Теории связи волокон

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Теории связи волокон

Лист сухой бумаги сохраняет свою структуру благодаря силам когезии, которые возникают в процессе сушки бумаги. Влажная бумага непрочна, но в сухой бумаге сцепление волокон между собой определяется силами, которые обычно достаточно велики. Большая величина этих сил подтверждается значительными напряжениями, необходимыми для разрыва бумаги, а также большим увеличением плотности листа в процессе сушки.

Влияние поверхностного натяжения

Для сближения волокон в процессе сушки бумаги важное значение имеет поверхностное натяжение. При удалении воды во время сушки поверхностное натяжение создает действительно значительные усилия, которые уплотняют и сближают волокна. Для иллюстрации величины поверхностного натяжения Кэмпбелл подсчитал, что два круглых волокна диаметром 0,003 см каждое, лежащие параллельно друг другу, при наличии между ними водяной пленки притягиваются друг к другу стягивающим усилием, равным приблизительно 6,45 кг/см2; для смежных фибриллок диаметром 0,0002 см стягивающее усилие составляет около 38,5 кг/см2. Усилие, сближающее волокна, проявляется в виде поверхностного натяжения водяной пленки между волокнами во время сушки или может быть поверхностным натяжением, которое возникает между поверхностями смежных фибриллок; в обоих случаях стягивающее усилие зависит от среднего диаметра волокна. Поверхностное натяжение настолько важно для связи волокон, что присутствие даже небольшого количества веществ, понижающих это натяжение, уменьшает интенсивность сжатия, и это приводит к понижению плотности и прочности бумаги. При удалении воды, содержащейся между волокнами, сублимацией при температуре — 6°, когда поверхностное натяжение незначительно, прочность бумаги сильно понижается соответственно уменьшению сил связи между волокнами.

Виды связи

После удаления воды и сближения волокон под влиянием поверхностного натяжения связь между волокнами в бумаге обеспечивается другими видами сил.

Такими силами могут быть:
1) силы первичной химической валентности,
2) силы полярного притяжения,
3) водородные связи и 4) силы сцепления поверхностей.

Эффект сцепления поверхностей не имеет большого значения вследствие высокой эластичности и легкой сжимаемости волокон целлюлозы. Считают, что первичные валентные связи также играют мелкую роль, а возможно, не имеют никакого значения, так как связь между волокнами значительно слабее связи между кристаллитами в волокне. Для разрыва химических связей требуется около 30 000 кал/моль, тогда как полярные силы притяжения могут быть преодолены всего лишь при 2000 кал/моль. Связь между волокнами в обычной бумаге может быть нарушена при помощи воды, являющейся типичной полярной жидкостью.

В настоящее время считают, что преобладающее значение между силами, связывающими волокна, принадлежит вторичным валентным силам, или молекулярной когезии между гидроксильными группами соседних фибриллок, так как для усадки (сжатия) и увеличения плотности листа, наблюдаемых при изготовлении бумаги из массы с высокой степенью помола, необходимы мощные силы, порядок величины которых соответствует вторичным валентным силам. Тот факт, что при некоторых условиях можно изготовить умагу плотностью, очень близкой к плотности самой целлюлозы, показывает, что расстояние между волокнами приближается к величинам порядка величины молекул. В бумаге такой выcокой плотности связи возникают между гидроксилами смежных фибриллок; они могут быть наглядно представлены в бумаге в виде прочной непрерывной сетки. Считают, что эти связи, которые Кэмпбелл назвал внутренним напряжением, возникают главным образом между кристаллитами и, следовательно, являются вторичными валентными силами. Другим доказательством молекулярной природы этих сил служит высокая предельная прочность на разрыв бумаги из целлюлозы. Прочность на разрыв бумаги, желатинизированной хлористым цинком, достигает величины 1290 — 1430 кг/см2, что сопоставимо с величинами 1430—1790 кг/см2, характерными для таких материалов, как чугун, медь и алюминий, в которых структурные силы являются определенно молекулярными силами. Кларк, считает, что наиболее прочные и наиболее водостойкие связи образуются между первичными гидро-ксильными группами одной целлюлозной цепи и первичными или вторичными гидроксильными группами другой цепи. Возникновение этого типа связи наиболее вероятно.

