Оптические свойства бумаги

   ОПТИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА БУМАГИ 

   Под оптическими свойствами бумаги понимается широкий круг ее свойств, и в первую очередь светопроницаемость, прозрачность и белизна бумаги. К оптическим свойствам могут быть отнесены и  другие свойства бумаги, определяемые оптическими методами исследований: цветность, равномерность просвета, гладкость и лоск поверхности. Эти свойства рассматриваются лишь в связи с их влиянием на другие важные свойства бумаги, в частности на свойства бумаги, называемые печатными.

   При прохождении луча света из среды с показателем преломления n₁ в оптически более плотную среду с показателями преломления n₂(n₂>n₁) имеет место отклонение в направлении светового луча, как показано на рис. 1. При этом часть световой энергии, падающей на входную поверхность тела (бумаги), отражается от этой поверхности, часть поглощается (абсорбируется) телом, и часть ее проникает через выходную поверхность тела.

   Если  принять, что I₀ — энергия света, падающего на входную поверхность бумаги; I₁— энергия света, проникающего через выходную поверхность бумаги; I₂ — энергия света, отраженного от входной поверхности бумаги; I₃ — энергия света, поглощенного бумагой, тогда получим

   I₁+I₂+I₃=I₀ 

   Разделим  обе части выражения на I₀. 

   I₁/I₀+I₂/I₀+I₃/I₀=1 

   где I₁/I₀=T — светопроницаемость бумаги; I₂/I₀=S — светорассеяние бумаги; I₃/I₀=K —светопоглощение бумаги.

   Таким образом T+S+K=1. Величины T, S и K часто выражают в процентах. В этом случае T₁+S₁+K₁=100%.

   Для получения максимального значения какого-либо одного из слагаемых (например, светопроницаемости бумаги) нужно, чтобы остальные слагаемые (для данного примера светорассеяние и светопоглощение) были минимальными.

   Следовательно, если лучи света проходят через бумагу без поглощения и рассеяния, то бумага идеально светопроницаема и бесцветна. При полном светопоглощении бумага не будет светопроницаема и будет выглядеть черной. Очевидно, что при полном светорассеянии бумага не будет пропускать через себя свет и будет выглядеть белой.

    К большинству  видов бумаги, используемых для письма и печати, предъявляется требование непроницаемости к световым лучам с тем, чтобы текст, написанный или напечатанный на одной стороне листа, не просвечивал на другую сторону. Это требование особенно важно для тонкой бумаги, которую труднее изготовить непрозрачной. Такая бумага в противоположность прозрачной должна обладать возможно более высокими показателями светорассеяния и светопоглощения.

   На  непрозрачность окрашенной бумаги существенно влияет цвет красителя, которым окрашена бумага. Наиболее эффективны черные и синие красители, затем зеленые и красные, а далее оранжевые и желтые. Последние менее других указанных

   способствуют  увеличению непрозрачности бумаги. Если абсолютно черный краситель поглощает  весь спектр видимых лучей, то абсолютно  белый характеризуется тем, что его коэффициент светорассеяния не зависит от длины волны падающего на него света в видимой части спектра.

   Природа цветности бумаги заключается в  избирательности поглощения бумагой  световых волн определенной длины. Наибольшую длину волны (625—759 нм) в видимом спектре имеет красный цвет, наименьшую (393—450 нм) — фиолетовый.

   Если  краситель или окрашенная им бумага поглощает особенно сильно определенные составляющие (дополнительный цвет), то краситель и бумага выглядят цветными. Таким образом, то, что человек ощущает в качестве цвета предмета, является не поглощенной, в отраженной предметом частью видимого света.

   Светопроницаемость  и прозрачность. В бумажной промышленности при рассмотрении оптических свойств  бумаги условно различают понятия  светопроницаемости и прозрачности. Под светопроницаемостью бумаги понимают способность ее пропускать падающий свет. Определяется светопроницаемость бумаги в проходящем свете (рис. 2, а).

   Прозрачностью бумаги называется степень видимости  в отраженном свете через бумагу знаков и рисунков, нанесенных на подложке (рис. 2, б).

