Как делают бумагу? Где изобретена бумага. История и факты Как получается бумага из дерева
02.10.2019
Бумага - это материал на основе растительных волокон, дополненных различными добавками и наполнителями.
Этот материал причисляют к важнейшим изобретениям человечества, и неспроста. Без него не был бы возможен такой высокий уровень прогресса, какой существует сейчас.
Изготовление бумаги ведется на целлюлозно-бумажных комбинатах. Эти предприятия располагаются невдалеке от водоемов, поскольку технология изготовления бумаги предполагает использование значительных объемов воды.
Сырье для производства бумаги
Основной материал, используемый для производства бумаги - древесина разных (больше – хвойных, потому что они на 40–50% состоят из целлюлозы) сортов и макулатура. В особых случаях используется хлопок. Еще один вид сырья, появившийся относительно недавно, - синтетические волокна. Также основой для производства бумаги может стать ветошь, волокна однолетних растений, шерсть, асбест.
Для изготовления бумаги чаще всего используются такие полуфабрикаты, как целлюлоза и древесная масса в разных соотношениях.
Заготовленная древесина проходит специальную обработку: химическую и механическую.
Целлюлозу получают в процессе варки древесины в химическом растворе. Именно она придает материалу белизну и высокую прочность. Целлюлоза в полусыром виде может быть сразу отправлена на дальнейшую переработку в цех, а может быть спрессована, высушена и в виде серых листов отправлена на продажу другим предприятиям. В чистом виде целлюлоза используется для производства высококачественной бумаги дорогих сортов.
Механическая обработка, помол древесины, приводит к образованию древесной массы - частиц диаметром два-три миллиметра. Этот полуфабрикат содержит не только целлюлозу, но и лигнин - полимер, скрепляющий волокна растений. Именно из-за этого вещества полиграфическая продукция, напечатанная на газетной бумаге, с течением времени становится желтовато-коричневой под воздействием света. Древесная масса в чистом виде может применяться только для производства бумаги недорогих сортов (газетная, упаковочная).
Как изготавливают бумагу
Производство начинается с изготовления бумажной массы, которая представляет собой смесь воды, целлюлозы и древесной массы (соотношение целлюлозы и д. м. определяет будущие характеристики продукции) с добавлением различных веществ для проклейки, окраски, улучшения свойств материала (клея, смолы, крахмала, мела, каолина и прочего). Соотношение воды и волокон таково, что бумажная масса представляет собой 2,5–3% суспензию.
Предварительно очищенная бумажная масса поступает в бумагоделательную машину - сложный агрегат огромных размеров (длина - свыше 100м, ширина - 15-18м). За одну минуту полуфабрикат успевает пройти через все части БДМ;
- Сеточная часть. Под напором этот состав непрерывно поступает на движущуюся проволочную сетку бумагоделательной машины. Технология изготовления бумаги такова, что волокна располагаются и переплетаются вдоль движения сетки, создавая машинное направление, которое в дальнейшем будет играть важную роль при использовании готового продукта. По мере движения сетки вода постепенно уходит и осуществляется формование бумажного полотна.
- Прессовая часть. В процессе прессования полотно проходит между несколькими парами прессов-валов, уплотняясь и отдавая большую часть влаги.
- Сушильная часть. В ней бумага-основа высушивается нагретыми паром цилиндрами. Но даже после этого в полотне остается до 8% влаги.
- Каландры. Предварительно остуженное холодными барабанами полотно проходит каландрирование - пропускается между тяжелыми полированными валами - каландрами для придания ему большей гладкости и прочности. Каландрированная бумага сматывается в рулон и подвергается резке на меньшие рулоны или размотке и резке на листы.
После и/или перед каландром могут быть установлены устройства для мелования бумаги. Мелование - нанесение покрытия из каолина или диоксида титана для увеличения гладкости бумаги и улучшения ее печатных свойств, оно бывает одно- или двухсторонним, однократным и многократным.
В Китае в 105 году нашей эры, однако в середине ХХ века обнаружили более древние гробницы, где нашлись небольшие обрывки.
В те давние времена её делали из шелка, пуская на производство отбракованные коконы тутового шелкопряда. Сейчас такие дорогие материалы, конечно, не используют – годится все, что содержит длинные волокна, а это целлюлоза, тряпье, уже использованная бумага, некоторые виды текстиля. Смешиваясь с водой, они образуют пластичную массу – сырье.
