وضعيت کنونى
صنعت کاغذ و مقواسازى، صنعتى سرمايه‌بر است و زمان لازم براى به‌کارگيرى فرايندهاى جديد در آن عموماً بسيار زياد است. با اين شرايط، تعويض تجهيزات پرهزينه فقط هنگام بازسازى‌هاى عمده و راه‌اندازى خطوط توليد جديد صورت مى‌گيرد.
تاکنون تنها تعداد اندکى از کاربردهاى فناورى‌نانو در صنعت کاغذ به کارگرفته شده است که يکى از مشهورترين آنها استفاده از نانو/ ميکرو ذرات (سيليکاى کلوئيدى، هيدروکسيد آلومينيوم کلوئيدى) به‌ صورت ترکيب با پلى‌الکتروليت‌هاى کاتيونى است. کليه اين فناورى‌ها از دهه80 آغاز و محصولات جديد، در دهه 90 توسعه يافتنه‌اند. ديگر فناورى‌هاى در حال توسعه شامل استفاده از حفاظ‌هاى نانوکامپوزيتى براى استفاده در بسته‌بندى غذا و عايق‌هاى روغن و چربى است.
فناورى‌نانو را مى‌توان پل ارتباط ماشين‌آلات کاغذ‌سازى و ساير تجهيزات فرايندى به شمار آورد. مى‌توان نانوفيلتراسيون را در تصفيه آب‌هاى فرايندى (مورد استفاده در ماشين‌ها و دستگاه‌هاى آسيابى توليد کاغذ و مقوا) به کاربرد و از نانوروکش‌هاى ضدخش براى توليد پرس‌ها و نيز ساخت اجزاى مختلف ماشين‌آلات کاغذ سازى استفاده کرد.
40 درصد از کاغذ و مقواى توليدى اروپا در بسته‌بندى به‌کار مى‌رود. نقش مواد کاغذى اساساً استحکام بخشيدن به بسته‌بندى‌ و در درجه دوم ايجاد ظاهرى زيبا براى آن است. روکش‌ بسته‌‌بندى‌هاى استاندارد کاغذى را مى‌توان با استفاده از ترکيب فناورى‌هاى مختلفى مانند لايه‌لايه سازى/ اکستروژن (lamination/extrusion)، متاليزاسيون(metallization) و روکش‌دهى انتشارى (dispersion)، به دست آورد. روکش‌دهى انتشارى مقوا، روشى است که مى‌توان به‌طور توأم با روش لايه‌لايه سازى/ اکستروژن به‌کار برد. اگرچه روکش‌دهى انتشارى به شيوه سنتى، با قابليت توليد انبوه است، اما براى توليد مناسب نيست. هم اکنون پيشنهادهاى جديد در مورد روش روکش‌دهى انتشارى مانند روکش‌دهى‌هاى خشک و روش‌هاى پلاستى سُل (Plastisol) در حال توسعه‌اند. روکش‌هاى رنگدانه‌اى به صورت سنتى و قالب‌زنى سطحى از جمله روش‌هايى است که به دليل برخى ويژگى‌هاى خاص حفاظتى براى بسته‌بندى مواد استفاده مى‌شود.
قابل ذکر است که در صورت استفاده از نانوکامپوزيت‌هاى پايه رسى در غشاءها و روکش‌ها، خواص محافظتى بسيار مطلوب و پيشرفته‌اى به دست مى‌آيد که اين مقوله هم‌اکنون بخش مهمى از فعاليت‌‌هاى تحقيق و توسعه را به خود اختصاص داده است.
بسته‌بندى هوشمند نيز از زمينه‌هاى بسيار مهم تحقيق و توسعه است. با ورود خصوصيات هوشمند به فرايند چاپ، مثلاً با استفاده از جوهرهايى که عملکردهاى دلخواهى را به کاغذ مى‌بخشد، توليد مواد بسته‌بندى مناسب، امکان‌پذير خواهد بود. در حال حاضر، چندين فناورى براى ايجاد ويژگى‌هاى جديد در محصولات کاغذى، مانند تعبيه انواع مختلف آشکارسازها بر روى محصولات کاغذى، با استفاده از فناورى‌هاى چاپ مدرن با همراه جوهرهاى ويژه و پليمرهاى رسانا، در حال بررسى است.
چالش‌ ها
با شرايطى که بدان اشاره شد، صنعت کاغذ با چالش‌هايى روبه‌رو است که در زير به برخى از آنها اشاره مى‌شود:
کاهش مقدار مواد خام و افزودنى‌هاى مورد نياز براى دستيابى به ويژگى‌هاى مورد نياز در کاغذ؛
بسط حوزه کاربرد کاغذ از طريق جزء جزء کردن فيبرها؛ و فناورى لايه‌بندى صفحات؛
اصلاح شيوه تشکيل، نگهدارى و کنترل مواد زائد آنيونى از طريق افزودنى‌هاى جديد به کاغذ؛ و کنترل خواص و مشخصه‌هاى سطحى فيبرها؛
توسعه فناورى‌هاى روکش‌دهى ساختارى به منظور چاپ بهبود يافته و افزايش کارکرد سطوح کاغذى؛
توسعه روکش‌هاى محافظ براى افزايش مقاومت مقوا در برابر آب، چربى و گاز؛
ايجاد ابزارهاى هوشمند شامل حسگرها و الکترونيک مولکولى براى خدمات بسته‌بندى و سيستم‌هاى منطقى؛ حصول بازارهاى جديد براى کاغذ؛ و برچسب‌گذارى به منظور تسهيل روند اصلاح و بازيافت فيبرها.
فرصت‌هاى فناورى‌نانو
پيوندزنى فيبرها با ماکرومولکول‌هاى طراحى شده
اخيراَ راهبردهاى پليمر‌‌يزاسيون به گونه‌اى گسترش يافته‌اند که ساخت پليمرهاى مجزا و يا ترکيبى با ساختارهاى کنترل شده، دقيق و بدون نقص را امکان‌پذير نموده‌اند. سنتز پلى آمينو اسيدها و يا پروتئين‌ها و پپتيد‌هاى مصنوعى با استفاده از روش‌هاى بازسازى شده، پليمريزاسيون حلقه گشايى (ring-opening) لاکتون‌ها و لاکتيدها، و پليمريزاسيون راديکالى کنترل ‌شده مونومرهاى وينيل مانند پليمريزاسيون (ATRP) و پليمريزاسيون RAFT از آن جمله‌اند. با اين روش‌هاى جديد، سنتز زنجيره‌هاى پليمرى با ساختار مولکولى مشخص، امکان‌پذير مى‌شود. به عنوان مثال ATRP را مى‌توان براى پيوند زدن مونومرهاى وينيل به سطوح سلولزى، که به‌وسيله آغازگرهاى محدود کننده سطح مانند برومواسترها فعال شده‌اند، به‌کار برد.
چنانچه بتوان پليمرهايى با کارکرد مناسب و طراحى شده را به سطح فيبرها متصل نمود، فيبرها هم با سيالات آلى و هم با آب سازگار مى‌شوند و اين عمل براى فيبرهاى مقوايى به خصوص براى کاربردهاى ويژه‌اى مانند کامپوزيت‌هاى تقويت شده فيبرى، بسيار ايده‌‌آل است. 
 {PageBreak}
اصلاح فيبرها با استفاده از خود آرايى 
در اواخر دهه 90 کشف شد که با استفاده از اصلاح سطوح به وسيله پليمرها يا نانوذرات با بار مخالف، امکان تشکيل لايه‌هاى نازک خودسامان کنترل شده، روى زيرلايه‌هاى جامد وجود دارد.
از آن زمان به بعد تحقيقات نظرى قابل ملاحظه‌اى روى اين موضوع عملى، متمرکز شد و امروزه وسايل ساطع کننده نور و لايه‌هاى با برهم‌کنش الکترونيکى يا شيميايى از دستاوردهاى اين تحقيقات است. همچنين ثابت شده است که اين روش را مى‌توان براى توليد فيبرهاى سلولزى و فيبرهاى رسانا به‌کار برد.
روش ديگرى نيز براى هنگامى که سطوح با استفاده از کمپلکس‌هاى پلى‌الکتروليتى (PEC) به عمل مى‌آيند توسعه داده شده است. با اين روش، عملکردى تقريباً مشابه روش پلى‌الکتروليت چند لايه‌اى (PEM) امکان‌پذير مى‌شود که در اين روش تعداد مراحل نصف مراحل روش قبلى است. همچنين مى‌توان پلى‌الکتروليت‌ها و نانوذرات را با هم ترکيب نمود و در نهايت ذرات بسيار کوچک‌ترى به دست آورد. با توجه به گسترش سريع نانوذرات مى‌توان محصولاتى چوبى‌ توليد کرد که داراى دامنه خواص وسيعى هستند.
ترکيب انواع جديد پلى‌الکتروليت‌ها، روش‌هاى پليمريزاسيون و انواع پليمرهاى خود ساخته، فرصت‌هاى قابل توجهى را در هر دو زمينه PEC و PEM پيش روى ما قرارمى‌دهد. همچنين اخيراً ثابت شده است که رسوب دادن انواع مختلفى از ترکيبات اسيدى سيليس‌دار درون ديواره فيبرها، روش بسيار مؤثرى براى ايجاد يک ساختار از پيش تعيين شده و نيز افزودن خواص عملکردى اساسى و ويژه‌ به فيبرهاست.

