کاغذ

کاغذ یک ماده­ ی انعطاف پذیر است که برای نوشتن، بسته بندی و اهداف متنوع دیگر استفاده می­ شود. کاغذ شبکه ای از الیاف پالپ (خمیر کاغذ) (که معمولا از چوب یا سایر الیاف گیاهتهیه شده) است که از یک دوغاب آبی روی یک سیم یا روی تور سیمی تشکیل می­ شود و اتصال آن ها توسط پیوند هیدروژنی است. کاغذ ممکن است حاوی انواع مختلف از افزودنی یا پُرکننده های مختلف نیز باشد.

ساخت اولین کاغذ را به یک مرد چینی به نام Ts’ai Lun در اوایل قرن 2 پس از میلاد مسیح نسبت می­ دهند، این کاغذ ترکیبی از پوست درخت توت و گیاه شاهدانه بود. هنر کاغذسازی یک راز نهفته بود و غربی ها به کندی و طی زمانی طولانی به راز آن پی بردند. اولین کارخانه کاغذسازی آمریکایی در سال 1690  در شمال شرقی ایالات متحده ساخته ساخته شد. از آنجایی که نحوه­ی ساخت آن دستی بود، روند ساخت این کارخانه به کندی پیش میرفت. در اواخر قرن 18 میلادی یک فرانسوی به نام لوئیس رابرت ماشین کاغذسازی را اختراع کرد که از یک نوار توری سیمی متحرک و پیوسته استفاده می ­کرد. او حق اختراع خود را به برادران Fourdrinier که در طراحی آن ماشین پیشرفت داشتند فروخت. این ماشین از سال 1830 تا 1850 کاربرد گسترده­ای داشت.

فیبر

فیبر یک عنصر لوله ای یا استوانه ای است که از یک ماده­ی گیاهی تهیه می شود و تشکیل دهنده­ ی اصلی آن سلولوز است. فیبر از اصلی ترین اجزای تشکیل دهنده ­ی کاغذ است. خصوصیات کاغذ توسط ویژگی های الیاف پالپ تعیین می ­شوند. شکل های 2.1 و 2.2 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از الیاف پالپ چوب سخت درخت اکالیپتوس و صنوبر را نشان می­ دهند.

2.2 ویژگی­ های اصلی کاغذ

ویژگی­ های کاغذ را می­توان از روی مقدار رطوبت، خصوصیات فیزیکی، استحکام، خصوصیات ظاهری و دیگر معیارهای مختلف مشخص کرد. به دست آوردن تعداد نمونه های کافی با استفاده از روش نمونه‌گیری T400F با استاندارد TAPPI اهمیت بسیاری دارد.  

شکل 2.1 تصویر الیاف پالپ اکالیپتوس توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی

شکل 2.2 تصویر الیاف پالپ صنوبر توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی

قبلا در مورد محاسبات دقیق برای آزمایش های کاغذ، تبدیل واحدهای متریک و انگلیسی و جنبه های دیگر در محاسبات آزمایشات کاغذ بحث می­ کند. جدول 2.1 برخی مقادیر نمونه که در آزمایش­های کاغذ توسط دانشجویان کاغذ دانشگاه ایالت اورگن (OSU) انجام شده را نشان می ­دهد. این مقادیر به عنوان مقادیر نمونه در انواع کاغذ هستند و برای مثال های محاسباتی استفاده می شوند.

هنگام اندازه گیری ویژگی های استحکام کاغذ، MD نیروی اعمال شده در جهت موافق ماشین، و CD نیروی اعمال شده در جهت مخالف ماشین است. بسیاری از خواص کاغذ به جهت گیری کاغذ بستگی دارد زیرا خصوصیات MD و CD یکسان نیستند.

