صنعت کاغذ

کیفیت کاغذ بعضی کتاب‌ها و مجلات، بسیار عالی است. تولید کاغذ فرایند بسیار ساده‌ای است. تولیدکنندگان کاغذ الیاف گیاهی را در آب معلق می‌کنند و سپس آنها را از یک صافی الک گونه می‌گذرانند. آب از الک عبور می‌کند و ورقه‌ای از الیاف بر روی آن تشکیل می‌شود. همین ورقه الیاف است که پس از خشک شدن به ورق کاغذ تبدیل می‌شود. این فرایند اساسی از زمانی که در حدود 200 سال قبل از میلاد در چین برای اولین بار کاغذ ابداع شد، تا به اکنون تغییر نکرده است.
چینی‌ها اولین کاغذها را تقریباً به طور کامل از کنف می‌ساختند. بعدها هنگامی که تکنیک تولید کاغذ به غرب ممنتقل شد، از پارچه (یعنی مخلوطی از کنف و کتان) برای این کار استفاده کردند. در اوایل قرن بیستم پنبه‌ی ارزان قیمت، محصول صنایع رشدیابنده‌ی نساجی، به تدریج جای کنف را گرفت. صنعت تولید کاغذ از کاه و نعناع وحشی نیز برای تولید کاغذ استفاده کرده است، ولی قسمت عمده کاغذ از مغز چوب به دست می‌آید.
رایجترین چوب‌های نرمی که برای تولید کاغذ به کار می‌روند، چوب درختان کاج و صنوبر هستند. چوب‌های سخت عبارت‌اند از چوب درختان سپیدار، زان، غان، و اکالیپتوس.
انتخاب چوب به عنوان ماده‌ی اولیه‌ی تولید کاغذ از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است. دانشمندان پیوسته در این فکر هستند که درختان سریع رشد یابنده را پرورش دهند. در شرایط آب و هوایی مناسب، حداکثر میزان رشد یک درخت، 30 متر ارتفاع و 75 سانتیمتر تنه در طول مدت 5 سال است. 9 سال می‌کشد تا درختان کاج و صنوبر به سن بلوغ برسند.
ابتدا الیاف چوب را به طریق مکانیکی تهیه می‌کردند. تنه‌های بزرگ درختان به وسیله‌ی چرخ تراش مخصوص به باریکه‌های مجزا تبدیل و از آنها برای تکمیل الیاف‌های گران قیمت‌تر استفاده می‌کردند. نوز از این فرایند مکانیکی برای تولید کاغذهای ارزان روزنامه‌ها استفاده می‌شود، اگرچه امروز خمیر کاغذ از طریق شیمیایی نیز تهیه می‌شود. کلیه‌ی خمیرهای کاغذ به یکی از دو روش زیر تهیه می‌شوند.

