ریشه لغوی

کلمه کاغذ ، از واژه چینی کاکتز گرفته شده است. (نام فارسی آن را رخنده یا پرزه است.)

دید کلی

انسان اولیه ، بهتدریج که نیاز به تصویر کردن اشیاء ، یادداشت کردن وقایع و ارسال پیام های کتبی را درک کرد، اهمیت و ضرورت شیئی که بتواند بر روی آن اثر به جا ماندنی را ثبت کند، دریافته بود و همواره در راه دستیابی به آن تلاش میکرد.

تاریخچه

در بین النهرین از لوحههای گلی ، در مصر (1838 ق.م) از پاپـیروس ، در چین از حکاکی بر روی لوحههای چوبی و نمد با قلم مو و پارچه ابریشمی ، این منظور را عملی میکردند. با توجه به اینکه صنعت نمد مالی در خاور دور ، سنّت و متداول بود، فردی چینی به نام "تسائی لون" (105 میلادی) از قطعات کهنه و اضافی ابریشم ، خمیر و بعد ، ورقههایی به صورت نمد درست کرد و از آن به کمک قلم مو برای نقاشی و نوشتن استفاده کرد و بعد به جای ابریشم ، چوب خیزران و درخت توت را بکار گرفت. در حقیقت ، باید او را اولین مخترع کاغذ در دنیا دانست.

سیر تحولی رشد

کارگران چینی که در سال 751 به دست ایرانیان اسیر شدند، این فن را با استفاده از کتان و شاهدانه ، به مردم سمرقند آموختند و بعدها توسط مسلمانان در بغداد ، دمشق و حتی مراکش و اسپانیا متداول شد. اولین کارخانه کاغذ سازی ، درسال 1154 در اسپانیا و اولین آسیاب تهیه پودر چوب ، در سال 1190 در فرانسه تأسیس شده بود.

در ایران ، فعالیت کاغذ سازی ، اولین بار با تأسیس کارخانه مقوا سازی و با استفاده از کاغذهای باطله درسال 1313 شمسی در کرج شروع شد و حدود 15 سال است که با تأسیس دو کارخانه کاغذ سازی پارس در هفت تپه خوزستان و کارخانه چوب و کاغذ ایران (چوکا) در گیلان ، به صورت یک تکنولوژی مدرن و پیشرفته درآمده است.

مواد اولیه تهیه کاغذ

مواد اولیه انواع کاغذ ، بطور کلی ، مواد سلولزی است که از منابع مختلف تهیه میشوند:

• ساقه کتان ، شاهدانه ، پنبه که الیاف بلند (در حدود 1.2 تا 6 میلی متر) دارند.
• ساقة گیاهانی مانند گندم ، جو (کاه) ، نی ، کنف و غیره.
• درختانی که برگ سوزنی دارند، مانند کاج (با الیاف بلند ) و یا برگ پهن دارند مانند چنار (با الیاف کوتاه در حدود 0.5 تا 1.2 میلی متر)
• انواع کاغذهای باطله و یا خردهها و قطعات مقوای کهنه
• الیاف تفاله نیشکر

مراحل تهیه کاغذ

تبدیل چوب به قطعات ریز

با استفاده از ماشین پوست کنی و دستگاه تولید تراشه و عبور تراشهها از الک مخصوص صورت میگیرد و قطعاتی به طول حداقل 4 و عرض 2 سانتیمتر (در مورد چوب) بدست میآید.

پختن چوب و تولید خمیر

این عمل ، ممکن است از طریق مکانیکی یعنی بدون استفاده از مواد شیمیایی و توسط بخار آب جوش ، تحت فشار صورت گیرد که معمولاً برای تهیه کاغذهای ارزان و کاهی ، مانند کاغذ روزنامه متداول است. در روش شیمیایی از هیدروکسید سدیم (در روش قلیایی) ، سولفیت هیدروژن کلسیم ، ، درمحیط اسیدی (PH=2-3 ، روش بیسولفیت) و یا سولفیت سدیم (در روش سولفیت) همراه با کمی کربنات سدیم در دمای بالاتر از . 100 درجه سانتیگراد و تحت فشار ، استفاده میشود. در این مرحله ، خمیر قهوهای رنگی حاصل میشود که از آن در تهیه مقوا ، کارتن و یا کاغذهای کاهی استفاده میشود.

