هستند، مانند ذرت مومی.
علاوه بر آمیلوز و آمیل پکتین، مواد دیگری نیز در نشاسته وجود دارند، به ویژه پروتئینها، فسفر، چربیها و لیپیدها.
ساختار و مقدار فسفر در انواع نشاسته متفاوت است. بیشتر نشاستههای غلات معمولی حاوی فسفر به شکل فسفولیپیدها هستند، در حالی که فسفر در نشاستههای ریشه و غده به شکل مونواسترهای فسفات نشاسته است .
نشاسته سیبزمینی تنها نشاسته تجاری حاوی مقدار قابل توجهی از گروههای مونواستر فسفات با درجه جایگزینی (DS) حدود ۰.۰۰۳ است. گروههای فسفات با بار منفی به نشاسته سیبزمینی یک ویژگی پلیالکترولیت میدهند و ویژگیهای منحصر به فردی نظیر دمای ژله ای شدن پایین، هیدراتاسیون و تورم سریع، توانایی بالای اتصال با آب و ویسکوزیته زیاد خمیر پخته شده را به نشاسته سیبزمینی می دهند.
آماده سازی نشاسته
سیستم آمادهسازی نشاسته به مصرف نشاسته کارخانه و سطح اتوماسیون مورد نیاز بستگی دارد. امروزه سیستمهایی که از پودر فله، کیسههای بزرگ نیمه فله و کیسههای کاغذی نشاسته استفاده میکنند، در دسترس هستند. آمادهسازی محلول نشاسته را میتوان به دو مرحله تقسیم کرد:
- آمادهسازی دوغاب
- پخت نشاسته
آمادهسازی دوغاب نشاسته میتواند به صورت ناپیوسته یا پیوسته باشد. البته که یک سیستم پیوسته به سیستم ناپیوسته ترجیح داده میشود زیرا زمان نگهداری نشاسته به عنوان دوغاب به حداقل میرسد و خطر مشکلات میکروبیولوژیکی به شدت کاهش مییابد.
پخت بصورت ناپیوسته
یک کوکر ناپیوسته شامل یک مخزن مجهز به همزن و یک لوله توزیع بخار برای گرم کردن دوغاب تا دمای مورد نیاز است. پخت ناپیوسته معمولاً در کارخانجات کاغذسازی کوچک استفاده می شود.
پخت نشاسته
هنگام گرم کردن دوغاب نشاسته، آب به داخل گرانولهای نشاسته جذب میشود و پیوندها بین مولکولهای نشاسته در گرانول شکسته میشوند، که این امر باعث تورم گرانولها میشود. دمای بحرانی که در آن تورم رخ میدهد، ژلاتینه شدن یا دمای پخت نامیده میشود (حدود ۵۵–۸۰ درجه سانتیگراد، بسته به نوع نشاسته). با ادامه گرم کردن، نشاسته چسبنده شده و ویسکوزیته خمیر نشاسته تا حداکثر مقدار آن افزایش مییابد. پس از آن، گرانولهای نشاسته متورم تر شده و به تدریج از هم گسیخته می شوند و در نهایت یک محلول یکدست و نسبتاً شفاف حاصل می شود.
دمای فرآیند ژلاتینه شدن محلول نشاسته را نمیتوان دمای پخت نشاسته تعریف کرد، زیرا بسته به اندازه گرانولها، در دمای ژلاتینی شدن امکان انحلال کامل تمام گرانولهای نشاسته وجود ندارد، مگر اینکه دمای محلول نشاسته تا حدود ۱۰۰ – ۱۶۰ درجه سانتیگراد (بسته به نوع نشاسته) افزایش یابد. سیبزمینی و تاپیوکا میتوانند در حدود ۱۰۰ – ۱۳۰ درجه سانتیگراد کاملاً پخته شوند، درصورتیکه نشاسته ذرت برای پخت کامل به دمای بالاتری (حدود ۱۳۰ – ۱۵۰ درجه سانتیگراد) نیاز دارد.