История развития технологии создания бумаги
Итак, первый этап создания бумаги – это подготовка бумажной массы. У изобретателя технологии Цай Луня это была смесь шелковых волокон, золы, пеньки и тряпок, тщательно растолченная и смешанная с водой. Её он выложил на форму и высушил на солнце . Долгое время такой ручной способ производства оставался единственным – менялись только ингредиенты.
В XVII веке изобрели ролл – механизм, который размалывал сырье автоматически и потому мог производить намного больше бумажной массы. Но сами листы формировали все равно вручную, зачерпывая формами, поэтому объемы получаемой продукции оставались все равно низкими.
Наконец, в самом конце XVIII века, в 1799 году, во Франции догадались, как сделать отлив бумаги автоматическим – Н. Робер применил для этих целей движущуюся сетку. Еще через семь лет в Англии запатентовали полноценную бумагоделательную машину. С этого времени масштабы производства заметно увеличились.
Этапы производства бумаги
Как и много веков назад, производство бумаги начинается с
1) Приготовление бумажной массы.
Сюда входит не только размол компонентов ролами (рафинерами, мельницами) и их смешивание. В современную бумагу для улучшения её свойств добавляют множество вспомогательных веществ.
Происходит так называемая проклейка – добавляются средства для того, чтоб волокна лучше слипались, а сама бумага не так боялась воды. Это глинозем, канифольный клей, парафиновая эмульсия.
Чтобы увеличилась жесткость, в массу вводят крахмал, формальдегидные смолы, животный клей. Минеральные наполнители вроде мела или талька помогают сделать бумагу более гладкой. Анилиновые красители прибавляются для отбеливания. Состав и количество дополнительных присадок определяется тем, для каких целей будет использоваться конечный продукт.
2) Выработка бумажной массы.
Когда бумажная масса готова, её нужно очистить от загрязнений и разбавить водой. С этим справляется специальное оборудование - очистители вихревые и центробежные, песочница. Из подготовительного отдела насос закачивает её в мешательный бассейн, и уже оттуда она поступит в бумагоделательную машину.
Сырьевая масса льется непрерывным потоком на сетку. В этой части машины полотно отливается, обезвоживается и начинает уплотняться. Но воды еще очень много, она продолжает удаляться в прессовой части.
Окончательно жидкость исчезает из листов в сушильной части, испаряясь, когда полотно прижимается к нагретым цилиндрам. После этого она поступает на механизмы наката, где сматывается в огромные рулоны. Бумага готова к следующей стадии.
3) Окончательная обработка.
Полученное бумажное полотно еще не совсем однородно по толщине. Чтобы выровнять его, сделать более гладким и плотным, его пропускают через каланды, то есть металлические валы. Вот теперь бумагу можно сортировать, резать и упаковывать – она полностью готова.
Вот так истолченная древесная кора, обрезки и опилки дерева, обрывки бумаги, тряпки и солома – вещи не самые красивые и выглядящие, прямо скажем, не слишком эстетично, передаваясь от одного цеха к другому, от узла к узлу, от машины к машине, превращаются в гладкие белые листы.
Получение. Бумагу изготавливают из волокнистых полуфабрикатов: древесной целлюлозы ; древесной массы - продукта истирания древесины ; т. наз. термомех. древесной массы, получаемой механическим измельчением (размолом) пропаренной древесной щепы; полуцеллюлозы - продукта хим. и последующей мех. обработки древесины ; волокон хлопка, льна, пеньки, джута. Широко применяется также в произ-ве бумажная макулатура. Спец. виды бумаги изготавливают из синтетич. полимеров (см. Бумага синтетическая), минеральных волокон (стеклянных, базальтовых, асбестовых) и др. материалов (шерсть, слюда , металлич. "усы").
Производство бумаги включает ряд последовательных стадий: приготовление бумажной массы, изготовление бумаги на бумагоделательной машине; ее отделку, обработку, переработку и упаковку.
