Технологія виготовлення та склад паперу

Папір – тонкий листовий матеріал, який складається в основному з переплетених і скріплених між собою рослинних волокон. Крім волокнистого матеріалу для надання паперу необхідних властивостей в його склад можуть вводитися наповнювачі, проклеюючі і фарбуючі речовини, деякі спеціальні домішки.

Гнучкість притаманна практично всім органічним волокнам. Здатність же розмелюватись і скріплятися мають лише рослинні волокна, які містять целюлозу. Це робить їх незамінними в виробництві паперу. Целюлоза – полімер, який має лінійну будову, з великою кількістю гідроксильних груп. Основна сировина сучасної целюлозно-паперової промисловості – деревина різних порід (ялина, бук, тополя, осика та ін.), однорічні рослини: очерет, комиш, а також бавовновий лист. Чим більше в початковій сировині целюлози, тим цінніший цей матеріал для виробництва паперу. В чистому вигляді целюлоза в природі не зустрічається. Волокна бавовни містять 90 – 95% целюлози, волокна льону – 80 – 85%, в різноманітних видах деревини вміст целюлози коливається в межах 40 – 60%, в стеблах соломи – 30 – 35%. Крім целюлози рослинні клітини містять так звані інкрустуючі речовини – лігнін. Лігнін несвітлостійкий, тому волокна, які містять лігнін, з часом жовтіють.

Найбільш розповсюджена сировина для виробництва волокнистих напівфабрикатів – деревина хвойних і листяних порід. Волокна хвойних порід деревини мають більшу довжину і тому являються більш цінною сировиною для виготовлення паперу. Лігнін, який міститься в деревних волокнах, надає їм жорсткості і крихкості, волокна погано переплітаються і папір виходить маломіцний, пористий і негладкий. Схильність лігніну до пожовтіння різко знижує його білизну. Тому для виробництва гладкого, міцного і білого паперу використовують волокнисті напівфабрикати, які не містять лігніну: деревну целюлозу, бавовну та ін. Для інших видів паперу використовують целюлозу в суміші з більш дешевим напівфабрикатом – деревною масою, яка містить лігнін.

Целюлозу отримують хімічною обробкою деревини, з якої при цьому виводяться інкрустуючі речовини, головним чином лігнін. Видалення лігніну базується на його здатності утворювати з деякими хімічними речовинами розчинні в воді утворення, які потім при промивці відділяються. На теперішній час широко застосовуються два методи отримання целюлози: сульфітний (кислотний) і сульфатний (різновид лужного). Підготовка деревини перед отриманням з неї целюлози зводиться до наступного: стовбури деревини розпилюють на баланси і ретельно очищають від кори; баланси рубають на щепу довжиною ~ 20 х 20 мм і товщиною 3 – 5 мм, потім сортують, оскільки від однорідності щепи залежить рівномірність її пропитки хімічними реагентами, ступінь очистки від лігніну і якість целюлози, яка отримується.

При сульфітному способі целюлозу отримують з хвойних порід дерев з невеликим вмістом смоли, наприклад ялини. Щепу загружають в залізні герметично закриті котли, покриті зсередини кислотостійким шаром, і заливають варочною кислотою, тобто розчином бісульфату кальцію Ca(HSO3)2, який в водному середовищі розпадається на сіркову кислоту H2SO3 і сульфіт кальцію CaSO3. Варка ведеться при t 140 - 150º C і при тиску 5066 – 6079 гПа (5 – 6 атм) на протязі 8 – 12 год. В процесі варки лігнін взаємодіє з сірковою кислотою, і утворюються дуже активні лігнінсульфонові кислоти, які можуть зруйнувати волокна целюлози. Але присутній в варочній кислоті сульфіт калію нейтралізує лігнінсульфонові кислоти, переводячи їх в розчинні солі кальція лігнінсульфонових кислот, які при промивці целюлози видаляються. Потім целюлозу сортують, оскільки після промивки можуть залишитися непроварені пучки волокон, щепа та ін. Кращою целюлозою являється та, з якої в процесі варки видалено найбільш можлива кількість лігніну без руйнування целюлозних волокон. Оскільки лігнінсульфонові кислоти, які утворюються під час варки, можуть частково зруйнувати целюлозу і тим самим зменшити міцність волокна, то процес варки ведуть не до повного видалення лігніну. В залежності від часу варки отримують целюлозу з різним вмістом лігніну: в м’якій целюлозі – 1 – 2%, в середній – 3 – 4%, в жорсткій – 5 – 6%. Вихід целюлози при сульфітному способі складає 45 – 50%, інкрустуючі речовини при цьому переходять в розчин. Волокна сульфітної целюлози достатньо міцні, еластичні, легко відбілюються. Вони йдуть на виготовлення всіх видів друкарського паперу.
Целюлоза, отримана в процесі варки деревини, вирізняється низькою білизною, тому не придатна для виготовлення високоякісного білого паперу. Для підвищення білизни целюлоза піддається відбілюванню. Кращі види друкарського паперу виготовляють на основі біленої, а дешеві, наприклад газетну та ін. – з небіленої сульфітної целюлози.

