مواد به کار رفته در کاغذ چیست؟ – علل استفاده از آن ها

از جمله مواد به کار رفته در کاغذ پلاستیک، رنگ، نشاسته، کلر و گچ هستند. هر کدام از این مواد در ساختار کاغذ نقشی را به عهده دارند.

نشاسته برای حفظ الیاف و همچنین رنگدانه های کاغذ، کلر برای سفید کردن کاغذ، مواد پر کننده ای مانند گچ برای صاف و یکنواخت کردن کاغذ بوده و شفافیت و مقاومت کاغذ در مقابل رطوبت را پلاستیک زیاد می کند و برای تولید کاغذهای رنگی از رنگ استفاده می کنند. مواد به کار رفته در کاغذ در کتاب علوم پایه ششم معرفی و به علت استفاده از آن ها در آن جا پرداخته شده است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک نیز ما را با این مواد به کار رفته در کاغذ، تا حدودی آشنا می کند.

کاغذسازی چیست؟

ماده اصلی که کاغذ از آن ساخته می شود، چوب است. اما کاغذ از پنبه، نیشکر و مواد دیگر نیز ساخته می شود. در کارخانه ماده ای که برای ساخت کاغذ استفاده می کنند، سلولز است. همچنین می توان از کاغذهای باطله نیز به کاغذ تازه رسید. به این ترتیب که کاغذهای باطله را تا حدی کوچک می کنند که بتوانند در آب حل شوند. مزیت تبدیل کاغذ باطله به کاغذ، نسبت به تهیه کاغذ از چوب، میزان برق مصرفی برای پروسه تولید آنهاست. با تهیه کاغذ از چوب، میزان برق مصرفی ۱۴۰۰ کیلووات ساعت است، اما برای تهیه کاغذ از کاغذ باطله، ۸۴۰ کیلووات ساعت برق مصرف می شود.

نکته

در گذشته که کارخانه های تولید کاغذ وجود نداشت، تهیه کاغذ از الیاف پنبه، کتان و پوشاک کهنه به دست می آمد. اما امروزه بیشترین میزان تهیه کاغذ (۷۰ درصد) از چوب و بقیه از الیاف گیاهی به دست می آید. از کاغذهای به دست آمده از الیاف گیاهی، برای تهیه اسکناس، کارهای چاپی، تعمیر کتاب های نفیس قدیمی و … استفاده می شود. کاغذهای حرارتی نوعی از کاغذها هستند که در ترکیب آن ها از مواد شیمیایی خاصی استفاده می شود.

مراحل تولید کاغذ

در شش مرحله می توان کاغذ را از چوب به دست آورد. این مراحل به ترتیب قطع درختان، حمل چوب ها به کارخانه، در آوردن پوست درختان، تبدیل این چوب ها و درختان به قطعات کوچک که چیپس چوب را به وجود می آورد، حذف رنگ زرد چوب و اضافه کردن مواد به کار رفته در کاغذ به مخلوط چیپس چوب و خشک کردن خمیر کاغذ و تهیه کاغذ است.

با قرار دادن الیاف های سلولزی در آب، این الیاف رطوبت جذب می کنند و به شکل متورم و نرمی در می آیند. وقتی روی یک شبکه سیمی، الیاف متورم قرار داده می شود، با از دست دادن آب خود به شکل یک تخته در می آیند. وقتی آب این الیاف گرفته می شود، در فواصل اتصالی آن ها، پیوند هیدروژنی تشکیل می شوند. علت این که یک کاغذ محکم و سخت در پروسه تولید کاغذها به دست می آید، همین پیوندهای هیدروژنی است که در اتصال الیاف ها ایجاد می شود. با خروج آب و بدون نیاز به چسب، کاغذ تشکیل می شود.

چگونگی جداکردن الیاف از بستر اصلی در چوب ها

برای آماده کردن الیاف در تهیه کاغذها باید آن ها را از بستر اصلی چوب ها جدا کرد. این فرایند که به خمیرسازی معروف است به دو طریق مکانیکی و شیمیایی انجام می شود.

