Структура бумаги. Структура бумаги имеет следующие особенности.
1. Сложный гетерогенный состав элементов структуры, характеризуемый
наличием в композиции бумаги как относительно длинных, так и коротких
волокон различного происхождения (в основном растительных, реже
синтетических и минеральных), а также наполняющих, проклеивающих и
окрашивающих веществ. Растительные волокна, являющиеся основой структуры
большинства видов бумаги, отличаются между
собой своим строением и свойствами, определяемыми
видом волокнистого сырья и методами его обработки.
2. Анизотропное, расположение элементов структуры потрем ее взаимно
перпендикулярным направлениям, характеризуемое различием в ориентации
волокон, в расположении их по размерам, а также в распределении
проклеивающих, окрашивающих веществ, наполнителей и включений воздуха.
Эта анизотропность структуры определяется в основном методами
изготовления бумаги и используемым при этом оборудованием. Она в свою
очередь оказывает влияние на анизотропию по направлениям бумажного
полотна основных свойств бумаги. На анизотропию свойств бумаги влияет
также склонность волокон к хлопьеобразованию.
3. Капиллярно-пористый коллоидный характер структуры, обусловливающий
такие свойства бумаги, как впитывающая способность,
воздухопроницаемость, гигроскопичность, деформация бумаги при изменении
ее влажности, необратимое изменение свойств бумаги в результате ее сушки
и др.
4. Наличие сил связи между элементами структуры бумаги, определяющее
механическую прочность и другие ее свойства.
5. Для большинства структур бумаги характерна разносторонность, т. е.
различие свойств обеих поверхностей бумажного полотна. Это обусловлено
не только уже упомянутой выше анизотропией в расположении элементов
структуры, но также различием в рельефе поверхностей бумаги, под
влиянием того, что обычно одна из поверхностей соприкасается с сеткой, а
другая — с сукном.
6. Существующий механизм формования бумажного полотна ведет к
образованию слоистой структуры, и волокна в листе располагаются главным
образом параллельно поверхности и не переплетаются с волокнами,
расположенными в другой плоскости. С увеличением степени фибриллирования
волокон, толщины и массы 1 м2 бумаги, а также продолжительности процесса
обезвоживания при формовании бумажного полотна возрастает количество
волокон, расположенных под некоторым углом к горизонтальной плоскости, о
чем косвенно можно судить, определяя межслоевую прочность бумаги.
Последняя в многослойном волокнистом материале, полученном соединением
давлением влажных слоев бумаги, в значительной степени зависит от
влажности соединяемых слоев. Если она достаточно высокая и в полотне
присутствует свободная влага, то в условиях применения одного и того же
давления при прессовании межслоевая прочность оказывается высокой за
счет хорошего взаимопроникновения и последующего скрепления между собой
водородными связями фибрилл сопряженных волокон. Прочной межволоконной
связи при отсутствии адгезивов (катионного крахмала,
меламиноформальдегидной смолы и др.) получить нельзя, если соединяемые
слои волокнистого материала не содержат достаточного количества
свободной влаги.
При обезвоживании бумажной массы на сетке
бумагоделательной машины концентрация массы возрастает. Между волокнами
устанавливаются коагуляционные контакты и образуется пространственная
структура сырого полотна бумаги, которая обладает некоторой прочностью,
определяемой силами сцепления между волокнами и не зависящей от
прочности волокон. При малых нагрузках такая структура, как твердое
тело, обнаруживает упругую деформацию. Однако с возрастанием нагрузки в
структуре обнаруживаются тиксотропные свойства, выражающиеся в том, что
структура под действием механической силы легко разрушается, но при
снятии нагрузки в значительной степени восстанавливается.
По мере уплотнения бумажного полотна в прессовой части машины, а затем в
сушильной части структура полотна изменяется: постепенно переходит от
коагуляционной структуры к структуре переплетения, в которой уже могут
действовать силы ван дер Ваальса и слабые силы трения между сопряженными
поверхностями волокон. Эта структура в процессе сушки постепенно
переходит в более прочную, адгезионную структуру срастания, в которой
основными силами связи между волокнами служат водородные связи, а силы
трения достигают своего максимального значения, особенно при
использовании для изготовления бумаги волокон с шероховатой
поверхностью.
Прочность этой структуры определяется не только прочностью связей между
волокнами, но и прочностью самих волокон. Поэтому повышенная прочность
сухой бумаги будет наблюдаться тогда, когда нагрузка распределяется
равномерно на все элементы структуры, волокна в которой должны быть
длинными и гибкими, обеспечивающими возможность перераспределения
напряжений в бумаге. Если прилагаемая к высушенной бумаге сила находится
в пределах, не допускающих необратимого разрушения, то в бумаге
проявляются высокоэластические свойства, характерные для коагуляционных
структур, что свидетельствует о сохранении в какой-то степени в бумаге и
после ее сушки свойств коагуляционной структуры.
Вид используемой бумагоделательной машины во многом определяет структуру
изготовляемой бумаги. При формовании бумажного полотна на обычной
столовой бумагоделательной машине ярко выражена ориентация волокон в
машинном направлении и на сеточной стороне полотна при низком содержании
на этой стороне мелких волокон и частиц минерального наполнителя. По
мере приближения к верхней стороне листа ориентация волокон становится
менее заметной, а содержание мелкой фракции повышается.
Бумажное полотно, полученное на цилиндровой машине, отличается большей
непрозрачностью и меньшей разносторонностью по окраске и степени
проклейки по сравнению с полотном бумаги, изготовленным на столовой
бумагоделательной машине. Это объясняется более благоприятными условиями
отлива бумажного полотна на цилиндровой машине, так
как в этом случае отсутствуют причины, вызывающие удаление в подсеточную
воду большого количества мелких волокон, проклеивающих веществ й
наполнителей (действие регистровых валиков, вакуум-насосов и пр.).
Вместе с тем анизотропия по механической прочности в машинном и в
поперечном направлениях более выражена у бумаги, изготовленной на
цилиндровой машине, чем у бумаги, изготовленной на столовой машине.
В отливках бумаги, изготовленных на листоотливной форме, ориентация
волокон во всех сечениях по толщине листа отсутствует. Здесь нет
машинного и поперечного направлений, и если прессование и сушка подобных
отливок бумаги осуществляется без преимущества в каком-либо направлении
натяжения листа, то и показатели механической прочности отливок бумаги
оказываются одинаковыми в обоих направлениях плоскости листа. В подобных
отливках более всего мелких волокон сосредоточено в толще листа,
несколько ниже середины толщины слоя.
Бумага, сформованная на машине между двумя сетками, отличается
одинаковой структурой обеих поверхностей. При изготовлении бумаги на
этих машинах вследствие фильтрации воды через волокнистую смесь
большинство твердых частиц стремится переместиться с потоком удаляемой
жидкости. При этом самые мелкие частицы улавливаются у поверхности, а
длинные и наиболее прочные волокна будут находиться в середине листа.
Это обеспечивает получение бумаги, лишенной дефекта, разносторонности,
т. е. обладающей одинаковыми свойствами обеих поверхностей.
При анализе различных свойств бумажного полотна, изготовляемого тем или
иным способом, следует обратить внимание на указанные выше' характерные
особенности структуры полотна, на создание которой оказывают влияние все
процессы производства бумаги.