پس از پخت، می توان محلول نشاسته را تا غلظت مورد نیاز برای ذخیرهسازی مورد نظر رقیق کرد. برای به حداقل رساندن خطر تجزیه میکروبیولوژیکی نشاسته باید از یک بایوسید (Biocide) استفاده کرد. توصیه میشود محلول نشاسته در دمای ۶۰ – ۷۰ درجه سانتیگراد ذخیره شود تا خاصیت خود را حفظ کند.
پخت پیوسته
پخت به روش جت با استفاده از جت کوکر یک روش پیوسته برای پخت نشاسته است که در آن بخار تحت فشار کاملاً با دوغاب نشاسته مخلوط میشود و آن را به سرعت گرم میکند و در عرض چند ثانیه میپزد. در جت کوکرها از تزریق مستقیم بخار استفاده میشود. عملیات پخت با جت کوکر توسط سیستم کنترل سطح در مخزن ذخیره نشاسته پخته شده، به طور خودکار کنترل می شود.
جت کوکرها، محصول یکنواختتری نسبت به روش پخت در کوکرهای ناپیوسته تحویل میدهند زیرا زمانی که نشاسته به صورت یکنواخت و تحت فشار وارد جت کوکر می شود با دمای یکسان پخته میشود، در این حالت گرانولهای نشاسته در یک لحظه به طور کامل و یکنواخت از هم متلاشی شده و پراکنده میشوند . امکان اتوماسیون سازی جت کوکرها امکانپذیر است که این استفاده بهینه از مواد اولیه را ممکن می سازد.
مقایسه پخت ناپیوسته و پخت پیوسته
روش پخت تأثیر مستقیمی بر ویسکوزیته محلول نشاسته دارد. هرچه انرژی بیشتری صرف پخت شود، چه انرژی حرارتی یا مکانیکی، پخش مولکولهای نشاسته بیشتر خواهد بود و در نتیجه ویسکوزیته محلول پایینتر خواهد بود. منظور از این ویسکوزیته پایین، پراکندگی بهتر مولکولهای نشاسته است و نه ویسکوزیته پائین به دلیل تخریب مولکولهای نشاسته، چرا که گاهی فاسد شدن محلول پخته شده، ویسکوزیته بسیار کمی را نشان می دهد.
پخت بیش از حد
پخت بیش از حد نشاسته معمولاً در دمای بیش از ۱۴۰ درجه سانتیگراد، منجر به تخریب حرارتی نشاسته می شود.
برای کاربردهای غذایی، مطلوب است که نشاسته را فقط به صورت جزئی بپزید تا مقداری از بافت ژلاتینی آن باقی بماند. از نظر غذایی، یک نشاسته کاملاً پراکنده که حالت ژلاتینی خود را کاملاً از دست داده، یک نشاسته “بیش از حد پخته شده” است. از طرفی برای صنایع کاغذسازی، فقط نشاستههای کاملاً پخته شده و پراکنده، قدرت پیوند کامل خود را آزاد میکنند.
مهمترین نشانه پخت کامل نشاسته، کاهش نهایی ویسکوزیته محلول پخته شده است بطوریکه با افزایش دمای پخت، ویسکوزیته به حداقل مقدار خود می رسد.
تزریق محلول نشاسته
پمپهای پروانه ای بدلیل قدرت برشی زیاد، وزن مولکولی نشاسته و در نتیجه کارایی و کیفیت نشاسته را کاهش میدهند. پمپهای جابجایی مثبت برای پمپ کردن محلول نشاسته توصیه میشوند.
محلولهای نشاسته پایانه مرطوب معمولاً در غلظت ۴% ذخیره میشوند و در نقطه افزودن به خمیر، برای تولید کاغذ تا حدود ۱% غلظت و برای مقوا تا حدود ۲% غلظت کاهش مییابند.
پدیده پس گرد یا برگشت
اگر یک محلول نشاسته رقیق برای مدت طولانی نگهداری شود، به تدریج کدر میشود و در نهایت به صورت رسوب سفید نامحلول رسوب میکند. به همین ترتیب اگر محلول نشاسته غلیظ سرد شود، به سرعت به یک ژل الاستیک تبدیل میشود. هر دو اینها پدیده پسگرد هستند، که در آن مولکولهای نشاسته از حالت حل شده و جدا شده به یک حالت متصل شده برمی گردند.