خمیر کردن مکانیکی

در این روش با صورت های مکانیکی، چوب را به ذرات کوچک خرد کرده و الیاف آن را خارج می کنند.

خمیر کردن شیمیایی

در روش شیمیایی برای خمیر کردن چوب، آن ها را با ترکیبات شیمیایی تحت گرما و فشار، متاثر می کنند. وقتی خمیر کاغذ از روش های شیمیایی به دست می آید، محکم تر و الیاف آن ها دارای استحکام بیشتری خواهد بود. اما مقدار الیافی که از این روش به دست می آید کمتر از روش مکانیکی خواهد بود. امروزه از روش هایی برای خمیر کردن استفاده می شود که ترکیبی از هر دو روش است.

مواد به کار رفته در کاغذ

همان طور که گفته شد، در تهیه کاغذ موادی چون کلر، گچ، نشاسته، پلاستیک و رنگ به کار برده می شود.

کلر

در سال ۱۷۷۴ برای اولین بار کلر کشف و در سال ۱۷۸۴ برای اولین بار خاصیت سفیدکنندگی آن اعلام شد. اما ۱۰۰ سال گذشت تا با تجزیه الکترولیتی کلرید سدیم، خود کلر به دست آمد.  از کلر به عنوان رنگ بر در تهیه کاغذهای سفید رنگ استفاده می کنند و این امر نزدیک به ۵۰ سال است که به کار گرفته می شود. رنگ بری و سفید کردن کاغذ، با فرایند لیگنین زدایی که روی خمیرهای شیمیایی پیاده می شود و به سفید شدن دایمی کاغذها منجر می شود، انجام می شود. موادی که در این پروسه استفاد ه می شود کلر، دی اکسید کلر، اکسیژن و ترکیبات رنگبر است.

نکته ای که باید مورد توجه قرار گیرد، استفاده از کلر به دلیل مشکلاتی که در محیط زیست به وجود می آورد، کم کم رنگ باخته و استفاده از دی اکسید کلر جایگزین خواهد شد. در سال های آینده، حتی استفاده از دی اکسید کلر نیز منسوخ شده و به جای آن، از مواد شیمیایی که کلر ندارند استفاده می شود. اکسیژن، اوزون و هیدروژن پروکسید از جمله مواد بدون کلری هستند که در آینده به کار برده می شود.

گچ

برای شفافیت کاغذها در فرایند کاغذسازی از گچ استفاده می شود. عملیات پرداخت مکانیکی در کاغذسازی، الیاف معلق در آب را هدف قرار داده و با کوبیدن و تصفیه، می توانند ویژگی های مکانیکی آن ها را تغییر دهد. یکی از این تاثیرات، چگالی این الیاف با عملیات پرداخت مکانیکی، محکم تر می شود. همچنین تاثیر دیگر بر میزان انعطاف پذیری آن هاست که با افزایش این ویژگی، به راحتی روی قرار می گیرند. با این اوصاف، سطح تماس بین الیاف زیاد می شود. موادی به نام مواد پرکننده مانند چینی و گچ (کربنات کلسیم) وجود دارد که در ساخت کاغذهای مناسب چاپ و نوشتن استفاده می شوند.

این مواد ویژگی هایی چون صافی بیشتر، ماتی و یکنواختی کاغذ را به آن ها می دهند. این مواد به اندازه ۱۰ تا ۱۵ درصد وزن کاغذ را به خود اختصاص می دهند.

نشاسته

نشاسته به عنوان یک کربوهیدرات نامحلول در آب، مقاومت کاغذها را در حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد افزایش می دهد. افزایش مقاومت کاغذهای خشک، نتیجه افزایش پیوند هیدروژنی است که بین الیاف ایجاد می شود. الیافی که برای ساخت کاغذها استفاده می شود آنیونی است، به این دلیل به آن ها مولکول های نشاسته حاوی الیاف کاتیونی اضافه می شود تا این الیاف بتوانند روی کاغذ ماندگار شوند. پس برای این که رنگدانه ها و الیاف کاغذ، روی آن ها نگه داشته شوند، از نشاسته های کاتیونیک استفاده می کنند.