   Хотя  методы определения светопроницаемости и прозрачности принципиально различаются, тем не менее наиболее светопроницаемая бумага будет и наиболее прозрачной. Это дает основание условно именовать бумагу, отличающуюсявысокой степенью светопроницаемости и прозрачности, одним термином — высокопрозрачная бумага.

   Светопроницаемость  бумаги зависит от вида использованных полуфабрикатов, степени их помола, наличия в композиции бумаги наполняющих  и окрашивающих веществ, а также от характера поверхности бумаги. При покрытии поверхности бумаги меловым слоем повышается ее непрозрачность, которая возрастает с увеличением толщины этого слоя.

    Растительная  клетчатка сама по себе бесцветна  и прозрачна. Растительные волокна непрозрачны, так как содержат лигнин, смолу и другие вещества, придающие непрозрачность и имеющие оттенки от белого до темно-коричневого.

   Наименее прозрачными являются волокна древесной массы, содержащие почти полностью все компоненты исходной древесины. Поэтому введение древесной массы в композицию бумаги способствует снижению ее показателей прозрачности и светопроницаемости. Из различных видов целлюлозы наибольшей непрозрачностью отличается целлюлоза из эспарто, затем из древесины лиственных пород, хвойных пород и, наконец, из соломы.

   Добавка в композицию бумаги к хвойной  целлюлозе некоторого количества лиственной целлюлозы (особенно сульфатной из древесины  бука) повышает непрозрачность бумаги. Наличие красителя в бумаге приводит к возрастанию светопоглощения, в связи с чем уменьшается светопроницаемость бумаги.

   В практике бумажного производства для  придания бумаге непрозрачности в бумажную массу обычно вводят минеральные  наполнители. Чем больше различие в  коэффициентах преломления лучей  у минерального наполнителя и целлюлозных волокон, из которых изготовлена бумага, тем более высоким оказдвается эффект непрозрачности. В табл. 1 приведены Сведения о коэффициентах преломления лучей целлюлозы разными наполнителями и некоторыми веществами, вводимыми в композицию бумаги.

   Из  данных табл. 1 следует, что наибольшую непрозрачность бумаге, состоящей из волокон целлюлозы, придает двуокись титана при использовании ее в  качестве минерального наполнителя  или в покровном слое бумаги. Несмотря на высокую светопроницаемость воздуха, его пузырек в бумаге нарушает оптическую однородность среды и бумага становится менее светопроницаемой. Точно так же пузырек воздуха в оконном стекле делает стекло в этом месте непрозрачным.

   Чем выше плотность бумаги и чем больше вытеснен воздух из ее толщи, тем прозрачнее оказывается бумажный лист.

   Таблица 1. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЛУЧЕЙ СВЕТА 

   Именно  на этом основана технология изготовления прозрачной чертежной кальки, получаемой путем уплотнения пергамина (бумага из целлюлозы жирного помола) в суперкаландре.

   Еще больше возрастает прозрачность бумаги, если ее пропитать маслом или керосином, коэффициент преломления лучей  которых близок к коэффициенту преломления лучей целлюлозой. При этом вследствие вытеснения из бумаги воздуха создается оптически однородная среда. На этом принципе пропитки основан способ получения некоторых видов прозрачной бумаги (абажурной и др.). Очевидно, что прочность бумаги после подобной пропитки снижается из-за ослабления сил связи между волокнами.

   Как видно из табл. 1, целлюлоза, крахмал  и гипс имеют один и тот же коэффициент  преломления лучей. Казалось бы, на первый взгляд, что гипс и крахмал  вместе с целлюлозой создают оптически однородную среду. На самом деле это не совсем так. Гипс, как и другие минеральные наполнители бумаги, повышает ее пористость, а вместе с тем и содержание в бумаге воздуха, чем создает оптическую неоднородность среды. Поэтому прозрачность бумаги он не повышает. Однако если бумагу, содержащую гипс, пропитать веществом, имеющим близкий к целлюлозе коэффициент преломления лучей, то это вещество, вытеснив из бумаги воздух при заполнении ее пор, создаст оптически однородную прозрачную среду. Поэтому для сохранения белизны и непрозрачности бумаги после парафинирования или после пропитки синтетическими смолами (при изготовлении слоистых пластиков) не рекомендуется в бумаге-основе использовать гипс в качестве минерального наполнителя. В данном случае наилучший эффект получается при использовании двуокиси титана.