اصلاح فيبرها با استفاده از آنزيم‌ها 
در دهه اخير، آنزيم‌هاى تک‌عضوى زيادى به‌صورت تجارى توليد و در دسترس قرار گرفته‌اند. اين آنزيم‌ها قادر به اصلاح و يا کاهش ميزان انتخاب‌پذيرى بالاى سلولز بوده و کاربردهاى فنى بسيار گسترده‌اى در مواد شوينده و فرايندهاى ويژه‌اى مانند جوهرزدايى در صنعت کاغذ پيدا نموده‌اند. با استفاده از آنزيم‌هاى تک عضوى، انجام اصلاحات سطحى ويژه روى فيبرها، به منظور فعال نمودن و تغيير خواص آنها با روش‌هاى متداول امکان‌پذير مى‌شود.
مى‌توان روش‌هاى آنزيمى را در تلفيق با روش‌هاى فيزيکى و شيميايى براى ساخت موادى با عملکرد بسيار بالا و قابل استفاده در محصولات تعاملى به‌کار برد. آنزيم‌ها ابزارهاى ايده‌آلى براى توليد فيبرهاى زيست تعاملى هستند.
آنزيم‌ سلوبايوز د‌هيدروژناز، مورد مناسبى براى کاربرد در حسگرهاى زيستى آمپرسنج است. اين آنزيم در ترکيب با لايه‌هاى سطحى رساناى فيبرهاى چوبى، يک حسگر زيستى آمپرسنج کاغذى را به وجود مى‌آورد.
اطلاعات رو به گسترش در مورد ريزساختار چوب و ساير مشتقات آن، که در طى پنج سال اخير جمع‌آورى شده است را مى‌توان همراه با فناورى زيست تقليد (biomimetic)، براى ساخت موادى با عملکرد بالا و بى‌نظير مانند فيبرهاى تعاملى به‌کار گرفت. همچنين از سلولزهاى ميکروفيبرى که از طريق يک روش فعال‌سازى آنزيمى توليد مى‌شوند براى ساخت نانومواد کامپوزيتى با شکل و کاربردهاى جديد استفاده کرد.
کاربرد ديگر فناورى زيست تقليد، توليد چوب پنبه مصنوعى (پليمر گياهى موجود در ريشه‌ و پوست درخت)، است که مى‌توان از آن به عنوان مقاوم‌ترين و آبگريز‌ترين ماده چوبى نام برد. اين ماده را مى‌توان با استفاده از محصولات جانبى صنعت کاغذسازى پليمريزه کرده، و آن را براى ساخت مواد ضد رطوبت - مناسب براى استفاده در گوشى‌هاى همراه- به‌کار برد.
مثال آخر، کاربرد زايلوگلوکان در اصلاح آنزيمى سلولز به منظور ساخت شبکه‌هاى فيبرى است.

