Введение

Как было отмечено в первой части, к неметаллам относятся вещества, у которых при понижении температуры, коэффициент электросопротивления возрастает.

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резина, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость, эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы, часто незаменимы. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании.

Неметаллические материалы находят широкое применение в различных областях промышленности. В данной главе будут рассмотрены неметаллические материалы, используемые в полиграфии: бумага, краска, полимеры, клеящие вещества, переплетные и отделочные материалы.

1. Производство бумаги

1.1. Введение.

В производстве издательской полиграфической продукции и в специальных видах печати, помимо бумаги применяются: картон, ткани, секло, пластмассы, полимеры и др. Но важнейшим запечатываемым материалом в полиграфии является бумага.

Бумага – это тонкий листовой материал, состоящий из переплетенных и скрепленных между собой растительных волокон. Помимо волокнистого материала для придания бумаге необходимых свойств в ее состав могут вводиться наполнители, проклеивающие и красящие вещества, и некоторые специальные добавки.

Бумага отвечает многим потребительским, технологическим и экономическим требованиям. Тонкий, достаточно прочный лист бумаги имеет ровную поверхность, белизна которой обеспечивает качество изображения. Пористая структура бумаги способствует закреплению на ней краски.

При всех достоинствах бумага имеет и недостатки, главным из которых является чувствительность к воздействию влаги, а также неоднородность структуры и свойств.

1.2. Целлюлоза – основа бумаги.

Волокна, являющиеся основой структуры бумаги, представляют собой тонкие (0,02-0,05 мм) частицы, длина которых составляет 50 – 500 мм. Для производства бумаги волокна должны обладать следующими свойствами:

1. Достаточной гибкостью для их переплетения и образования бумажного листа.

2. Способностью размалываться (фибриллироваться) с расщеплением на микро волокнистые частицы (фибриллы), что способствует сцеплению волокон.

3. Способностью скрепляться между собой за счет молекулярных сил для обеспечения прочности листа.

В технике применяется большое количество волокнистых материалов: хлопок, шерсть, лен, шелк, капрон, лавсан, асбест, стекловолокно и др. Гибкость присуща многим из них, но способностью размалываться и скрепляться обладают только растительные волокна, содержащие целлюлозу. По этому основным сырьем для производства бумаги является древесина, содержащая до 50% целлюлозы. Выделенная из растений целлюлоза представляет собой белый неплавкий материал нерастворимый в различных растворителях, гигроскопичный и набухающий в воде. Ее плотность составляет примерно 1,5 г/см².

По химическому строению целлюлоза является высокомолекулярным веществом – углеводом. Ее молекулы состоят из звеньев – остатков  – d-глюкозы, 1,4 – гликозидными связями.

Число звеньев в макромолекулах целлюлозы различного происхождения изменяется от нескольких сотен до 10⁴ и более. Из химической формулы целлюлозы (рис. 1) следует, что каждое мономерное звено соединено гликозидными связями с двумя соседними, без разветвления молекулярной цепи. Это придает макромолекулам гибкую линейную структуру.

Наличие в целлюлозе ОН - групп придает бумаге гидрофильность и гигроскопичность благодаря чему она поглощает влагу из воздуха и набухает в воде.

Рис. 1. Формула целлюлозы

Благодаря линейной структуре макромолекулы целлюлозы располагаются в растительных клетках параллельно друг другу, образуя фибриллы, являющимися структурными элементами целлюлозного волокна (рис. 2). Между собой макромолекулы скрепляются водородными связями.

Рис. 2. Схема фибриллярного строения волокна целлюлозы:

а – кристаллические участки, б – аморфные участки, 1 – макромолекулы целлюлозы, 2 – связи между макромолекулами, 2а – водородные связи, 2б - гликозид – гидроксильная связь, 3 – микрофибриллы.

Фибриллы имеют разную толщину. В целлюлозе разного происхождения встречаются микрофибриллы толщиной от 5 до 30 нм, которые объединяются в более крупные макрофибриллы толщиной до 0,1-0,4 мкм. Длина микрофибрилл близка к длине макромолекул. Совокупность пучков макро и микрофибрилл образует собственно волокно.

Особенностью линейных макромолекул является их гибкость, связанная с вращением звеньев цепи вокруг валентных связей. И хотя в волокне оно сильно ограничено, линейные макромолекулы придают гибкость фибриллам и волокнам. Это важно для формирования лиса бумаги, т.к. переплетение было бы невозможно в случае жестких несгибаемых частиц.

Линейное строение макромолекул способствует их плотной упаковке так, что возникают области с кристаллической структурой, причем кристаллические участки чередуются с аморфными, менее плотными и прочными. Поэтому при размоле отдельные волокна расщепляются по аморфным межфибриллярным участкам и поверхность волокон, покрываясь микроволокнистыми фибриллами, становится ворсистой (фибриллирование). Это обеспечивает плотное переплетение и лучшее сцепление волокон при формировании бумаги. Образованию листа также способствует малая прочность водородных связей по сравнению с ковалентной и ее способность разрушаться в водной среде. Энергия водородной связи составляет 20-40 кДж/моль, энергия водородной 450 кДж/моль. Это позволяет при переработке природного сырья расчленить его на волокна и фибриллировать их. А при образовании бумажного листа вновь образующиеся водородные связи обеспечивают сцепление в местах контактов и зацеплений волокон и фибрилл.

Таким образом, химическая структура целлюлозы создает оптимальный комплекс свойств для производства бумаги: способность к фибриллированию, гибкость необходимую для сцепления, и способность к установлению водородных связей.