تهیه کاغذ

روش تهیه مکانیکی

قسمت عمده‌ی کاغذ مجله‌ها از طریق مکانیکی عمل می‌آید. برای این کار پوست تنه‌ی درختان را می‌کنند و مغز چوب را به طریق مکانیکی آسیاب می‌کنند. در این فرایند، رطوبتی که در مغز چوب وجود دارد مهم است و به همین دلیل معمولا مغز چوب‌های خشک را مرطوب می‌کنند. بعد از آسیاب کردن، مغز چوب را از غربال‌هایی می‌گذرانند تا قسمت‌های آسیاب نشده از آن جدا شود.
در فرایند مکانیکی، الیاف چوب بر خلاف سایر الیاف، به طور کامل جدا نمی‌شوند. ماده‌ی لینین چوب که رشته‌های الیاف آن را به هم می‌چسباند و به چوب حالت سفت و سختی می‌دهد، باید از طریق شیمیایی حل شود، تا الیاف به طور کامل از هم جدا شوند.
یکی از فرایندهایی که در آنها کاغذ از طریق شیمیایی تولید می‌شود، فرایند سولفات (یا کرافت) است. در فرایند شیمیایی، تراشه‌های چوب را در محلول‌هایی که لینین را در خود حل می‌کنند، می‌جوشانند. کرافت یک کلمه‌ی آلمانی است و معنای آن "محکم" است. منظور از سولفات، سولفات سدیم است که برای جوشاندن چوب به کار می‌رود، اگرچه در این فرایند ئیدروکسید سدیم و سولفید سدیم عامل فعال هستند.
در فرایند شیمیایی مغز چوب به سلولوز تقریباً خالص تبدیل می‌شود. اگرچه معمولاً کاغذ را بعداً می‌شویند تا سفید شود، ولی تفاوت میان پرداخت شیمیایی و پرداخت مکانیکی از میان نمی‌رود. کاغذی که به طریق شیمیایی تولید می‌شود به طور قابل توجهی از کاغذ روزنامه سفیدتر است. رنگ کاغذ روزنامه به دلیل ناخالصی‌هایی که پس از پرداخت مکانیکی در آن باقی می‌ماند و همچنین به دلیل اینکه در فرایند مکانیکی الیاف‌های چوب به طور کامل از هم جدا نمی‌شوند، زرد رنگ است. کاغذی که به طریق مکانیکی تولید می‌شود، به دلیل آنکه تا حدودی تار است، برای چاپ مناسب است. اما همین کاغذ به مرور زمان و یا هنگامی که در معرض نور قرار می‌گیرد زرد رنگ می‌شود. دلیل این امر، وجود ماده‌ی لینین است که در خمیر کاغذ باقی می‌ماند.
در تولید کاغذ برای بعضی مجلات میان روش مکانیکی و روش شیمیایی توازن نسبتاً خوبی برقرار می‌شود. روش مکانیکی از روش شیمیایی ارزان‌تر است. معمولا برای جلد مجلات، به دلیل آنکه دایم در معرض نور هستند، از کاغذ تولید شده به روش شیمیایی استفاده می‌کنند، اما برای بقیه‌ی صفحات کاغذ تولید شده به روش مکانیکی به کار می‌برند. به همین دلیل، این نوع کاغذها به محض اینکه نور می‌بینند به اصطلاح پیر می‌شوند. معمولاً جلد مجلات کاغذهای داخل آن را در مقابل نور محافظت می‌کند. کیفیت بهتر کاغذ جلد مجله این مزیت را هم دارد که می‌توان بر روی آن عکس رنگی چاپ کرد و حالت جالب توجه و جذابی به مجله داد.
فرایند اسید سولفیت، که در سال 1870 ابداع شد، روش مهم دیگری برای حل کردن لینین به طریق شیمیایی است. در این فرایند، تراشه‌های چوب را با کلسیم ئیدروژن سولفیت و اسید گوگرد تا دمای حدود 180 درجه‌ی سلسیوس می‌جوشانند. بهره‌ی الیاف به دست آمده از چوب‌های نرم در این فرایند بین 45 تا 50 درصد است. این الیاف به راحتی قابل شستشوست و بنابراین در پرداخت‌های بعدی کاغذی تولید می‌کند که محکم و چگال است، اما خیلی کدر نیست.
در فرایند سولفیت خنثی، آمیزه‌ای از سدیم سولفیت و سذیم ئیدروکسید، لینین را در دمایی بین 186 تا 185 درجه‌ی سلسیوس حل می‌کند. بهره‌ی این فرایند70 درصد است. این محلول لینین را تا آنجا حل می‌کند که الیاف کاملاًاز هم جدا شوند و از خمیر حاصل برای تولید کاغذهای محکم مثل مقوا، و کاغذهای موج‌دار استفاده می‌کنند.
انتخاب نوع چوب نیز به نوع الیافی که در پرداخت تولید می‌شود بستگی دارد. چوب‌های نرم، معمولاً الیافی تولید می‌کنند که طول آنها پس از پرداخت شیمیایی، در حدود 3 میلیمتر است. طول الیاف حاصل از چوب‌های سخت معمولا بین 1 تا 2 میلیمتر است.

