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Mar 01, 2024

Wasser und Öl

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12292 (2023) Diesen Artikel zitieren 334 Zugriffe 1 Altmetric Metrics Details In diesem Artikel werden drei Arten von Mikro-Nano-Bambuspulver (MBP) und Alkylketen verwendet

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12292 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wurden drei Arten von Mikro-Nano-Bambuspulver (MBP) und Alkylketendimer (AKD) der Polyvinylalkohol/Cellulose-Nanofaser-Beschichtung (PVA/CNF) zugesetzt, um PVA/CNF/MBP-beschichtetes Papier und PVA/CNF herzustellen /M-MBP/AKD beschichtetes Papier. Die Ergebnisse zeigten, dass MBP die Oleophobie der PVA/CNF-Beschichtung verbesserte und der Fettbeständigkeitsgrad der mit PVA/CNF/B-MBP und PVA/CNF/M-MBP beschichteten Papiere mit einer Kit-Nummer von 12 den höchsten Wert erreichte Bei den mit PVA/CNF/MBP beschichteten Papieren weist das mit PVA/CNF/M-MBP beschichtete Papier die besten hydrophoben Eigenschaften auf, mit einem Wasserkontaktwinkel und einem Cobb-Wert von 74° bzw. 21,3 g/m2. Wenn außerdem die AKD-Dosierung 0,2 % in der PVA/CNF/M-MBP/AKD-Beschichtung betrug, betrug die Kit-Nummer des beschichteten Papiers 11, der Cobb-Wert betrug 15,2 g/m2, der Wasserkontaktwinkel betrug 103°. und es wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit leicht zunahm. Daher weist PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetes Papier im Vergleich zu PVA/CNF-beschichtetem Papier eine gute Festigkeit und ausgezeichnete hydrophobe und oleophobe Eigenschaften auf.

Die Entwicklung von hydrophobem und fettdichtem Papier hat den Bereich der Öl- und Fettverpackung, der Lebensmittel, Industrie, Medizin und andere Bereiche umfasst, zu großen Vorteilen geführt1. Um die hydrophoben und oleophoben Eigenschaften von Papier zu verbessern, ist eine Wiederaufbereitung des Rohpapiers erforderlich. Wie wir alle wissen, besteht das Rohpapier aus Pflanzenfasern. Die Hydrophilie der Zellulose und die Porosität der Papieroberfläche führen dazu, dass das Rohpapier keine hydrophoben und oleophoben Eigenschaften erreichen kann2. Daher ist es notwendig, eine Beschichtung (einen dichten Polymerfilm aufzusprühen oder ein ölbeständiges Mittel aufzutragen) auf die Papieroberfläche aufzutragen, um die Oleophobie des Papiers zu erreichen.

Das Polymer wird auf die Papieroberfläche gesprüht, um einen Kunststofffilm zu bilden, der den Kontakt zwischen Papier und Fett wirksam verhindern kann. Allerdings weisen Polymere wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid stabile Strukturen und lange natürliche Abbauzeiten auf, die sich auf die Umwelt und Organismen auswirken3. Die fluorhaltige ölabweisende Beschichtung weist eine niedrige Oberflächenenergie auf, was zu einer höheren Oleophobie des beschichteten Papiers führt. Allerdings werden fluorhaltige Substanzen durch hohe Temperaturen zersetzt und gelangen mit der Nahrung in den menschlichen Körper, was verschiedene chronische Krankheiten und sogar Krebs verursachen kann4, 5. Daher ist es notwendig, ein grünes und umweltfreundliches Pergamentpapier zu entwickeln, das das herkömmliche Pergamentpapier ersetzt Papier.

Tyagi et al.6 stellten CNC-Verbund-Barrierebeschichtungen unter Verwendung von Cellulose-Nanokristallen (CNC), Nanofüllstoff Montmorillonit-Ton, Sojaprotein und Alkylketendimer her. Es wurde festgestellt, dass die Kit-Nummer des mit CNC-Verbundwerkstoff beschichteten Papiers 6 betrug. Ebenso betrug die Kit-Nummer der von Mazhari Mousavi et al.7 hergestellten mit Cellulose-Nanofasern/Carboxymethylcellulose beschichteten Pappe ebenfalls 6. Darüber hinaus wurde von Sheng et al.8 hergestellt ungiftiges, fluorfreies, fettdichtes Papier, beschichtet mit Natriumalginat (SA)/Natriumcarboxymethylcellulose und SA/Propylenglykolalginat, die maximale Kit-Nummer erreichte 9. Das Beschichtungsgewicht ist einer der wichtigen Faktoren, die die Barriereeigenschaften von beeinflussen beschichtetes Papier. Yook et al.9 untersuchten verschiedene Arten von Barrierebeschichtungen aus Cellulose-Nanofibrillen und deren Barriereeigenschaften und stellten fest, dass ein Beschichtungsgewicht von mindestens 10 g/m2 wünschenswert ist, um den Papieren effiziente Barriereeigenschaften zu verleihen. AKD-CNF-beschichtetes Papier hatte gute hydrophobe Eigenschaften mit einem Wasserkontaktwinkel von bis zu 113°, aber seine oleophoben Eigenschaften waren mit der Kit-Nummer 9 immer noch nicht gut.

