Юрий Кукушкин - Химия вокруг нас
Волокна целлюлозы в древесине связаны между собой лигнином. Для удаления лигнина и освобождения от него целлюлозы проводят варку древесины. Распространенным способом варки является сульфитный. Он был разработан в США в 1866 г., а первый завод по данной технологии был построен в Швеции в 1874 г. Широкое промышленное значение способ получил с 1890 г. По этому способу для отделения лигнина и некоторых других веществ, содержащихся в древесине, последняя варится в сульфитном щелоке, который состоит из Ca(HSO3)2, H2SO3 и SO2. В результате лигнин сульфонируется (превращается в сульфопроизводные), становится растворимым в воде и переходит в раствор, а целлюлоза остается в виде твердой массы. После завершения варки целлюлозу тщательно промывают, на что расходуется большое количество воды. Поэтому заводы по производству целлюлозы строят на берегах рек или больших озер.
После размола и смешения с водой волокнистая масса целлюлозы, которая содержит всего лишь 0,5% сухого вещества, подается на бумагоделательную машину. Масса помещается слоем на движущуюся сетку, на которой вначале обезвоживается самопроизвольно, а затем принудительно с помощью вакуум-отсосов. После этого образующееся мокрое бумажное полотно переносится с сетки на движущуюся суконную полосу, на которой происходит дальнейшее обезвоживание и сушка. Конечная влажность бумаги составляет 5...6%.
После этого бумага подвергается полировке (лощению). Таким путем производят односторонне лощеную бумагу. При необходимости лощение осуществляют и с другой стороны. Лощеную бумагу специалисты также называют бумагой машинной гладкости. Далее бумага в случае необходимости подвергается процессам облагораживания.
Необлагороженная бумага состоит из уплотненных волокон целлюлозы, образующих систему капилляров. Кроме того, волокна целлюлозы обладают свойством адсорбировать влагу (свойством гидрофильности). Благодаря капиллярности и гидрофильности такая бумага непригодна ни для письма чернилами, ни для письма тушью. Печать на ней также расплывается. Однако существуют довольно большие потребности в данной бумаге, например, из нее изготавливают бумажные полотенца, детские простыни, туалетные рулоны. В прошлом, когда в школах учащиеся пользовались чернилами, в тетради непременно была вложена «промокашка» — листочек бумаги, хорошо впитывающий избыток чернил. Эта промокашка также являлась необлагороженной бумагой.
К процессам облагораживания прежде всего относится проклеивание и введение в нее наполнителей. Проклейка бывает по всей массе или поверхностная. Для этой цели используют различные природные и синтетические клеи. Из наиболее древних природных клеев следует указать на крахмал и животные клеи. При проклейке пустоты и промежутки между волокнами заполняются клеевой массой и бумага в значительной мере теряет способность впитывать воду. Кроме проклеивания в поверхностный слой бумаги вводят минеральные пигменты для придания поверхности гладкости и лучших впитывающих печатную краску свойств. Минеральные пигменты позволяют скрывать или изменять цвет бумаги-основы и придавать ей непрозрачность. Такую бумагу называют мелованной. Иногда минеральные вещества составляют от 70 до 90% массы поверхностного слоя.
Для обеспечения прочности соединения частиц пигментов с бумагой-основой требуются связующие. Часто их роль выполняют вещества, обеспечивающие проклейку бумаги. В качестве минеральных пигментов широко используют каолин — землистую массу, близкую по составу к глинам, но по сравнению с последними характеризующуюся пониженной пластичностью и повышенной белизной. Одним из старейших наполнителей является карбонат кальция (мел), потому такие бумаги и назвали мелованными. К известным пигментам также относятся диоксид титана TiO2 и смесь гидроксида кальция Ca(OH)2 (гашеной извести) и сульфата алюминия Al2(SO4)3. Последний, по существу, является смесью сульфата кальция CaSO4 и гидроксида алюминия Al(OH)3, которые получаются в результате обменной реакции.
Для производства картографических, афишных, декоративных, оберточных и этикетных бумаг применяют люминесцентные пигменты. В качестве последних используют сульфиды цинка ZnS и кадмия CdS, а также сульфиды кальция CaS и стронция SrS. К этим веществам добавляют специальные активаторы — соли некоторых металлов.