تهیه‌ی خمیر کاغذ

مرحله‌ی بعد در پرداخت خمیر، زبر کردن قسمت‌های خارجی الیاف است. این روش را روش رشته رشته کردن می‌گویند. در این روش پوسته‌ی خارجی جدارهای الیاف را به درجات مختلف می‌کنند و ریشه های کوچکی تولید می‌کنند. این فرایند مساحت سطح الیاف را افزایش می‌دهد و پیوند میان الیاف را در کاغذ پرداخت شده اصلاح می‌کند و در نتیجه میزان استحکام کاغذ را افزایش می دهد. همه‌ی الیاف گیاهی برای پرداخت به وسیله‌ی این روش مناسب نیستند. کنف از همه بهتر و راحت‌تر است، اما در عوض خیلی گران است.
یکی از اولین ماشین‌هایی که برای ناصاف کردن سطح الیاف به طریق مکانیکی به کار می‌رفت، کوبنده‌ی هولاندر نام داشت. این ماشین در اواخر قرن هفدهم متداول شد. این ماشین متشکل بود از یک استواننه با میله‌هایی آهنی در امتداد طول آن که به آن حالت شیار می‌داد. استوانه‌ی شیاردار به طور افقی در داخل یک لاوک بیضوی و در مقابل یک پایه‌ی قابل تنظیم می‌چرخید. الیاف معلق در آب هنگامی که از لای استوانه‌ی چرخان و پایه عبور می‌کردند، زبر می‌شدند. هنوز در تولید دستی از این کوبنده استفاده می‌شود، ولی در صنعت به جای این کوبنده از خمیرکن‌های ئیدرولیکی استفاده می‌کنند.
دستگاه خمیرکن، ظرف بزرگی به شکل فنجان است که یک برنده با سرعت زیاد در ته آن می‌چرخد. برنده خمیر را به طرف بالا پرتاب می‌کند و آن را به داخل تیغه‌ها برمی‌گرداند. این ماشین سریع نه تنها ورقه‌هایی از خمیر یا کاغذهای باطله، بلکه تمام یک توده‌ی خمیر را می‌تواند ببرد. عمل بریدن و رشته رشته کردن در این ماشین خیلی سریع‌تر از کوبنده صورت می‌گیرد.
تکنولوژی مدرن انواع مختلفی از تجهیزات سریع را برای خارج کردن ناخالصی‌ها، توده‌های الیاف، و اجسام خارجی از داخل خمیر کاغذ وارد بازار کرده است. این تجهیزات در بهتر کردن خواص الیاف و همچنین در بالا بردن کیفیت کاغذ تولید شده تأثیر زیادی داشته است.
در این فرایند، االیاف جذب آب می‌شود. الیاف خیس شده قابلیت انعطاف پیدا می‌کند و یک شبکه‌ی حصیری ریز بافت تشکیل می‌دهد. در نتیجه آب الیاف آزادانه از آن خارج می‌شود. طولی از الیاف که برای ماشین‌های کاغذسازی موجود مناسب است برابر 0.05 تا0.03 میلیمتر است. اگر الیاف سفت و اسفنجی باشند، کاغذ حاصل ضعیف، حجیم و شل خواهد بود که مشخصه‌ی کاغذهای کاهی است. اگر الیاف خیلی خیلی بلند باشند، هنگام معلق شدن در آب به هم می‌پیچند و ورقه‌هایی با لکه‌های اضافی تولید می‌کنند. و اگر خیلی خیلی کوتاه باشند قدرت پیوند آنها در داخل ورقه‌ی کاغذ خیلی ضعیف می‌شود. اگر میزان کوبیدن بیش از حد زیاد باشد، کل ساختار الیاف در هم کوبیده می‌شود و نوعی ژله تولید می‌کند. از این خمیر برای تولید کاغذهای ضدچربی و شفاف استفاده می‌شود.
به طور کلی مقاومت فشاری، مقاومت تاشوندگی و مقاومت کششی کاغذ در اثر کوبیدن و در نتیجه افزلیش میزان رشته رشته شدن تا یک حد معین، افزایش می‌ یابد. اما مقاومت پارگی کاغذ با کوتاه شدن الیاف در اثر کوبیده شدن، به سرعت کاهش می‌یابد. در عمل نوعی توازن میان این شیوه‌های مختلف همواره ضروری است.