Polyvinylalkohol (PVA) und Cellulose-Nanofasern (CNFs) sind geeignete Beschichtungsmaterialien mit guten filmbildenden Eigenschaften und biologisch abbaubar10, 11. Fadel et al.12 untersuchten CNFs, die mit zwei Methoden aus Zuckerrübenschnitzeln (SBP) isoliert wurden. Sie fanden heraus, dass ADCNF-Filme hatten eine bessere Leistung als DHCNF-Filme mit einem Wasserkontaktwinkel von 59,0° ± 1,73 und Öl dringt länger als 45 Minuten in das Papier ein (Beschichtungsvolumen 10 g/m2). Darüber hinaus untersuchten sie auch mit CNF/Chitosan-Nanopartikeln (CHNP) beschichtetes Papier und stellten fest, dass die Wasseraufnahme 81 g/m2 und die Ölbeständigkeit 78 s betrug13. Den früheren Untersuchungen des Autors zufolge wurde festgestellt, dass PVA/CNF-Beschichtungen hydrophobe und oleophobe Eigenschaften haben, aber die Hydrophilie von PVA und die Lipophilie von CNFs begrenzen die weitere Verbesserung der Hydrophobie und Oleophobie von PVA/CNF-Beschichtungen14. Daher ist es eine Herausforderung, die Hydrophobie und Oleophobie von PVA/CNF-beschichtetem Papier zu verbessern.

Für eine nachhaltige Entwicklung werden einige natürliche Materialien zur Herstellung ölabweisender Beschichtungen verwendet, beispielsweise Stärke, Chitosan, Montmorillonit usw.15. Zur Herstellung von fettbeständigem Papier wurden jedoch Stärke und Chitosan verwendet, das Verfahren war jedoch kompliziert und für reale Anwendungen weniger realisierbar16. Park et al.17 fanden heraus, dass isoliertes Sojaprotein (ISP) als Weichmacher mit guter Ölbeständigkeit verwendet wurde. ISP-beschichtetes Papier war zwei Stunden lang beständig gegen Fett und seine Leistung ist besser als die von gewöhnlichem Polyethylen-Verbundpapier für Lebensmittelverpackungen. Sirvio et al.18 berichteten über einen Cellulose/Alginat-Verbundfilm, der durch ionische Vernetzung synthetisiert wurde und Terpentinöl 30 Minuten lang ohne Permeation widerstehen konnte. Es gibt auch einige Forscher, die Cellulose direkt modifiziert haben, um ölabweisende Materialien auf Cellulosebasis zu erhalten19, 20. Diese Herstellungsverfahren sind jedoch komplex, erfordern zusätzliche chemische Rohstoffe und sind in der Praxis schwierig anzuwenden.

Bambuspulver (BP) wird aufgrund seines niedrigen Preises, der einfachen Verfügbarkeit von Rohstoffen und seiner chemischen Zusammensetzung wie Holz21, 22 häufig bei der Herstellung von Papierprodukten verwendet. BP verbessert die oleophoben Eigenschaften von Papier aufgrund des Vorhandenseins von Lignin23. Im Vergleich zu BP behält Mikro-Nano-Bambuspulver (MBP) nicht nur eine große Menge Lignin, sondern verfügt auch über eine größere spezifische Oberfläche, die sich besser für die Herstellung oleophober Beschichtungsmaterialien eignet24. Alkylketendimer (AKD) ist ein häufig verwendetes Hydrophobierungsmittel im Papierherstellungsprozess. Darüber hinaus verfügt es über eine niedrige Oberflächenenergie und gute Filmbildungseigenschaften. Daher kann die Zugabe von MBP und AKD zur PVA/CNF-Beschichtung die Hydrophobie und Oleophobie des beschichteten Papiers weiter verbessern.

