پژوهشگران آلمانی موفق به توسعه فناوری نوینی شدهاند که امکان اتصال و آببندی کاغذ را بدون استفاده از چسب، لایههای پلیمری یا هرگونه ماده افزودنی فراهم میکند؛ دستاوردی که میتواند تحول مهمی در صنعت بستهبندیهای پایدار ایجاد کند.
با افزایش نگرانیهای زیستمحیطی و تلاش صنایع برای کاهش مصرف پلاستیک، استفاده از مواد قابل بازیافت مانند کاغذ و سایر مواد لیگنوسلولزی بهعنوان جایگزینی برای بستهبندیهای پلاستیکی مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، یکی از چالشهای اصلی در تولید بستهبندیهای تمامکاغذی، ایجاد اتصالات و درزهای مقاوم بدون استفاده از مواد خارجی است؛ موادی که اغلب فرآیند بازیافت را پیچیده کرده و کیفیت جریان بازیافت کاغذ را کاهش میدهند.
در همین راستا، پژوهشگران مؤسسه Fraunhofer IWS راهکاری مبتنی بر فناوری لیزر ارائه کردهاند که با بهرهگیری از ساختار شیمیایی خود کاغذ، امکان ایجاد اتصال میان لایههای کاغذی را فراهم میکند.
تبدیل کاغذ به چسب با کمک لیزر
در این فناوری، سطح کاغذ تحت تابش لیزر مونوکسید کربن (CO) قرار میگیرد. انرژی لیزر موجب ایجاد تغییرات کنترلشده در اجزای لیگنوسلولزی کاغذ شده و بخشی از این ساختارها را به محصولات واکنشی جدیدی تبدیل میکند. این ترکیبات که از نظر ماهیت شیمیایی شباهتهایی به مواد قندی کاراملیزهشده دارند، روی سطح کاغذ باقی مانده و قابلیت نرمشدن یا ذوب مجدد در اثر حرارت را حفظ میکنند.
برخلاف روشهای متداول که در آنها از چسبهای خارجی برای اتصال استفاده میشود، در این روش خود الیاف کاغذ به منبع تولید ماده اتصالدهنده تبدیل میشوند. به بیان دیگر، تابش لیزر نوعی «چسب درجا» ایجاد میکند که از محصولات تجزیهای قابل ذوب تشکیل شده است.
اتصال پایدار بدون نیاز به مواد افزودنی
پس از انجام فرآیند لیزری، دو لایه کاغذ تحت فشار و دمای مشخص در کنار یکدیگر قرار میگیرند. در مرحله آببندی حرارتی (Heat Seal)، گرما موجب نرم شدن محصولات واکنشی ایجاد شده روی سطح شده و این مواد در ناحیه تماس جریان مییابند. با سرد شدن ساختار، یک اتصال مکانیکی و شیمیایی پایدار میان دو لایه شکل میگیرد.
نتیجه این فرآیند، ایجاد درزهایی مقاوم و پایدار بدون استفاده از چسب، فیلمهای پلیمری یا سایر مواد کمکی است؛ موضوعی که میتواند بازیافت بستهبندیهای کاغذی را سادهتر و کارآمدتر کند.
استحکام اتصال در سطح روشهای رایج
ارزیابیهای انجامشده نشان میدهد عملکرد این فناوری به عوامل مختلفی از جمله دمای فرآیند، فشار اعمالی و هندسه فکهای آببندی وابسته است. پژوهشگران برای بررسی کیفیت اتصالات از آزمونهای مکانیکی مختلفی نظیر آزمون برشی و آزمون جدایش استفاده کردهاند.
بر اساس نتایج بهدستآمده، بهینهسازی پارامترهای فرآیند امکان دستیابی به اتصالاتی را فراهم کرده که از نظر استحکام مکانیکی با بسیاری از روشهای متداول قابل رقابت هستند. همچنین جهتگیری الیاف کاغذ نسبت به فکهای آببندی نیز تأثیر قابل توجهی بر عملکرد نهایی اتصال دارد.
گزارشها حاکی از آن است که برخی نمونههای آزمایشی با وجود ابعاد بسیار کوچک ناحیه اتصال، توانستهاند بارهای مکانیکی قابل توجهی را تحمل کنند؛ موضوعی که نشاندهنده نقش مؤثر محصولات واکنشی حاصل از تابش لیزر در انتقال تنش میان لایههای کاغذی است.
حرکت به سوی تولید صنعتی
توسعهدهندگان این فناوری در حال انتقال آن از مقیاس آزمایشگاهی به تولید صنعتی هستند. در همین راستا، یک خط پایلوت مبتنی بر فرآیند رولبهرول طراحی شده است که مراحل تابش لیزر، آببندی و شکلدهی نهایی بستهبندی را بهصورت پیوسته انجام میدهد.
در این سامانه، ابتدا سطح رول کاغذ تحت تابش لیزر قرار میگیرد و سپس با ورود رول دوم، عملیات اتصال حرارتی در نقاط موردنظر انجام میشود. در ادامه نیز ساختار تولیدشده برش خورده و به شکل نهایی بستهبندی تبدیل میشود.
پژوهشگران همچنین از حسگرهای صنعتی، سامانههای پایش کیفیت و مدلهای دیجیتال پیشبینیکننده برای کنترل برخط فرآیند استفاده کردهاند؛ قابلیتی که امکان تنظیم خودکار پارامترهای تولید و حفظ کیفیت محصول نهایی را فراهم میکند.
گامی مهم برای آینده بستهبندیهای پایدار
این فناوری در قالب پروژه PAPURE و با مشارکت چندین مرکز پژوهشی آلمان در حال توسعه است و از آن بهعنوان یکی از نمونههای شاخص استفاده از فناوریهای لیزری برای حذف مواد کمکی در صنعت بستهبندی یاد میشود.
کارشناسان معتقدند در صورت موفقیت این فناوری در مقیاس صنعتی، امکان تولید بستهبندیهای کاغذی تکمادهای فراهم خواهد شد؛ بستهبندیهایی که بدون چسب و لایههای پلیمری تولید میشوند و بازیافت آنها با سهولت و بازدهی بیشتری انجام خواهد شد.
این دستاورد میتواند گام مهمی در مسیر توسعه بستهبندیهای دوستدار محیطزیست و کاهش وابستگی صنایع به مواد شیمیایی و پلیمرهای اضافی به شمار رود.
