Структура и свойства волокнистой основы зависят в первую очередь от свойств компонентов композиции его по волокну, а также от количества проклеивающих и наполняющих веществ, используемых в технологии изготовления бумаги [1, 2, 3]. В основном при изготовлении разных видов бумаги применяют бумагу-основу, полученную из двух, трех и более волокнистых полуфабрикатов, образующих таким образом композицию бумаги по виду волокон, или из одного волокнистого полуфабриката, приготовленного для этого соответствующим образом [4, 6, 7]. При этом одним из основных факторов, влияющим на конечные свойства готовой бумажной продукции, является химический состав исходных волокнистых материалов, который определяется видом и способом получения волокнистой массы [2, 3, 9].
Понятие химический состав технической целлюлозы включает в себя, прежде всего содержание в ней α, β и γ-целлюлоз, гемицеллюлоз и лигнина.
Содержание α-целлюлозы в различных видах целлюлозы может быть одинаково, но при этом длина их цепей колеблется, а в зависимости от длины, будут колебаться и свойства технической целлюлозы. При высоком содержании α-целлюлозы волокнистый материал отличается показателями повышенной прочности, химической и термической стойкости, а также долговечностью и стабильностью белизны. Однако для получения прочного полотна бумаги-основы необходимо обязательное наличие гемицеллюлозных спутников.
Высокое содержание α-целлюлозы необходимо для волокнистого материала, подвергаемого химической переработке. Добавка такого материала (например, облагороженной целлюлозы для производства вискозы) к размолотой обычной технической целлюлозе позволяет изготовить бумагу с более равномерным просветом и повышенными показателями впитывающей способности и пухлости, хотя и с несколько пониженными показателями механической прочности. Для замены тряпичных волокон при изготовлении бумаги-основы для пергамента добавляют подобную облагороженную целлюлозу с высоким содержанием α-целлюлозы к прочной беленой целлюлозе.
β-целлюлоза состоит из наиболее длинных гемицеллюлозных цепей, а также продуктов деструкции длинных целлюлозных, молекул во время химической очистки, старения и других процессов, при которых возможна деструкция, β-целлюлоза имеет длину цепей, содержащих примерно от 50 до 200 глюкозных остатков. В исходной древесине и у прочной сульфатной целлюлозы β-целлюлоза полностью отсутствует. Большое количество ее содержится только в хорошо проваренной, легкобелимой сульфатной целлюлозе. Из целлюлозы с высоким содержание β-целлюлозы получается относительно слабая бумага, однако она легче отбеливается, т.к. при достаточно жестких условиях ее варки удаляется большое количество лигнина.
γ-целлюлоза – самая низкомолекулярная часть технической целлюлозы. Она состоит из гемицеллюлозных цепей и низкомолекулярных осколков, образованных в процессе деструкции целлюлозных молекул. Содержание α-, β- и γ-целлюлоз в различных видах целлюлозы представлено в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав углеводной части различных видов целлюлозы
|
Целлюлоза |
Содержание, % |
||
|
α-целлюлозы |
β-целлюлозы |
γ-целлюлозы |
|
|
Сульфитная целлюлоза: небеленая беленая |
88,1–89,8 86,5–90,4 |
1,98–3,98 0,90–1,90 |
6,22–9,22 8,0–11,4 |
|
Сульфатная целлюлоза: небеленая беленая |
90,2 88,6 |
– 3,65 |
9,8 7,75 |
Гемицеллюлозы являются важным компонентом технической целлюлозы: они пластифицируют волокна, облегчая их фибриллирование, что в свою очередь способствует повышению прочности связей между волокнами в бумажном листе. Определенное количество гемицеллюлоз не только придает технической целлюлозе определенные склеивающие свойства, необходимые для поверхностной связи волокон, но и обеспечивает фибриллирование волокон без чрезмерного уменьшения их длины при размоле.