In dieser Studie haben wir drei Arten von MBP vorbereitet und charakterisiert. Basierend auf der PVA/CNF-Beschichtung wurden MBP und AKD hinzugefügt, um eine PVA/CNF/MBP-Beschichtung und eine PVA/CNF/M-MBP/AKD-Beschichtung vorzubereiten. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen von MBP und AKD auf die Eigenschaften von beschichtetem Papier untersucht, was eine Methode für die Entwicklung natürlich abbaubarer und umweltfreundlicher hydrophober und oleophober Beschichtungen lieferte.

Das der aktuellen Arbeit zugrunde liegende Thema ist in Abb. 1 dargestellt. Im Allgemeinen haben die PVA/CNF-Beschichtungen filmbildende Eigenschaften, die dem Papier gute Barriereeigenschaften verleihen25, 26. Die Oberfläche von PVA und CNFs enthält jedoch eine große Menge an Hydroxylgruppen Gruppen, die sich dem Eindringen von Wasser und Öl nicht entziehen können. In dieser Arbeit wurden die PVA/CNF/MBP-Beschichtungen durch Zugabe von MBP zur PVA/CNF-Beschichtung hergestellt. Wir fanden heraus, dass die oleophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers deutlich verbessert waren und die Oberfläche des MBP Lignin enthielt27. Die Umverteilung von Lignin auf der Papieroberfläche zeigte eine hervorragende Fettbarriere28. Der genaue Grund ist unbekannt, aber eine Hypothese besagt, dass Lignin im Vergleich zu Cellulose eine geringere Oberflächenenergie aufweist29. Allerdings nahmen die hydrophoben Eigenschaften von PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier ab, was auf die hydrophilen Cellulose-Hydroxylgruppen in MBP30 zurückgeführt wurde. Schließlich wurde AKD als hydrophobes Mittel ausgewählt, da die langkettigen Alkylgruppen (hydrophoben Gruppen) von AKD auf der Oberfläche der Beschichtungsflüssigkeit verteilt sind, wodurch das Eindringen von Wasser wirksam verhindert werden kann6, 31. Andererseits ist das Langkettige Alkylgruppen von AKD sind lipophil, daher ist die Ölabweisung von AKD schwach32. Insgesamt führen MBP und AKD zu einer PVA/CNF-Beschichtung mit hervorragenden oleophoben und hydrophoben Eigenschaften. Das hydrophobe und oleophobe Schema von PVA/CNF/MBP/AKD-beschichtetem Papier ist in Abb. 1 dargestellt.

Schematische Darstellung von hydrophobem und oleophobem, auf PVA/CNF beschichtetem Papier.

Bambuspulver (125 Mesh, chemische Zusammensetzung: 49,6 Gew.-% Cellulose, 16,3 Gew.-% Hemicellulose, 24,2 Gew.-% Lignin und 9,9 Gew.-% andere), Cellulose-Nanofasern ([C6H10O5]n) und Cellulase (Enzymaktivität von 16.000 HCU/g). erhalten von Zhejiang Jinjiahao Green Nanomaterials Co., Ltd. (Quzhou, China). Das Rohpapier (Tabelle 1) wurde von Zhejiang Jinchang Specialty Paper Co., Ltd. (Quzhou, China) bezogen. Alkylketendimer, Zitronensäure (C6H8O7, Qualität für analytische Reagenzien (AR), Natriumcitrat (C6H5Na3O7, Qualität AR), Natriumhydroxid (NaOH, Qualität AR), Polyvinylalkohol ([C2H4O]n, Qualität AR) und andere Chemikalien Die Reagenzien wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China) gekauft.

Die Zitronensäure und das Natriumcitrat wurden jeweils auf eine Konzentration von 0,1 mol/L vorbereitet, dann wurden ihre Verhältnisse angepasst und der pH-Wert der gemischten Lösung wurde mit einem pH-Meter (PHS-3E, Shanghai INESA Scientific Instrument Co., Ltd., Shanghai, China). Abschließend wurde eine Zitronensäure-Natriumcitrat-Lösung mit pH 5 hergestellt.

