Jakie są reakcje chemiczne wykorzystywane w produkcji papieru?

Papier może wydawać się zwykłym i prostym produktem, ale jego produkcja jest w rzeczywistości bardziej skomplikowana, niż większość konsumentów prawdopodobnie zdaje sobie sprawę. Głównym tego powodem jest chemia wytwarzania papieru. Poprzez szereg reakcji i procesów fizycznych, chemikalia stosowane w przemyśle papierniczym zamieniają brązowe zrębki drewna w błyszczącą białą kartkę, którą można trzymać w dłoni. Dwie z kluczowych reakcji chemicznych biorących udział w procesie to bielenie i proces Krafta.

Drewno to złożona mieszanka składająca się głównie z polimeru zwanego celulozą. Włókna celulozowe w drewnie są połączone ze sobą innym polimerem zwanym ligniną. Producenci papieru muszą usunąć ligninę z pulpy drzewnej. Aby to osiągnąć, jedną z głównych reakcji chemicznych stosowanych w przemyśle jest proces Kraft, w którym drewno wióry łączy się z mieszaniną wodorotlenku sodu i siarczku sodu w wodzie o wysokiej temperaturze i nacisk. W tych wysoce zasadowych warunkach ujemnie naładowane jony siarczkowe reagują z ligniną łańcuchy polimerowe, aby rozbić je na mniejsze podjednostki, aby uwolnić włókna celulozy dalsze użytkowanie.

Chociaż roztwarzanie Krafta jest zdecydowanie najpopularniejszym procesem, niektórzy producenci stosują inne podejścia do usuwania ligniny. Jedną z takich alternatyw jest kwaśne roztwarzanie siarczynowe, w którym mieszanina kwasu siarkowego i sodu, wodorosiarczyn magnezu, wapnia lub amonu w wodzie rozpuszcza ligninę, uwalniając celulozę włókna. Podobnie jak w przypadku roztwarzania Kraft, wymagane są wysokie temperatury i ciśnienia. Jeszcze inną alternatywą jest obojętne półchemiczne roztwarzanie siarczynowe, w którym wióry miesza się z mieszaniną siarczynu sodu i węglanu sodu w wodzie i gotuje. W przeciwieństwie do innych, ten proces usuwa tylko część ligniny, więc po rozdrobnieniu wióry muszą zostać mechanicznie rozdrobnione, aby usunąć część pozostałego polimeru.

Bez względu na to, jaki proces wybierze producent do roztwarzania, część ligniny pozostaje nienaruszona, a ta pozostała lignina generalnie nadaje miazdze brązowy kolor. Producenci usuwają tę resztkową ligninę i zamieniają miazgę na białą w innym procesie chemicznym zwanym bieleniem. W tym procesie środek utleniający – substancja chemiczna, która utlenia ligninę poprzez dodanie do niej atomów tlenu lub usunięcie elektronów – jest łączony z miazgą drzewną w celu zniszczenia pozostałej ligniny. Bielenie wydaje się być bardziej selektywne niż roztwarzanie; w przeciwieństwie do roztwarzania, które niszczy również niewielką część celulozy, bielenie przede wszystkim eliminuje ligninę.

Powszechnie stosowane chemikalia wybielające obejmują chlor, dwutlenek chloru, tlen, nadtlenek wodoru, ozon i podchloryn sodu, aktywny składnik wybielaczy domowych. Chociaż mechanizm każdej reakcji jest inny, wszystkie są utleniaczami, które utleniają ligninę w miazdze. Chlor, dwutlenek chloru i nadtlenek wodoru są najbardziej selektywnymi z tych środków, co oznacza, że ​​mają mniejszą tendencję do reagowania z celulozą i innymi pożądanymi częściami mieszaniny. Oprócz zdolności do usuwania ligniny, chloru, dwutlenku chloru i podchlorynu sodu są również lepsze pod względem zdolności do usuwania cząstek brudu, co jest kolejnym ważnym czynnikiem dla producentów rozważać.

Po rozdrobnieniu i wybieleniu miazga jest podawana do szeregu maszyn, które zmieniają ją w procesach fizycznych, a nie chemicznych, aby przekształcić ją w arkusz. W zależności od tego, jakie właściwości mają mieć produkt, producenci stosują szereg innych reakcji chemicznych, zwanych zaklejaniem, procesy retencji i wytrzymałości na mokro, które nadają odporność na wilgoć, wiążą mniejsze włókna lub zmieniają produkt, dzięki czemu jest mniej podatny na rozpad gdy jest mokry. Zazwyczaj procesy te obejmują jeden z wielu polimerów, które wiążą się z włóknami celulozowymi w gotowym produkcie. Na przykład procesy wytrzymałości na mokro zazwyczaj łączą włókna celulozowe zcellulose żywice poliamido-amino-epichlorohydrynowe, które reagują z włóknami, aby je sieciować, dzięki czemu są mniej are prawdopodobnie rozpadnie się w wodzie.