شیمی كاغذ

دامنه شیمی كاغذ ، وسیع و جالب است شامل مباحثی از قبیل شیمی كربوهیدراتها ، رنگدانه‌های معدنی ، رزینهای آلی طبیعی و سنتزی و افزودنیهای پلیمری متعدد می‌باشد. در فرآیند تشكیل نیز تا حد زیادی شیمی كلوئید و شیمی سطح دخالت دارد. نقش پلیمر ، شیمی محیط زیست و شیمی تجزیه را نیز نباید فراموش كرد.


تركیب شیمیایی كاغذ
از آنجا كه كاغذ از الیافی ساخته می‌شود كه قبلا تحت تاثیر تیمارهای فیزیكی و شیمیایی قرار گرفته‌اند، سلولهای گیاهی حاصل از تركیب شیمیایی ثابتی نسبت به ساختار منابع گیاهی اولیه برخوردار نیستند. سلولهای گیاهی عمدتا از پلیمرهای كربوهیدراتی آغشته شده به مقادیر مختلف لیگنین (یك تركیب پلیمری آروماتیك كه میزان آن با افزایش سن گیاه افزایش می‌یابد و در حین فرآیند لیگنینی شدن تولید می‌گردد) تشكیل شده‌اند. بخش كربو هیدراتی سلول بطور عمده از پلی ساكارید سلولز تشكیل شده است. بخشی از این تركیبات شامل پلی ساكاریدهای غیر ساختمانی با وزن مولكولی كم به نام همی سلولز هستند، كه نقش بسیار مهمی در خصوصیات خمیر و كاغذ دارند.

به نظر می‌رسید كه با توجه به نام همی سلولزها ، این تركیبات با سلولز ارتباط داشته باشند و به روش مشابهی با سلولز بیوسنتز شده باشند. اما در حال حاضر بخوبی مشخص شده است كه این پلی ساكاریدها به روش متفاوتی بیوسنتز شده باشند. اما در حال حاضر به خوبی مشخص شده است كه این پلی ساكاریدها به روش متفاوتی بیوسنتز می‌شوند و نقش ویژه‌ای در دیواره سلول گیاهان ایفا می‌كنند. علاوه بر این تركیبات مهم ، مقادیر كمی از مواد آلی قابل استخراج و مقادر بسیار كمی از مواد معدنی نیز در دیواره سلولی الیاف وجود دارد.


مواد عصاره‌ای و اندك (%) لیگنین(%) همی سلولزها (%) سلولز (%)
10> 25 تا 35 20 40 تا 45 سوزنی برگان
10> 17 تا 25 15 تا 35 40 تا 45 پهن برگان



تركیب كلی استخراج الیاف گیاهی از نظر درصد كربن ، هیدروژن و اكسیژن بسته به درجه لیگنین شدن متغیر است. میزان این عناصر برای چوب حدود 50% كربن ، 6% هیدروژن و 44% اكسیژن است. از آنجایی كه تركیب عنصری كربوهیدراتها كم و بیش به صورت CH2O)n) است، میزان كربن موجود تقریبا حدود 40% است. لیگنین یك تركیب آروماتیك با فرمول تقریبی C10H11O4 می‌باشد. بنابراین ، میزان كربن آن بطور متوسط حدود 65 - 60% است.


سلولز
سلولز مهمترین تركیب ساختاری دیواره‌های سلول است و بعد از حذف لیگنین و انواع دیگر مواد استخراجی نیز مهمترین تركیب ساختاری كاغذ محسوب می‌شود. از نظر شیمیایی ، سلولز یك پلیمر دارای ساختمان میكرو فیبریلی شبه بلوری متشكل از واحدهای D-β گلوكوپیرانوزی با اتصالات (4 <---- 1) گلیكوزیدی است. همچون بسیاری از پلی ساكاریدها ، سلولز پلیمری بسپاشیده با وزن مولكولی زیاد است. بسته به نوع منبع سلولزی، درجه پلیمریزاسیون سلولز از 10000 تا 15000 متفاوت است.

سلولز 100% بلوری شناخته نشده است، اما ساختمان سلولز دارای یك بخش بلوری و یك بخش غیر بلوری یا بی‌شكل است. درجه بلورینگی بستگی به منشاء سلولز دارد. سلولز پنبه و انواع جلبكها مانند والونیا درجه بلورینگی بسیار بالایی است. در حالیكه سلولز چوب درجه بلورینگی پایینی دارد. سلولز بوسیله باكتریها نیز تولید می‌گردد كه البته به عنوان منابع سلولزی برای كاغذ كاربردی ندارند.