В останні роки став широко застосовуватись сульфатний спосіб отримання целюлози. Основним реагентом тут являється луг NaOH і сірковий натрій Na2S. Щепу варять при більш високій, ніж при сульфітному способі, температурі (165 - 175º С), і більшому тиску (7092 – 8106 гПа, або 7 – 8 атм), в результаті тривалість варки зменшується до 1,5 – 2 год. Луг руйнує лігнін без помітного руйнування целюлози і переводить в розчинний стан смоли, які містяться в деревині. При сульфатному способі в якості сировини можуть бути використані смолисті породи дерев, наприклад сосна в вигляді відходів будівельних матеріалів. Важливу роль в процесі варки відіграє сірковий натрій: в водних розчинах він розпадається на їдкий натр і сульфогідрат натрію: Na2S + H2O ↔ NaSH + NaOH. Таким чином, сірковий натрій підвищує вміст лугу в розчині, а сульфогідрат натрію, що саме важливо, утворює з лігніном продукт – тіолігнін, легкорозчинний в лугах. Сульфатна целюлоза має високу міцність, але має коричневий колір – волокна офарбовуються розчиненими смолами. Тому небілену сульфатну целюлозу використовують тільки для виготовлення високоміцного пакувального і обгорточного паперу. Процес оздоблення сульфатної целюлози дуже складний і дорогий. Але завдяки високій міцності білену сульфатну целюлозу застосовують для виготовлення високоякісного паперу для документів, грошових знаків, тонкого словникового та ін. Сульфатний спосіб виробництва целюлози в останні роки знаходить все більше застосування і є більш перспективним в порівнянні з сульфітним, оскільки дозволяє переробляти відходи деревообробної промисловості з хвойних та листяних порід деревини. Крім того при цьому способі вдається практично повністю регенерувати луги, які утворюються в процесі варки.

Деревна маса представляє собою волокнистий матеріал, отриманий механічним змільченням деревини. Деревна маса неоднорідна: разом з волокнистими частинками, в ній багато мілких пиловидних і великих частинок неправильної форми. Спосіб отримання деревної маси, в порівнянні з вищеописаним, простіший, дешевший, менш енергоємний, з більшим виходом по волокну (86 – 90%), тому деревна маса – самий дешевий волокнистий напівфабрикат. До складу деревної маси входять і целюлоза, і лігнін. Деревна маса широко використовується для виробництва різноманітних видів паперу і картону. Нещільно прилягаючі частинки деревної маси надають паперу крупнопористу структуру і більшу всотуючу здатність. Сировиною для виготовлення деревної маси служить ялина, рідше осика та інші листяні породи дерев. Властивості деревної маси залежать від способу її виготовлення і підготовки деревини. Деревну масу виготовляють різних видів.
Біла дефібрерна деревна маса. Стовбури дерев розпилюють на баланси – колоди довжиною 2 – 3 м, ретельно очищують від кори на спеціальних машинах, потім баланси стирають на абразивній робочій поверхні камінця, який швидко обертається в машині – дефібрері при неперервній подачі води. Отримана на дефібрері деревна маса (дефібрерна) містить окремі волокна, обривки волокон і грубі нерозтерті пучки. Тому її сильно розбавляють водою (вміст волокна 2 – 8%) і сортують, щоб затримати щепу і сторонні домішки. Отримана після сортування деревна маса не потребує додаткової обробки і придатна для виробництва паперу. Отриману таким чином деревну масу називають білою.
Деревна маса є самим доступним і часто незамінним напівфабрикатом для виробництва деяких видів паперу. Вона надає паперу такі властивості, як добре сприйняття фарби, м’якість і непрозорість. Але папір, який містить деревну масу, швидко втрачає механічну міцність в результаті старіння і з часом жовтіє, тому він застосовується для видань з обмеженим терміном служби.

