15

1.2. Структурна будова та технологія виробництва паперу

1.2.1. Структурна будова паперу та основні волокнисті папероутворюючі матеріали

  Папір – це композиційний матеріал з дуже складною структурою.

Відповідно до стандарту ISO/CD4046-4, «папір» - загальний термін для матеріалів у вигляді суцільного аркуша або полотна, які отримують осадженням волокон або їхніх сумішей з рідких суспензій на відповідних формуючих пристроях з додаванням або без додавання інших речовин.

Визначення поняття «папір» є багатогранним.

З одного боку, папір – це багатокомпонентна система, що складається зі спеціально оброблених переважно рослинних волокон, тісно переплетених між собою й зв'язаних хімічними силами зчеплення різного виду.

З іншого боку, папір – це пористе капілярне тіло, що складається із природних (рослинних), а в деяких випадках, – синтетичних волокон. Крім різних волокнистих армуючих компонентів, що створюють безперервну матрицю, папір може містити мінеральні наповнювачі, які надають йому непрозорість і підвищену білизну й гладкість, а також барвники, полімерні в‘яжучі й інші речовини. Проклеюючі речовини запобігають розтікання чорнила й фарби по поверхні паперу і їхнє проникнення на протилежний бік листа. Синтетичні смоли, латекси, сшиваючі агенти забезпечують вологоміцність.

Окрім волокнистих матеріалів до складу паперу входять:

– наповнювачі – білі мінеральні речовини (каолін, гіпс, крейда тощо), які частково заповнюють простір між волокнами, що призводить до збільшення гладкості, пластичності, білості та непрозорості паперу;

– проклеювальні речовини – здебільшого це рослинний смолистий клей (каніфоль), який при уведенні до складу паперу зменшує його гідрофільність та збільшує зв’язки між волокнами;

– барвники – органічні барвники здебільшого синього кольору, які при уведені до складу паперу підвищують оптичну білість паперу за рахунок підфарбовування волокон, що мають жовтувато-сірий колір.

Структура - це також характеристика, що визначає, наскільки рівномірно волокна й наповнювачі розподілені усередині листа. Структурна рівномірність визначається простим оглядом листа паперу на просвіт. У якісного паперу малюнок буде однорідним, без видимих вкраплень  - «хмаристості» й «сміття».

Рис.1.11. Поверхня паперу під мікроскопом (збільшення 254^х)

Волокна для виробництва паперу повинні відповідати таким вимогам:

• повинні бути гнучкими, для того щоб пройшло їх переплетення при утворенні аркуша;

• могли б розмелюватись (фібрилюватись) з розщепленням на мікроволокнисті частки (фібрили) для кращого скріплення волокон

• могли б скріплюватись між собою молекулярними силами для забезпечення міцності аркуша.

Всіма цими якостями володіє целюлоза, яка є незамінною при виробництві паперу. Целюлоза - це природній полімер, що є головним компонентом рослинних волокон.

Звичайні види паперу мають капілярно-пористу структуру, складаються з волокон, пучків фібрил й окремих фібрил, зв'язаних між собою водневими зв‘язками, силами Ван-дер-Ваальса й тертя. Ці зв'язки утворюються при сушці паперу, при якій в умовах значних усадочних напруг, що стягають фібрилярні елементи структури паперу, відбувається заскловування полімерних компонентів паперостворюючих волокон (целюлози, геміцелюлози, лігнину). Геміцелюлоза в умовах одержання паперу може частково переходити у в‘язкотекучий стан, а при сушці заскловується. Така структура обумовлює гідрофільність більшості видів паперу, зменшення міцності, залежність властивостей і розмірів від відносної вологості повітря.

На сітці папероробної машини волокна паперової маси орієнтуються переважно за напрямком руху, причому більшою мірою на нижній (сітковій) стороні листа й у меншій мірі - на верхній (лицьовій). Тому папір є анізотропним у всіх напрямках. Анізотропія підсилюється нерівномірним розподілом по товщині дрібних волокон, наповнювачів і речовин, що проклеюють. Багатошарову структуру мають, наприклад, папір і картон, що одержують на баготосіткових машинах, а також папір з покриттям, наприклад крейдований.

Формування структурно-механічних властивостей паперу починається задовго до утворення вологого паперового полотна на сітковій частині папероробної машини і його сушіння на сушильних циліндрах. В основі паперового аркуша лежить сітчаста структура, що складається з одиничних волокон, з'єднаних міжволоконними зв'язками. Одиничне волокно є основним елементом - "атомом" паперу, що має складні структуру й хімічний склад.

Відомо, що целюлозне волокно можна зрівняти з армованим бетоном, у якому фібрили є міцними стрижнями, а лігнін - міцним на стиск наповнювачем. Звідси витікає, що міцність волокон визначається структурою й орієнтацією фібрил, а хімічний склад волокна на міцність не впливає.

Міцність одиничного волокна насамперед формується за рахунок морфологічних особливостей деревини й перетерплює значні зміни в процесах делігніфікації й відбілювання, які найбільше впливають на молекулярну й надмолекулярну структуру волокна.