   В отличие от гипса применение в  композиции бумаги крахмала, имеющего также одинаковый с целлюлозой коэффициент  преломления лучей, повышает прозрачность бумаги. Крахмал равномерно распределяется в бумажной массе, что способствует получению прочной бумаги с сомкнутой структурой. Усадка при сушке такой бумаги увеличивается, в ней меньше содержится воздуха, и прозрачность бумаги оказывается повышенной. Именно поэтому, а также для повышения прочности бумаги и ее поверхности крахмал вводят в композицию некоторых высокопрозрачных видов бумаги. Для этой цели может быть использована и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы.

   При выработке высокопрозрачных видов бумаги не рекомендуется доводить размол до слизеобразования при фибриллировании волокнистого материала. Хотя слизь склеивает волокна и повышает сомкнутость листа, тем не менее ее присутствие нежелательно, так как слизь обычно образуется в бумажной массе сгустками, вызывающими неоднородность бумаги и возникновение в бумаге местных напряжений, проявляющихся при сушке в виде коробления поверхности. Вместе с тем наряду с длинными, хорошо фибриллированными волокнами в бумажной массе в результате размола должно присутствовать небольшое количество мелких волокон. При таком полидисперсном составе волокнистой массы получается наиболее компактная структура листа, при которой мелкие волокна хорошо заполняют все промежутки между длинными волокнами.

   При выработке прозрачных видов бумаги желательно бумагу в целях ее хорошего уплотнения пропускать через несколько  прессов, полезно использовать полусухой  пресс, а сушку бумаги осуществлять при умеренной температуре поверхности  сушильных цилиндров.

   Маркировка  поверхности бумаги от сетки и  сукон увеличивает шероховатость  поверхности бумаги, следовательно, увеличивается светорассеяние от этой поверхности и уменьшается прозрачность бумаги. Поэтому при выработке  высокопрозрачных видов бумаги рекомендуется использовать одежду машины, не вызывающую заметной маркировки на поверхности бумаги.

   Покрытие  поверхности бумаги лаком резко  увеличивает гладкость бумаги, однако лакированная бумага будет прозрачной только в том случае, когда коэффициент  преломления лучей лаком и целлюлозой имеет примерно одну и ту же величину.

   Кроме того, лак должен быть надлежащей вязкости, позволяющей ему проникнуть в поры бумаги, вытеснив при этом воздух. Для повышения прозрачности бумаги могут быть использованы, например, нитроцеллюлозный или поливинилбутиральный лаки.

   Белизна и ее стабильность. Для многочисленных видов бумаги (для печати и письма, чертежной, рисовальной, фотографической) белизна является важным показателем  качества, поскольку текст, чертеж или  рисунок, напечатанные, выполненные рейсфедером, пером, кистью или фотографическим способом, в зависимости от белизны бумаги в большей или в меньшей степени контрастируют с поверхностью бумажного листа. Это во многом определяет потребительскую ценность бумаги.

   Белизна бумаги зависит от степени белизны волокон, из которых она состоит, а также от содержания минеральных наполнителей, проклеивающих и окрашивающих веществ. Известно, что белизна по фотометру волокон белой древесной массы составляет 55—65%, а небеленой сульфитной целлюлозы 50— 65 %. Поэтому для повышения белизны бумаги из этих волокнистых материалов в.их композицию вводят минеральный наполнитель, имеющий белизну не ниже 70—75 %. Так как у беленой сульфатной целлюлозы белизна составляет 80—90 %, то для ее повышения наполнитель должен иметь белизну не менее 85—90 %. Более высокой белизной (90—95 %) отличаются хлопковые беленые волокна. В этом случае используемый минеральный наполнитель должен иметь белизну не менее 92 %. При прочих равных условиях уменьшение размеров частиц белого наполнителя способствует повышению белизны бумаги.