تقریباً همه ما آموختهایم که کاغذ از چوب درختان ساخته میشود. اگر وارد مباحث کاغذهای مصنوعی و غیرچوبی نشویم، اولین پرسش این است که آیا همه چوب درختان میتوانند کاغذ تولید کنند؟ به طور عمومی خیر.
مقاومترین کاغذها از الیاف درختان سوزنیبرگ ساخته میشوند. این گیاهان الیافهای بلندتری نسبت به همتایان خود دارند که تأثیر قابلتوجهی بر مقاومت کاغذ میگذارد. در واقع هرچه الیاف بلندتر باشد، پیچیدگی و درهمتنیدگی این الیافها در یکدیگر بیشتر شده و کاغذ نهایی مقاومتر خواهد شد.
برخی از درختانی که چوب آنها در صنایع کاغذسازی کاربرد دارند عبارت از کاج، صنوبر، نراد، راش، سرو و افرا هستند. به طور میانگین برای تولید هر کیلوگرم کاغذ چیزی در حدود ۲.۵ الی ۵ کیلوگرم چوب خالص و بدون پوسته مصرف میشود. اما کاغذ چطور ساخته میشود؟
آب اصلیترین ماده در فرایند تولید کاغذ
تولید هر کیلوگرم کاغذ به طور متوسط به حدود ۲۵۰ تا ۳۰۰ لیتر آب نیاز دارد. این مقدار بسته به نوع کاغذ، تکنولوژی کارخانه و روشهای تصفیه و بازیافت ممکن است متفاوت باشد. با استفاده از همین فرایندها میتوان تا ۹۳ درصد آب مصرف شده را به طبیعت بازگرداند.
بیشتر کارخانههای کاغذسازی به همین دلیل در مجاورت رودخانهها یا منابع آب قابلتوجه ساخته میشوند.
پس از برش الوار درختان آنها با روشهای مشخصی خرد شده و پوستهزدایی میشوند. تراشهها باید چیزی در حدود ۲–۵ سانتیمتر طول و ۴–۸ میلیمتر ضخامت داشته باشند؛ چراکه باید به طور یکنواخت در محلول پخته شوند.
پس از این مرحله که به تولید چیپس چوب مشهور است، تراشههای چوب وارد دیگهای پرفشار بخار به نام دایجستر میشوند.
تولید خمیر کرافت
پس از ورود چیپسهای چوب شسته شده به محفظههای ورودی، دمای دایجستر بین ۱۷۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد بالا رفته و با افزودنیهای خاصی تحتفشار ۷ تا ۱۰ بار چیپسهای چوب بین ۱ الی ۳ ساعت پخته میشوند تا لیگنین آنها آزاد شده و الیاف سلولزیشان استخراج شود.
مواد شیمیایی دخیل در این فرایند شامل سدیم هیدروکسید (NaOH) (بهعنوان عامل اصلی قلیایی و تجزیه لیگنین) – سدیم سولفید (Na₂S) – سدیم کربنات (Na₂CO₃) کلسیم اکسید (CaO) و کلسیم هیدروکسید Ca(OH)₂) است.
لیگنین LIGNIN
چالش اصلی تولید کاغذسفید، استخراج لیگنین از چوب است. به بیان دیگر هرچه خمیرکاغذ مقدار لیگنین کمتری داشته باشد، سفیدتر، باکیفیتتر و بادوامتر است. به همین علت است که کاغذهای تولید شده با تکنولوژی پایینتر، تیرهتر هستند و به زردی میگرایند. بخش زیادی از لیگنین در زمان پخت دایجستر و مابقی آن به هنگام سفیدسازی خارج میشود. البته که باکیفیتترین کاغذهای جهان نیز دارای مقدار اندکی از این ماده هستند.
لیگنین یک پلیمر طبیعی بسیار پیچیده است که بهعنوان یک اتصالدهنده محکم دیواره سلولی عمل کرده و فیبرهای سلولی چوب را به هم پیوند میزند. لیگنین ۱۵–۳۶ درصد وزن چوب را تشکیل میدهد.
فرمول مولکولی لیگنین خالص C18H13N3Na2O8S2 است. بخش زیادی از مولکولهای این پلیمر را اتمهای کربن و هیدروژن تشکیل میدهند.