Das BP und das Wasser wurden gemischt, um eine 1 Gew.-%ige Suspension herzustellen, und dann mit einer Kolloidmühle (JM-L65, Wenzhou Longwan Yongxing Huawei Machinery Factory, Zhejiang, China) 30 Minuten lang gemahlen, um mechanisches Vorbehandlungs-Bambuspulver (M-PBP) zu erhalten ). Anschließend wurde das M-PBP fünfmal in einem Hochdruckhomogenisator (AH-pilot2018, Shanghai Dibosi Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China) bei einem Druck von 1000 bar homogenisiert, um mechanisches Mikro-Nano-Bambuspulver zu erhalten ( M-MBP).

10 g BP und 60 U/g Cellulase wurden zu 250 ml Zitronensäure-Natriumcitrat-Lösung gegeben und 6 Stunden lang bei 50 °C vorbehandelt. Anschließend wurde die Temperatur 30 Minuten lang auf 90 °C erhöht, um die enzymatische Reaktion zu stoppen. BP wurde unter Verwendung einer Zentrifuge (80-2, Changzhou Langbo Instrument Manufacturing Co., Ltd., Jiangsu, Zhejiang) bis zur Neutralität gewaschen, um biologisches Vorbehandlungs-Bambuspulver (B-PBP) zu erhalten. Abschließend wurde das B-PBP fünfmal unter einem Druck von 1000 bar homogenisiert, um das biologische Mikro-Nano-Bambuspulver (B-MBP) zu erhalten.

BP (10 g) und NaOH-Lösung (500 ml, 1 Gew.-%) wurden in einem Becherglas gemischt und 1 Stunde bei 90 °C (500 U/min) gerührt. Anschließend wurde das BP mit einer Zentrifuge neutral gewaschen, um chemisches Vorbehandlungs-Bambuspulver (C-PBP) zu erhalten. Abschließend wurde das C-PBP fünfmal unter einem Druck von 1000 bar homogenisiert, um chemisches Mikro-Nano-Bambuspulver (C-MBP) zu erhalten.

PVA und CNFs (3 Gew.-%) wurden vollständig gelöst und in 90 °C warmem Wasser gemischt und 15 Minuten lang in einem Ultraschallreiniger (KQ-30DE, Kunshan Ultraschallinstrument Co., Ltd., Jiangsu, China) dispergiert, um CNF/ PVA-Beschichtung. Dann wurden MBP und AKD zur gleichmäßigen Dispersion zur PVA/CNF-Beschichtung hinzugefügt, um PVA/CNF/MBP- und PVA/CNF/M-MBP/AKD-Beschichtungen zu erhalten. Die vorbereiteten Beschichtungen wurden mit einem Handstreichgerät (ZAA 2300, Zehntner, Schweiz) auf die Oberfläche des Basispapiers aufgetragen und dann mit einem elektrischen thermostatischen Trockenofen (DHG-907A 9140A, Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., LTD, Shanghai, China) bei 80 °C, um PVA/CNF-, PVA/CNF/MBP- und PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetes Papier mit einem Strichgewicht von 2,0 g/m2 zu erhalten. Die Schichtdicke wurde durch Veränderung des Durchmessers des Meyer-Stabs erreicht. Das Beschichtungsgewicht wurde durch Messen der Trockengewichte der Papiere vor und nach der Beschichtung berechnet. Der Herstellungsprozess und die Eigenschaften von PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetem Papier sind in Abb. 2 dargestellt.

Der Herstellungsprozess und die Eigenschaften von PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetem Papier.

Die Kristallstruktur von BP und MBP wurde mit einem Röntgendiffraktometer (ARL XTRA, Thermo ARL, Schweiz) analysiert. Die Proben wurden bei 40 kV und 30 mA in einem 2-Stunden-Bereich zwischen 10° und 40° unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung (λ = 15,4 × 10–2 nm) mit 1°/min gescannt19. Der Kristallinitätsindex (CrI) wurde nach der empirischen Methode von Segal et al.33 unter Verwendung der Gleichung berechnet. (1).

Dabei ist I200 die maximale Intensität der (200)-Ebene (I200, 2θ = 22°), die das kristalline und amorphe Material darstellt, und Iam die minimale Intensität zwischen der Ebene (110) und (200) (Iam, 2θ = 18°). ), das das amorphe Material darstellt. Die chemischen Strukturen von BP und MBP wurden mit einem Infrarotspektrometer (Nicolet 5700, Thermoelectric Corporation of America) analysiert. Die Morphologie von BP und MBP wurde mit einem Desktop-Rasterelektronenmikroskop (Phenom pro, Funer Scientific Instruments (Shanghai) Co., Ltd.) beobachtet. Die Oberflächenmorphologie von CNFs wurde mit einem Rasterkraftmikroskop (XE-100E, PSIA, Korea) beobachtet. Die Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) von BP und MBP sowie die Rasterkraftmikroskopbilder (AFM) von CNFs wurden in die Nanoskop-Analyse- und Nano-Messsoftware importiert und 100 CNFs und BPs wurden zufällig ausgewählt, um ihre Größe zu messen. Darüber hinaus wurden die erhaltenen Daten mit der Origin-Software grafisch dargestellt und analysiert.