بسته بندى هاى تعاملى
محصولات الکترونيک چاپى طى 15 سال اخير پيشرفت چشمگيرى نمودند و هم‌اکنون نيز با سرعت فوق‌العاده‌اى در حال گسترش مى باشند. از جمله بازارهاى الکترونيک چاپى مى‌توان به بسته‌بندى‌هاى هوشمند، نمايشگرهاى کاغذى پيشرفته، حسگرها و اسباب بازى‌هاى تعاملى با مبناى کاغذ‌هاى ساده براى بچه‌ها اشاره کرد.
پيشرفت در اين زمينه به حدى است که امکان ساخت نمايشگرها/OLEDS، ترانزيستورها OTFTS براى کاربرد در مدارهاى منطقى ساده، دکمه‌هاى فشارى برقى، حسگرها و آنتن‌هاى کاغذى را فراهم آورده است.
  {PageBreak}
روکش‌هاى عملکردى
در حوزه فناورى روکش‌دهى، حداقل دو زمينه بسيار وسيع وجود دارد که عبارتند از: روکش‌هاى ميکرو و نانوساختارى و روکش‌‌هاى نانوکامپوزيتي.
روش روکش‌دهى تيغه‌اى (blade coating) يک شيوه متداول در صنعت کاغذسازى است. در اين روش هيچ ساختار خاصى تشکيل نمى‌شود؛ زيرا فشار بالاى تيغه موجب شکسته شدن تعاملات کلوئيدى در طى فرايند روکش‌دهى مى‌شود.
فناورى‌هاى جديد روکش‌دهى مانند روکش‌دهى پاششى و روکش دهى اکستروژنى/ غشائى، زمينه را براى روکش‌دهى‌ ميکرو و نانوساختارى فراهم آورده‌اند. کاربردهاى اين فناورى چند منظوره است؛ روکش‌‌‌دهى ساختارى مى‌تواند روکش‌هاى حجيمى را با خواص بسيار ممتاز و ويژگى خشک‌کنندگى سريع جوهر ايجاد نمايد. ساختار سطح روکش‌ها زمينه‌هايى از ساخت سطوح مافوق آبگريز و مافوق جاذب براى کاربردهاى بسيار گسترده ارائه مى‌دهد.
در روکش‌هاى نانوکامپوزيتى از ناهمسان‌گردى بسيار زياد نانورس‌ها براى افزايش مقاومت روکش‌ها در برابر آب، چربى و گازها استفاده مى‌شود. روکش‌هاى نانوکامپوزيتى قادر به ايجاد لايه‌هاى بسيار نازک، فوق‌العاده مستحکم و ضد خراش هستند.
با استفاده از نانوذراتى مانند دى‌اکسيد تيتانيوم مى‌توان روکش‌هايى مقاوم در برابر اشعه فرابنفش يا ديگر پديده‌‌هاى نورى خاص توليد کرد.

