Набухання целюлозних волокон
Целюлоза належить до групи речовин, які можна зарахувати до гелів. Вона здатна вбирати відповідну рідину у пори своєї поверхні. Таке всмоктування рідини спочатку протікає без збільшення об'єму, потім вода, увібрана капілярними порами, проникає до оболонки вторинної стінки. Внаслідок цього волокно набухає, збільшуючи за сприятливих умов свій обсяг у кілька разів. Набухання можна розглядати як перехідний ступінь процесу розчинення. Для того щоб речовина перейшла в розчин, необхідно, щоб кожна молекула його з усіх боків була оточена рідиною, причому розмір молекул повинен у такому разі відповідати розміру макромолекул целюлози.
Вода в целюлозному волокні може бути в різних видах: у вигляді вільної води, капілярної води та молекулярно зв'язаної води. Термін «вільна» зазвичай відноситься до тієї води, яка знаходиться поза волокнами. Сили, що пов'язують її з целюлозою, дуже незначні, тому її можна без будь-яких труднощів видалити, наприклад, фільтрацією, відтисканням або центрифугуванням.
Капілярна вода розташовується в капілярах, тріщинах та порах волокон. Ця вода з целюлозою пов'язана силами поверхневого натягу і її видалення потрібно значно більше енергії. Так, наприклад, у порі (капілярі) з еквівалентним радіусом, рівним \х, відбувається руйнування водної плівки вже при зниженні відносної вологості повітря до 99,9%. Щоб видалити воду з капіляра з еквівалентним радіусом, що дорівнює 0,01 р, необхідно знизити відносну вологість повітря до 90%. При зниженні відносної вологості повітря до 60% вода утримується лише в капілярах з еквівалентним радіусом, меншим за 22 А (0,0022 (л). За даними, наведеними в деяких роботах [45], можна вважати, що всякапілярна вода може бути видалена, коли сухість волокнистої маси досягне 94%, тобто при вологості целюлози не вище 6%. Це відповідає відносній вологості атмосферного повітря, що дорівнює 30-40%.
Молекулярно зв'язаною вважають воду, молекули якої безпосередньо пов'язані з гідроксильними групами целюлози силами, подібними до діючих у істинних розчинах. Для виділення молекулярно зв'язаної води потрібно набагато більше енергії (переважно теплової), ніж видалення капілярної води. Молекулярно зв'язана вода з целюлози може бути видалена лише при висушуванні волокнистого матеріалу до постійної вологості, проте без деструкції целюлозних макромолекул.
Капілярну воду і воду молекулярно пов'язану, т. е. всю воду, що усередині волокон, інакше називають водою набухання. Ця вода у целюлозних волокнах адсорбується полісахаридами при зіткненні з ними. Внаслідок того, що на поверхні полісахаридів існує неврівноважене силове поле, адсорбція знижує енергію вільної волокон. Таким чином, набухання є екзотермічним процесом. Енергії, що вивільняється під час набухання, достатньо для руйнування побічних зв'язків між молекулами аморфних полісахаридів. Однак для руйнування кристалічних формацій її недостатньо внаслідок того, що в кристалічних областях целюлози поляризовані гідроксильні групи сусідніх макромолекул пов'язані досить міцними зв'язками, для розриву яких потрібна значно більша енергія [46]. Зміст аморфної частини клітинній стінці становить приблизно 30—40%; ця частина складається переважно з геміцелюлоз, що мають здатність добре вбирати воду. Процес набухання може протікати і неводних полярних рідинах.
Вивченням впливу полярності рідини на набухання целюлозних волокон займалися Кресс і Бьялковский, Керолл і Мезон [47] та ін. Було встановлено, що сульфітна целюлоза, отримана за способом Мітчерліха, при набуханні в олії збільшує свій обсяг на 2%, в той час У воді її обсяг збільшується на 90%. При набуханні обсяг целюлозних волокон збільшується головним чином ширину. Подовження волокон при набуханні незначне, лише близько 1% [48, 49]. Такий характер набухання пояснюється місцем розташування аморфних полісахаридів, що знаходяться в коаксіальних шарах оболонки волокна.
Набухання целюлози залежить як від властивостей самої целюлози, так і від властивостей рідини, в якій відбувається набухання. Воно зростає майже лінійно з підвищенням вмісту пентозану в целюлозі хвойних порід [50]. При збільшенні вмісту в целюлозі набухання геміцелюлоз, як правило, підвищується. Підвищення температури негативно позначається розвитку процесу набухання. Найменше набухання відбувається у інтервалі Рн=7-ь7,5. У кислому та лужному середовищі набухання посилюється. Найбільш високий ефект набухання целюлози досягнутий при Рн=5-т-б, а в лужному середовищі при Рн=8-5-9 [51].
Розвиток набухання волокна з відповідною зміною його внутрішньої структури можна спостерігати за допомогою мікроскопічних або дилатометричних методів, центрифугування та ін. Найбільш зручними є методи, що ґрунтуються на вимірі водопропускної здатності целюлози. Ці методи розробили та описали Робертсон, Мезон і Керрол [52, 53]. Хороші результати дає метод центрифугування, заснований на принципі відділення вільної води, розташованої на зовнішній поверхні волокон. Цей метод з метою паперового виробництва розробив Джайме [54, 55]. Розробкою цьогометоду займалися також Престон та Німкар [56] та деякі інші [57].
Набухання целюлозних матеріалів сприяє поліпшенню якості паперу, що виробляється.
Для деяких матеріалів, що мають порівняно міцну поверхневу (первинну) оболонку, що погано пропускає воду, наприклад, для бавовняних волокон, набухання можна прискорити впливом розмелювальних пристроїв. При використанні збірної макулатури, поверхня якої є частково ороговіла, набухання можна прискорити шляхом обережного впливу за допомогою обладнання. остаточного розпуску чи рафінування. Однак при цьому потрібно мінімум 3 години для видалення неактивних поверхневих оболонок. Розмел недостатньо набряклого матеріалу веде до зниження міцності паперу.