Vor dem Test wurden die Papiere 24 Stunden lang bei 23 ± 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 ± 2 % gelagert. Die Öl-/Fettbeständigkeit von Papier wurde anhand des TAPPI T559-Standards gemessen. Der Wasserkontaktwinkel von Papier wurde gemäß der Norm ASTM D 724-1999 mit einem Oberflächenkontaktwinkeltester (OCA40, Dataphysics, Deutschland) gemessen. Die Wasserabsorption von Papier (Cobb-Test) wurde mit dem Paper Cobb Water Absorption Tester (PWA-01, Sichuan Changjiang Paper Instrument Co., Ltd., China) gemäß dem TAPPI T441-Standard bestimmt. Die Zugfestigkeit von Papier wurde mit einem computergestützten Zugprüfgerät (TTM, Hangzhou Qingtong Boke Automation Technology Co., Ltd., China) gemäß dem TAPPI T494-Standard bestimmt.

Die kristallinen Eigenschaften von BP, M-MBP, B-MBP und C-MBP wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) ermittelt. Wie in Abb. 3a gezeigt, gab es keinen signifikanten Unterschied in den Beugungspeaks der vier Bambuspulver. Der überlappende Beugungspeak bei etwa 16° entspricht der kristallografischen Ebene (1-10)/(110)-Cellulose, und die Beugungspeaks bei 22° und 34,5° entsprechen der kristallografischen Ebene (200) bzw. (004)-Cellulose. die zum typischen Cellulose-Typ-I-Kristall gehören34, 35. Der CrI von BP betrug 52,55 % und war damit höher als der der anderen drei MBPs. Nach der Hochdruckhomogenisierung von BP wurde der kristalline Bereich im BP durch mechanische Scherung beschädigt, sodass der CrI von MBP niedriger war als der von BP36. Allerdings war der CrI von M-MBP größer als der von B-MBP und C-MBP, was darauf zurückzuführen war, dass die mechanische Vorbehandlung die Größe des BP verringerte und die innere Struktur des BP nicht veränderte. Das Vorhandensein von Lignin auf der BP-Oberfläche verringert den Schereffekt des Hochdruckhomogenisierungsprozesses auf das BP und schützt den Kristallisationsbereich des BP, daher nimmt die Kristallinität von M-MBP weniger ab. Allerdings veränderten sowohl biologische als auch chemische Vorbehandlungen die innere Struktur von BP und verringerten den Ligningehalt, wodurch die Kristallinität von B-MBP und C-MBP deutlich abnahm37.

(a) XRD-Muster von BP, M-MBP, B-MBP und C-MBP, (b) und (c) FTIR-Spektren von BP, M-MBP, B-MBP und C-MBP.

Abbildung 3b zeigt die Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) von BP und MBP. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die charakteristischen Peaks von M-MBP und B-MBP denen von BP ähneln. In diesen drei Infrarotspektren traten die charakteristischen Peaks von Cellulose auf, nämlich der Streckschwingungspeak von –OH bei 3425 cm–1, der Streckschwingungspeak von –CH bei 2900 cm–1 und der Absorptionspeak von –CO bei 1030 cm– 1 und der Hemicellulose-Absorptionspeak von –CO bei 1640 cm–1 (Abb. 3b)38. In der Zwischenzeit gab es Absorptionspeaks bei 1715 cm-1, 1605 cm-1, 1505 cm-1, 1370 cm-1 und 1250 cm-1, die Lignin in den drei Infrarotspektren darstellen, was beweisen kann, dass BP eine große Menge enthält Lignin (Abb. 3c)39. Es gab auch charakteristische Peaks von Cellulose und Hemicellulose im Infrarotspektrum von C-MBP, aber die charakteristischen Peaks von Lignin waren schwach, was darauf hindeutete, dass ein Teil des Lignins entfernt wurde, nachdem das BP mit NaOH-Lösung vorbehandelt wurde.