همی سلولزها
همی سلولزها گروهی از پلی ساكاریدهای غیر ساختاری با وزن مولكولی كم و اغلب ناهمگن هستند كه ارتباطی با سلولز نداشته و از راه بیوسنتز متفاوتی تولید می‌شوند. نام همی سلولزها نشان دهنده ارتباط یا نزدیكی آنها با سلولز نیست. نقش همی سلولزها در دیوراه سلول بخوبی شناخته شده نیست، اما وزن مولكولی خیلی كم آنها نمی‌تواند همی سلولزها را به عنوان یك پلیمر ساختاری مطرح كند (درجه پلیمریزاسیون آنها بین 150 - 200 است).

تحقیقات نظری در این زمینه نشان می‌دهد كه همی سلولزها ممكن است نقشی در انتقال آب داشته باشند. همی سلولزها معمولا از واحدهای مونومری هگزوزی مثل D- گلوكوپیرانوز ، D- مانوپیرانوز و D- گالاكتوپیرانوز و واحدهای پنتوزی مثل D- زایلو پیرانوز و –L آرابینوفورانوز تشكیل شده‌اند. بخش قابل توجهی از همی سلولزها حتی بعد از لیگنین زدایی شیمیایی ، در خمیر كاغذ باقی می‌مانند. مهمترین همی سلولز موجود در سوزنی برگان گالاكتو گلوكومانان است كه حدود 20% از وزن خشك چوب را تشكیل می‌دهد.


لیگنین
لیگنین ، پلیمری آروماتیك با ساختاری بسیار پیچیده است. تقریبا كلیه خصویات لیگنین در كاربردهای كاغذ سازی نقش منفی دارند و كاغذهای با كیفیت خوب از الیافی ساخته می‌شود كه تقریبا عاری از لیگنین هستند. لیگنین سبب شكننده شدن كاغذ می‌شود و به دلیل اكسایش نوری و تشكیل گروههای رنگی سبب افزایش زردی و تیرگی كاغذ می‌شود. كاغذ روزنامه مثال خوبی در این زمینه است و بطور كلی كلیه خمیرهای مكانیكی كه در آنها مقدار زیادی لیگنین وجود دارد، چنین اثرهایی را نشان می‌دهد.


رزینها و مواد استخراجی
چوب حاوی مقدار كمی (كمتر از 5%) از تركیباتی است كه توسط حلالهای آلی مثل اتانول یا دی كلرومتان قابل استخراج هستند. میزان این تركیبات در پهن برگان و سوزنی برگان و در بین گونه‌های مختلف چوبی متفاوت است. اگر چه این تركیبات ممكن است در حین فرآیندهای شیمیایی تهیه خمیر كاغذ حذف شوند، اما همیشه مقداری از آنها در كاغذ باقی می‌ماند. تركیب شیمیایی این مواد بسیار متغیر است و شامل آلكانها ، آلكنها ، اسیدهای چرب (اشباع یا غیز اشباع) ، استرهای گلیسرول ، مومها ، اسیدهای رزینی ، ترپنها و تركیبات فنولی هستند.

میزان باقیمانده این تركیبات این تركیبات در خمیر و كاغذ بستگی به فرآیند تهیه خمیر مورد استفاده دارد. در مجموع ، تركیبات اسیدی مثل اسیدهای چرب و رزینی در محیط قلیایی براحتی از طریق تبدیل شدن به نمكهای محلول حل می‌گردند، اما در خمیر سازی اسیدی ، این تركیبات براحتی قابل حل و خارج سازی نیستند. چندین محصول فرعی مفید در عملیات خمیر سازی از مواد استخراجی قابل استحصال است كه مهمترین آنها شامل تربانتین و روغن تال است. تربانتین مخلوطی از هیدروكربنهای دو حلقه‌ای با فرمول C10H16 است كه تركیبات عمده آن α و β- پنن است.

این تركیبها به صورت محصولات فرعی فرار با بازده 5-4 لیتر به ازای هر تن چوب (كاج) قابل استحصال بوده و به عنوان حلال مور استفاده اند. روغن تال عمدتا از اسیدهای رزینی به همراه حدود 10% تركیبات خنثی تشكیل شده است. این اسیدها از نظر ساختمانی ایزومرهای اسید آبیتیك هستند و به عنوان مواد افزودنی شیمیایی و مواد آهارزنی در تهیه كاغذ مصرف می‌شوند.



» فرستنده: مصطفي ساغري

» منبع: دانشنامه رشد