Бура деревна маса отримується дефібруванням деревини, попередньо провареної при підвищеній температурі і тиску для її набухання, розрихлення і розм’якшення. В результаті полегшується дефібрування і утворюється більше довговолокнистих, добре набухаючих частинок. Але тепловий вплив викликає потемніння лігніну. Тому бура деревна маса використовується для виготовлення картону для палітурних робіт.

Рафінерна деревна маса – різновид білої деревної маси. Отримується стиранням змільченої в щепу деревини в дискових млинах – рафінерах. Щепа вводиться в щілину між дисками, які обертаються, поверхня яких покрита перетираючими елементами. По виході з рафінера маса сортується і крупні частинки направляються на повторне рафінування. Рафінерна маса містить більше довговолокнистих частинок і має кращі папероутворюючі властивості, ніж деревна маса, яку отримують в дефібрерах.

Термомеханічна деревна маса (ТММ) отримується в результаті переробки в дискових млинах щепи, попередньо провареної при високій температурі (110 - 130º С) для розм’якшення лігніну, який в ній міститься. Це покращує якість волокнистого матеріалу: підвищується якість довговолокнистої фракції, знижується вміст костри (нерозмелених частинок деревини). Введення ТММ в папір підвищує його міцність і однорідність структури. Тому при виробництві паперу частково, а іноді й повністю вона може замінити целюлозу. Від целюлози ТММ відрізняється великим виходом з деревини і меншою вартістю.

Інші види целюлозно волокнистого матеріалу. Гарні напівфабрикати можуть бути отримані не тільки з деревини, але й з іншої рослинної сировини (табл. 1).

Волокно	Вміст, %		Довжина волокна, мм	Ширина волокна, мм	Відношення довжини волокна до ширини
	целюлози	лігніну
Бавовна	84 – 91	–	10 – 50	0,012 – 0,042	1200 – 1500
Бавовняний пух	80 – 90	–	2 – 10	0,011 – 0,020	400
Льон	72 – 83	1,7 – 3,2	30 – 40	0,012 – 0,026	1200 – 1900
Конопля	78	5,3	5 – 55	0,016 – 0,050	1000
Целюлоза солом’яна	47 – 49	23 – 25	0,5 – 2,0	0,01 – 0,02	76
Целюлоза ялинова	49 – 58	28 – 30	2,5 – 4,0	0,025 – 0,07	68
Целюлоза соснова	54 – 57	26 – 28	2,5 – 4,5	0,03 – 0,078	70
Целюлоза осикова	50	20 – 22	0,8 – 1,7	0,02 – 0,046	36

