چرا کاغذ وقتی خیس است، راحت‌تر پاره می‌شود؟

زومیت: کاغذ به دلیل ساختار شیمیایی‌ و در درجه اول، پیوندهای هیدروژنی وقتی خیس می‌شود، بلافاصله استحکام خود را از دست می‌دهد و به راحتی پاره می‌شود.

اگر تاکنون نوشیدنی خود را تصادفی روی کاغذ‌های روی میزتان ریخته‌اید، قطعا می‌دانید کاغذ‌های خیس چه ساختار شکننده‌ای دارند. به نظر می‌رسد حتی یک قطره‌ی کوچک آب هم صفحه‌‌ی محکم کاغذی را سست می‌کند؛ اما چرا کاغذ در برابر رطوبت مقاومت خود را از دست می‌دهد؟ پاسخ به ساختار شیمیایی کاغذ بازمی‌گردد.

در قلب کاغذ الیاف سلولزی قرار دارد؛ مولکول‌های پلیمر طبیعی که از چوب تشکیل شده‌اند و برای شکل‌گیری یک ورق کاغذی در هم تنیده‌اند. در یک صفحه‌ی کاغذ معمولی، الیاف از طریق بی‌نظمی‌های قلاب‌مانند کوچک روی رشته‌های سلولز به یکدیگر متصل شده‌اند؛ اما پیوندهای هیدروژنی نیز بین آن‌ها برقرار است.

پیوندهای هیدروژنی یکی از مهم‌ترین برهم‌کنش‌ها در شیمی به شمار می‌روند. بدون آن‌ها حتی حیات نمی‌توانست وجود داشته باشد. پیوندهای شیمیایی مشخص می‌توانند مانند آهنربا رفتار کنند، به‌گونه‌ای که یک‌طرف آن‌ها مانند قطب مثبت و طرف دیگر مانند قطب منفی عمل می‌کند. درست مانند آهنرباهای واقعی که بخش‌های مثبت و منفی یکدیگر را جذب می‌کنند، انتهای مثبت یک مولکول هم به سمت انتهای منفی مولکول مجاور خود جذب می‌شود و این جاذبه آن‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.

مولکول‌های حاوی اکسیژن متصل به هیدروژن، ازجمله آب (H2O) به‌شدت مستعد برهمکنش مورد بحث معروف به پیوند هیدروژنی هستند. از قضا، پلیمر سلولز یا رشته‌ای از واحدهای شیمیایی تکرارشونده با دسته‌های اکسیژن-هیدروژن در تمام طول الیاف پوشیده شده است.

تصویرسازی ساختار شیمیایی پلیمر سلولز که با دسته‌های اکسیژن هیدروژن پوشیده شده است

وقتی تکه‌ای کاغذ خشک را پاره می‌کنید، تنها باید بر نیروهای بین‌ مولکولی، اصطکاک و درهم‌تنیدگی‌های الیاف غلبه کنید. اما اگر کاغذ را خیس کنید، شبکه‌ی الیاف متورم می‌شود، الیاف شروع به جداشدن از یکدیگر می‌کنند و استحکام خود را از دست می‌دهند؛ در نتیجه راحت‌تر پاره می‌شوند.

در سطح شیمیایی، آب پیوندهای حیاتی هیدروژنی را که الیاف سلولزی را در کنار یکدیگر حفظ می‌کند، مختل می‌کند. از آنجا که آب حاوی پیوند بسیار مهم اکسیژن-هیدروژن است، شروع به تشکیل پیوندهای هیدروژنی خود با سلولز می‌کند و مانع از پیوند الیاف دیگر می‌شود. با وجود برهم‌کنش‌های کمتر بین پلیمرهای مستقل سلولزی، جداسازی الیاف آسان‌تر می‌شود درنتیجه نیروی کمتری برای پاره‌کردن کاغذ لازم است.

اما تمام کاغذ‌ها یکسان ساخته نمی‌شوند. برای مثال می‌توانید به تمام محصولات کاغذی فکر کنید که به‌صورت روزانه استفاده می‌کنید. محصولاتی مثل دستمال توالت، حوله‌های کاغذی، روزنامه، کاغذ چاپ، مقوا و بسیاری از محصولات دیگر. الیاف سلولزی تقریبا در تمام این محصولات یکسان است. با این‌حال ویژگی‌ها و خواص بسیار متنوعی دارند؛ بنابراین چگونگی واکنش انواع کاغذ به افزودنی‌هایی بستگی دارد که در حین فرآیند تولید به آن‌ها اضافه می‌شود.

صنعت کاغذ مملو از ترفندهای شیمیایی برای بهبود خواص محصولات کاغذی است و یکی از مهم‌ترین ویژگی‌هایی که تولیدکنندگان بر آن تمرکز دارند، استحکام است. برای مثال برای تولید جعبه‌ی بسته‌بندی، باید شبکه‌ی الیاف تقویت شود و این کار با افزودنی‌های قوی مثل نشاسته‌ی سیب‌زمینی انجام می‌شود. لایه‌ای از این ترکیب طبیعی مانند ژل روی سطح کاغذ اعمال می‌شود و مانعی مستحکم را در اطراف الیاف سلولزی تشکیل می‌دهد. این سطح نشاسته‌ای محکم مانند یک داربست عمل می‌کند و استحکام لازم را به کاغذ می‌دهد.

اما حتی مقوای مستحکم هم در برابر آثار مخرب رطوبت در امان نیست؛ زیرا نشاسته در آب حل می‌شود و وقتی خیس شود، استحکام آن به‌سرعت از بین می‌رود.