هنر تولید کاغذ

لباس سفارشی دوز

تا اوایل قرن نوزدهم تمامی تولیدکنندگان کاغذ، کاغذ را با یکی از دو روش دستی زیر تولید می‌کردند. در یک روش، یک قالب دست ساز را از داخل یک خمره‌ی الیاف معلق شده بیرون می‌کشیدند.
متناوبا قالب را در آب تمیز شناور می‌کردند و خمیر متراکم در آن می‌ریختند. خمیر به طور یکنواخت ذر باللای قالب توزیع و سپس قالب به عقب کشیده می‌شد.
ماشین کاغذسازی مدرن فورد رینیر نلم ددارد. در آن الیاف به روی سیم متحرک جاری می شود. تکان‌های از پهلو باعث می‌ شود که الیاف به طور یکنواخت توزیع شود. ابتدا مقداری از آب اضافی به طور خود به خود از الیاف خارج می‌شود، سپس جعبه‌های خلأ که در زیر سیم قرار دارند مقدار بیشتری از آب را می‌مکند. آن‌گاه کاغذ خیس به روی یک نمد متحرک منتقل می‌شود تا مقدار باز هم بیشتری از آب آن گرفته شود و بالاخره به روی استوانه‌های بزرگ با بخار داغ شده می‌رود و در آنجا مقدار رطوبت آن تا به 4 یا 6 درصد کاهش می‌یابد.
کیفیت کاغذهای تیره برای چاپ بهتر است، زیرا همین تیرگی باعث می‌شود که مطالب چاپ شده از طرف دیگر دیده نشود. صنعت کاغذسازی با افزودن چیزهایی به نام مواد افزودنی تیرگی کاغذ را افزایش می‌دهند.
تولیدکنندگان کاغذ ابتدا در سال 1733 گل چینی به الیاف اضافه می‌کردند. سپس در سال 1820 سولفات باریوم و بعدها در دهه‌ی 1920 کربنات کلسیم را نیز به آن افزودند. در سال‌های دهه‌ی 1930 کاربرد دی اکسید تیتانیوم ، که تیرگی کاغذ را به مقدار قابل توجهی افزایش می‌داد، رایج شد. این مواد افزودنی را در مرحله‌ی خمیر به کاغذ اضافه می‌کردند، بنابراین وقتی ورق کاغذ شکل می‌گرفت این مواد در میان الیاف آن رسوب می‌کرد. همین امر باعث می‌شد که سطح کاغذ صاف و هموار شود.
کلر از اولین مواد سفید کننده بود، اما اگر بعد از استفاده از کلر کاغذ را خوب نمی‌شستند، به سرعت تباهی پیدا می‌کرد. کاغذهای امروزی را با وسایل اپتیکی سفید می‌کنند. مثل پودرهای "سفیدتر از سفید" که نور فرابنفش را جذب و سپس آن را در گستره‌ی نور مرئی دوباره گسیل می‌کنند.
الیاف سلولوز رطوبت‌گیر هستند و بنابراین رطوبت هوا را به خود جذب می‌کنند. این الیاف برای تولید کاغذ خشک‌کن خیلی خوب هستند، اما برای کاغذ چاپ خوب نیستند. بنابراین کاغذ را باید در فرایندی به نام فرایند چسب اندودی یا آهار زنی ضد آب کنند.
در قدیم عامل اندود چسب آمیزه‌ای از ژلاتین و سولفات آلومینیوم بود. سولفات آلومینیوم را تولیدکنندگان کاغذ آلوم می‌گویند. آلوم پروتئین را لخته می‌کند و بنابراین با مقدار کمتری ژلاتین آهار سخت‌تری به کاغذ می‌دهد.
بعضی کاغذها از جمله کاغذهای ضد روغن و کاغذهای پوستی احتیاج به نوعی موواد افزودنی خاص دارند که آنها را همواره مرطوب نگه دارد. بنابراین، این نوع کاغذها هیچ وقت خشک نمی‌شوند. این افزودنی‌هاعمدتاً پلی ئیدروکسی آلی مثل دی اتیلن گلیکول ، سوربیتول، و مخلوطی از فروکتوز و گلوکوز هستند. سایر افزودنیها به اصلاح خواص کاغذ تولید شده، یا به آسانتر شدن پرداخت آن کمک می‌کنند.
کیفیت هر تصویری که بر روی کاغذ چاپ می‌شود به سطح ورق کاغذ بستگی دارد. تعداد زیادی عملیات پایانی وجود دارد که می‌توانند مشخصه‌های کاغذ را تغییر دهند. دو عملیات عمده عبارت‌اند از اندود کردن و نورد کردن.
اندود کردن فرایندی است که در آن یک لایه گل رس، یا سایر رنگدانه‌ها، قسمت پایه‌ی کاغذ را می‌پوشاند. مواد چسبناک لایه‌ی اندود را خوب به قسمت پایه می‌چسبانند. اندود معمولا هر دو طرف کاغذ را می‌پوشاند. در نتیجه سطح کاغذ هموار و برای چاپ آماده می‌شود. مواد چسبی عبارت‌اند از الکل‌های پلی وینیل و نشاسته‌ای که با فرایند شیمیایی اصلاح شده است.
ماشین پرس سطح کاغذ را صاف و هموار می‌کند. این فرایند در ساده‌ترین صورت به این ترتیب است که کاغذ به تعدادی استوانه‌ی قائم که سطح همه‌ی آنها از فلز کروم براق و داغ است خورانده می‌شود. این ماشین از طریق فشار و سرعت‌های چرخش مختلف ورقه‌ی کاغذ را فشرده و براق می‌کند. کنترل میزان رطوبت کاغذ در خلال این عملیات بسیار مهم است. غالبا باید آب به کاغذ اضافه شود تا کارایی درست خود را باز یابد.
"ته نشان" در اوراق بانکی ـ مثل اسکناس، سفته، اوراق بهادارـ بهترین آزمون برای تشخیص تقلبی یا واقعی بودن آنهاست. ته نشان واقعی در اثر راندن کاغذ از میان یک غلتک بخصوص، بر روی اوراق بانکی حک می‌ششود. در این غلتک‌ها یک شبکه سیمی وجود دارد و نقشی بر روی این شبکه سیمی دوخته شده است. غلتک کاغذ را در ناحیه‌ی شبکه‌ی سیمی و در محل سیم‌ها متراکم می‌کند و نقش دوخته شده را روی آن می‌اندازد. در نتیجه، کاغذ در این نواحی نازکتر در مقابل نور شفافتر از بقیه‌ی نواحی هستند.
کاغذهای مخصوص چاپ اسکناس را به دقت مراقبت می‌کنند. جاعلان اسکناس سعی می‌کنند با موم اندود کردن کاغذ، نقش ته نشان را تقلید کنند این موم اندودن، کاغذ را در مقابل نور شفافتر جلوه می‌دهد. اما کشف این موضوع بسیار راحت است، زیرا این نوع کاغذهادر محل نقش، آب را دفع می‌کنند، در حالیکه نقش روی اسکناس واقعی درست به اندازه‌ی بقیه‌ی قسمت‌های اسکناس آب جذب می‌کند، نه کمترـ نه بیشتر.
کیفیت نقش روی اوراق بانکی به الیاف‌های کاغذ بستگی دارد. کاغذ مخصوص اسکناس‌ حاوی لینین و مانیلا (یک الیاف گیاهی) است. طول این الیاف در حدود 2 تا 3 میلیمتر است که خیلی بلندند. الیاف‌های کوتاه برای فرایند ته نشان خیلی خوب هستند. اما در صورتی که الیاف به کار رفته در تولید کاغذ کوتاه باشد، غلتک بیش از حد کاغذ را تغییر شکل می‌دهد. درنتیجه طول الیاف یک عامل تعیین کننده در کیفیت کاغذ اسکناس است.