شستشوی خمیر کاغذ

شستشوی قلیایی با استفاده از محلول 3 درصد سود در دمای 45 تا 50 درجه سانتیگراد به مدت یک تا دو ساعت صورت میگیرد. این عمل برای جدا کردن لیگتین و کاهش رنگ خمیر انجام میپذیرد.

اعمال شیمیایی (رنگ زدایی)

در دو مرحله صورت میگیرد :

• کلر زنی ، که در PH=2 تا دمای 25 تا 45 درجه سانتیگراد به مدت تقریبی یک ساعت صورت میگیرد. در این مرحله ، لیگتین باقیمانده در خمیر ، به صورت محلول در میآید که بسته به نوع مواد شیمیایی بکار رفته برای پخت ، بین 3 تا 15 درصد ممکن است تغییرکند.
  
  
• رنگ زدایی که توسط هیپوکلریت سدیم (به صورت محلول 3 درصد) ، دیاکسید کلر ، پراکسید هیدروژن ، اوزون و غیره در PH=9-10 صورت میگیرد تا اینکه لیگتین فقط اکسید شود و سلولز تحت تأثیر قرار نگیرد.

خشک کردن خمیر کاغذ

دراین مرحله ، خمیر کاغذ را از دستگاه تمیز کننده و توریهایی که دارای سوراخهای 2 تا 3 میلیمتریاند، عبور میدهند تا قسمت عمده آب خود را از دست بدهد. بعد آن را از پرسهای قوی عبور میدهند تا باقیمانده آب آن نیز خارج شود.

پرس کردن ، برش زدن و بسته بندی

با عبور خمیر خشک شده از میان غلتکهای مخصوص ، آنرا به صورت صفحات کاغذ در آورده ، توسط دستگاه برش آن را در اندازههای مورد سفارش و نیاز بازار مصرف برش میدهند و بستهبندی میکنند.

برخلاف این تصور که تولید کاغذ اساسا یک فرآیند مکانیکی است، در این فرآیند ، پدیدههای شیمیایی نقش برجستهای دارند. از تبدیل چوب به خمیر کاغذ گرفته تا تشکیل کاغذ ، اصول شیمیایی دخالت آشکاری دارند. لیگنین زدایی از یک منبع گیاهی مناسب ، معمولا چوب ، یک فرآیند شیمیایی ناهمگن است که در دما و فشار زیاد انجام میشود.

دامنه شیمی کاغذ ، وسیع و جالب است شامل مباحثی از قبیل شیمی کربوهیدراتها ، رنگدانههای معدنی ، رزینهای آلی طبیعی و سنتزی و افزودنیهای پلیمری متعدد میباشد. در فرآیند تشکیل نیز تا حد زیادی شیمی کلوئید و شیمی سطح دخالت دارد. نقش پلیمر ، شیمی محیط زیست و شیمی تجزیه را نیز نباید فراموش کرد.

ترکیب شیمیایی کاغذ

از آنجا که کاغذ از الیافی ساخته میشود که قبلا تحت تاثیر تیمارهای فیزیکی و شیمیایی قرار گرفتهاند، سلولهای گیاهی حاصل از ترکیب شیمیایی ثابتی نسبت به ساختار منابع گیاهی اولیه برخوردار نیستند. سلولهای گیاهی عمدتا از پلیمرهای کربوهیدراتی آغشته شده به مقادیر مختلف لیگنین (یک ترکیب پلیمری آروماتیک که میزان آن با افزایش سن گیاه افزایش مییابد و در حین فرآیند لیگنینی شدن تولید میگردد) تشکیل شدهاند. بخش کربو هیدراتی سلول بطور عمده از پلی ساکارید سلولز تشکیل شده است. بخشی از این ترکیبات شامل پلی ساکاریدهای غیر ساختمانی با وزن مولکولی کم به نام همی سلولز هستند، که نقش بسیار مهمی در خصوصیات خمیر و کاغذ دارند.