Для упаковки сигарет, чая и других товаров используют бумагу с наклеенной алюминиевой фольгой. Иногда на бумагу наносят полимерную пленку. Такие процессы называют кашированием бумаги. Кашированные бумаги широко используют в качестве упаковочного материала для косметических и фармацевтических товаров.
В композицию газетной бумаги входит лишь 25...30% небеленой сульфитной целлюлозы, а остальные 70...75% занимает тонкоизмельченная древесная масса, получаемая из древесины механическим путем. Древесная масса также вводится в упаковочную бумагу, обойную и бумагу для санитарно-бытовых нужд. Замена целлюлозы на древесную массу делается только с целью удешевления бумаги. Конечно, качество ее от такой замены становится более низким.
Бумагу начинают использовать для мульчирования почвы. Мульчирование — это укрывание какой-либо пленкой почвы между кустами, например клубники. Под укрытием в почве дольше сохраняется влага и не растут сорняки. Чтобы бумага не разрушалась, ее обрабатывают антисептиками. К их числу относятся медные соли нафтеновых кислот (нафтенаты меди).
Для изготовления банковской, документной, картографической, сигаретной и других видов высокосортной бумаги ранее использовалось исключительно тряпичное сырье. Химики давно установили, что семенные волоски хлопчатника — хлопок, а также лубяные волокна льна состоят практически из чистой высококачественной целлюлозы. Целлюлоза тканей обеспечивает бумаге высокие физико-механические свойства, такие, как прочность на изгиб, растяжимость, воздухопроницаемость, стойкость к влаге и свету, а следовательно, обеспечивает долговечность. В настоящее время в состав тканей часто вводят искусственные волокна. Они придают тканям ряд ценных свойств. Однако отходы таких тканей и соответствующее тряпье непригодно для бумажного производства, так как плохо поддается переработке. Поэтому значение тряпья в бумажном производстве в настоящее время резко снизилось.
Здесь уместно акцентировать внимание читателей на том, что ткани, изготовленные из хлопка, называют хлопчатобумажными. Включение в название этих тканей слова «бумажные» вполне обосновано потому, что так же, как и бумага, волокна таких тканей состоят из целлюлозы. Однако это не единственное родство бумажной и текстильной промышленности. Еще в прошлом веке было установлено, что нерастворимая в воде хлопковая и древесная целлюлоза довольно хорошо растворяется в медно-аммиачном растворе, содержащем комплексное соединение [Cu(NH3)4](OH)2. Этим путем можно получить растворы, содержащие до 10% целлюлозы. Если такой раствор влить в воду, то целлюлоза вновь выделится в твердую фазу. Эти свойства целлюлозы легли в основу процесса получения гидратцеллюлозного волокна — первого искусственного волокна, которое нашло применение. На практике медно-аммиачный раствор целлюлозы пропускают через никелевые сетки, а затем через формовочные воронки, заполненные водой. В воде и происходит образование нитей. Состав и строение соединения, получающегося при взаимодействии комплексного соединения меди [Cu(NH3)4](OH)2 с целлюлозой, до сих пор точно не установлен.
Все более важное значение в бумажном производстве в качестве сырья приобретает макулатура. Под ней подразумевают отходы, получающиеся при переработке бумаги и картона, различные виды использованной бумаги и бумажных изделий. Среди населения понятие макулатура почти целиком сведено к устаревшим и пришедшим в негодность книгам и старым газетам и гораздо реже к использованным упаковочным материалам.
Переработка макулатуры на белую типографскую или писчую бумагу требует больших затрат. Это связано с необходимостью обесцвечивания типографских красок, удалением проклеивающих веществ и наполнителей. Поэтому на практике из макулатуры изготавливают главным образом упаковочную бумагу и внутренние слои многослойного картона. В этих случаях переработка макулатуры сводится в основном к механическим операциям: макулатура в воде при высокой температуре разбивается (распускается) до необходимой степени измельчения и масса направляется на изготовление картона.
Малая экономическая рентабельность переработки макулатуры на белую бумагу ни в коей мере не снижает значения ее сбора. Использование вторичного бумажного сырья сберегает многие гектары лесных массивов, ведь с нарастанием производства целлюлозные заводы потребляют все больше древесины, существенно исчерпывая лесные ресурсы. Сбор и переработка макулатуры — важнейшая народнохозяйственная и даже государственная задача.