لیگنین دومین پلیمر طبیعی فراوان دنیا است که از واحدهای ساختاری فنیل پروپان با اتصالات کربن-کربن و اتری تشکیل شده است. لیگنین در صنایع پزشکی به دلیل خواص آنتیاکسیدان و آنتی باکتریال مصرف میشود. از دیگر مصارف لیگنین میتوان به استفاده بهعنوان پرکنندههای تقویتی در پلیمرهای ترموپلاستیک و الیاف کربن، دیسپرسانت، سورفکتانت و همینطور تولید رزین اشاره کرد.
شکل ۱- ساختار شیمیایی لیگنین – تصویر از پایگاه داده پرینستون
پس از جداسازی لیگنینها و تولید خمیر یک یا چند مرحله دیگر خمیر شسته میشود تا باقیمانده لیگنین خارج شده و خمیر نرم و یکدست ساخته شود. پس از این مرحله خمیرها از تیغههای استیل و مستحکم عبور داده شده تا بهنوعی سایز الیافها نزدیک به هم شده و الیاف ناخواسته یا خیلی کوتاه حذف شوند. به خمیر قهوهایرنگی که حاصل این فرایندها است، خمیر کرافت گفته میشود.
سفیدسازی خمیرکاغذ
این مرحله از نظر زیستمحیطی بسیار حساس است و قوانین سختگیرانهای برای آن در نظر گرفته شده است، بهطوریکه در حدود چهل سال است که در برخی کشورها استفاده از مشتقات کلر برای سفیدسازی ممنوع شده است.
این مشتقات که بیشتر دیاکسید کلر CIO2 هستند اکنون جای خود را به پراکسید هیدروژن H2O2 دادهاند؛ چرا که حین فرایند سفیدسازی دیاکسید کلر باعث آزاد شدن ترکیبات آلی کلردار شده و آسیبهای زیستمحیطی و مخرب برای انسان ایجاد میکند.
برخی از این ترکیبات آلی شامل دیوکسینها، فیورانها، ترکیبات هالوژندار فنولیک، رزورسینولها و کلروفرمها هستند.
پس از این مرحله ممکن است افزودنیها خاصی به خمیر زده شده تا از اکسیداسیون آن و همچنین رشد میکروارگانیسمها جلوگیری کند. سپس بستهبندیشده و برای کارخانجاتی که تکنولوژی ساخت کاغذ ندارند یا احتیاج به خمیری با ویژگیهای خاصی دارند ارسال میشود.
این ماده پیچیده و پرزحمت هم اکنون از سلولز C6H10O5 (بین۶۰ الی ۴۰ درصد)، همی سلولز (بین ۲۰ الی ۳۵ درصد) و لیگنین و سایر افزودنیها تشکیل شده است.
این خمیر بایستی طی ۷ الی ۱۰ روز مصرف شود و گرنه با افت کیفیت شدید مواجه خواهد شد. دمای نگهداری مناسب این خمیرها نیز ۱۰ الی ۲۵ درجه سانتیگراد است.
رنگ این خمیر به طور عمومی بایستی با معیار B*A*L در حدود مقادیر زیر باشد.
L: (روشنایی) بین ۸۸ الی ۹۵
A: (قرمز- سبز) کمتر ار ۰.۱
B: (زرد – آبی) کمتر ار ۰.۵
شکل ۲- ساختار فیبرهای خمیرکاغذ زیر میکروسکوپ الکترونی – تصویر از ویکیپدیا
تولید سوسپانسیون
خمیرکاغذ برای رسیدن به مرحله بعدی اکنون با آب فراوان ترکیب میشود و به یک ماده صاف و یکدست تبدیل میشود بهطوریکه ۹۹ درصد آب و ۱ درصد خمیر آن را تشکیل میدهد.
این سوسپانسیون رقیق اکنون آماده فرمدهی و ورود به ماشین کاغذسازی شده است؛ اما پیش از ورود به دستگاه باید آبگیری شده و مجدد زده شود. خمیرها از روی وایرسکشنها که توریهای در حال حرکت هستند عبور میکند تا آب از آنها خارج شود.
ورود به ماشین کاغذسازی
الیافها از روی توری لرزان و در حال حرکت به هم نزدیکتر شده و بهتر درهمآمیخته میشوند. این ترکیب هسته اصلی کاغذ را تشکیل میدهد. پیش از ورود این ورقههای نسبتاً نامنسجم وکیومسکشنها رطوبت ورق را تا ۳۰ درصد کاهش داده و به دستگاه کاغذسازی وارد میکنند.
