Category Archives: Papirkjemi

Papirets kjemi

Papiret har lenge vært den tradisjonelle bærer av informasjon og det finnes av den grunn rikelig med papir på Riksarkivet. Papir er et fantastisk materiale, og er det laget uten å bruke store mengder forurensende stoffer, kan det ha en svært lang levetid. Årsaken til at vi kan lage papir av plantefibre er cellulosen, et polysakkarid som består av mange sammenlenkede glukoseenheter.

Karbohydrater deles inn i tre grupper avhengig av molekylstørrelsen: monosakkarider, oligosakkarider og polysakkarider. Glukose er den enkleste formen for karbohydrat, et monosakkarid. Monosakkarider kan reagere med andre monosakkarider og danne polysakkarider – slik mange glukoseenheter danner cellulose.

Planten lager sin egen glukose ved hjelp av klorofyll gjennom fotosyntesen. Fotosyntesen er en kompleks prosess som jeg ikke tør gå nærmere inn på, men i all enkelhet produserer klorofyllet glukose fra karbondioksid (CO2), vann (H2O) og sollys. Karbondioksid omdannes altså til karbohydrater. Klorofyll er et pigment som absorberer noe rødt og noe blått lys. Karotenoider beskytter klorofyllet og er alltid tilstede i bladene; om våren, sommeren og om høsten. Vanligvis er klorofyllet mer framtredende og bladene har en grønn farge. Om høsten brytes klorofyllet ned, og vi kan se karotenoidene: bladene blir gule, orange og røde – gulrotfargede.

Glukose bindes sammen til å danne cellulose. Glukose har ringstruktur, en mer stabil struktur enn en rett kjede. To av disse ringene speilvendes i forhold til hverandre. Disse to ringene tilsammen kalles et cellobiose molekyl.

cellulose

Cellobiose molekylene lenkes sammen i lange kjeder – opptil 12000. Enhetene er egentlig en form for hexagoner. Om du har et hexagon så kan du, ved å vri og vende litt på det, danne ni ulike former.

hexagon

Atomene som former ringen er positivt eller negativt ladet. Innenfor ringen er det derfor energi, en evig knuffing av tiltrekkelse og frastøtelse. Formen disse molekylene danner er fortrinnsvis den som krever minst mulig energi. Derfor dannes en stolform, cellulosens kjennetegn. Stolformene speilvendes mot hverandre og danner en rett kjede; et komplekst karbohydrat – polysakkarid.

celloluserekke



Vann er vesentlig i papirlaging. Vann består av to hydrogenatomer og et oksygenatom. Det er rikelig med oksygenatomer og hydrogenatomer i cellulose, og de binder seg til hverandre. Oksygenatomet er negativt ladet, hydrogenatomene er positivt ladet – derfor er de tiltrukket av hverandre og skaper bånd som kalles hydrogenbroer. Hydrogenbroene går i nettverk i alle retninger blant cellobiose-molekylene. Når disse broene legger seg oppå hverandre i flere, komplekse lag dannes mikrofibriler.

Alle planteceller har en tynn vegg kalt primærcellevegg. I enkelte celler som skal være særlig sterke, dannes en sekundærcellevegg mellom primærcelleveggen og plasmamembranen. Det som er interessant i denne sammenheng, uten at jeg skal late som om jeg er botaniker, er at den sekundære veggen er impregnert med lignin som gjør veggen ekstra sterk. Ligninet gir planten styrke og støtte slik at den kan strekke seg høy og ikke kollapse. For ytterligere styrke ligger pektinet mellom mikrofibrilene og i celleveggene. Planten er av flere årsaker avhengig av pektin og lignin, og når man skal lage syltetøy er det pektinet som gjør syltetøyet stivt. Men i papirsammenheng er pektinet og ligninet stoffer som bryter papiret ned, de er selvnedbrytende. Derfor må disse fjernes før man lager papirmassen. Fotografiet nedenfor viser hvordan ligninet og pektinet fjernes ved å koke det i sterk base, foreksempel kaustisk soda eller aske.

koke_kozo

Det er altså fullt av mikrofibriler i planter, men noen områder står tilbake i cellulosen hvor vann kan trenge inn – og gjør cellulosen fleksibel. Mange lurer på hva slags lim jeg bruker når jeg lager papir – for å holde fibrene sammen. Det som er så flott med cellulose er at det trengs ikke lim. Når man legger cellulose i vann, så absorberes vannet. Når dette skjer, mister cellulosen alle positive og negative ladninger – de forsvinner med vannet. Omtrent som når man tover ull, hekter fibrene seg da på hverandre. I selve papirmakerprosessen når man fordeler fibrene og vannet i papirrammen, så rister man først bort deler av vannet når man løfter papirrammen opp av badet. Når papiret er lagt over på filt, presses vannet ytterligere ut. Sist tørkes papiret og resten av vannet blir nesten helt borte. Noe vann blir igjen i papiret, men når papiret er tørt så formes igjen hydrogenbroene. Og hydrogenbroene fortsetter å formes i papirets første leveår, og papiret blir sterkere og sterkere etterhvert som det tørker. Derfor bør egentlig et papir modnes et år før det tas i bruk.

Selvom cellulosen i plantene gjør at papiret bindes uten lim eller andre bindemidler, hører man allikevel om liming av papir. Om du har forsøkt å skrive med en blekkpenn på et avispapir eller en dorull, så flyter blekket utover. Om dette sier papirmakere at papiret blør. For å gjøre papiret lettere å skrive på, så limer man papiret. Enten internt, i papirmassen før man lager papiret. Eller eksternt, etter at papiret er laget og tørket.

papirpulpPapir absorberer også vann fra atmosfæren og vil i fuktige omgivelser svelle noe og bli mer fleksibelt. I tørt vær blir papiret stivere og sprøere. Vann er vesentlig i papirmakeri, og i papirets levetid vil det alltid tørste etter vann. Om papiret er blitt gammelt og stivt liker det å få et bad. Om man bader et eldre ark, vil hydrogen-broene brytes og papiret vil få nytt liv. Dette er årsaken til at man kan resirkulere papir til helt nye ark, født påny av gamle papirer. Dette avhenger allikevel av kvaliteten på det opprinnelige papiret. Man får aldri bedre papirer enn papirmassen man arbeider med. Papir og vann er tett forbundet på en god måte. Metall og papir er derimot ingen god kombinasjon: metallet ruster etter å ha sittet klemt fast i papiret som en binders, og papiret blir sprøtt og kan lett løses opp i små, sprø flak.

Kilder:
Van Velzen: “A Perfect Liaison – How Water and Fibres Unite to Make Paper”, i “Pure Paper 5 – From Fibre to Paper”, Holland 2008
Mauseth “Botany – an Introduction to Plant Biology”, 2003
“Papermaking Industries, Chemical Process”, Encyclopedia Britannica Bd. 21
“Carbohydrates, Biochemical Components of Organisms”, Encyclopedia Britannica Bd. 14
Frogner: “Farge og fiber”, Oslo 1995
Hiebert: “The Secret to Good Pulp – Fibre Preparation is Essential for Good Paper”, “Pure Paper 6, Natural Paper”, Holland 2008
Casey: “Pulp and Paper – Chemistry and Chemical Technology, vol 2 Papermaking”, 1967

http://snl.no/biologiske_membraner

http://snl.no/karbohydrater