造纸的复杂的化学反应

很有可能你今天已经用几张纸。纸是一种无处不在的材料在现代生活中,平凡的我们常常忽略它。它几乎出现在我们所做的一切,从我们的工作我们的食物和我们的健康。纸是一个巨大的收集不同的产品,”说巴里读的首席执行官造纸工业技术协会。的拷贝纸、包装、新闻纸、卫生纸、卫生产品,特种纸,甚至DIY材料衬底。这是一个非常复杂的产业。”

造纸本身是一种古老的实践。古埃及人制作的纸莎草纸早在公元前4000年,分层的芦苇,形成厚表和卷轴的写作材料。然而,中国第一个真正的纸源于公元105年。汉代法院官员蔡伦煮竹子、树皮、破布和其他纤维材料形成湿浆状,干创建一个瘦,轻量级的纤维。更便宜,也更方便比树林和丝绸传统上用于写作,Lun的文章为他赢得了名声和支持整个中华帝国在接下来的几个世纪,他的造纸技术在全球范围内蔓延。

尽管它的广泛流行,论文仍是一个昂贵的奢侈品直到19世纪。早期米尔斯依靠熟练的工匠工人手工工艺床单和原材料的短缺-棉麻布推动了价格上涨。商业造纸的发明才开始蒸汽造纸机和木浆的开关,“解释阅读。长网造纸机的兄弟建立了第一篇论文机在英国的帮助下一个英国工程师,布莱恩Donkin,我们今天仍然使用相同的基本设计和过程。

造纸

在化学层面,纸是由纤维素纤维压和氢键结合在一起,但它是至关重要的制浆一步,占论文的不同寻常的力量。随着木材殴打成纸浆,个人单独的纤维素纤维,形成悬浮在水中。一个复杂的网络这些链之间的氢键的形式水慢慢蒸发,创建一张紧密交联的纤维。这个看似简单的结构是由一系列复杂的化学反应,支撑:细节,如纤维素的来源,如何处理纤维和化学疗法纳入生产过程可以从根本上改变的属性,完成论文。这个令人难以置信的可调谐性使纸这样一个多才多艺的材料和工厂仔细控制每个参数创造完美产品。

化工过程本质上的木质素纤维耐洗

制浆方法可以大致分为化学和机械过程,准确的选择取决于论文的最终用途。低质量产品,如包装和新闻纸一般采用机械方法,依靠武力来提取纤维,并使用重型旋转圆盘磨木屑成糊状。“你生产非常僵硬的碎片与木质素纤维素纤维的内容被困在他们之间,“解释道斯图亚特·托马斯。造纸工业技术协会的主任。制浆过程的“这增加了产量,但合成纸在阳光下会黄的木质素降解。

化学制浆方法移除这些麻烦的杂质,生产纯净纤维素纤维适合高端应用。最著名的过程,称为卡夫的过程,包括烹饪木屑的碱性溶液硫化钠和氢氧化钠:亲核硫化钠袭击中的醚联系木质素聚合物,将它分解成更小的分子可以溶解在碱性溶液。的化学过程本质上洗木质素纤维,所以你没有得到尽可能多的纸浆,但它是一个更好的质量,”托马斯说。你也最终黑液含有木质素,但这是焚烧发电机和当地国家电网没有浪费。

大型搅拌器罐然后混合制成纸浆材料精心化学添加剂的优化组合,根据特定批纸在生产。金属网过滤器纸浆的团成一个统一的流当他们进入造纸机和液压喷嘴喷射的解决方案到一个广泛的线输送机所需的一致性。当纸浆归结为线,是99%的水,”解释了夏洛特·帕克,研发专家詹姆斯收割机造纸厂,英国。所以我们想删除尽可能多的水,但在某种程度上意味着我们不破表。“随着输送机穿过“湿部的造纸机的重力,温柔的真空和压缩慢慢降低了约50%的水分。下一步是干燥,水含量下降到7%,”帕克说。的表通过汽缸温度逐渐上升,以避免令人震惊。在这里我们也可以申请外部添加剂和涂料表之前干了钓起的机器。”

一个化学过程

这些化学添加剂是重要而又经常被忽略的方面造纸过程。从木材成为纸开始旅程,复杂化学小心地控制每一个参数。造纸工业是一个3000亿美元(£2400亿)全球产业,它使用约400亿美元的化学物质,”托马斯解释说。这些化学物质可分为两方面:性能增强和质量要求。

违禁化学品解决化学的生产过程,确保每个阶段的顺利进行。去沫剂和分散剂解决实际问题,如发泡和制浆大桶凝结,而清洗和除锈处理确保水质达到所需的标准。

但纸生产中最重大的挑战之一是控制微生物的活动。造纸机是一个优秀的种植区域微生物,”解释Reetta Strengell,主任纸浆和纸张的应用程序开发Kemira在芬兰。在一个合适的温度,有很多水和充足的食物。置之不理,微生物的增长可以形成煤泥或生物膜机和输送机,创建缺陷如休息,洞,和斑点在纸张和破坏生产设施。微生物控制也很重要从安全的角度来看,“Strengell说。特别是在不受控制的厌氧条件下,微生物在非常严重的情况下,可以形成氢或类似的有害副产品。

杀虫剂因此另一个重要的添加剂。具有氧化性的治疗,如过氧化氢或卤代乙内酰脲破坏微生物细胞结构,干扰营养物质的流动穿过细胞壁。虽然非常有效,但这些氧化还原活性试剂操作条件非常敏感,常常需要额外的添加剂如缓蚀剂和稳定器。Non-oxidising杀菌剂戊二醛和季铵盐少得多活性而干扰重要微生物过程,如呼吸和繁殖。这些slower-acting治疗是稳定的,容易处理所以大部分钢厂使用氧化和non-oxidative策略的组合。