Другим фактором, определяющим прочность внутренней связи, является взаимная ориентация кристаллитов, которые соприкасаются между собой. При параллельном расположении сцепление будет максимальным, так как в контакте будет, находиться больше гидроксильных групп. Это объясняет высокую степень сцепления в целлофане, где кристаллиты в большей мере параллельны, чем в бумаге. Лендт и Рулон показали, что растягивание бумаги, желатинизированной хлористым цинком при нагрузке в 125 г, увеличивает прочность в направлении приложенного усилия ввиду большой ориентации цепей молекул в этом направлении. По представлению Кэмпбелла, для проявления связывающей силы требуется возникновение упорядоченного расположения кристаллитов, которое происходит под влиянием кристаллографических сил.

Теория частичной растворимости

Теория Кэмпбелла о частичной растворимости находила широкое применение для объяснения механизма связи волокон. Теория основана на ранней гипотезе Уркварта, предположившего, ^то на некоторых стадиях своего образования целлюлоза растворима в воде. Применительно к размолотым волокнам теория растворимости дает основание предположить, что кристаллиты целлюлозы на поверхности волокон становятся частично растворимыми в воде и в этом состоянии присоединяются к подобным же кристаллитам соседних волокон. В этом состоянии, близком к растворению, молекулы или кристаллиты приобретают некоторую свободу и могут располагаться так, что при удалении воды связываются между собой вторичными валентными силами. Таким образом, волокна соединяются между собой под влиянием кристаллизации целлюлозы во время испарения воды.

Теория Кларка во многих отношениях подобна теории Кэмпбелла. Эти две теории, вместе взятые, создают представление о явлениях, которые именуются «бумагоделательной гидратацией». В соответствии с этими представлениями поверхность волокон покрыта молекулами воды, которые так прочно адсорбированы и ориентированы, что они гидратируют поверхность. В подтверждение эгой теории Кларк показал, что между двумя листами целлофана может быть создана прочная связь путем увлажнения, прессования и сушки.

В своей работе Стречен установил, что небольшие, но постоянные количества (около 15 частей на миллион) очищенной хлопковой целлюлозы растворяются в холодной воде, что также служит доказательством теории частичной растворимости. В этой связи Кресс и Бьялковский установили, что растворение твердых веществ в ролле при размоле увеличивается. Стречен высказывает мнение, что в процессе образования связи между волокнами коллоидно-диспергированная целлюлоза склеивает волокна друг с другом. Кларк предполагает подобный же механизм связывания волокон. Согласно Кларку, некоторые фибриллирован-ные вещества вторичной стенки волокна в процессе размола перетираются, образуя обрывки, которые действуют как склеивающий наполнитель. Однако в связывании волокон это «свободное» коллоидное или растворенное вещество в лучшем случае является только вторичным цементирующим агентом.

Природа поверхности волокна

Изложенные выше теории приводят к заключению, что способность волокон сцепляться между собой определяется гидрофильным характером поверхности волокна. Присутствие гемицеллюлоз усиливает гидрофильность волокна, и, следовательно, прочность связи, считая на единицу площади сцепления.

Состояние волокон, в которое они приходят при щелочной обработке, также является, вероятно, фактором, определяющим поведение целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы.

Исключение составляют тряпичные полумассы, так как они дают прочную бумагу, несмотря на относительно высокую степень полимеризации целлюлозы. Это является следствием их особой структуры, которая способствует разделению волокон на чрезвычайно тонкие фибриллы. Хлопковый линтер или делинты не дают такого фибриллирования, как штапельное волокно, и, следовательно, не создают прочных бумаг . Кроме того, установлено, что большая прочность так называемых высокопрочных тряпичных бумаг является результатом поверхностной проклейки и что только очень небольшое количество непроклеенных тряпичных бумаг по прочности на продавливание и раздирание эквивалентно крафт-бумагам. Работы Муссера и Энджела показывают, что при слабой деструкции хлопковой целлюлозы кислотами или окисляющими веществами она дает более прочную бумагу, чем бумага из неде-структированного хлопка, так как деструктированная целлюлоза обладает более резко выраженной гидрофильностью. Степень полимеризации некоторых тряпичных полумасс не выше степени полимеризации беленых сульфитных целлюлоз.