پرسسکشنها دستگاههای کاغذسازی غلتکهای استیلی دارند که الیافها را فشرده کرده و تا حدودی ضخامت آن را مشخص میکند؛ اما وظیفه اصلی این سیلندرها خشککردن کاغذ و خارج کردن رطوبت آن از طریق فشردهسازی تا حدود ۵۰ درصد است.
پس از سیلندرهای استیل اکنون نوبت سیلندرهای حرارتی است که الیاف از بین آنها عبور کرده و با دمای بالا رطوبت باقیمانده کاغذ را خرج کنند. بسته به نوع کاغذ دمای این سیلندرها بین ۱۳۰ تا ۲۵۰ درجه متغیر است.
بیشتر بخوانید: دستگاههای چاپ؛ تعمیر و نگهداری
روش انتقال حرارت غیرمستقیم از طریق روغن داغ شده درون این سیلندرها باعث میشود تا آسیبی به الیافها طی این فرایند اتفاق نیفتد. همچنین بسته به وزن کاغذ و نوع ماشین کاغذسازی تعداد سیلندرهای اینگیج شده میتواند از ۴ تا ۱۲ جفت متغیر باشد.
در این مرحله کاغذ تحت تنش و گشتاور مشخصی از بین رولرها عبور میکند؛ اما هنوز ویژگیهای سطحی آن ایجاد نشده است و آماده مصرف نیست.
در دستگاههای پیشرفتهتر سیستمهای TCS* (Tension control system) وظیفه مشخص کردن گشتاور کشش کاغذ را دارند و با حرکت سیلندر در مقادیر تعیین شده از پاره شدن رول حین عملیات تولید جلوگیری میکنند.
پوشش سطحی
پوششدهی سطحی کاغذ از طریق استفاده از مواد شیمیایی مختلف و فرایندهای فیزیکی مانند کالیبراسیون انجام میشود. مواد اصلی که برای پوششدهی استفاده میشوند شامل خاک رس (Clay)، کربنات کلسیم (Calcium Carbonate)، کائولینیت (Kaolinite)، سیلیکا (Silica)، تیتانیوم دیاکسید (Titanium Dioxide) و آلومینیوم هیدروکسید (Aluminum Hydroxide) هستند.
از سایر مواد قابلاستفاده برای پوششدهی میتوان به پلیاتیلن (Polyethylene)، پلیپروپیلن (Polypropylene)، پلیاورتان (Polyurethane)، گلوکز (Glucose)، پلیساکاریدها (Polysaccharides) و پلیاتیلن گلیکول (Polyethylene Glycol) اشاره کرد.
این مواد ویژگیهای مختلفی مانند درخشندگی، صاف بودن، مقاومت در برابر جذب جوهر و مقاومت در برابر آب را به سطح کاغذ میدهند. همچنین، عملیاتی مانند کالیبراسیون و خشکسازی به بهبود کیفیت سطح کاغذ کمک میکنند.
پس از اعمال پوشش، سطح کاغذ باید با استفاده از سیلندرهای کالیندر فشرده شود تا سطحی یکنواخت، صاف و براق به دست آید. این مرحله به حذف ناهمواریهای سطح کاغذ کمک میکند و باعث بهبود ویژگیهای چاپی آن میشود.
شکل ۳- سطح مقطع کاغذ گلاسه زیر میکروسکوپ الکترونی – تصویر از ریسرچ گیت
محصول نهایی اکنون آماده است تا پس از تست و تأیید پارامترهای کیفی بهصورت رول یا بستهبندیشده به مشتری و بازار مصرف عرضه شود.
فرمول شیمیایی کاغذ
کاغذ یک ترکیب شیمیایی واحد نیست؛ بنابراین فرمول شیمیایی واحدی ندارد. این یک ماده مصنوعی است که جزء اصلی آن سلولز است؛ اما همانطور که اشاره شد کاغذ معمولی همچنین حاوی پرکنندهها، عوامل آهاردهنده، رنگها و افزودنیها است. اساس و مغز کاغذ از ترکیب C6H10O5 یا همان سلولز تشکیل شده است.
شکل ۴- ساختار شیمیایی سلولز – تصویر از پایگاه داده پرینستون
به طور عمومی کاغذ سلولزی و بدون پوشش واسطه هم در معرض فرایندهای چاپ یا نوشتار مقاومت قابلتوجهی از خود نشان میدهد (به فرض عدم استفاده از پوشش یا ادتیو در مراحل تولید)؛ اما چالشهای جزئی ممکن است در مقابل عوامل محیطی رخ دهد.