مشکلات آلودگی

کاغذ تمیز نداریم

آلودگی یکی از مشکلات عمده و سابقه‌دار صنعت کاغذ است. غلظت معمولی یک محلول تعلیق الیاف در حود یک درصد است. بنابراین، در حدود 100 برابر آب برای تولید یک مقدار معین کاغذ لازم است. به علاوه، فرایندهای شیمیایی مستلزم حدود 100000 تا 300000 لیتر آب برای تولید هر تن کاغذ است.
یک منبع تمیز و پرآب برای تولید کاغذ ضروری است، و به همین دلیل است که اکثر کارخانه‌های تولید کاغذ در کنار رودخانه قرار دارند. کنترل اکیدا بهداشت محیط، در این ارتباط، به این معنی است که این صنعت آلودگی ناشی از پرداخت شیمیایی خمیر کاغذ را به حد زیادی کاهش بدهد. اکنون کارخانه‌های کاغذسازی قسمت عمده‌ای از مواد شیمیایی دفع شده را، قبل از ورود به آب جاری، جدا می‌کنند و دوباره از آن استفاده می‌کنند.
با وجود این، سفیدکننده‌ها هنوز مشکلات زیادی ایجاد می‌کنند. سفید کننده‌ها معمولا بر سه نوع‌اند: کلر، پراکسید ئیدروژن، و دی اکسید گوگرد. کارخانه‌های کاغذسازی این مواد را ابتدا خنثی و رقیق می‌کنند و سپس آنها را به رودخانه تخلیه می‌کنند.
اگرچه اثر عمد‌ی کنترل‌های سفت و سخت بهداشت محیط در این جهت است که صننعت کاغذ سازی میزان آلودگیش را کاهش بدهد، اما این تمایل در آن دیده می‌شود که این مشکلات را به کشورهای توسعه نیافته، که در آنها مقررات دست و پاگیر کنترل بهداشت آنچنان دقیق نیست، منتقل کند.
در سوئد، یکی از کارخانه‌های کاغذ سازی اجازه ندارد یک نوع کاغذ با کیفیت بسیار عالی تولید کند، زیرا تولید این کاغذ مقررات کنترل آلودگی محیط را نقض می‌کند. این کارخانه به جای آنکه طرح تولید خود را مطابق با استانداردهای موجود در آن کشور تغییر دهد کارخانه‌اش را به برزیل منتقل کرده است.