Kuşelemede biyopolimer kullanımının kâğıdın basılabilirlik özelliklerine ve yağ emilimine etkisi
Investigating the effects of using biopolymer in paper coatings on printability and oil absorption
Yazar: BİLGE NAZLI ALTAY
Danışman: PROF. DR. CEM AYDEMİR ; PROF. DR. ARİF KARADEMİR
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Matbaa Eğitimi Ana Bilim Dalı / Matbaa Eğitimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Matbaacılık = Typography
Dizin: Baskı malzemeleri = Printing materials ; Biyomalzemeler = Biomaterials ; Biyopolimerler = Biopolymers ; Kaplama malzemeleri = Coating materials ; Matbaa mürekkepleri = Printing inks ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Renk analizi = Color analysis ; Sayısal baskı = Digital printing ; Yüzey kaplama yöntemleri = Surface coating methods

Özet:
Günümüzde, bilimsel ve endüstriyel alanda çok sayıda sektör, klasik petrol türevli sentetik malzemelerden uzaklaşmak amacıyla sürdürülebilir ve yenilenebilir yeni biyopolimer malzemelerin geliştirilmesini aktif olarak araştırmaktadır. Kâğıt endüstrisinde bu çaba, kaliteden ödün vermeden petrol bazlı kaynaklara bağımlılığı azaltılması, biyopolimerlerin kullanımının artırma, karbon ve toksik emisyonları azaltma, atıkları en aza indirme ve enerji ve su tüketimini azaltma konularını içermektedir. 
Doğal bir biyopolimer olan nişasta, kağıt yapımında ve kuşelemede uygulama alanı bulmaktadır. İşlenmemiş veya modifiye edilmiş formlarda bulunan toz nişasta, üretim sürecine dahil edilmeden önce pişirme işlemine tabi tutulur. Zorlu kontrolüyle bilinen bu pişirme aşaması, üretimde aksamalara ve kağıt kalitesinde bozulmalara yol açabilir. Hatalı pişirme prosedürleri, jel oluşumu, pişirme sonrasında oda sıcaklığına dönüldüğünde viskozitenin artması, pişmiş nişastada bakteri üremesi ve depolama sırasında viskozite kontrolü zorlukları gibi sorunların tümü üretimi engelleyebilir. Nanoteknoloji bilimi, pişirme işlemi gerektirmeyen nanoparçacık biyopolimer nişasta bazlı lateksin (biyopolimer lateks) geliştirilmesini sağlayarak, üretimde yaşanan zorlukların üstesinden gelmeyi ve kağıt kuşeleme formülasyonlarında yaygın olarak kullanılan petrol türevi stiren bütadien (SB) ve stiren akrilik gibi lateks kimyasallarına olan bağımlılığı azaltmayı desteklemiştir. Bu tez çalışmasının ilk aşamasında, kontrol grubu olarak kullanılan %100 SB lateks içeren kuşe formülüne %25, %50, %75 ve %100 oranlarında biyopolimer lateks eklenirken, SB lateks oranı kademeli olarak azaltılarak tamamen kuşe formülünden çıkartılmış ve Mayer çubuk No.0 ile manuel olarak baz kâğıtlar üzerine kuşelenmiştir. Biyopolimer lateks ilavesinin, sıvı kuşelerin katı oranı (%60), pH (8) ve yoğunluk (1.6 g/cm3) gibi özelliklerini etkilemediği, su tutma özelliğini (41 g/m2) olumlu yönde düşürdüğü bulunmuştur. Reometre ölçümlerinde bütün kuşe örnekleri, Newtonyen olmayan, laminer akış sergilemiştir. Biyopolimer lateks ilavesi, kâğıdın pürüzlülüğünü (76 mL/dak) değiştirmemiş; aydınlık (%84) ve beyazlık (%85) özelliklerini iyileştirmiş, parlaklık (41 GU) özelliğini düşürmüştür. Biyopolimer lateks içeren kuşelerle kaplanan kâğıtların kuru toner dijital baskı renk evreni hacmi, SB lateks içeren kuşeyle kaplanan kâğıtlarla aynı yapıdadır. Deneylerin ikinci aşamasında, %100 SB lateks ile %50 biyopolimer lateks + %50 SB lateks kompozit bağlayıcı içeren kuşe formülleri, bir kâğıt fabrikasında otomatik bıçaklı kaplayıcı kullanılarak baz kâğıtlar üzerine kuşelenmiştir. Biyopolimer lateksle kuşelenen kâğıtlar, SB lateksle kuşelenen kâğıtlarla karşılaştırıldığında, benzer yüzey pürüzlülüğü (1,4 mikron), mekanik özellikler ve sürtünme katsayısı (0,4) değerleri göstermiştir. Özellikle, biyopolimer lateksle kuşelenen kâğıtların, SB lateksle kuşelenen kâğıtlara oranla daha iyi yüzey enerjisi (55 mN/m), daha iyi beyazlık (%94), aydınlık (%91) ve açıklık (95) özelliklerine sahip olduğu bulunmuştur. Ayrıca, biyopolimer lateks içeren kâğıtların dielektrik gevşeme özelliğini geliştirdiği ve toner transferini iyileştirdiği, SB lateks içeren kağıtlara oranla benzer renk evren hacmi ürettiği bulunmuştur. Yağ emilimi testleri, biyopolimer lateks içeren kuşenin 700-900 gm/cm aralığında ideal yapıda olduğu göstermiştir. Sonuç olarak, sentetik SB lateks bağlayıcının doğal biyopolimer lateks ile değiştirilmesinin kuru toner dijital baskı basılabilirlik özellikleri açısından avantaj sağlayacağı ortaya konmuştur. Bununla beraber, kuşelemede %100 biyopolimer lateks kullanımının kuru toner dijital baskıya etkileri kapsamlı bir şekilde kaynaklara kazandırılmıştır.