تاثیر میزان رطوبت

اندازه و مقدار رطوبت کاغذ تاثیر مهمی بر کیفیت کاغذ دارد. بنابراین خواص کاغذ باید تحت شرایط استاندارد دما و رطوبت نسبی (RH]23 درجه سانتی گراد (73 درجه فارنهایت) و رطوبت 50 درصد] اندازه گیری شوند، زیرا این عوامل بر تعادل رطوبت (EMC) تاثیر می­گذارند. همانطور که در بالا ذکر شد، EMC بر استحکام و سایر ویژگی‌های کاغذ تاثیر می­گذارد. طبق استاندارد TAPPI T402، کاغذ را قبل از قرار دادن در محیط استاندارد باید در یک اتاق گرم و خشک (20 تا 40 درجه سانتی گراد یا 68 تا 105 درجه فارنهایت، و رطوبت 10 تا 35 درصد) قرار داده شود، بطوری که مقدار رطوبت کاغذ با جذب آب از اتمسفر به EMC نزدیک شود. به دلیل اثر هیسترزیس، اگر کاغذ برای یک RH و دمای خاص به EMC نزدیک شود، EMC مقدار کمی افزایش می­ یابد. (کاغذهای ساخته شده­ی دستی برای اهداف آزمایش در آزمایشگاه معمولا به این صورت عمل نمی کنند، چون بدون رفتن به یک اتاق گرم و خشک توسط هوا خشک می­ شوند.)

جدول 2.2 برای نشان دادن اثر هیسترزیس برخی مقادیر EMC را در RH 50 درصد برای چند نمونه کاغذ با RH کمتر از 50 درصد تا RH بیش از 50 درصد نشان می­ دهد. شکل 2.3 مقادیر EMC را با افزایش و کاهش RH ها نشان میدهد. در این شکل کاغذهای چوبِ نرم از پالپ (خمیر کاغذ) اسید سولفیت ساخته شده است. بنابراین اکثر همی سلولزها توسط اسید هیدرولیز از بین رفته و کاغذ را مشابه کاغذ پارچه ای می­ کنند. کاغذهای پیوندی امروزه از پالپ کرافت سفید ساخته شده است، و احتمالا عملکردی در حدود کاغذ کرافت و کاغذ سولفیت دارد. هنگامی که مقدار رطوبت و تغییرات در خواص آن، تابعی از مقدار رطوبت هستند، چیزی به عنوان یک کاغذ متوسط وجود ندارد. در تمام این بخش چهار یا پنج کاغذ با کیفیت های مختلف برای نشان تفاوت های مورد انتظاری که کاغذ ممکن است با آن روبرو شود به کار رفته است. برای اینکه بدانید شرایط نمونه برداری چه مدت طول می کشد، لازم است میزان گرفتن یا از دست دادن رطوبت برای رسیدن به تعادل را بدانید. به عنوان مثال هنگامی که کنترل کیفیت روتین در یک کارخانه­ی کاغذسازی انجام می­ شود، کاغذ چه مدت باید در شرایط نمونه برداری باشد؟ واضح است که اگر کاغذ در شرایط مطلوب رطوبت نباشد، نتایج ممکن است گمراه کننده باشند. شکل 2.4 میزان رطوبت کاغذ را در RH 35 درصد به عنوان تابعی از زمان کاغذ در RH 65 درصد و دمای 21 درجه سانتی گراد (70 درجه فارنهایت) نشان میدهد. در این شرایط، کاغذ (میانگینی از چندین نمونه) در زمان 0.5 ساعت 36 درصد، در 1 ساعت 52 درصد، در 4 ساعت 86 درصد و در 6 ساعت 92 درصد وزن را به دست آورده است. هنگامی که کاغذ در RH 35 درصد از RH 65 درصد باشد، به طور متوسط 62 درصد از آب پس از 2 ساعت از بین می رود، 72 درصد پس از 4 ساعت از بین می رود، 86 درصد پس از 24 ساعت از بین می رود و پس از 48 ساعت 92 درصد از بین می رود.

جدول 2.1 نتایج تستهای دانشجویان OSU از نمونه های آزمایشگاهی از سال 1976

paper sample: نمونه کاغذ، Basis Weight: وزن پایه، Density: چگالی، Tensile Strength: استحکام کششی، Tear Strength: استحکام گسیختگی، Double Fold: تاشوندگی دوبرابر، Gurley Porosity: تخلخل گورلی، Cobb Size: مقدار آب جذب شده، Elrepho Brightness: درخشندگی الرفو، Printing Opacity: شفافیت چاپ، Onionskin: کاغذ نازک، Cascade duplicator: سیستم تکثیر آبشاری، Filter paper: کاغذ صافی (فیلتر)، Vellum tracing: کاغذ پوستی، Pamphlet cover: پوشش دفتر و جزوه، Lightweight letterhead: عنوان خلاصه­ی چاپی بالای کاغذ، wrapping postal: بسته­بندی پستی، Straw corrugating medium: کاغذ پوشالی، Recorder paper: کاغذ بایگانی