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

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

ترکیب کلی استخراج الیاف گیاهی از نظر درصد کربن ، هیدروژن و اکسیژن بسته به درجه لیگنین شدن متغیر است. میزان این عناصر برای چوب حدود 50% کربن ، 6% هیدروژن و 44% اکسیژن است. از آنجایی که ترکیب عنصری کربوهیدراتها کم و بیش به صورت CH₂O)_n) است، میزان کربن موجود تقریبا حدود 40% است. لیگنین یک ترکیب آروماتیک با فرمول تقریبی C₁₀H₁₁O₄ میباشد. بنابراین ، میزان کربن آن بطور متوسط حدود 65 - 60% است.

سلولز

سلولز مهمترین ترکیب ساختاری دیوارههای سلول است و بعد از حذف لیگنین و انواع دیگر مواد استخراجی نیز مهمترین ترکیب ساختاری کاغذ محسوب میشود. از نظر شیمیایی ، سلولز یک پلیمر دارای ساختمان میکرو فیبریلی شبه بلوری متشکل از واحدهای D-β گلوکوپیرانوزی با اتصالات (4 <---- 1) گلیکوزیدی است. همچون بسیاری از پلی ساکاریدها ، سلولز پلیمری بسپاشیده با وزن مولکولی 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 یک بخش بلوری و یک بخش غیر بلوری یا بیشکل است. درجه بلورینگی بستگی به منشاء سلولز دارد. سلولز پنبه و انواع جلبکها مانند والونیا درجه بلورینگی بسیار بالایی است. در حالیکه سلولز چوب درجه بلورینگی پایینی دارد. سلولز بوسیله باکتریها نیز تولید میگردد که البته به عنوان منابع سلولزی برای کاغذ کاربردی ندارند.

همی سلولزها

همی سلولزها گروهی از پلی ساکاریدهای غیر ساختاری با وزن مولکولی کم و اغلب ناهمگن هستند که ارتباطی با سلولز نداشته و از راه بیوسنتز متفاوتی تولید میشوند. نام همی سلولزها نشان دهنده ارتباط یا نزدیکی آنها با سلولز نیست. نقش همی سلولزها در دیوراه سلول بخوبی شناخته شده نیست، اما وزن مولکولی خیلی کم آنها نمیتواند همی سلولزها را به عنوان یک پلیمر ساختاری مطرح کند (درجه پلیمریزاسیون آنها بین 150 - 200 است).

تحقیقات نظری در این زمینه نشان میدهد که همی سلولزها ممکن است نقشی در انتقال آب داشته باشند. همی سلولزها معمولا از واحدهای مونومری هگزوزی مثل D- گلوکوپیرانوز ، D- مانوپیرانوز و D- گالاکتوپیرانوز و واحدهای پنتوزی مثل D- زایلو پیرانوز و –L آرابینوفورانوز تشکیل شدهاند. بخش قابل توجهی از همی سلولزها حتی بعد از لیگنین زدایی شیمیایی ، در خمیر کاغذ باقی میمانند. مهمترین همی سلولز موجود در سوزنی برگان گالاکتو گلوکومانان است که حدود 20% از وزن خشک چوب را تشکیل میدهد.

لیگنین

لیگنین ، پلیمری آروماتیک با ساختاری بسیار پیچیده است. تقریبا کلیه خصویات لیگنین در کاربردهای کاغذ سازی نقش منفی دارند و کاغذهای با کیفیت خوب از الیافی ساخته میشود که تقریبا عاری از لیگنین هستند. لیگنین سبب شکننده شدن کاغذ میشود و به دلیل اکسایش نوری و تشکیل گروههای رنگی سبب افزایش زردی و تیرگی کاغذ میشود. کاغذ روزنامه مثال خوبی در این زمینه است و بطور کلی کلیه خمیرهای مکانیکی که در آنها مقدار زیادی لیگنین وجود دارد، چنین اثرهایی را نشان میدهد.