Abbildung 4a zeigt das Bild von CNF, das mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) getestet wurde. Wie in Abb. 4a gezeigt, war der CNF eine filamentöse Struktur. Und die Länge und der Durchmesser der CNFs waren meist zwischen 1–3,5 µm und 18–42 nm verteilt, mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 2,4 µm und einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 28,7 nm (Abb. 4b und c).

Rasterkraftmikroskopbilder von (a) CNFs; (b) CNF-Länge und (c) CNF-Durchmesser.

Abbildung 5 und Tabelle 2 zeigen die SEM-Bilder und Größen von BP und MBP. Abbildung 5a zeigt das SEM-Bild von BP, das zeigt, dass der größte Teil des BP eine stäbchenförmige Struktur mit einer durchschnittlichen Länge von 166,8 µm, einer durchschnittlichen Breite von 23,5 µm und einer durchschnittlichen Dicke von 782 nm aufweist. Bei M-MBP und B-MBP handelte es sich hauptsächlich um blattartige Strukturen mit einer geringen Anzahl stabförmiger Strukturen (Abb. 5b, c). Abbildung 5d zeigt, dass das C-MBP eine versetzte und überlappende blattartige Struktur mit einer durchschnittlichen Länge, Breite und Dicke von 758,2 nm, 487,5 nm bzw. 70,3 nm war (Tabelle 2). Die Größe von C-MBP in den MBPs war am kleinsten. Daher hat die chemische Vorbehandlung den größten Schaden an der Struktur des BP und die Entfernung des Lignins aus dem BP am stärksten zur Folge. Kurz gesagt, die geringe Größe von MBP ist für die Filmbildung von Beschichtungen vorteilhafter als die von BP.

SEM-Bilder von (a) BPs, (b) M-MBP, (c) B-MBP und (d) C-MBP.

Die Wirkung von MBP auf die Fettbeständigkeit von Papier ist in Abb. 6a dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Fettbeständigkeitsgrad von PVA/CNF-beschichtetem Papier 9 betrug, der von PVA/CNF/C-MBP-beschichtetem Papier 10 und der von PVA/CNF/B-MBP und PVA/CNF/M- MBP-beschichtetes Papier hatte einen Wert von 12. Offensichtlich verbesserte der MBP die Fettbeständigkeitsleistung der PVA/CNF-Beschichtung. Lignin befindet sich auf der Oberfläche von MBP und seine Polarität und Oberflächenenergie sind niedrig, was die Oberflächenspannung der Beschichtungen verbessert23. Dies ist der Hauptgrund, warum MBP die Fettbeständigkeit von Beschichtungen verbessert. Das mit NaOH vorbehandelte C-MBP hatte aufgrund der Entfernung von mehr Lignin eine geringere Fettbeständigkeit als B-MBP und M-MBP.

(a) Wirkung von MBP auf die Fettbeständigkeit von Papier, (b) Wirkung von MBP auf hydrophobe Eigenschaften von Papier und (c) Wirkung von MBP auf die Zugfestigkeit von Papier.

Die Wirkung von MBP auf die hydrophoben Eigenschaften von Papier ist in Abb. 6b dargestellt. Die Hydrophobie von PVA/CNF-beschichtetem Papier war mit einem Wasserkontaktwinkel von 94° und einem Cobb-Wert von 18,4 g/m2 am besten. Im Gegensatz dazu waren die hydrophoben Eigenschaften von PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier allesamt schlechter als die von PVA/CNF-beschichtetem Papier. Unter den Proben wies das mit PVA/CNF/B-MBP beschichtete Papier die schlechteste Hydrophobie auf, mit einem Wasserkontaktwinkel und einem Cobb-Wert von 65° bzw. 23,0 g/m2. Das in der Beschichtung zugesetzte MBP kann keine wirksame Verbindung mit PVA eingehen, was die Kompaktheit der Beschichtung zerstört und somit die Hydrophobie des beschichteten Papiers verringert40. Darüber hinaus enthält das Lignin in MBP Hydroxylgruppen, und die Hydrophilie der Hydroxylgruppen ist einer der Gründe, warum die Hydrophobie von beschichtetem Papier abnimmt41.

