Так как применение ряда синтетических полимеров и синтетических волокон способствует упрочнению бумаги и повышению ее долговечности, оказалось целесообразным их использование для изготовления различных видов реставрационной бумаги. В настоящее время благодаря успехам химии высокомолекулярных соединений удалось выбрать некоторые полимерные материалы, применение которых наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к реставрационной бумаге различного назначения.
Для оценки долговечности бумаги, содержащей в своем составе синтетические и искусственные полимеры, стал не пригодным широко используемый метод теплового искусственного старения обычной бумаги, так как при этом над процессом деструкции материалов преобладает структурирование, часто характеризуемое увеличением показателей механической прочности.
В основу нового метода оценки долговечности подобных материалов положено ускоренное старение бумаги под влиянием механической нагрузки с осуществлением расчета долговечности согласно термофлуктуационной теории прочности С. Н. Журкова. Подробные сведения по этому вопросу читатель найдет в работе.
Из искусственных волокон, которые могут быть использованы для изготовления бумаги, известны вискозные волокна, отличающиеся относительной дешевизной, легко диспергируемые в воде и образующие равномерные суспензии с водными взвесями волокон целлюлозы. Получение бумаги из вискозных волокон или из смеси этих волокон с целлюлозными волокнами возможно на обычных бумагоделательных машинах, а также на оборудовании, предназначенном для изготовления бумаги сухим способом.
Фибриллирование вискозных волокон может быть достигнуто путем регулируемого их предварительного гидролиза с использованием для этой цели 10%-ного раствора серной кислоты. Так, вискозные волокна со степенью полимеризации 370 вообще не фибриллируются. Гидролизованные же вискозные волокна со степенью полимеризации 135-160 легко поддаются фибриллированию. При дальнейшем снижении гидролизом степени полимеризации вискозных волокон последние вновь теряют способность фибриллироваться.
Процесс старения бумаги и изменения при этом ее физико-механических и химических свойств протекает во времени и математически ход этого процесса с прогнозированием долговечности бумаги можно описать наиболее точно с привлечением для этого кинетической теории прочности материалов, разработанной академиком С. Н. Журковым. Именно эта теория с научно обоснованным учетом фактора времени оправдала себя практически для различных твердых тел кристаллического, аморфного и гетерогенного строения с различным типом межатомных связей. Она же оказалась вполне пригодной и для бумаги;
Реологические представления являются важными не только применительно к свойствам готовой бумаги или бумажных изделий, но и ко всем процессам бумажного производства. Поэтому бумагообразующие свойства волокнистых материалов не должны рассматриваться в отрыве от реологии — сравнительно молодой науки, методы которой еще, к сожалению, слабо используются в теории и практике производства бумаги.
Между тем знание реологических характеристик потоков различных волокнистых суспензий и внутренних структурных преобразований в них при разных режимах течения бумажной массы с хлопьеобразованиями или диспергированием хлопьев дает возможность обеспечить надлежащий напуск массы на сетку бумагоделательной машины и равномерный отлив бумажного полотна с высокими показателями его механической прочности при необходимой ориентации или дезориентации волокон.
Влияние химического состава технической целлюлозы на ее бумагообразующие свойства
Влияние клетчатки и гемицеллюлоз на бумагообразующие свойства волокон
Особого рассмотрения заслуживает вопрос о влиянии химического состава технической целлюлозы на бумагообразующие свойства ее волокон. Однако он также недостаточно полно изучен, и в настоящее время могут быть высказаны лишь отдельные положения общего характера.
Техническая целлюлоза содержит целлюлозные цепи различной длины. Говоря о химическом составе технической целлюлозы, имеют в виду прежде всего содержание в ней клетчатки, гемицеллюлоз и лигнина.
О содержании клетчатки принято судить по содержанию -целлюлозы — так условно назвали высокомолекулярную часть целлюлозы, не растворяющуюся в 1.7,5%-ном растворе гидроксида натрия и состоящую из цепей различного количества глюкозных остатков (200 и более). Хотя содержание а-целлюлозы в разных видах технической целлюлозы может быть одинаковым, тем не менее свойства этих видов целлюлозы и, следовательно, свойства изготовляемых из них образцов бумаги могут в значительной степени отличаться из-за различий фракционного состава -целлюлозы по длине цепей.
