The Effects of Water-Resistant Agents on Physical Properties, Mechanical Properties and Water Absorption Ability of Bamboo Culm Sheath Paper

บทคัดย่อ

The objectives of this research were to study the production of water-resistant paper from bamboo culm sheath using a handmade method and study the influence of water-resistant agents on the physical properties, mechanical properties, and water absorption ability of the paper. Five water-resistant agents, which were rosin-alum, alkyl ketene dimers (AKD), chitosan, natural latex, and soy wax, were blended with bamboo culm sheath pulp during the paper-forming process in amounts of 1, 2, 3, and 4 % by weight, based on the pulp weight. The results showed that the optimum amount of unbleached bamboo pulp for paper formation is 40 grams. This amount produced strong, foldable, and rollable paper with the least amount of bending and shrinkage. The addition of water-resistant agents increased the weight and thickness of the paper, except for AKD and chitosan which did not lead to the significant change in paper weight. The addition of AKD significantly affected the brightness value (L*) of the paper. Meanwhile, rosin-alum and natural latex increased the red and yellow values of the paper. Morphological studies revealed that AKD and chitosan had better distribution in the paper than rosin and alum, latex, and soy wax. For the mechanical properties of water-resistant paper, tensile strength, Young’s modulus, and elongation depended on the type and amounts of water-resistant agents. The results showed that the presence of chitosan, AKD, and latex increased the modulus of the paper. Specifically, the addition of 2 %chitosan by weight led to the highest tensile strength and modulus values (P0.05), which were 3.81±0.70 and 482.02± 72.40 MPa, respectively. Nevertheless, the addition of rosin-alum, AKD, chitosan, and soy wax caused the decrease in elongation at break of the paper. While, the addition of latex at 4% by weight could improve the elongation at break of the paper. Water resistant agents could significantly improve the paper’s resistance to water absorption. The water absorption resistance of the paper increased when amounts of water-resistant agents increased. The addition of 4% soy wax by weight contributed to the highest increase in water absorption resistance. After soybean wax, AKD and chitosan were the second and third best water-resistant agents, respectively. A contact angle study revealed that water droplets were able to wet and rapidly penetrate into the bamboo pulp paper. The presence of water-resistant agents resulted in higher contact angle value, indicating that the paper had a higher ability to resist water droplet penetration. It was found that adding 1 % AKD  by weight resulted in the highest value of contact angle between the water drop and the paper surface.ผลการทดลองพบว่า ปริมาณที่เหมาะสมของเยื่อกาบไผ่ไม่ฟอกขาวสำหรับการขึ้นรูปกระดาษ คือ 40 กรัม เนื่องจากปริมาณเยื่อดังกล่าวทำให้กระดาษมีการโก่งและหดตัวน้อยที่สุด และมีความแข็งแรงสามารถพับและรีดได้ การเติมสารต้านทานการดูดซึมน้ำส่งผลให้กระดาษมีน้ำหนักและความหนาเพิ่มขึ้น ยกเว้น AKD และไคโตซาน ทำให้น้ำหนักของกระดาษไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก  การเติม AKD ส่งผลต่อค่าความสว่าง (L*) ของกระดาษอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่ชันสนกับสารส้ม น้ำยางพารา ทำให้กระดาษมีค่าสีแดง (a*) และสีเหลือง (b*) เพิ่มขึ้น การศึกษาสัณฐานวิทยาพบว่า AKD และไคโตซานสามารถกระจายตัวในเนื้อกระดาษได้ดีกว่าชันสนกับสารส้ม น้ำยางพารา และไขถั่วเหลือง การศึกษาสมบัติเชิงกลของกระดาษต้านทานการดูดซึมน้ำพบว่า ค่าการทนต่อแรงดึง ค่ายังมอดุลัส และค่าร้อยละการยืดตัว ณ จุดขาดของกระดาษมีความแตกต่างกันขึ้นกับชนิดและปริมาณของสารต้านทานการดูดซึมน้ำ ผลทดลองพบว่า ไคโตซาน AKD และน้ำยางพาราช่วยเพิ่มค่ายังมอดุลัสของกระดาษ โดยเฉพาะการเติมไคโตซานที่ร้อยละ 2 โดยน้ำหนัก ส่งผลให้กระดาษมีค่าการทนต่อแรงดึงและค่ายังมอดุลัสสูงที่สุด (P0.05) คือ 3.81±0.70 และ 482.02± 72.40 เมกะปาสคาล ตามลำดับ แต่การเติมชันสนกับสารส้ม AKD ไคโตซาน ไขถั่วเหลือง ทำให้กระดาษมีค่าการยืดตัวร้อยละ ณ จุดขาดลดลง ในขณะที่การเติมยางพาราที่ร้อยละ 4 โดยน้ำหนักสามารถปรับปรุงค่าการยืดตัวร้อยละ ณ จุดขาดของกระดาษเยื่อกาบไผ่ได้ สารต้านทานการดูดซึมน้ำช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานการดูดซึมน้ำของกระดาษเยื่อกาบไผ่ เมื่อเพิ่มปริมาณสารต้านทานการดูดซึมน้ำมากขึ้น ส่งผลให้ค่าการดูดซึมน้ำของกระดาษลดลงอย่างมีนัยสำคัญ การเติมไขถั่วเหลืองที่ร้อยละ 4 โดยน้ำหนัก สามารถเพิ่มความสามารถในการต้านทานการดูดซึมน้ำของกระดาษได้สูงที่สุด อันดับรองลงมา คือ AKD และไคโตซาน การศึกษาค่ามุมสัมผัสของหยดน้ำบนพื้นผิวกระดาษ พบว่า หยดน้ำสามารถเปียกและซึมลงกระดาษเยื่อกาบไผ่ได้ดี แต่เมื่อเติมสารต้านทานการดูดซึมน้ำส่งผลให้มุมสัมผัสของหยดน้ำกับพื้นผิวกระดาษมีค่าสูงขึ้น ซึ่งบ่งบอกว่ากระดาษมีความสามารถในการต้านทานการซึมผ่านของหยดน้ำได้สูงขึ้น และพบว่าการเติม AKD ที่ปริมาณร้อยละ 1 โดยน้ำหนัก ทำให้ค่ามุมสัมผัสระหว่างหยดน้ำและผิวกระดาษมีค่าสูงที่สุด