Die Zugindizes in Maschinenrichtung (MD) und Querrichtung (CD) des PVA/CNF-beschichteten Papiers betrugen 68,1 bzw. 41,7 N·m/g. Allerdings waren die Zugfestigkeiten von PVA/CNF/M-MBP-beschichtetem Papier mit 67,17 bzw. 40,92 Nm/g am geringsten (Abb. 6c). Daher hat MBP einen schwachen Einfluss auf die Zugfestigkeit von Papier. Andererseits nahm die Zugfestigkeit von PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier im Vergleich zu PVA/CNF-beschichtetem Papier leicht ab. Cellulose war auf der Oberfläche von MBP von Lignin bedeckt, was die Bindungskraft von CNFs und PVA42 beeinflusste. Dadurch nimmt die Zugfestigkeit von PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier ab.

Im Vergleich zur PVA/CNF-Beschichtung verbesserte die PVA/CNF/MBP-Beschichtung die oleophoben Eigenschaften des Papiers und behielt im Wesentlichen die physikalische Festigkeit des Papiers bei, die Hydrophobie des Papiers nahm jedoch ab. AKD wird aufgrund seiner geringen Oberflächenenergie und guten filmbildenden Eigenschaften als hydrophobes Mittel im Papierherstellungsprozess verwendet. In den oben genannten Studien ist die Herstellungsmethode von M-MBP die einfachste und die hydrophoben Eigenschaften von PVA/CNF/M-MBP-beschichtetem Papier die beste. Daher wurde der PVA/CNF/M-MBP-Beschichtung AKD (relativ zur PVA-Dosierung) zugesetzt, um eine PVA/CNF/M-MBP/AKD-Beschichtung zu bilden, und die hydrophoben und oleophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers wurden weiter untersucht.

Die Wirkung von AKD auf die Fettbeständigkeit von Papier ist in Abb. 7a dargestellt. Die AKD-Dosierung betrug weniger als 0,05 %, was die oleophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers nicht veränderte. Mittlerweile betrug die Kit-Nummer des beschichteten Papiers 12. Wenn die AKD-Dosierung 0,05 % überstieg, nahmen die oleophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers ab. Darüber hinaus lag die AKD-Dosierung zwischen 0,10 und 0,20 % und die Kit-Nummer des beschichteten Papiers betrug 11. AKD ist eine kationisch geladene Dispersion, von der angenommen wurde, dass sie hauptsächlich ionisch an anionisch geladenes Lignin adsorbiert43. Die langkettige Alkylgruppe von AKD ist eine lipophile Gruppe. Wenn daher das Öl/Fett mit der Oberfläche des beschichteten Papiers in Kontakt kommt, absorbiert die Alkylgruppe das Öl/Fett und dringt in das Innere des Papiers ein, wodurch die oleophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers abnehmen6.

(a) Wirkung der AKD-Dosierung auf die Fettbeständigkeit von Papier, (b) Wirkung der AKD-Dosierung auf hydrophobe Eigenschaften von Papier und (c) Wirkung der AKD-Dosierung auf die Zugfestigkeit von Papier.

Mit der Erhöhung der AKD-Dosierung wurden die hydrophoben Eigenschaften des beschichteten Papiers deutlich verbessert. Darüber hinaus nahm mit einer Erhöhung der AKD-Dosierung der Cobb-Wert des beschichteten Papiers ab und der Wasserkontaktwinkel zu, wie in Abb. 7b dargestellt. Bei einer AKD-Dosierung von 0,2 % betrugen der Cobb-Wert und der Kontaktwinkel des PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichteten Papiers 15,2 g/m2 und 103°. Im Vergleich zu PVA/CNF/M-MBP-beschichtetem Papier verringerte sich der Cobb-Wert von PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetem Papier um 28,80 % und der Wasserkontaktwinkel erhöhte sich um 40,59 %. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass das AKD-Molekül hydrophobe Gruppen und reaktive Gruppen enthält. Die reaktive Gruppe reagiert mit der Carbonylgruppe der Faser, um eine kovalente Bindung zu bilden und einen stabilen Film auf der Faseroberfläche zu bilden. Andererseits werden die hydrophoben Gruppen (langkettige Alkylgruppen) von der Faseroberfläche abgewandt, sodass das beschichtete Papier bessere hydrophobe Eigenschaften aufweist44.