پسگرد خمیرهای نشاسته (نشاسته پخته شده غلیظ) یا محلولهای رقیق نشاسته ممکن است اثرات زیر را ایجاد کند:
- افزایش ویسکوزیته
- افزایش کدورت و کدری
- تشکیل “لایه غلیظ” نامحلول روی محلول داغ نشاسته
- رسوب ذرات نشاسته نامحلول
- تشکیل ژل
- دوفاز شدن محلول
پسگرد یک فرآیند پیچیده است و به عوامل بسیاری مانند نوع نشاسته، غلظت نشاسته، روش پخت، دما، زمان ذخیرهسازی، pH، روش خنکسازی و وجود ترکیبات دیگر – به ویژه لیپیدها و سایر هیدروکربنهای آلیفاتیک – بستگی دارد. پدیده پسگرد در محلولهای پخته شده نشاسته غلیظ که خنک و سرد شوند، رایج تر است. نرخ پسگرد در PH حدود ۵ تا ۷ سریعتر است و در pH بالاتر و پایینتر کاهش مییابد.
کاربرد نشاسته در پایانه مرطوب
نشاسته خام
دوغابهای نشاسته پخته نشده گاهی در پایانه مرطوب اضافه میشوند، با این هدف که نشاسته در بخش خشککن پخته شود. این روش فقط در صورتی رضایتبخش است که دمای کاغذ در خشک کن به اندازه کافی بالا باشد تا گرانولهای نشاسته را در محل ژلاتینه کند، در غیر این صورت استفاده از این روش هیچ ارزشی ندارد، حتی استفاده از آن می تواند استحکام کاغذ را کاهش دهد.
در برخی کارخانههای کاغذ و مقوا که برای تولید محصولات خود از چندین فورمر استفاده می کنند، گاهی به عنوان سادهترین راه حل برای مشکل پیوند ضعیف بین لایههای کاغذ از روش اسپری نشاسته پخته نشده بین لایهها استفاده میشود.
برای اسپری کردن نشاسته، اندازه متوسط ذرات باید به حد کافی بزرگ باشند تا روی ورقه کاغذ حفظ شوند. لذا بهتر است از نشاسته سیبزمینی و تاپیوکا که بسیار بزرگتر از نشاسته ذرت است، برای این کار استفاده شود.
هنگامی که حفظ خوب نشاسته روی ورقه کاغذ حاصل شد، لازم است که پتانسیل بالقوه پیوند آن را با پخت نشاسته در بخش خشک کن افزایش داد.
برای پخت نشاسته، به دما، رطوبت و زمان نیاز است. دوره زمانی که تمام شرایط مورد نیاز برای ژلاتینه شدن نشاسته در داخل ورقه کاغذ وجود دارد، محدود به قسمت اولیه بخش خشککن اصلی است.
دمای ژلاتینه شدن نشاسته در تعیین و محاسبه زمان پخت نشاسته در بخش خشککن بسیار مهم است. زمان پخت نشاسته در بخش خشک کن از این جهت مهم است که رطوبت کافی در ورقه کاغذ بایستی موجود باشد تا عمل ژلاتینه شدن نشاسته انجام شود، در غیر اینصورت کاهش سریع رطوبت باعث جلوگیری از پیوند مولکولهای نشاسته با الیاف کاغذ می شود. این عامل با افزایش سرعت ماشین و کارایی پرس، که زمان و رطوبت موجود برای ژلاتینه شدن نشاسته را کاهش میدهند، بحرانیتر میشود. البته برخی از مشتقات نشاسته با دمای پخت تا ۴۵ درجه سانتیگراد اخیراً تولید شده اند که این مشکل را تا حدود زیادی رفع کرده است.