При определении содержания -целлюлозы в небеленых видах целлюлозы, имеющих значительное количество лигнина, должна быть сделана поправка на содержание лигнина, который в условиях определения а-целлюлозы в основном также оказывается нерастворимым вместе с -целлюлозой в 17,5%-ном растворе гидроксида натрия.
Принято -целлюлозу отождествлять с клетчаткой, однако такое отождествление должно быть признано условным. Так, Н. И. Никитин указывает, что а-целлюлоза из сульфатной вискозной (сосновой) целлюлозы содержит 2% гемицеллюлоз и 98% целлюлозы.
Хотя при высоком содержании а-целлюлозы волокнистый материал сам по себе обычно отличается повышенными показателями механической прочности, химической и термической стойкости, а также долговечности и стабильности белизны, но для получения прочного полотна бумаги необходимо наличие в технической целлюлозе гемицеллюлозных спутников. Без этих спутников или без искусственного добавления веществ, их заменяющих, чистая а-целлюлоза не склонна к фибриллированию в процессе размола и легко рубится.
Бумага не идеально упругое и не идеально вязкое тело. В ней проявляются как упругие, так и вязкопластические свойства называемые реологическими и в значительной степени определяемые бумагообразующими свойствами волокон, из которых состоит бумага.
Из шести исследованных видов волокон наибольшей упругостью обладают волокна хлопка, а наибольшей пластичностью волокна соломенной целлюлозы (по данным В. П. Аликина) Волокна сульфатной и сульфитной древесных видов целлюлозы имеют промежуточные значения упругих свойств, причем сульфатные волокна более упруги, чем сульфитные, а небеленые волокна более упруги, чем те же волокна, подвергнутые отбелке.
Если в классических теориях упругости и пластичности фактор времени не учитывается при установлении связи между напряжениями и возникающими при том деформациями, то в исследованиях свойств бумаги просто невозможно пренебречь этим основным фактором реологии. При испытании прочности бумаги на разрыв продолжительность приложенной нагрузки при прочих равных условиях определяет величину разрывного груза. Чем быстрее разрывается полоска, тем больше ее разрывной груз. Поэтому при определениях разрывного груза необходимо иметь в виду условность этой величины, соответствующей строго регламентированной скорости нагружения полоски бумаги. Однако в процессе использования бумаги и бумажных изделий они практически не подвергаются воздействию разрывной нагрузки и поэтому важным показателем являются реологические свойства бумаги в эксплуатационных условиях.
Механизм процесса деформации бумаги в результате ее увлажнения и последующей сушки связан не только с явлениями набухания волокон, расклинивающего и пластифицирующего Действия воды, но и с сопутствующей этому релаксацией напряжений в структуре бумаги, что приводит к смещению волокон и нарушению линейных размеров бумаги.
Для установления взаимосвязи между различными свойствами бумаги этими и бумагообразующими свойствами исходных волокон, а также зависимости свойств бумаги от ее структуры пытались применять теорию вероятности. Но эта попытка не увенчалась успехом из-за сложности математического описания зависимостей, в первую очередь математической характеристики структуры бумажного листа. Однако работы в этом направлении являются перспективными и первые их результаты обнадеживающие.
Применяя теорию вероятности для описания структуры бумаги, О. Кэлмис допускал сравнительно простую форму волокон. Простейшая модель бумаги, принятая им, — беспорядочная сетка из конечных прямых линий, не обладающих шириной или толщиной и лежащих в одной плоскости. Эта модель хорошо применима к листу тончайшей бумаги и неприемлема для бумаги, имеющей толщину, которой нельзя пренебрегать. В последнем случае лист бумаги рассматривается как многослойный, состоящий из ряда тончайших слоев простейшей модели.
При рассмотрении структуры листа бумаги машинного изготовления следует учитывать факторы, оказывающие влияние на ориентацию волокон в плоскости бумаги, в первую очередь действие сетки, трясочного устройства, прессов. Ориентацией волокон вне плоскости листа практически можно пренебречь.
Для установления взаимозависимостей между различными свойствами бумаги теория этих вопросов должна, по мнению О. Кэлмиса, связать геометрические свойства структуры бумаги, которые обусловливают механические и оптические свойства бумаги, с силами связи между волокнами и условиями формования бумаги.
Первичная, или наружная оболочка Р волокна, как правило, полностью разрушается при варке и отбелке целлюлозы. В частично поврежденном состоянии она присутствует в волокнах жесткой целлюлозы. К первичной оболочке непосредственно примыкает наружный слой вторичной оболочки, обладающей относительно высокой химической устойчивостью.