Разные виды целлюлозы обладают различной способностью набухать в воде [5, 8, 9]. Эта способность в основном определяется содержанием гемицеллюлоз в технической целлюлозе. Установлено также, что при прочих равных условиях с повышением содержания в технической целлюлозе гемицеллюлоз растет сопротивление продавливанию бумаги, полученной из такой целлюлозы. Здесь, по-видимому, сказывается склеивающее действие гемицеллюлоз, подобно склеивающему действию крахмала, вводимого в бумажную массу и обеспечивающего повышение механической прочности бумаги. Опыты искусственного введения гемицеллюлоз в бумажную массу подтвердили получение при этом бумаги повышенной прочности. Склеивающее действие, вызываемое гемицеллюлозами, связано с тем, что они имеют более короткие цепи по сравнению с целлюлозой и при набухании создают поперечные гибкие связи между соседними волокнами.
Лигнин. Лигнин с точки зрения бумагообразующих свойств растительных волокон является неблагоприятным компонентом технической целлюлозы, так как он препятствует пластификации волокон, ограничивает набухание, затрудняет размол и фибриллирование волокон. При высоком содержании лигнина целлюлоза становится хрупкой. Одновременно при этом ухудшаются условия взаимного сцепления волокон. Лигнин влияет на пожелтение и старение бумаги при длительном ее хранении. Вместе с тем лигнин снижает прозрачность волокон. В прочной небеленой сульфатной целлюлозе остается примерно 3–5 % лигнина только потому, что удаление его обычными методами привело бы к получению значительно ослабленной целлюлозы.
Таблица 2
Композиция по волокну исследуемых образцов бумаг для гофрирования
|
Образец |
Сульфатная целлюлоза, % |
Сульфитная целлюлоза, % |
Древесная масса, % |
|
Б-1 |
13–16 |
3–6 |
45–48 |
|
Б-2 |
9–11 |
5–8 |
33–36 |
|
Б-3 |
10–13 |
4–5 |
40–43 |
|
Б-4 |
38–40 |
8–12 |
44–46 |
Таблица 3
Физико-механические показатели исследуемых образцов бумаг для гофрирования
|
Показатель |
Образцы |
|||
|
Б-5 |
Б-6 |
Б-7 |
Б-8 |
|
|
Удельное сопротивление разрыву, кН/м – машинное направление – поперечное направление |
7 2,7 |
6 2,8 |
8 3,0 |
13 5,0 |
|
Предел прочности, МПа – машинное направление – поперечное направление |
56 22 |
48 21 |
52 20 |
90 35 |
Для различных видов целлюлозы содержание лигнина, обеспечивающее максимальную прочность изготовляемой бумаги, находится в пределах: для сопротивления разрыву 7–12 %, сопротивления продавливанию 7–9 % и сопротивления раздиранию 3–5 %.
Цель работы – исследование влияния химического состава исходных волокнистых материалов на физико-механические свойства бумаг для гофрирования различных производителей (табл. 2, 3).
Анализ полученных результатов показал, что содержание сульфатной (небеленой) целлюлозы, характеризующейся максимально высоким содержанием α-целлюлоз, обусловливающих повышенную прочность бумаг, максимально в образце бумаги Б-4, а минимальное – в бумагах Б-2. У остальных образцов содержание сульфатной (небеленой) целлюлозы изменяется незначительно.
Данные, представленные в табл. 3, полностью подтверждают предполагаемую зависимость физико-механических показателей бумажных материалов от их химического состава. Максимальные значения механической прочности характерны бумаге Б-4 (с максимальным содержанием α-целлюлоз). При этом минимальные значения по тем же показателям наблюдаются у образцов бумаги Б-2, характеризующихся минимальным содержанием α-целлюлоз. Кроме того, полученные результаты позволяют также предположить, что высокие значения физико-механических показателей в образце Б-4 обусловлены также и наличием гемицеллюлоз – обязательных спутников α-целлюлозы.
Таким образом, полученные результаты исследований показали что, в зависимости от химического состава используемого сырья, можно получать гофрокартон с различными физико-механическими показателями. Покупатель бумаг для производства гофрокартона должен иметь сведения о поставщиках сырья для правильной ориентации в тактике закупок исходного целлюлозного сырья.