Табл. 1. Склад і характеристика деяких рослинних волокон


Для підвищення білизни волокнисті матеріали піддають відбілюванню, тобто хімічній обробці для руйнування або видалення барвників, лігніну, смол та інших речовин. В якості відбілювачів застосовують окислювачі (хлор, солі хлорнуватистої кислоти, діоксид хлору, перекис водню). В склад паперу вводять різноманітні добавки для регулювання його властивостей: наповнювачі, проклеюючі речовини, підцвітки та ін.
Проклейка – фізико-хімічна обробка волокна для зниження гідрофільності паперу (гідрофобізуюча проклейка) і для покращення зв’язку між волокнами в папері (зв’язуюча проклейка). Для цього застосовують різні гідрофобізуючі і зв’язуючі проклеюючі речовини.
Наповнювачі. Для підвищення білизни, гладкості і зниження світлопроникності паперу в паперову масу вводять наповнювачі – білі порошковидні, нерозчинні в воді мінеральні речовини: каолін, сіркокислий барій, діоксид титану та ін. Частинки наповнювача механічно й адсорбційно утримуються волокнами паперу. Це надає йому рівномірну структуру і підвищує гладкість поверхні. Висока білизна наповнювачів підвищує білизну паперу. Відбиток на папері, який містить наповнювач, виходить більш чітким, книжковий блок більш щільним, з рівним і чітким обрізом, що надає книзі компактність, покращує її зовнішній вигляд.
Підцвітка. Для надання паперу більшої білизни в паперову масу вводять, крім наповнювачів, невелику кількість синіх і фіолетових фарбуючих речовин. Подібно до світлофільтрів, вони поглинають промені жовтої частини спектру і усувають жовтий відтінок волокна. Такий прийом покращення білизни називають підцвіткою.

Виготовлення паперу і картону з волокнистих напівфабрикатів складається з наступних етапів: приготування паперової маси, відлив паперу і його оздоблення. Суть виробництва паперу полягає в формуванні листа з волокнистого матеріалу. Це відбувається на сітці папероробної машини в результаті видалення води з паперової маси, яка представляє собою сильно розбавлену водою суспензію волокнистого матеріалу. Вода відфільтровується через сітку, волокна змикаються і переплітаються між собою. Щоб лист був міцним, щільним і гладким, волокнистий матеріал спеціального підготовлюють.

Приготування паперової маси включає: розмелення волокнистих матеріалів; їх проклейку; введення в паперову масу наповнювачів, барвників та інших речовин згідно складу даного виду паперу; регулювання концентрації. Після кожної операції масу очищають від побічних домішок. Розмелення полягає в механічній обробці волокнистого матеріалу в водному середовищі. В результаті волокнам надається здатність до формування структури паперу і утворення міжволокнистих зв’язків. Вони стають гнучкими і пластичними, збільшується їх поверхня в зв’язку з набуханням і фібрилюванням, їх гідроксильні групи підготовлюються до встановлення водневих зв’язків.

Папероробна машина – агрегат неперервної дії для виготовлення паперу (картону) з паперової маси. В ній послідовно виконуються операції вологовідділення, пресування, сушки і оздоблення паперу.

Для підвищення якості паперу, надання йому відповідних якостей, товарного вигляду і забезпечення збереження при користуванні ним його піддають обробці. Як правило, всі види паперу піддаються каландруванню безпосередньо в папероробній машині – в її оздоблювальній частині. Для цього в машину після сушильної частини встроюють так званий «машинний каландр». Він складається з декількох металевих полірованих валів, розташованих один над одним. Проходячи між ними, папір стискається під їх тиском. Волокна зближаються, наповнювач проникає між ними і заповнює нерівності поверхні. В результаті зменшується товщина і вирівнюється поверхня паперу, підвищується його однорідність по товщині, гладкість, щільність і знижується пористість. При необхідності папір піддається додатковій обробці в суперкаландрі. Він відрізняється від звичайного каландра тим, що металеві вали в ньому чергуються з валами із щільно спресованих паперових листів. Завдяки цьому суттєво підвищується гладкість паперу і його лоск. Також для покращення зовнішнього вигляду і властивостей паперу в деяких випадках проводять крейдування. Покривний шар в вигляді суміші білих пігментів з плівкоутворюючим наноситься на поверхню паперу-основи в фарбуючих машинах. Надлишок пігментно-фарбової суспензії видаляється гнучким шабером або повітряним струменем (повітряний шабер). Потім папір підсушується і каландрується. Папір може покриватися з однієї сторони або з двох сторін, одноразово або багатократно.

Список використаної літератури:

1. Т.И.Гудкова, Л.А.Загаринская Полиграфические материалы, М.: Книга, 1982
2. Б.Н.Шахкельдян, Л.А.Загаринская Полиграфические материалы, М.: Книга, 1988

Консультації автора по даній тематиці за телефоном 8-067-699-11-47  dmyp@ukr.net