رزینها و مواد استخراجی

چوب حاوی مقدار کمی (کمتر از 5%) از ترکیباتی است که توسط حلالهای آلی مثل اتانول یا دی کلرومتان قابل استخراج هستند. میزان این ترکیبات در پهن برگان و سوزنی برگان و در بین گونههای مختلف چوبی متفاوت است. اگر چه این ترکیبات ممکن است در حین فرآیندهای شیمیایی تهیه خمیر کاغذ حذف شوند، اما همیشه مقداری از آنها در کاغذ باقی میماند. ترکیب شیمیایی این مواد بسیار متغیر است و شامل آلکانها ، آلکنها ، اسیدهای چرب (اشباع یا غیز اشباع) ، استرهای گلیسرول ، مومها ، اسیدهای رزینی ، ترپنها و ترکیبات فنولی هستند.

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

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

مقدمه :

برای تولید کردن یک تن کاغذ تازه ، به 5 متر مکعب ، چوب که از 50 درخت بدست می آید، احتیاج است. در ترکیه شرکت دولتی سکا ، که 50% کاغذ را تولید می کند، تن چوب درخت را به مصرف می رساند. بازیابی 1 تن کاغذ باطله به مفهوم حفظ 17 درخت است. در سال 1992 در ترکیه نسبت بازیابی کاغذ باطله 32% و نسبت استفاده 45% بود. 66% از کاغذ باطله جمع آوری شده را بخش خصوصی و بقیه را سیکا استفاده می کند.

بازیابی کاغذهای باطله محیط زیست و جنگلها را حفظ و از هدر رفتن انرژی جلوگیری می کند. در ترکیه ، تقاضا برای کاغذ باطله هر سال 530000 تن است (15% از خارج وارد می شود). فقط یک واحد خصوصی مرکب زدایی با شناورسازی در آنکارا وجود دارد (26000 تن در سال). بقیه کاغذهای باطله جمع آوری شده ، بدون مرکب زدایی را کارخانه های دولتی استفاده می کنند. سیکا 19% و بخش خصوصی 66% کاغذ باطله را در سربرگهای خود استفاده می کنند. در ترکیه کمبود چشمگیری در کاغذ روزنامه وجود دارد.

عوامل موثر در بازیابی کاغذ :

• مواد شیمیایی و پرکنهای کاغذ
• روش جمع آوری و رده بندی کاغذ
• نوع مرکب چاپ
• عمر کاغذ باطله

مرکب زدایی کاغذ باطله بطور تجاری در سال 1950 شروع شد. در اروپا بطور مرتب از شناورسازی برای مرکب زدایی کاغذ باطله مورد بازیابی استفاده می شود. شناورسازی از نظر مصرب آب و کاهش الیاف بر روش شستشو ارجعیت دارد.

انواع مرکب و خواص آنها :

• مرکب روغنی :
  
  
  • آبگریز است.
  • به سختی از کاغذ جدا می شود.
  • به سختی با شستشو از بین می رود.
  • آب شستشو محیط زیست را آلوده می کند.
  • میانگین اندازه ذرات آن 5 تا 10μm است.
  • مناسب برای فرآیند شناورسازی می باشد.
  • دارای چگالی پایین می باشد.

• مرکب آبی:
  
  
  • آبدوست است.
  • به سادگی از کاغذ جدا می شود.
  • به سادگی با شستشو از بین می رود.
  • آب شستشو محیط زیست را آلوده نمی کند.
  • میانگین اندازه ذرات آن از 1μm کوچکتر است.
  • برای فرآیند شستشو به کار برده می شود.

ماهیت ذرات مرکب :

ذرات مرکب معمولی متشکل از مواد زیرند:

• رنگدانه «کربن سیاه)
• عوامل چسباننده (روغنی یا آبی)
• افزودنیها «اسید آلی ، بسپارها)
• پرکنها (پوشش دهنده و شفاف کننده)
• خشک کنها

مرکب زدایی با شستشو:

مرکب زدایی با شستشو فرآیندی فیزیکی است که شامل شستشوی ذرات مرکب تا 10μm است در حالی که الیاف بزرگتر در توریها نگه داشته می شوند. جدول زیر مزایا و معایب مرکب زدایی با استفاده از روشهای شستشو و شناورسازی را نشان می دهد. امروزه اغلب سیستمها مرکب زدایی جدید نصب شده شامل هر دو سیستم شستشو و شناورسازی و شستشویی می شوند که انعطاف پذیری بیشتری در کار با مرکبهای گوناگون فراهم می کند.