با به کار بردن نشاسته، کاغذها دارای مقاومت بیشتری در مقابل پارگی و تا خورگی شده و به استحکام آن کمک می کند. استفاده از نشاسته می تواند به کاغذهای چسب زنی و آهارزنی، خاصیت ضد آب داده و به عنوان لخته کننده و عامل انباشته کردن در پالایشگاه های سنگ معدن به کار گرفته می شود.

پلاستیک

برای این که کاغذها در مقابل رطوبت بتوانند مقاومت داشته باشند، به آن موادی مانند پلاستیک اضافه می کنند. این ماده که به مقدار کم به ترکیب کاغذ اضافه می شود، باعث شفافیت آن شده و در تنظیم کردن سایه و رنگ های کاغذها موثر است. بخش های غیرالیافی مهم کاغذ، متشکل از مواد پوششی عملی روی کاغذ است. از کاغذهایی که سطح آن ها دارای مواد پوششی عمل آور است، کاغذهای ضد آب، مجلات و همچنین برخی از انواع کتاب است.

رنگ به عنوان یکی از مواد به کار رفته در کاغذ

در تهیه و تولید کاغذهای رنگی از رنگ ها استفاده می کنند.

ماده طبیعی که در ساخت کاغذ به کار میرود علوم ششم

خمیر چوب رایج ترین ماده خام مورد استفاده در فرآیند خمیرسازی است که حدود ۶۰ درصد از تولید جهانی را به خود اختصاص می دهد. با تجزیه تراشه های چوب از طریق فرآیندهای شیمیایی یا مکانیکی ایجاد می شود. الیاف به دست آمده دارای استحکام کششی خوبی هستند و برای تولید محصولات کاغذی با کیفیت بالا مانند کاغذ چاپ و تحریر استفاده می شوند. با این حال، استفاده از خمیر چوب بدون اشکال نیست، از جمله هزینه های تولید بالا و اثرات منفی زیست محیطی مانند جنگل زدایی.

جایگزینی برای خمیر چوب، خمیرهای غیر چوبی هستند که از منابع جایگزین الیاف مانند بامبو، کنف و بقایای کشاورزی ساخته می شوند. در مقایسه با خمیر چوب، خمیرهای غیر چوبی دارای خواص متفاوتی از جمله استحکام کششی کمتر هستند، اما مزایایی مانند هزینه تولید کمتر و اثرات زیست محیطی کمتری دارند.

کاغذ را می توان از انواع مختلف برگ با روش های مختلف تهیه کرد. یکی از روش‌ها شامل جدا کردن و پودر کردن برگ‌های موز، جوشاندن آن‌ها در محلول آبی شامل اسید سیتریک، آبگیری مواد حاصل و سپس قالب‌گیری و خشک کردن آن برای ایجاد کاغذ برگ موز است. روش دیگر شامل پردازش برگ های افتاده از درختان چنار با خاک اره، با استفاده از دستگاه فرآیند جوهر زدایی با محلول هیدروکسید سدیم، و سپس ترکیب مواد فرآوری شده با خمیر موجود برای تولید کاغذ است.

از برگ های اسفناج نیز می توان برای تهیه کاغذ مغناطیسی با شستن آنها، تخمیر و خشک کردن آنها برای به دست آوردن الیاف اسفناج تخمیر شده و سپس آسیاب گلوله ای ذرات اکسید فروفریک و پراکندگی آنها برای ایجاد کاغذ مغناطیسی استفاده کرد. علاوه بر این، یک فرآیند کاغذسازی با استفاده از برگ‌های تنباکو احیا شده شامل استخراج، خمیر کردن، قالب‌ گیری، خشک کردن، پوشش دادن و برش خمیر خشک مطلق می‌شود، با بهبود شاخص ‌های فیزیکوشیمیایی برگ‌ های تنباکو احیا شده.

الیاف برگ آناناس را نیز می توان با مواد دیگری مانند نیشکر باگاس یا کاغذ باطله مخلوط کرد، از طریق خمیر سودا خمیر کرد و سپس برای تولید کاغذ با خواص فیزیکی و مکانیکی مختلف استفاده کرد.