مهمترین عامل تخریب شیمیایی الیافهای سلولزی نورهای مرئی، اشعههای یووی و مادون سرخ هستند. البته از عوامل بیولوژیکی مثل قارچها و آنزیمها و همچنین حشرات نباید غافل شد.
اشعه یووی میتواند در درازمدت باعث زرد شدن کاغذ و کاهش وزن مولکولی سلولز شود؛ همینطور زنجیرههای سلولزی را کاهش دهد که نهایتاً از مقاومت مکانیکی کاسته شود. شدت بالای این اشعه در ماشینآلاتی که مجهز به این نوع لامپها هستند میتواند علاوه بر اثرگذاری بر پلیمرهای مرکب یووی، ساختار کاغذهای بدون روکش را نیز تحتالشعاع قرار داده و عمر مفید آن را کاهش دهند.
بسیار بعید است در کاغذهای روکشدار اشعه یووی در کوتاه مدت بتواند از لایه کلسیم کربنات یا دیاکسید تیتانیوم عبور کرده و به لایه سلولزی وارد شود.
این موضوع را میتوان با قرار دادن دو کاغذ تحریر و گلاسه در مواجه با نور خورشید اثبات کرد. بهسادگی مشخص خواهد شد کاغذهای گلاسه بسیار دیرتر از کاغذهای تحریر شروع به زرد شدن میکنند (یکی از نشانههای تخریب سلولزی زرد شدن کاغذ است).
با توجه به اینکه هرچه طولموج تابشهای الکترومغناطیسی کوتاهتر باشد انرژی آنها بیشتر است و بالعکس، اشعه مادون سرخ به طولموج ۷۰۰ نانومتر الی ۱ میلیمتر نسبت اثر کمتری روی کاغذ میگذارد. به طور عمومی این اشعه نمیتواند باعث آسیب به ساختارهای سلولزی شود مگر آنکه ایجاد تخریب حرارتی کند.
یکی از دلایل استفاده از دیاکسید تیتانیوم در پوششهای کاغذ، انعکاس اشعههای مرئی و نامرئی هستند.
شرایط نگهداری کاغذ
محصول نهایی بهشدت به نور، رطوبت، تابشهای یووی و حشرات حساس هستند. البته که همواره بستهبندی مناسبی برای رولها و پالتهای کاغذ در نظر گرفته میشود. معمولاً لایه داخلی لفافهای کاغذ ورقی کارخانههای تولیدکننده با یک لایه نازک پلیمری پوشیده میشوند تا از نفوذ رطوبت و حرارت تا حدی جلوگیری کنند.
کاغذهای رول نیز به یک لایه کرافت پوشیده شده و بعضاً با فیلمهای حرارتی وکیوم میشوند. با همه این تدابیر اما مطلوب است کاغذ در انباری با شرایط زیر نگهداری شود تا از مشکلات آتی جلوگیری کند.
رطوبت نسبی انبار بایستی در حدود ۴۰ الی ۵۵ درصد باشد. بدیهی است که رطوبت بالا باعث کپک و قارچ و موجدار شدن یا تورم الیاف سلولزی خواهد شد و بالعکس رطوبت پایین انبار میتواند مشکلاتی از قبیل شکنندگی و ترکخوردگی کاغذ و الکتریسیته ساکن بین صفحات ایجاد کند.
دمای ایدئال محیط بین ۱۸ تا ۲۴ درجه است. دمای بالا میتواند آغازکننده تخریب شیمیایی سلولز باشد. نور مستقیم نیز همانطور که اشاره شده میتواند ساختار سلولز را در هم بشکند و مقاومت مکانیکی را کاهش دهد؛ بنابراین انبار بایستی عاری از هرگونه تابش نور مستقیم خورشید یا اشعههای یووی باشد.
قرار گرفتن سلولز در معرض گازهایی مانند ازن (O₃)، دیاکسید گوگرد (SO₂)، نیتروژن دیاکسید (NO₂) نیز کاغذ را اسیدی کرده و سرآغاز تخریب شیمیایی خواهند بود.
ملاحظاتی بیولوژیکی مثل حشرات، آفات و قارچها نیز الزام استفاده از سموم غیراسیدی را ایجاد میکند.
تألیف: محمدرضا چراغپور
مدیر تولید و نگهداری تعمیرات مجتمع چاپ مهراد