خمیر سازی :

کاغذ باطله خردشده روزنامه سیاه و سفید با چاپ افست در دستگاه شناورسازی آزمایشگاهی بصورت لجن و خمیر درمی آید و مرکب درخمیر سازی از کاغذ باطله جدا می شود.

غربال کردن و شستشو:

عملیات غربال مرطوب و شستشو ، پیش از شناورسازی با غربال 0.044mm و پس از شناورسازی با غربال 0.037mm برای جدا کردن مرکب از الیاف اجرا می شود.

شناور سازی :

برای آزمایشهای شناورسازی از ماشین L1 شناورسازی دیفر استفاده می شود. PH با استفاده از NaOH در 9 تنظیم می شود. سدیم اولیات (5%) بعنوان گردآورنده از 10 تا mL/L30 به کار می رود. و (mL/L2 (250 Dowfroth به عنوان کف ساز استفاده می شود.

رنگبری :

پس از مرکب زدایی با شناورسازی ، ACE «ماده رختشویی) ، ₂O₂ و سود سوزآور به تنهایی یا به صورت مخلوط به عنوان عامل رنگبر به محفظه شناورسازی افزوده شد.

مرکب زدایی با شناورسازی :

چهار مرحله در مرکب زدایی کاغذهای باطله وجود دارد:

1. جدا کردن ذرات مرکب از الیاف کاغذ به وسیله لجن سازی در مجاورت مواد شیمیایی
2. تولید پاشیدگی پایدار ذرات در محلول موجود
3. شناورسازی ذرات مرکب
4. جلوگیری از رسوب دوباره ذرات مرکب روی الیاف

مقایسه روشهای شستشو و شناورسازی :

• مزایا و معایب مرکب زدایی با شناورسازی :
  
  
  • استفاده از واکنشگر گران قیمت
  • اتلاف کم پرکن
  • بازیابی بالا
  • اتلاف کم ریزدانه ها
  • تصفیه ساده آب بازگشتی
  • مناسب برای مرکبهای روغنی

• مزایا و معایب مرکب زدایی با شستشو:
  
  
  • فرآیند کم هزینه
  • استفاده از واکنشگرهای ارزان قیمت
  • اتلاف زیاد پرکن
  • بازیابی کم
  • اتلاف زیاد ریزدانه ها
  • تصفیه پیچیده آب بازگشتی
  • مناسب برای مرکبهای آبی

اثر اولیه سود سوزآور ، افزایش تورم الیاف سلولزی است. افزودن قلیا باعث صابونی شدن مواد چسباننده به مرکبهای چاپی مرسوم میشود. با افزایش غلظت قلیا ، بالا رفتن کارآیی مرکب زدایی نیز مشاهده می شود. به نظر می رسد جذب یون های OH^- دامنه الکتروستاتیکی بین ذرات مرکب و الیاف را افزایش می دهد که به گسستگی بیشتر مرکب می انجامد.

در گام اول ، یونهای هیدروکسیل الیاف و ذرات مرکب را باردار می کنند. در گام دوم ، بخش آبگریز شوینده به ذرات مرکب می چسبد و تحت تاثیر دافعه منفی بین الیاف و رنگدانه ذره مرکب از الیاف بیرون می آید.

مباحث مرتبط با عنوان:

• الیاف
• بازیابی کاغذ باطله
• چوب
• خشک کن
• خمیر سازی
• درخت
• رنگبری
• شوینده ها
• صابون
• ماده رختشویی
• مرکب زدایی با شستشو
• مرکب زدایی با شناور سازی
• کاغذ
• کاغذ روزنامه
• محیط زیست
• مرکب
• مرکب آبی
• مرکب روغنی