Bu doktora araştırması, TUBİTAK 2214-A Yurt Dışı Doktora Sırası Araştırma Burs Programı ile desteklenmiştir.

Abstract:
Currently, numerous sectors within the scientific and industrial communities are actively pursuing the development of novel biopolymer materials that are sustainable and renewable, with the aim of moving away from conventional petroleum-derived synthetic materials. In the paper industry, this endeavor involves efforts to decrease reliance on petroleum-based resources, increasing the utilization of biopolymers, reducing carbon and toxic emissions, minimizing waste, and decreasing energy and water consumption, while maintaining product quality.
Starch, a natural biopolymer, finds application in papermaking and coating. Powdered starch, available in unprocessed or modified forms, is subjected to cooking before being incorporated into the production process. This cooking phase, known for its challenging control, can lead to production disruptions and compromised paper quality. Issues like faulty cooking procedures, gel formation, increased viscosity upon returning to room temperature after cooking, bacterial growth in cooked starch, and viscosity control difficulties during storage can all impede production. Nanotechnology has facilitated the development of nanoparticle biopolymer starch based latex (biopolymer) that eliminates the need for the cooking process to address these challenges and reduce the dependence on latex chemicals, including petroleum-derived styrene butadiene (SB) and styrene acrylic, which are commonly used in paper coating formulations. In the first phase of this dissertation's experimentation, 25%, 50%, 75% and 100% biopolymer were added to the coated formula containing 100% SB latex that was used as a control group while gradually reducing SB latex to completely remove from the coating formula, then they were coated on base papers using Mayer rod No.0. The introduction of biopolymer had negligible impact on parameters such as solid content (60%), pH (8), and density
(1.6 g/cm3), with a slight reduction in water retention (41 g/m2). Rheometer assessments revealed that all coating samples exhibited non-Newtonian, laminar flow behavior. Incorporating biopolymer did not alter paper roughness (76 mL/min); however, it improved brightness (84%) and whiteness (85%) while decreasing gloss properties
(41 GU). The color gamut volume achieved through dry toner digital printing using papers coated with the biopolymer formula was similar with those coated with SB latex. In the subsequent experimental phase, coatings containing 100% SB latex and a composite binder of 50% biopolymer and 50% SB latex were applied to base papers using an automatic knife coater in a paper mill. The biopolymer-coated papers exhibited comparable surface roughness (1.4 μm), mechanical properties, and coefficient of friction (0.4) to SB latex-coated papers. Notably, the biopolymer-coated papers displayed enhanced surface energy (55 mN/m), improved whiteness (94%), brightness (91%), and lightness (95) when compared to SB latex-coated papers. Furthermore, biopolymer-coated papers demonstrated improved dielectric relaxation properties and toner transfer, achieving a color gamut volume similar to SB latex-coated papers. Oil absorption tests indicated that biopolymer-coated papers exhibited an optimal structure within the ideal 700-900 gm/cm range. In conclusion, the adoption of natural biopolymer as a replacement for synthetic SB latex binder has been substantiated to yield advantages in terms of printability properties in dry toner digital printing. Additionally, the impact of fully integrating 100% biopolymer into the coating process for dry toner digital printing has been thoroughly documented in the academic literature.
This doctoral research was supported by TUBITAK 2214-A - International Research Fellowship Program for PhD Students.