موانع فناورى نانو در بسته بندى و ساخت کاغذ و مقوا
ابداع فناورى‌هاى جديد، خود مى‌تواند موانعى در بخش‌هاى بعدى ايجاد کند. براى مثال توسعه نانوروکش‌ها، خود مستلزم ايجاد برخى تغييرات در فناورى چاپ همچون تغيير فرمولاسيون جوهرهاست. اين امر براى يک زنجيره چند بخشى، مانند کارگاه‌هاى چاپ به عنوان يک مانع به حساب مى‌آيد؛ زيرا روند انطباق بازار با فناورى‌هاى جديد در اين صنعت بسيار کند است.
بنيادى‌ترين ابداعات فناورى‌نانو نيازمند برقرارى تعامل ميان اکثريت اعضاى بازار است و تلاش براى ايجاد ‌چنين تعاملاتى، اغلب به‌وسيله سياست‌هاى رقابتى محدود مى‌شود. 
 {PageBreak}
تحقيقات اوليه مورد نياز در صنعت مقوا، کاغذ سازى و بسته‌بندى
موارد کوتاه مدت (تا 3 سال)
توسعه نمونه‌هاى کاربرد فناورى‌نانو مانند سطوح نانومترى و فناورى‌هاى اصلاح مواد توده‌‌اى در فيبرها؛

1. توسعه روکش‌هاى نانوکامپوزيتى‌ و نانوساختارى براى ايجاد انواع جديدى از مواد ممانعت‌کننده در برابر آب، چربى و گاز؛
2. ارزيابى اوليه ميزان سودمندى نانومواد گوناگون مانند نانومواد سلولزى و نانوذرات، به منظور کاربرد احتمالى آنها در صنعت توليد کاغذ و مقوا؛
3. توسعه سيستم‌هاى الکترونيک کاغذ‌ى چاپي.

موارد ميان مدت (تا سال 2010)
کاربرد تجارى و موفقيت‌آميز نمونه‌ها و تحقيق روى موارد وعده داده شده؛
توسعه نانوکاتاليست‌ها‌ با خصوصيات اصلاح شده براى کاربرد در ساخت کاغذ؛
کاربردهاى نانوزيست فناورى، توسعه انواع جديد سيستم‌هاى آنزيمى به منظور اصلاح و بهبود عملکرد مواد ليگنوسلولزى؛
توسعه حسگرهاى شيميايى و زيستى؛
توسعه کاغذهايى با خواص ضدميکروبى، کارکردهاى دارورسانى، کنترل عطر و يا آزادسازى عطر
موارد بلند مدت (تا سال 2020)
1. معرفى و سنتز چسب‌هاى پليمرى و ديگر افزودنى‌هاى شيميايى مورد استفاده در توليد نانوساختارها، ساختارهاى خود آراينده که مى‌توان آنها را براى دستيابى به اهداف بسيار گسترده ‌اى در صنعت کاغذ سازى به‌کار گرفت؛
ساخت نانوساختارهاى کاغذى در مقياس نانو با کمک فناورى زيست تقليدي.

  منبع: ستاد ويژه توسعه فناورى نانو

Maf Wood