Ποιες χημικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται στην κατασκευή χαρτιού;

Το χαρτί μπορεί να μοιάζει με ένα συνηθισμένο και απλό προϊόν, αλλά η κατασκευή του είναι στην πραγματικότητα πιο περίπλοκη από ό, τι μάλλον αντιλαμβάνονται οι περισσότεροι καταναλωτές. Ένας βασικός λόγος για αυτό είναι η χημεία της χαρτοποιίας. Μέσα από μια σειρά αντιδράσεων και φυσικών διεργασιών, οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία χαρτιού μετατρέπουν τα καφέ κομμάτια ξύλου σε ένα γυαλιστερό λευκό φύλλο που μπορείτε να κρατήσετε στο χέρι σας. Δύο από τις βασικές χημικές αντιδράσεις που εμπλέκονται είναι η λεύκανση και η διαδικασία Kraft.

Το ξύλο είναι ένα σύνθετο μείγμα που αποτελείται κυρίως από ένα πολυμερές που ονομάζεται κυτταρίνη. Οι ίνες κυτταρίνης στο ξύλο συνδέονται μεταξύ τους από ένα άλλο πολυμερές που ονομάζεται λιγνίνη. Οι κατασκευαστές χαρτιού πρέπει να αφαιρέσουν τη λιγνίνη από τον ξυλοπολτό. Για να επιτευχθεί αυτό, μία από τις κύριες χημικές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία είναι η διαδικασία Kraft, στην οποία το ξύλο τα τσιπ συνδυάζονται με ένα μείγμα υδροξειδίου του νατρίου και θειικού νατρίου σε νερό σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Υπό αυτές τις εξαιρετικά βασικές συνθήκες, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα σουλφιδίου αντιδρούν με την λιγνίνη πολυμερείς αλυσίδες για να τις χωρίσουν σε μικρότερες υπομονάδες, έτσι οι ίνες κυτταρίνης ελευθερώνονται περαιτέρω χρήση.

Αν και το Kraft pulping είναι μακράν η πιο δημοφιλής διαδικασία, ορισμένοι κατασκευαστές χρησιμοποιούν άλλες προσεγγίσεις για την απομάκρυνση της λιγνίνης. Μία τέτοια εναλλακτική λύση είναι ο πολτός θειώδους οξέος, όπου ένα μείγμα θειικού οξέος και είτε νατρίου, όξινο θειώδες μαγνήσιο, ασβέστιο ή αμμώνιο διαλύει τη λιγνίνη για να απελευθερώσει την κυτταρίνη ίνες. Όπως και με τον πολτό της Kraft, απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Ακόμη μια άλλη εναλλακτική λύση είναι ο ουδέτερος ημιχημικός πολτός, όπου τα τσιπ αναμιγνύονται με ένα μείγμα θειώδους νατρίου και ανθρακικού νατρίου σε νερό και μαγειρεύονται. Σε αντίθεση με τα άλλα, αυτή η διαδικασία αφαιρεί μόνο ένα μέρος της λιγνίνης, οπότε μετά την πολτοποίηση των τσιπ πρέπει να τεμαχιστούν μηχανικά για να αφαιρεθεί μέρος του υπόλοιπου πολυμερούς.

Ανεξάρτητα από τη διαδικασία που επιλέγει ένας κατασκευαστής για πολτοποίηση, μέρος της λιγνίνης παραμένει άθικτη και αυτή η εναπομένουσα λιγνίνη γενικά δίνει στον πολτό ένα καφέ χρώμα. Οι κατασκευαστές αφαιρούν αυτήν την υπολειμματική λιγνίνη και μετατρέπουν τον πολτό σε λευκό με μια άλλη χημική διαδικασία που ονομάζεται λεύκανση. Σε αυτήν τη διαδικασία, ένας οξειδωτικός παράγοντας - μια χημική ουσία που οξειδώνει τη λιγνίνη είτε προσθέτοντας άτομα οξυγόνου είτε αφαιρώντας ηλεκτρόνια - συνδυάζεται με τον ξυλοπολτό για να καταστρέψει την υπόλοιπη λιγνίνη. Η λεύκανση τείνει να είναι πιο επιλεκτική από την πολτοποίηση. Σε αντίθεση με το πολτό, το οποίο καταστρέφει επίσης ένα μικρό κλάσμα της κυτταρίνης, η λεύκανση εξαλείφει κυρίως τη λιγνίνη.

Οι κοινές λευκαντικές χημικές ουσίες περιλαμβάνουν το χλώριο, το διοξείδιο του χλωρίου, το οξυγόνο, το υπεροξείδιο του υδρογόνου, το όζον και το υποχλωριώδες νάτριο, το δραστικό συστατικό της οικιακής χλωρίνης. Παρόλο που ο μηχανισμός κάθε αντίδρασης είναι διαφορετικός, όλοι αυτοί είναι οξειδωτικοί παράγοντες που θα οξειδώσουν τη λιγνίνη στον πολτό. Το χλώριο, το διοξείδιο του χλωρίου και το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι τα πιο εκλεκτικά από αυτά τα μέσα, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν λιγότερη τάση να αντιδρούν με την κυτταρίνη και άλλα επιθυμητά μέρη του μείγματος. Εκτός από την ικανότητά τους να απομακρύνουν τη λιγνίνη, το χλώριο, το διοξείδιο του χλωρίου και το υποχλωριώδες νάτριο είναι επίσης ανώτερη στην ικανότητά τους να αφαιρούν σωματίδια ρύπων, κάτι που είναι ένας άλλος σημαντικός παράγοντας για τους κατασκευαστές σκεφτείτε.

Μόλις πολτοποιηθεί και λευκαστεί, ο πολτός τροφοδοτείται σε μια σειρά μηχανημάτων που θα το αλλάξουν μέσω φυσικών και όχι χημικών διεργασιών για να το μετατρέψουν σε φύλλο. Ανάλογα με τα είδη ιδιοτήτων που θέλουν να έχουν το προϊόν τους, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν μια διαφορετική σειρά άλλων χημικών αντιδράσεων που ονομάζονται μέγεθος, Διαδικασίες συγκράτησης και αντοχής σε υγρασία που προσδίδουν αντοχή στην υγρασία, συνδέουν τις μικρότερες ίνες ή μεταβάλλουν το προϊόν, έτσι είναι λιγότερο πιθανό να καταρρεύσει όταν είναι βρεγμένο. Συνήθως αυτές οι διεργασίες περιλαμβάνουν ένα από μια ποικιλία πολυμερών που θα συνδέονται με τις ίνες κυτταρίνης στο τελικό προϊόν. Οι διαδικασίες υγρής αντοχής, για παράδειγμα, συνδυάζουν συνήθως τις ίνες κυτταρίνης με ρητίνες πολυαμιδο-αμίνης-επιχλωροϋδρίνης που αντιδρούν με τις ίνες για να τις διασταυρώσουν έτσι ώστε να είναι λιγότερο πιθανό να καταρρεύσει στο νερό.