برخی از کارخانهها دوغاب نشاسته را در میز توری فوردرینیر بر روی وب تک لایه اسپری میکنند. موقعیت شاور پاشش نشاسته در این کاربردها حیاتی است؛ پاشش پس از خط خشک توری (Dry Line) منجر به نشستن نشاسته روی سطح ورق با مشکلات بالقوه پر شدن و گرفتگی منافذ فلت پرس و چسبندگی کاغذ به خشککن میشود، در حالی که پاشش نزدیک به هِدباکس منجر به از دست رفتن بیشتر نشاسته با آب طی آبگیری میشود. بهینه ترین حالت در جایی بین این موقعیتها قرار دارد و باید از طریق کارشناسان زبده محل دقیق آن مشخص شود.
نشاسته آنیونی
نشاستههای آنیونی شامل نشاسته کربوکسی متیل و استرهای فسفات نشاسته هستند. از فسفاتهای نشاسته می توان در سیستمهای اسیدی استفاده کرد. برای افزودن آنها به خمیر کاغذ باید حداقل ۱% آلوم (بر اساس الیاف خشک) اضافه نمود و PH خمیر بایستی در محدوده ۴.۳ – ۶.۰ باشد.
نشاسته کاتیونی
سالها پیش، نشاستههای کاتیونی از نوع آمینوآلکیل سه گانه بودند. آمینهای سه گانه برای باقی ماندن بصورت کاتیونی، به یک پروتون نیاز دارند و لذا این نوع نشاسته کاتیونی برای استفاده در سیستمهای کاغذسازی اسیدی مناسب بودند. در مقادیر pH بالاتر، آمین سه گانه در نهایت بار خود را از دست میدهد. برخلاف این نوع نشاسته کاتیونی، آمینهای چهارگانه در کل محدوده pH کاغذسازی، کاتیونی باقی میمانند و اکنون اکثریت انواع نشاسته کاتیونی مورد استفاده در صنایع کاغذسازی را تشکیل میدهند.
نشاسته دوگانه (آمفوتریک)
نشاستههای دوگانه (آمفوتریک) دارای هر دو نوع پذیرنده کاتیونی و آنیونی هستند. در سیستمهای اسیدی (با استفاده از آلوم)، نشاسته کاتیونی سیبزمینی دو برابر موثرتر از نشاسته کاتیونی ذرت است. ولی جالب است که عملکرد نشاسته کاتیونی سیبزمینی و نشاسته آمفوتریک ذرت تحت آن شرایط مساوی هستند.
به دلیل وجود طبیعی فسفات در بخش آمیلوپکتین، نشاسته سیبزمینی دارای خاصیت آنیونی است. نشاسته کاتیونی سیبزمینی در واقع مخلوطی از آمیلوز کاتیونی و آمیلوپکتین آمفوتریک است.
امروزه نشاسته های آمفوتری خاصی تولید می شود که در محدوده PH حدود ۴ تا ۱۰ هم بعنوان کمک نگهدارنده الیاف ریز و پرکننده و هم بعنوان عامل افزاینده مقاومت کاغذ موثر هستند.
نشاسته دوگانه (آمفوتریک) نسبت به تغییرات در مواد آنیونی یا کاتیونی در سیستم تحمل بیشتری دارد و به عنوان یک بافر بار عمل میکند. همچنین گروه آنیونی روی نشاسته مواد کاتیونی محلول را کمپلکس میکند و حساسیت سیستم را به تغییرات در pH و پتانسیلهای زتا کاهش میدهد.
مزایای استفاده از نشاسته
استفاده اولیه از نشاسته کاتیونی برای استحکام و حفظ و نگهداری الیاف ریز بود. نشاسته کاتیونی در بهبود کارایی ماشین، کاهش هزینههای خمیر و بهبود کیفیت کاغذ و خواص کاغذ و نیز بهبود کاربرد نهایی، مفید واقع شد. بعدها در امولسیونسازی و نگهداری مواد سایزینگ داخلی نیز کاربرد یافت.
برخی مزایای نشاسته کاتیونی عبارتند از:
- نشاسته کاتیونی باعث تولید یک وب متراکمتر میشود، بهویژه در مقادیر مصرف بالاتر.