Міжволоконі зв'язки є найважливішим чинником, що формує структурно-механічні властивості паперу. Встановлено, що в паперовому аркуші з нерозмелених волокон сили зв'язку між ними на 80% обумовлені силами тертя й Ван-Дер-Ваальса, 20% - водневими; з розмелених - у середньому 40 і 60% відповідно. Відомо, що водневі сили зв'язку виникають при зближенні вільних гідроксильних груп, що перебувають на поверхні целюлози. Як показали дослідження, пресування вологих виливків паперу приводить до збільшення її об'ємної маси й при цьому пропорційно їй збільшується міцність зв'язку одиничного волокна в аркуші внаслідок ущільнення структури аркуша.

Величина водневих сил зв'язку залежить від числа вільних гідроксильних груп, що збільшується в міру розкриття зовнішньої поверхні волокна. Тому на міцність зв'язку волокна в аркуші впливає величина зовнішньої поверхні целюлози.

Для готування паперу потрібні рослинні речовини, що володіють досить довгим волокном, які, змішуючись із водою, дадуть однорідну, пластичну, так звану  паперову масу. Для виробництва паперу і картону застосовуються в основному волокнисті напівфабрикати різноманітних порід деревини і недеревної рослинної сировини.

Основними компонентами рослинної тканини є:

• целюлоза (клітковина),

• лігнін,

• геміцелюлози (пентозани і гексозани),

• смоли,

• жир,

• віск та інше.

Вміст вказаних компонент у різній деревині наведено в таблицях 1.1 та 1.2.

Таблиця 1.1

Компоненти	Вміст, %
	у деревині хвойних порід	у деревині листяних порід	у однолітніх рослинах
Целюлоза	40-50	35-45	40-44
Лігнін	28-30	18-25	15-30
Пентозани	7-11	20-30	20-30
Гексозани	5-15	5-10	5-10
Смоли, жири, віск	2,5-6,5	1,5-3,0	1,5-3,0

Таблиця 1.2

Компоненти	Породи дерев
	Ялина		Сосна		Осика
	стовбур	гілки	стовбур	гілки	стовбур	гілки
Целюлоза	58,8 – 59,3	44,8	56,5 – 57,6	48,2	52	43,9
Геміцелюлози	20,7	19,5	18,9	19,4	23,4	35,6
Лігнін	28	34,4	27	27,4	21,2	25,9
Смоли	1,0	1,3	4,5	3,3	1,5	2,5
Продукти, розчинні в гарячій воді	1,7	6,6	2,5	3,4	2,5	4,9
Попіл	0,2	0,35	0,2	0,4	0,3	0,3

Геміцелюлоза — це вуглевод з меншим ніж у целюлози ступенем полімеризації. Крім глюкози цей вуглевод містить і інші гексози, а також пентози.Вона не має волокнистої будови. На відміну від целюлози, геміцелюлоза розчиняється у кислотах, швидко набрякає у воді. Волокна, що мають великий вміст геміцелюлози, легко піддаються розмелюванню, підвищують міцність паперу (особливо поверхні).   На відміну від целюлози, вони розчинні в лугах, сильніше набухають в воді, що покращує скріплення волокон в структурі паперу. 

Лігнін — природний полімер, який міститься в одерев’янілих рослинних тканинах разом з целюлозою і геміцелюлозами. Целюлоза утворює стінки клітин, а лігнін скріпляє їх, утворюючи серединні пластинки. В склад пластинок входить близько 70% лігніну і всього 4% целюлози, а в стінках клітин, які складаються головним чином із целюлози, кількість лігніну падає до 30 – 40%. На відміну від целюлози лігнін має просторову будову, що надає йому жорсткості і нерозчинності. Лігнін має також властивість з часом жовтіти. Волокна, які містять лігнін, через жорсткість погано переплітаються. Тому папір, виготовлений з таких волокон, виходить пористий, з низькою гладкістю і білизною, маломіцний. Для виготовлення гладкого, міцного і білого паперу застосовують волокнисті матеріали, які не містять лігнін, наприклад деревну целюлозу, бавовну, льон. Для інших видів паперу застосовують целюлозу разом з більш дешевою деревинною масою, яка містить лігнін.  Геміцелюлози покращують папероутворюючі властивості волокна, а лігнін їх погіршує.

Разом із рослинними волокнами для спеціальних технічних видів паперу останнім часом все ширше стали застосовувати штучні, синтетичні, мінеральні та інші волокна.

Основними волокнистими папероутворюючими матеріалами (напівфабрикатами) для виробництва паперу можуть служити:

• деревна целлюлоза хвойних (м‘яких) та листяних (твердих) дерев;

• недеревна целюлоза однолітніх рослин (соломи, очерету, коноплі, рису й інших);

• деревна маса;

• напівцелюлоза;

• макулатура;

• ганчіркова напівмаса;

• асбест, шерсть й інші волокна (для спеціальних видів паперу) ;

• синтетичні волокна.

В залежності від величини виходу напівфабрикатів з рослинної сировини їх поділяють:

• на клітковину,

• клітковину високого виходу,

• напівцелюлозу,

• напівцелюлозу високого виходу

• деревну масу.

Приблизні межі виходу цих напівфабрикатів, %: клітковини 45-55, клітковини високого виходу 55-65, напівцелюлози 65-85, напівцелюлози високого виходу 85-90 і деревної маси 90-97. Чим більший вихід напівфабрикату, тим більше в ньому міститься геміцелюлози і лігніну. Тому якість виробленого паперу великою мірою залежить від виду застосованих напівфабрикатів.