Роль воды в процессах переработки бумаги и картона

Многообразие воды в природе - океан, тучи, облака, полярные шапки, переливы красок восхода и заката, разнообразие жизни. Смена времен года, распределение тепла в природе, ледяные реки — все это вода. Своим существованием на планете человечество обязано воде. Она сопровождает всю деятельность цивилизации. Любой процесс производства и переработки бумаги и картона также связан с водой. По своей природе волокна древесной целлюлозы имеют высокое сродство к воде, и пренебрегать этим взаимодействием нельзя. 25_35% технологических проблем при переработке бумаги и картона, в том числе, и при производстве гофрокартона, обусловлено заимодействием воды с целлюлозными материалами. Механизм этого взаимодействия и обуславливает отсутствие или наличие брака. Давайте посмотрим на свойства воды и механизм ее взаимодействия с целлюлозой более внимательно.

Свойства

Формулу этого вещества знают те, кто даже никогда не сталкивался серьезно с такой наукой, как химия. Простое химическое соединение с простейшей формулой Н2О заняло особое место на нашей планете благодаря сочетанию необычайных свойств. Их изучение продолжается и в наше время - достаточно вспомнить демонстрировавшийся по центральному телевидению документальный фильм «Великая тайна воды».

Сложно назвать такую область деятельности человека, в которой он так или иначе не сталкивался бы со свойствами этого вещества.

Все физико-химические свойства воды аномальны и не подчиняются известным законам.

• Вода обладает огромными значениями скрытых теплота плавления и испарения.
• Необычайно высокими величинами теплоемкости и диэлектрической проницаемости.
• Аномальными значениями температур кипения и плавления.
• Лед, который по всем известным законам должен тонуть, плавает на поверхности воды.
• Плотность воды при нагревании в определенном диапазоне температур не уменьшается, а растет.
• Вода быстрее всего охлаждается и нагревается при 37°С.
• Указанные особенности свойств воды обусловлены особым видом межмолекулярного взаимодействия - водородной связью.

Водородная связь — глобальное явление, охватывающее всю химию. Благодаря ей средняя величина сложной молекулы воды значительно превышает размеры одной молекулы воды.

Душа и память

Вода наделялась душой во многих культурах мира. Открытие современными учеными четвертого, информационного, состояния воды стало доказательством ее памяти. Об этом говорит и уникальный телевизионный проект «Великая тайна воды», являющийся попыткой ученых и религиозных деятелей проникнуть в скрытые свойства этого вещества, не укладывающиеся в рамки общих физических законов.

Вода способна воспринимать, сохранять и передавать информацию, даже такую тонкую, как человеческая мысль, эмоция, слово.

Японскому ученому Эмото Масару удалось сфотографировать эмоции воды. О своих удивительных открытиях в этой области рассказали ученые из России, Казахстана, Израиля, США, Англии, Австрии, Японии, Китая, Тибета.

Сейчас человечество находится на пороге совершенно иного понимания законов мироздания, открывающего новые перспективы: возможность программирования воды, лечение водой сложнейших заболеваний, управление погодой.

Водородная связь

Ещё в XIX веке было замечено, что соединения, в которых атом водорода непосредственно связан с атомами фтора, кислорода и азота, обладают рядом аномальных свойств. Это проявляется, например, в температурах плавления и кипения подобных соединений.

Обычно в ряду однотипных соединений элементов данной подгруппы температуры плавления и кипения возрастают при увеличении атомной массы элемента, что объясняется усилением взаимного притяжения молекул из-за увеличения размеров атомов и роста дисперсионного взаимодействия между ними. Так, в ряду HCl — HBr — HI температуры кипения равны, соответственно, 114,2°С, 86,9°С и –50,8°С. Аналогичная зависимость наблюдается и в ряду H2S — H2Se — H2Te. Однако фтористый водород и вода плавятся и кипят при аномально высоких температурах.

В настоящее время установлено, что эти и другие особенности указанных соединений объясняются способностью атома водорода, соединенного с атомом сильно электроотрицательного элемента, к образованию ещё одной химической связи с другим подобным атомом. Эта связь называется водородной.

Возникновение водородной связи можно в первом приближении объяснить действием электростатических сил. Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (40-100 кал/моль). Она равна ~ 2 ккал/моль у соединений азота и достигает ~10 ккал/моль у соединений фтора. Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, т.е. их объединение в димеры или полимеры, которые в ряде случаев существуют не только в жидком состоянии вещества, но сохраняются и при переходе его в пар.

Прочность молекул воды на разрыв сопоставима с прочностью стали — 20-150 кг/см2. Водородная связь служит причиной некоторых важных особенностей воды — вещества, играющего огромную роль в процессах, протекающих в живой и неживой природе. Она в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ как белки и нуклеиновые кислоты.

Взаимодействие воды с волокнами полуфабрикатов

В зависимости от величины равновесной влажности бумага и картон могут содержать как свободную, так и связанную воду. Наибольшее значение для производства и переработки бумаги и картона имеет так называемая «связанная» вода, т.е. находящаяся либо в непосредственном контакте с гидроксильными группами углеводной фракции волокон, либо расположенная в капиллярах. Присутствие связанной воды оказывает влияние и на физико-механические свойства целлюлозных материалов, и на релаксационные состояния полимеров. Повышение относительной влажности воздуха (соответственно – равновесной влажности бумаги и картона) приводит к существенным изменениям в геометрических характеристиках волокон и повышению (в 1,5 – 2 раза ) прочности на разрыв, удлинения при разрыве, прочности на излом при многократных перегибах. Связанная вода увеличивает механическую прочность материала и пластифицирует волокна. При этом происходит распределение напряжений в поперечном сечении волокна, позволяющее выдерживать нагрузки, являющиеся критичными для сухой целлюлозы. Наличие связанной воды приводит к значительному снижению температуры стеклования основных составляющих компонентов полуфабрикатов – целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина.

Прочно связанная вода не может быть удалена при той же упругости паров, при которой была адсорбирована. Пересушенная бумага никогда не восстанавливает своих свойств. В этом случае наступает наиболее полное взаимное насыщение гидроксильных групп углеводов за счет взаимодействия соседних молекул и необратимая деформация материалов. Примеры механизма взаимодействия целлюлозных волокон с водой см. на рисунках.