В обычных бумагах увлажнение водой разрушает все связи, так как вода растворяет связи между волокнами. Например, образец бумаги, прочность которого на разрыв в сухом состоянии составляла 7,28 кг, после увлажнения имел прочность 0,69 кг С другой стороны, увлажнение менее полярными жидкостями уменьшает сцепление в значительно меньшей степени. После полного увлажнения метиловым спиртом тот же образец показал прочность на разрыв 2,32 кг; прочность его при увлажнении спиртами более высокого молекулярного веса оказалась еще выше. Специальные влагопрочные бумаги при увлажнении водой в значительной степени сохраняют свою прочность, но в этом случае действуют связи другого типа, отличающиеся от обычной связи между целлюлозными волокнами.

Целлюлозные волокна не образуют прочного листа бумаги в ацетоне или неполярных жидкостях. С другой стороны, волокна ацетилцеллюлозы или эфира целлюлозы, которые частично растворимы в ацетоне, дают в этой среде исключительно прочную бумагу. Ацетилцеллюлоза также дает прочную бумагу в спирте, так как волокна такой целлюлозы частично растворимы в этой жидкости. Однако те и другие высокозамещенные производные целлюлозы уменьшают прочность бумаги, когда в качестве дисперсионной среды применяется вода, так как в ней волокна не гидратируются. Диксон показал, что адсорбция гидрофобных или поверхностно активных веществ на поверхности целлюлозных волокон намного уменьшает силу их сцепления.

В ряде работ было показано, что частичное замещение в целлюлозных волокнах гидроксильных групп метальными, этильными или ацетильными группами увеличивает прочность бумаги при формовании ее в воде. Например, введением в целлюлозу 9% метоксильных групп Джайме и сотрудники добились увеличения прочности на продавливание на 50%. Как показал Эйкен, волокна, содержащие от 5 до 8% ацетильных групп, также дают в воде исключительно прочную бумагу. При введении 3% ацетильных групп в тряпичную полумассу Эйкен получил увеличение прочности на продавливание на 80%. При введении этих замещающих групп повышается число гидроксильных групп, доступных для гидратации, и увеличивается частичная растворимость поверхности волокон вследствие раздвигания кристаллитов. Однако, как это можно было предполагать, замещение может быть допущено только в небольшой степени, так как по мере повышения степени замещения уменьшается количество свободных гидроксильных групп и таким образом уменьшается растворимость, или гидратация, волокна. Выше определенной степени замещения (примерно 5—6% метоксильных или 9% ацетильных групп) прочность бумаги, изготовленной из волокон, суспендированных в воде, постепенно уменьшается до тех пор, пока почти совсем не исчезнет при высокой степени замещения.

Для изготовления бумаги были предложены волокна из виниловой смолы, несмотря на их неполярный характер, но в этом случае связь между волокнами должна была создаваться путем горячего каландрирования бумаги, а не обычными методами. Более того, чтобы повысить степень увлажнения волокон в воде при укорачивании их в процессе размола и формовании бумаги, к этим волокнам необходимо прибавлять вещества, способствующие смачиванию. При сочетании 15—20% виниловых волокон с обычными растительными волокнами может быть изготовлена специальная бумага, которая склеивается при нагревании. Эта бумага применяется для чайных мешков, а также в качестве фильтровальной бумаги, упаковочной и т. д. По имеющимся сведениям, для склеивания бумага нагревается до температуры 115—130° и давление Доводится до 14,3—21,5 кг/см2.

Минеральные волокна, например асбест, могут быть применены для изготовления таких сортов бумаги, как изоляционная, покровная, оклеечная и прокладочная. Однако эти бумаги получаются рыхлыми и с низкой прочностью, если не скреплены клеящим веществом, например крахмалом.

Из искусственной минеральной шерсти, без прибавления клеящего вещества, также получается очень слабая бумага. Для скрепления таких волокон обычно применяют синтетические смолы.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум