Древесина является основным сырьём для производства бумаги и представляет собой сложный биокомпозит, состоящий из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина. Целлюлоза — это линейный полисахарид, состоящий из β-D-глюкозных остатков, соединённых β(1→4)-гликозидными связями. Она формирует микрофибриллы, обеспечивая механическую прочность древесины. Гемицеллюзы — это гетерополисахариды с разветвлённой структурой, включающие ксиланы, маннаны и арабиноксиланы, которые выполняют роль «цемента», связывая целлюлозные микрофибриллы. Лигнин — сложный фенольный полимер, придающий древесине жёсткость, гидрофобность и стойкость к биологическому разложению.
Процесс превращения древесины в бумагу начинается с химической или механической обработки для извлечения целлюлозы. В химической переработке широко применяются сульфатный (сульфитный) и сульфатно-щелочной (сульфатный крафт) методы, которые используют щёлочи и сернистые соединения для разложения лигнина и гемицеллюз. Лигнин гидролизуется и превращается в растворимые фенольные соединения, что позволяет отделить его от целлюлозы. В результате получается пульпа с высокой чистотой целлюлозы, пригодная для дальнейшего формирования бумаги.
Механическая обработка древесины включает размельчение и распыление древесного сырья на волокна. Этот метод менее затратен, однако в полученной пульпе остаётся значительное количество лигнина, что приводит к снижению долговечности бумаги и её желтению при хранении.
Беление — ключевой этап, направленный на удаление остаточного лигнина и придание бумаге светлого оттенка. Используются хлорсодержащие соединения, диоксид хлора, озон, перекись водорода. Основные реакции включают окисление фенольных гидроксильных групп лигнина и разрыв сложных ароматических структур. Перекись водорода и озон действуют как мощные окислители, не образующие стойких хлорорганических соединений, что делает их экологически предпочтительными.
Для придания бумаге специфических свойств применяется химическая модификация целлюлозы. Карбоксиметилцеллюлоза и этилцеллюлоза получают путём замещения гидроксильных групп целлюлозы на карбоксиметильные или этильные. Это изменяет растворимость и гигроскопичность, улучшает формовочные и прочностные характеристики бумаги. Сшивка целлюлозных волокон с помощью альдегидов и диизоцианатов увеличивает механическую прочность, особенно в влажном состоянии.
В процессе производства бумаги вводятся минеральные наполнители (каолин, тальк, карбонат кальция), улучшающие гладкость, непрозрачность и печатные свойства. Полимерные связующие и смолы повышают водостойкость и долговечность листов. Лигнин-связывающие агенты и поверхностные активные вещества применяются для стабилизации пульпы и уменьшения склонности к агломерации волокон.
Современные подходы в бумажной промышленности включают ферментативную обработку целлюлозы и лигнина. Лигиназа и целлюлозаза из микроорганизмов обеспечивают селективное разрушение лигнина и частичную деполимеризацию целлюлозы при мягких условиях. Это снижает потребление химических реагентов и энергозатраты, а также уменьшает экологическую нагрузку.
Производство бумаги связано с образованием сточных вод, содержащих фенольные соединения, хлорорганику и коллоидные частицы целлюлозы. Современные технологии направлены на замкнутые циклы воды, использование безхлорных окислителей и биологическую очистку стоков. Оптимизация химических процессов позволяет снизить образование токсичных побочных продуктов и повысить устойчивость бумажной промышленности к экологическим стандартам.
Основой химии бумажной промышленности является понимание строения природных полимеров древесины и их химической трансформации. Контроль процессов извлечения, модификации и беления целлюлозы позволяет создавать материалы с заданными механическими, оптическими и функциональными свойствами. Современные исследования направлены на интеграцию биотехнологий и экологически безопасных химических методов для повышения эффективности и устойчивости производства бумаги.