Welche chemischen Reaktionen werden bei der Papierherstellung verwendet?

Papier mag wie ein alltägliches und einfaches Produkt erscheinen, aber seine Herstellung ist tatsächlich komplizierter, als den meisten Verbrauchern wahrscheinlich bewusst ist. Ein wesentlicher Grund dafür ist die Chemie der Papierherstellung. Durch eine Reihe von Reaktionen und physikalischen Prozessen verwandeln die in der Papierindustrie verwendeten Chemikalien braune Holzspäne in ein glänzend weißes Blatt, das Sie in der Hand halten können. Zwei der wichtigsten chemischen Reaktionen sind das Bleichen und das Kraft-Verfahren.

Holz ist eine komplexe Mischung, die hauptsächlich aus einem Polymer namens Zellulose besteht. Die Zellulosefasern im Holz sind durch ein weiteres Polymer namens Lignin miteinander verbunden. Papierhersteller müssen das Lignin aus dem Zellstoff entfernen. Um dies zu erreichen, ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen in der Industrie das Kraft-Verfahren, bei dem Holz Chips werden mit einer Mischung aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid in Wasser bei hoher Temperatur kombiniert und Druck. Unter diesen stark basischen Bedingungen reagieren die negativ geladenen Sulfidionen mit dem Lignin Polymerketten, um sie in kleinere Untereinheiten zu zerlegen, damit die Zellulosefasern frei werden für weitere Verwendung.

Obwohl der Kraftaufschluss bei weitem das beliebteste Verfahren ist, verwenden einige Hersteller andere Ansätze zur Entfernung von Lignin. Eine solche Alternative ist der Säuresulfit-Aufschluss, bei dem eine Mischung aus schwefliger Säure und entweder Magnesium-, Calcium- oder Ammoniumbisulfit in Wasser löst das Lignin auf, um die Zellulose freizusetzen Fasern. Wie beim Kraft-Aufschluss sind hohe Temperaturen und Drücke erforderlich. Eine weitere Alternative ist das halbchemische Aufschluss von neutralem Sulfit, bei dem die Schnitzel mit einer Mischung aus Natriumsulfit und Natriumcarbonat in Wasser vermischt und gekocht werden. Im Gegensatz zu den anderen wird bei diesem Verfahren nur ein Teil des Lignins entfernt, so dass die Späne nach dem Aufschluss mechanisch zerkleinert werden müssen, um einen Teil des restlichen Polymers zu entfernen.

Unabhängig davon, welches Verfahren ein Hersteller zum Aufschließen wählt, bleibt ein Teil des Lignins intakt, und dieses verbleibende Lignin verleiht dem Zellstoff im Allgemeinen eine braune Farbe. Die Hersteller entfernen dieses restliche Lignin und machen den Zellstoff durch einen anderen chemischen Prozess namens Bleichen weiß. Bei diesem Prozess wird ein Oxidationsmittel – eine Chemikalie, die Lignin oxidiert, indem sie entweder Sauerstoffatome hinzufügt oder Elektronen entfernt – mit dem Holzstoff kombiniert, um das verbleibende Lignin zu zerstören. Das Bleichen ist tendenziell selektiver als das Auflösen; Im Gegensatz zum Zellstoff, der auch einen kleinen Teil der Zellulose zerstört, wird beim Bleichen in erster Linie Lignin eliminiert.

Zu den üblichen Bleichmitteln gehören Chlor, Chlordioxid, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Ozon und Natriumhypochlorit, der Wirkstoff in Haushaltsbleichmitteln. Obwohl der Mechanismus jeder Reaktion unterschiedlich ist, handelt es sich bei all diesen um Oxidationsmittel, die das Lignin im Zellstoff oxidieren. Chlor, Chlordioxid und Wasserstoffperoxid sind die selektivsten dieser Mittel, was bedeutet, dass sie weniger dazu neigen, mit Cellulose und anderen wünschenswerten Teilen der Mischung zu reagieren. Neben ihrer Fähigkeit, Lignin zu entfernen, sind auch Chlor, Chlordioxid und Natriumhypochloritite überlegen in ihrer Fähigkeit, Schmutzpartikel zu entfernen, was für Hersteller ein weiterer wichtiger Faktor ist, um Erwägen.

Nachdem er aufgeschlossen und gebleicht wurde, wird der Zellstoff einer Reihe von Maschinen zugeführt, die ihn durch physikalische und nicht durch chemische Prozesse zu einem Blatt verarbeiten. Je nachdem, welche Eigenschaften ihr Produkt haben soll, setzen die Hersteller eine Vielzahl anderer chemischer Reaktionen ein, die als Schlichte bezeichnet werden. Retentions- und Nassfestigkeitsprozesse, die Feuchtigkeitsbeständigkeit verleihen, die kleineren Fasern in das Produkt binden oder das Produkt verändern, damit es weniger wahrscheinlich auseinanderfällt wenn naß. Typischerweise beinhalten diese Verfahren eines von einer Vielzahl von Polymeren, die an die Zellulosefasern im Endprodukt binden. Nassfestverfahren zum Beispiel kombinieren die Zellulosefasern typischerweise mit Polyamido-Amin-Epichlorhydrin-Harze, die mit den Fasern reagieren, um sie zu vernetzen, so dass sie weniger sind zerfällt wahrscheinlich im Wasser.