ادامه­ ی جدول

Manila envelope: پاکت مانیل، Newsprint: روزنامه، Kraft bag: کیف کرافت، Notepad: دفترچه یادداشت، Action paper: کاغذ گزارش، Index card: کارت فهرست

جدول 2.2 مقادیر رطوبت کاغذهای مختلف در RH 50 درصد و 72 درجه فارنهایت

یکی از بزرگترین نشریاتی که از سال 1937 ویژگیهای کاغذ را به عنوان تابعی از رطوبت ارائه می دهد نشریه­ی کارکنان انستیتوی شیمی کاغذ (IPC) است. داده های این مطالعه که در جدول 2.3 ارائه شده، در خصوص تغییرات در ویژگی های ساختاری چهار نوع کاغذ به عنوان تابعی از RH در دمای 21 درجه سانتیگراد (70 درجه فارنهایت) است. (داده های اصلی با RH 65 درصد به عنوان مبنای استاندارد آزمایش کاغذ در آن زمان ارائه شده است.) داده‌های مربوط به اندازه و انبساط خطی نیز در این مرجع در دسترس هستند. با وجود اینکه برخی داده های این جدول متناقض هستند، و اگر اطلاعات دیگری در دسترس نباشد این روند درست است و معیار خوبی برای درجه بندی کاغذ به شمار میرود. نتایج تحقیقات کارسون (1944) که استحکام تا شوندگی کاغذ را به عنوان تابعی از RH مورد بررسی قرار داده در جدول 2.4 ارائه شده است. همانطور که در این مطالعات نیز نشان داده شده است، با تغییرات RH در محدوده­ی شرایط نرمال، ویژگی های استحکامی ممکن است تا 40 درصد متفاوت باشند. در واقع مقادیر تا شوندگی با ضریب 5 تغییر میکنند. با در نظر گرفتن اینکه رطوبت روی خصوصیات کاغذ اهمیت دارد، فرض می­شود که این موضوع به خوبی مورد مطالعه قرار می گیرد تا تولید کنندگان بتوانند به مشتریان خود کمک کنند تا بدانند که مواد آنها تحت شرایط مختلف چگونه رفتار خواهد کرد. کاغذهای ساخته شده بلافاصله از حلقه هایی که قبل از آزمایش در شرایط مطلوب نبودند و امکان وجود رطوبت در زیر کاغذ در یک اتاق استاندارد در مدت زمان 1 ساعت داشته اند خارج می­شوند. از آنجایی که امکان دارد خواص کاغذ بطور قابل توجهی در محدوده ­ی رطوبت متفاوت باشد، انتظار می رود که مشکلات چشمگیری در اندازه گیری و کنترل کیفیت خواص کاغذ وجود داشته باشد. اهمیت کنترل RH در طول پردازش کاغذ و پارچه مشخص است. به همین دلیل در قرن اخیر ویلیس کاریر چندین واحد تهویه را در فروشگاه های نساجی و چاپخانه نصب کرد. این واحدها برای تهویه­ی هول بودند، نه خنک کننده­­ی هوا. سه نوع کاغذ ذکر شده در این بخش، نمونه ای عالی و کامل است و برای اطلاعات بیشتر در مورد این موضوع باید این کارها را الگو قرار داد.

شکل 2.3 رطوبت متعادل چهار نوع کاغذ با افزایش یا کاهش رطوبت نسبی (RH). خط پایین برای کاغذ با RH رو به افزایش است. داده ها از Jarrell در سال 1927 به دست آمده اند.

شکل 2.4 افزایش رطوبت کاغذ در 35 درصد رطوبت نسبی (RH) در مقابل رطوبت نسبی 65 درصد در 21 درجه سانتیگراد. مقیاس محور X لگاریتمی است. داده ها از Jarrell در سال 1927 به دست آمده اند.