Обзор
Древесину, используемую для производства целлюлозы, можно разделить на две основные группы: хвойные породы (хвойные деревья, такие как сосна, пихта, ель и тсуга) и лиственные породы (лиственные деревья, такие как береза, осина, эвкалипт, акация и дуб). Самое большое различие между волокнами лиственных и хвойных пород заключается в том, что волокно лиственных пород значительно короче и тоньше волокна хвойных пород. Как правило, лиственная древесина содержит больше целлюлозы и гемицеллюлозы и меньше лигнина, чем хвойная, в то время как хвойная древесина имеет более высокую долю экстрактивных веществ, то есть смолы.
Хвойные породы
Волокна хвойных пород длинные и прочные, поэтому самые прочные сорта бумаги обычно изготавливаются из химической целлюлозы, полученной из хвойной древесины. Типичные важные области конечного использования включают картонные коробки и пакеты для молока, которые требуют высокой прочности для правильного функционирования.
Хвойная древесина состоит из длинных сужающихся клеток, называемых трахеидами, которые составляют до 90% объема и выполняют функции как опоры, так и транспортировки воды. Отверстие в центре трахеиды называется люменом. Трахеиды соединены друг с другом через поры. Помимо трахеид, присутствуют и другие типы клеток, например, смоляные каналы, хранящие смолу, и лучевые клетки. Эти клетки в основном соединены лигнином, образуя стабильную опорную структуру, которая удерживает волокна на месте.
Лиственные породы
Волокна лиственных пород короткие и тонкие, что обеспечивает лучшее формирование бумаги, чем волокна хвойных пород. Они также придают бумаге гладкую поверхность для печати и высокую непрозрачность. Кроме того, поскольку в лиственной древесине содержится несколько меньше лигнина по сравнению с хвойной, лиственную целлюлозу также легче отбелить до высокой степени белизны.
Эти качества делают лиственную древесину очень подходящей для использования в печатных бумагах, хотя эти сорта обычно состоят из смеси целлюлозы из лиственных и хвойных пород, чтобы удовлетворить требования заказчика к сочетанию прочности и качества поверхности для печати.
Лиственные породы имеют более сложную структуру, чем хвойные, с различными клетками для транспортировки воды и опоры. Удлиненные либриформные волокна выполняют опорную функцию и имеют толстые стенки по отношению к диаметру. Более короткие и широкие клетки, называемые «сосудами», отвечают за транспортировку воды.
Географические различия
В Скандинавии период роста короткий, но интенсивный, особенно в самых северных районах. Он длится с мая по сентябрь-октябрь, а затем рост приостанавливается в зимнее время. Скандинавской ели или сосне требуется около 75 лет, чтобы быть готовой к вырубке, по сравнению с сосной на юге США, где дереву требуется всего 25 лет, чтобы стать готовым к вырубке. Это связано с теплым климатом круглый год. А в Бразилии эвкалипту требуется всего около семи лет, чтобы быть готовым к вырубке при выращивании на плантации.
Целлюлозные волокна можно извлечь практически из любого сосудистого растения, встречающегося в природе, но для экономической эффективности процесса необходим высокий выход волокон. Сегодня в мире около 90% волокон, используемых для производства бумаги, составляют древесные волокна. Остальное производится из недревесных волокон, таких как багасса (сахарный тростник), солома и бамбук.
Химический состав
Древесина в основном состоит из трех типов материалов: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Относительный состав в древесине варьируется у разных видов деревьев.
Целлюлоза является основным компонентом волокна. Это прямоцепочечный углеводный полимер, состоящий из единиц глюкозы, и является структурным материалом, из которого построено волокно. Целлюлоза нерастворима в большинстве растворителей и устойчива к воздействию большинства химических веществ, за исключением сильных кислот. Целлюлоза также очень важна для свойств бумаги, поскольку притяжение между молекулами целлюлозы на поверхностях разных волокон является основным источником связи между волокнами в бумаге, обеспечивающим прочность.
Гемицеллюлоза — второй основной компонент древесного волокна. Это также полимер, состоящий из разветвленных молекулярных цепей глюкозы и других моносахаридов, который можно удалить путем мягкого химического воздействия. Молекулярные цепи намного короче, чем в целлюлозе. Гемицеллюлозы очень важны в бумажном производстве, поскольку они способствуют развитию связей между волокнами, помогая волокнам поглощать воду во время обработки, тем самым непосредственно участвуя в связывании.
Третьим основным компонентом древесного волокна является лигнин — клей, который удерживает волокна вместе, формируя структуру древесины. Он также встречается внутри клеточной стенки. Лигнин — это очень сложная неоднородная молекула, которая не растворяется в воде или других обычных растворителях, но может быть переведена в растворимое состояние путем химического воздействия. Цель всех процессов химической варки целлюлозы — растворить и удалить лигнин. Однако не существует практического метода полного удаления лигнина путем варки. Остаточный лигнин придает неотбеленной целлюлозе коричневый оттенок, и если необходимо получить белую бумагу, оставшийся лигнин должен быть удален путем отбелки. Помимо снижения естественной белизны чистых целлюлозных волокон, лигнин также препятствует образованию связей между волокнами в бумаге, тем самым снижая прочность листа.
