7k

3.2. Skład chemiczny i budowa papierniczych półproduktów włóknistych

3.2.1.    Składniki roślinnych półproduktów włóknistych

Podstawowymi składnikami roślinnych półproduktów włóknistych, zwanymi również masami włóknistymi są: celuloza, hemicelulozy, lignina oraz niewielka na ogół ilość substancji mineralnych i ekstrakcyjnych. Ilościowy udział poszczególnych składników, a także, w znacznym stopniu, ich właściwości uzależnione są od rodzaju surowca roślinnego oraz metody i warunków otrzymywania danej masy włóknistej.

3.2.2.    Celuloza

Celuloza jest głównym i najcenniejszym składnikiem papierniczych mas włóknistych pochodzenia roślinnego. Substancja ta wraz z częścią hemi-celuloz, tzw. celulozanami stanowi substancję szkieletową włókien roślinnych.

Celuloza jest bezbarwną substancją włóknistą o gęstości 1.58, nierozpuszczalną w wodzie i klasycznych rozpuszczalnikach organicznych, wj kazuje dużą wytrzymałość mechaniczną wynoszącą 981 MPa. Charakteryzuje się ponadto ciepłem właściwym wynoszącym 1320J/kgK (0.315 cal/g C). ciepłem spalania 17.5kJ/kg (4200 cal/g). niewielką czynnością optyczną (współczynnik załamania światła 0.04-r-0.09) oraz silnvmi właściwościami dielektiycznymi (stała dielektryczna 6,1+6,7).

Celuloza jest wielocukrem (rys. 3-1) zbudowanym z reszt D-glukopiranozy (C₆H_uO_(l-H₂0). powiązanych ze sobą w łańcuchy wiązaniami P-glikozydowymi między pierwszym atomem węgla jednej a czwartym atomem węgla sąsiedniej jednostki podstawowej (wiązania 1-4).

Strukturalna jednostka podstawowa cząsteczki celulozy zawiera 3 wolne alkoholowe grupy wodorotlenowe — jedną pierwszorzędową (przy atomie węgla 6) i dwie drugorzędowe (przy atomach węgla 2 i 3). Grupy te, zwłaszcza grupa pierwszorzędową, wykazują dużą reaktywność chemiczną, a ze względu na swoją hydrofilowośc (powinowactwo do wody ) odgrywają istotną rolę

OH

OH H H

y

6CH2OH

Reszla glukozowa

Reszla glukozowa

Ó CH₂OH

OH

Reszla celobiozowa

RYS. 3-1-—-

Wzór strukturalny cząsteczki celulozy

_____28 —

w zjawiskach sorpcji, pęcznienia i desorpcji, decydujących o powstawaniu wiązań między włóknami w papierze.

Charakterystyczne w makrocząsteczce celulozy są jej dw'ie skrajne grupy końcowe: z jednej strony — wmlna drugorzędowa grupa wodorotlenowa (przy atomie w^;ęgla 4), a z drugiej — potencjalna grupa aldehydowa (przy atomie 1)

0    charakterze redukującym.

Ze wzoru strukturalnego cząsteczki celulozy wynika, że środkowe jednostki podstawowe mają skład C₆H„,Oj, a skrajne — C₆H_n0₅

1    C_bH,,0₍₎. Ponieważ jednostki środkowe stano

wią w- makrocząsteczce znaczną większość, dlatego skład chemiczny celulozy można wyrazić uproszczonym wzorem:    (C_ńH,₀O₅)_n. gdzie

n oznacza liczbę ogniw glukozowych W' cząsteczce, czyli tzw. stopień polimeryzacji (SP). Ponieważ kolejne reszty glukozowe są obrócone o J80 w'okół osi łańcucha celulozowego, w rzeczywistości powtarzającą się jednostką strukturalną jest reszta celobiozowa, jednakże stopień polimeryzacji oblicza się na podstawie liczby reszt glukozowych.

Rzeczywista budowa celulozy odbiega nieco od jej „idealnego” wzoru, bowiem celuloza może zawierać w swoich makrocząsteczkach niewielkie ilości innych, niż glukoza, cukrów prostych oraz kwasów uranowych. W związku z tym w celulozie mogą występować w stosunkowo niewielkiej liczbie inne wiązania niż P-glikozydowe oraz inne grupy funkcyjne niż —OH. Ma to duże znaczenie praktyczne. Na przykład niewielka liczba znaj-dujących się w celulozie grup karboksylowych (przeciętnie 1 grupa -COOH na 100 reszt glukozowych) powoduje, że celuloza zachowuje się jak słaby kwas.

Celuloza jest substancją polimolckularną tzn., że jej cząsteczki składają się ze zróżnicowanej liczby reszt glukozowych. Przeciętny stopień polimeryzacji mas celulozowych wynosi 700-1-2000. Stopień polimeryzacji celulozy ma wpływ na wytrzymałość włókien: jeżeli SP < 100 nie wykazują one praktycznie żadnej wytrzymałości mechanicznej, natomiast jeżeli SP>100, wytrzymałość szybko wzrasta, jeżeli SP>600 przyrost wytrzymałości jest już stosunkowo mały.

Stopień polimeryzacji celulozy ulega obniżeniu pod wpływem czynników chemicznych (utlenianie, hydroliza), wysokiej temperatury, światła (szczególnie ultrafioletu), a także czynników biochemicznych (grzybów i bakterii). Spadek stopnia polimeryzacji celulozy zachodzący podczas długotrwałego przechowywania papieru (np. książek, akt) powoduje tzw. starzenie papieru, przejawiające się jego żółknięciem i spadkiem wytrzymałości.

3.2.3. Hemicelulozy

Nazwą hemicelulozy objęte są wszystkie węglowodany i ich pochodne (z wyjątkiem celulozy i skrobi) występujące w surowicach roślinnych. Są to substancje o stosunkowo niskim stopniu polimeryzacji (30 — 300). Na ogół hemicelulozy różnią się od celulozy rozpuszczalnością w rozcieńczonych wodnych roztworach zasad, a nawet często i we wrzącej wodzie oraz większą podatnością na działanie hydrolityczne. Są przeważnie bezpostaciowa.

Hemicelulozy zawarte w' papierniczych masach włóknistych podzielić można na hemiceiulo-zy zwykłe i poliuronidowe.