Откуда берётся сухая прочность бумаги

Сухая бумага — необычное твёрдое тело: её волокна не склеены, не сплавлены и не приварены друг к другу. Лист обязан существованием воде, из которой он сделан: при сушке влажного полотна отступающие мениски стягивают волокна в плотный контакт, и гидроксильные группы обращённых поверхностей связываются. Поэтому сухая прочность живёт в двух величинах: какая площадь у волокон реально общая и сколько водородных связей на единицу этой площади переживает сушку. Всякая добавка прочности на рынке работает с одной из двух.

Площадь контакта, а не клей

Классическая теория прочности бумаги на разрыв, опубликованная Пейджем в 1969 году, описывает лист именно так: прочность растёт с общей (связанной) площадью между волокнами и с прочностью связей на ней — и падает, когда рвутся сами волокна. Связанная площадь задаётся геометрией: гибкостью и сплющиванием волокон, фибрилляцией поверхности, мелочью, заполняющей контакты. Размол её поднимает, расплющивая и фибриллируя волокна, — потому размол всегда был грубым инструментом прочности, оплаченным стоком воды и энергией. Прочность на единицу площади — это по большей части плотность доступных пар гидроксилов; наполнители разрывают контакты, поэтому наполнение удешевляет лист дважды: в материале и в сети.

Почему вода побеждает

Вода просто лучше в водородных связях, чем другой гидроксил: одна молекула предлагает два донора и два акцептора. Она сорбируется в межповерхностную зону, гидратирует связанные гидроксилы и расталкивает поверхности, и прочность на разрыв падает до малой доли себя. Волокно, однажды высушенное, эту способность полностью не возвращает, — ороговение, штрафующее вторичное сырьё, есть та же потеря со стороны волокна. Стоит сказать, что понадобилось бы, чтобы это остановить: ковалентные сшивки, которые вода не может разменять, — это настоящая химия мокрой прочности и другой класс продуктов. Добавки сухой прочности сознательно таких не строят: как только бумага обязана оставаться прочной мокрой, механизм меняется.

Что добавки добавляют на самом деле

Три честных пути, подчинённых тем же двум величинам. Первый добавляет связи: катионный крахмал, карбоксиметилцеллюлоза или хитозан, удерживаемые на отрицательно заряженных поверхностях волокон, откладывают полимер именно в зонах контакта — лишние цепи с гидроксилами (или аминогруппами) вместо тех, что размол не сумел свести. Второй добавляет площадь: микро- и нанофибриллированная целлюлоза перекрывает зазоры между волокнами и работает мостиком, превращая не-контакт в контакт, — как и дополнительные фибриллы, которые создаёт размол. Третий удешевляет площадь: малые дозы целлюлаз меняют поверхность волокна так, что данный уровень фибрилляции стоит меньше энергии размола, а другие ферментные программы снимают слабый поверхностный слой, чтобы связи строились на полноценной целлюлозе. Чего не умеет ни один из них — сделать полученные связи водонепроницаемыми: добавленный полимер держится водородными связями, и вода перекупает его, как все остальные. Передозировка реальна: полимер, оказавшийся в воде, а не на границах, вреден для стока и удержания, поэтому дозу задаёт то, что мокрая часть удержала, а не то, что налили в бак. Предельная величина всей темы — общая площадь контакта и то, сколько её в момент испытания занято водой.