Die Auswirkung der AKD-Dosierung auf die Zugfestigkeit von Papier ist in Abb. 7c dargestellt. Die Zugfestigkeit des beschichteten Papiers nahm mit zunehmender AKD-Dosierung leicht zu. Die MD- und CD-Zugindizes des nicht AKD-beschichteten Papiers betrugen 67,08 Nm/g bzw. 40,92 Nm/g. Wenn die AKD-Dosierung auf 0,2 % erhöht wurde, stiegen die MD- und CD-Zugindizes des beschichteten Papiers auf 71,28 Nm/g bzw. 44,92 Nm/g, der MD- und CD-Zugindex stiegen um 6,3 % bzw. 9,78 %. Die Verbesserung der Zugfestigkeit des Papiers ist auf die Vernetzung von AKD und Fasern bei hoher Temperatur sowie auf die Veresterungsreaktion von AKD und der Carbonylgruppe der Faser unter Bildung einer kovalenten Bindung zurückzuführen45. Daher ist die Zugabe von AKD vorteilhaft, um die Zugfestigkeit des beschichteten Papiers zu verbessern.

Abbildung 8 zeigt die REM-Bilder von Rohpapier und beschichtetem Papier. Im Vergleich zum gestrichenen Papier gibt es beim Rohpapier viele Lücken zwischen den Pflanzenfasern (Abb. 8a), die es der Flüssigkeit ermöglichen, durch Kapillarwirkung in das Innere des Papiers einzudringen. Aus diesem Grund weist das Rohpapier keine hydrophoben und oleophoben Eigenschaften auf. Die hervorragenden filmbildenden Eigenschaften von PVA und CNF verleihen PVA/CNF-beschichtetem Papier hydrophobe und oleophobe Effekte, indem sie die Poren zwischen den Fasern füllen (Abb. 8b). Wie in Abb. 8c und d dargestellt, war die Oberfläche des beschichteten Papiers mit einem Beschichtungsfilm mit M-MBP-Partikeln bedeckt. Die niedrige Oberflächenenergie von M-MBP und die hydrophobe Gruppe von AKD wären hilfreich für die Erhöhung der hydrophoben und oleophoben Eigenschaften von PVA/CNF-beschichtetem Papier.

REM-Bilder von (a) Rohpapier, (b) PVA/CNF-beschichtetem Papier, (c) PVA/CNF/M-MBP-beschichtetem Papier und (d) PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetem Papier.

In dieser Arbeit haben wir eine einfache Strategie zur Verbesserung der Hydrophobie und Oleophobie von PVA/CNF-beschichtetem Papier entwickelt. Bei der Analyse von PVA/CNF- und PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier mit einem Beschichtungsgewicht von 2,0 g/m2 zeigten die Ergebnisse, dass der Fettbeständigkeitsgrad von PVA/CNF, PVA/CNF/C-MBP, PVA/CNF/B- MBP- und PVA/CNF/M-MBP-beschichtete Papiere hatten die Werte 9, 10, 12 und 12. Offensichtlich verbessert MBP die Oleophobie der PVA/CNF-Beschichtung. Allerdings waren die Hydrophobie- und Festigkeitseigenschaften des PVA/CNF/MBP-beschichteten Papiers im Vergleich zum PVA/CNF-beschichteten Papier leicht verringert. Daher ist es notwendig, AKD zu verwenden, um die Eigenschaften von PVA/CNF/MBP-beschichtetem Papier zu verbessern. Bei einer AKD-Dosierung von 0,20 % verringerte sich der Cobb-Wert von PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetem Papier um 28,80 %, der Wasserkontaktwinkel erhöhte sich um 40,59 % und der MD- und CD-Zugindex stieg um 6,3 % bzw. 9,78 %. , verglichen mit PVA/CNF/M-MBP-beschichtetem Papier. Insgesamt weist PVA/CNF/M-MBP/AKD-beschichtetes Papier im Vergleich zu PVA/CNF-beschichtetem Papier eine gute Festigkeit und eine ausgezeichnete Hydrophobie und Oleophobie auf. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung umweltfreundlicher hydrophober und oleophober Verpackungsmaterialien.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Polyvinylalkohol

Zellulose-Nanofasern

Bambuspulver

Mikro-Nano-Bambuspulver

Mechanisches Mikro-Nano-Bambuspulver

Biologisches Mikro-Nano-Bambuspulver

Chemisches Mikro-Nano-Bambuspulver

Alkylketendimer

Isoliertes Sojaprotein

Röntgenbeugung

Fourier-Transformations-Infrarot

Maschinenrichtung

Querrichtung

Hubbe, MA & Pruszynski, P. Fettdichte Papierprodukte: Eine Rezension, die umweltfreundliche Ansätze hervorhebt. BioResources 15, 1978–2004 (2020).

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SH,

Korrespondenz mit Xinxing Xia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 23. Mai 2023

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 29. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38941-w

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