- افزودن نشاسته به پایانه مرطوب موثرتر از روشهای آغشتهسازی با سطح کاغذ است.
- نشاسته پایانه مرطوب استرس خشک شدن را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد و در نتیجه مدول سفتی بهبود مییابد.
- چگالی ظاهری وب کاغذ به میزان بسیار بیشتری توسط افزودن پایانه مرطوب نسبت به روش های آغشتهسازی سطح کاغذ افزایش مییابد.
- قابلیت عبور وب بدون پارگی در ماشین کاغذ بهبود می یابد.
- نگهداری بهتر مواد پرکننده و توزیع بهتر آنها در وب کاغذ از دلایل دیگر استفاده از آن است.
- پرکنندهای که توسط نشاسته کاتیونی نگهداری میشود نیز در وب کاغذ پیوند داده میشود.
- استفاده از آن باعث کاهش گرد و غبار کاغذ می شود.
- الیاف کمتری از سطح کاغذ کنده می شوند.
- پیوند قویتر الیاف سطحی در ورق پایه، که باعث بهبود چسبندگی مواد کوتینگ به کاغذ پایه می شود.
- پیوند داخلی (اسکات باند) افزایش مییابد.
- چاپ بهتر و تصاویر واضحتر در چاپ به روشهای افست، لترپرس و روتوگراور به دست میآید
- در تولید کاغذ و مقوا برای مصارف بسته بندی، با کاهش لود ریفاینر و مصرف بیشتر نشاسته مقاومت به پارگی افزایش می یابد.
- پایداری ابعادی کاغذ در دو سمت طولی و عرضی افزایش می یابد.
جمع بندی
نشاسته به عنوان یکی از افزودنیهای پایانه مرطوب در صنایع کاغذسازی استفاده میشود. استفاده از آن در کل باعث افزایش مقاومت خشک کاغذ، نگهداری الیاف ریز و پرکنندهها و نیز میزان آبگیری خمیر روی توری می شود. همچنین از این نوع نشاسته ها برای کاغذهایی که نیاز به عملیات کوتینگ دارند استفاده می شود.
امروزه با بسته شدن سیستمهای آب سفید در کارخانههای کاغذ، استفاده از نشاسته ، بسیار حساستر از گذشته شده و برای جلوگیری از حساسیتهای ایجاد شده در پساب، بایستی در انتخاب نوع نشاسته مناسب دقت شود تا نتایج استفاده از نشاسته مطلوب شود.
برای اینکه نشاسته پایانه مرطوب مؤثر باشد، مهم است که:
- اندازه مولکولی کافی داشته باشد، یعنی تا حد زیادی تخریب نشده باشد.
- به درستی پراکنده شود.
- به درستی روی الیاف حفظ شود.
همچنین بایستی برای جلوگیری از تخریب نشاسته در حین ذخیرهسازی از بایوسیدها استفاده شود. نشاسته تخریب شده میتواند به شدت بر نگهداری، زهکشی و استحکام کاغذ تاثیر معکوس بگذارد. همچنین باید به شیمی پایانه مرطوب، انتخاب صحیح نقطه افزودن نشاسته و استفاده از کمک نگهدارنده کارآمد توجه شود. افزودن آن به خمیر باید با غلظت ۱% یا کمتر برای پراکندگی کامل در جریان خمیر انجام شود.
ادامه دارد …
برای آگاهی از آپدیتهای بعدی، عضو کانال تلگرام کارتاسل شوید.
تامین کننده این محصول یا ماشین آلات مربوطه هستید؟
اگر تمایل دارید شرکت شما را در این صفحه معرفی کنیم، همین الان مشخصات شرکت خود را از طریق حساب کاربری ثبت کنید.
این مقاله چطور بود؟
لطفاً به این مقاله امتیاز دهید.
میانگین امتیازات: ۵ / ۵. تعداد نظرات: ۱
اولین امتیاز را شما ثبت کنید.
متاسفیم که این مقاله برای شما مفید نبود
به ما در ارتقای این مقاله کمک کنید.
پیشنهادات خود را اعلام نمائید
2 دیدگاهها