质量(或功能)的化学物质给纸最终产品所需的属性,包括染料、涂料和上浆剂。“分级代理需要hydrophobise,控制水和其他液体的渗透到纤维网络,“Strengell说。这是重要的果汁等液体包装纸板纸箱,而且应用程序(如拷贝纸控制墨水在表面上的表现如何。”

上浆剂疏水基团引入到纤维素网络。自由纤维素羟基结合这些油腻的分子(通常是通过酯化反应),创建一个疏水表面能够击退水。通过仔细选择的类型和浓度的浆料,工厂可以控制疏水特性的程度,针对所有的自由羟基全防水,或部分覆盖目标,适合印刷应用。的最古老的木松香(上浆剂)通常用于酸性条件。还有这样的中性施胶剂烷基烯酮二聚体(AKD)和烯基琥珀酸酐(ASA)用于中性碱性条件,Strengell说。“AKD专门用于应用程序需要完整的大小。松香施胶的反应更线性,这样你就可以控制分级只在酸性环境下更好的但它是有效的,这限制了其应用。

确定正确的数量和添加剂的组合是一个复杂的问题。每个年级的经历自己的单独的优化过程和每个工厂所使用的精确配方严格保守的秘密。

环保的方法

尽管生产过程的复杂性,造纸行业拥有令人印象深刻的绿色证书。有一个真正的关注可持续性和工厂重新任何废弃物或副产品,使用它们来生成碳中和能源或为其他行业提供原料。造纸工业是非常负责任,努力保持安全和环境法规之前,“解释阅读。例如,水是一个关键的组件在造纸,显然大部分的化学是基于水的,但工厂是非常有效的,把水回环境比当他们带出来或清洁他们找到另一种方法来使用它。

高质量的印刷报纸需要脱墨和漂白等治疗

在Kemsley轧机英国肯特郡可持续包装公司DS史密斯投资£2200万2018年开发一个厌氧消化设施将废水转化为绿色能源。我们过滤固体,然后用微生物溶解的污染物,如淀粉和聚合物链分解成二氧化碳和甲烷,”解释道乔纳森•斯科特技术操作经理Kemsley轧机。使用这种技术,我们可以捕捉甲烷,清理气体和卖回天然气网络,这是一个很好的例子的闭环造纸。

循环是一个明显的造纸工业的实力。在英国,80%的原材料来源于再生纸,和许多工厂,包括史密斯DS,以此作为他们唯一的纤维来源。与水回收纸制浆增值税混合,用一个恶作剧者绳子像塑料或金属分离物理污染物。化学污染物,如油墨、胶水和染料去除更有挑战性但斯科特显示额外的治疗往往是不必要的。这真是一个资产采取足够的污染物达到论文的规范我们试图没有大规模生产产量损失,”他说。在DS史密斯,我们生产很多纸板包装,所以我们通常不需要删除的油墨,但高质量的印刷报纸需要脱墨和漂白等治疗。

更复杂的post-manufacture修改纹理等回收系统提出了很大的挑战。这些塑料涂料作为阻挡层对油脂和水和食品包装中尤其常见三明治盒和咖啡杯等。但大多数回收中心缺乏设施分离这两种材料,因为他们不能一起处理,这些可回收的产品往往在垃圾填埋场。

咖啡杯是一个很好的例子。他们很难重用,但有极好的纤维内部,”帕克说。”詹姆斯收割机我们最近开发了一个过程分离的塑料屏障涂层杯通过一系列制浆,清洁,和脱墨步骤。然后挤压产生的塑料并制成颗粒用于其他行业。

对一个可持续未来

但不仅仅是寻找更好的方法来回收——全球摆脱塑料是一个很好的机会为造纸工业提供可降解fibre-based替代品。DS史密斯已经开发了可分包装简化回收混合产品但正在积极研究方法完全消除塑料组件。

的挑战是如何解决塑料的障碍方面很擅长,但本文并不自然,”斯科特解释说。我们正在寻找屏障层功能但不妨碍产品的可回收性。”£1亿循环经济研发计划的一部分,DS史密斯正在调查海藻作为替代来源的纤维素纤维,作为一个潜在的生物阻挡层。聚合物在海藻-多糖和海藻酸盐-自然生物降解,可以给他们巧妙地修改提高水电,lipophobic属性。这些聚合物可以直接获得的收获海藻用一个简单的提取过程,”斯科特说。这是一个极好的碳捕获工厂和不与土地作物所以它是一个优秀的可持续的替代材料。

后面有大量的技术细节每一纸产品

但是有另外一面的纸张和塑料的问题。纸比塑料包装通常是重和笨重,这意味着所谓的可持续包装产品运输的温室气体排放可以超过三倍传统塑料的替代品。再生纸质量减少与每一个生命周期的机械过程不可避免地损伤纤维,所以越来越多的材料需要每次董事会保留实力。有必要减少包装的重量从资源效率的角度来看,原材料和运输、“Strengell说。我们干强度基于聚丙烯酰胺聚合物使产品更强而使用更少的纤维和正在开发的产品组合向更可持续的和可再生的替代能源。这些加强添加剂使用过渡链键的结合和静电相互作用将受损的纤维和聚合物形成一个支持网络整个纸张。

造纸行业似乎有一个明确的计划,解决未来的可持续性的挑战。行业已经适应了高能水生产过程减少环境影响和继续投资于新技术进一步减少其消耗的资源。我们的基础产业之一,所以人们不认为我们是非常高科技的读说。但后面有大量的技术细节每一个产品和行业也在不断地演变。毕竟,总是会有一个对纸的需求。”

Pocklington维多利亚阿特金森是一个基于科学作家,英国