Приготовление бумажной массы сводится к размолу, составлению композиции и очистке массы. Размол - механо-хим. обработка волокнистых полуфабрикатов в воде , обычно в конич. и дисковых мельницах непрерывного действия; при этом изменяются форма и размеры волокон, происходит их набухание , от наружной пов-сти отделяются тонкие волоконца - фибриллы. Композиция бумажной массы определяется видом получаемой бумаги. Обычно в состав бумаги входит неск. видов волокнистых полуфабрикатов (включая оборотный брак), минеральные наполнители , проклеивающие и вспомогательные в-ва. Так, композиция газетной бумаги содержит 70-85% древесной массы и 15-30% древесной целлюлозы . Затем полученная масса разбавляется и подвергается т. наз. сортированию. В результате удаляются сгустки волокон, волокна равномерно диспергируются в воде , предотвращается образование ассоциатов волокон (флокул), обеспечивается послед. хаотичное переплетение волокон.
Изготовление бумаги включает подачу водной суспензии (дисперсии), содержащей 0,1-1,0% сухих в-в, в бумагоделательную машину, отлив бумажного полотна в сеточной части машины на движущейся непрерывной сетке (одной или нескольких), его прессование, сушку , каландрирование и намотку в рулон. В сеточной части машины б. ч. воды стекает и формируется полотно бумаги, к-рое уплотняется, проходя на сетке последовательно над разл. обезвоживающими (отсасывающими) элементами машины. Удаляемая вода используется в осн. для разбавления бумажной массы. В прессовой части машины полотно бумаги отжимается на специальном сукне неск. парами прессовых валов и уплотняется.
В сушильной части полотно бумаги прижимается сушильным сукном к пов-сти обогреваемых паром сушильных цилиндров. Иногда бумагу сушат на воздушной подушке .
Произ-во бумаги связано с использованием очень больших кол-в воды ; расход свежей воды в среднем составляет 150 м 3 /т, а при получении нек-рых видов бумаги - 4000 м 3 /т. Во 2-й пол. 20 в. благодаря переходу к созданию максимально замкнутых систем водопользования расход свежей воды при производстве, напр., тарного картона сокращен в десятки раз и составляет на некоторых предприятиях менее 10 м 3 /т.
Структура, свойства и применение. Бумага - композиционный материал . Кроме разл. волокнистых армирующих компонентов, создающих непрерывную матрицу , бумага может содержать минеральные наполнители , придающие ей непрозрачность и повышающие белизну и гладкость, а также красители , полимерные связующие и др. Проклеивающие в-ва (канифольный клей и др.) предотвращают растекание чернил и туши по пов-сти бумаги и их проникновение на противоположную сторону листа. Синтетич. смолы, латексы , сшивающие агенты обеспечивают влагопрочность. Обычные виды бумаги имеют капиллярно-пористую структуру, состоят из волокон, пучков фибрилл и отдельных фибрилл, связанных между собой водородными связями , силами Ван-дер-Ваальса и трения . Эти связи образуются при сушке бумаги, при к-рой в условиях значит, усадочных напряжений, стягивающих фибриллярные элементы структуры бумаги, происходит застекловывание полимерных компонентов бумагообразующих волокон (целлюлозы , гемицеллюлоз , лигнина). Гемицеллюлозы в условиях получения бумаги могут частично переходить в вязкотекучее состояние , а при сушке застекловываться. Такая структура обусловливает гидрофильность большинства видов бумаги, уменьшение прочности при увлажнении, зависимость св-в и размеров от относительной влажности воздуха .
На сетке бумагоделательной машины волокна бумажной массы ориентируются преим. по направлению движения, причем в большей степени на нижней (сеточной) стороне листа и в меньшей - на верхней (лицевой). Поэтому бумага анизотропна во всех направлениях. Анизотропия усиливается неравномерным распределением по толщине мелких волокон, наполнителей и проклеивающих в-в. Многослойную структуру имеют, напр., бумага и картон, получаемые на многосеточных машинах, а также бумага с покрытиями, напр. мелованная.
Объемная масса бумаги колеблется в пределах 0,40-1,35 г/см 3 , прочность - от < 10 до 160 мН/текс, сопротивление излому - от 1 до десятков тысяч двойных перегибов, уд. теплоемкость-от 1,21 до 1,32 кДж/(кг*К). Уд. объемное электрич. сопротивление электроизоляционных видов абсолютно сухой бумаги составляет 10-100 Ом*м, диэлектрич. проницаемость - 2,2-5,0.
Печатная и писчая бумага воспринимают печатную краску , чернила, тушь, карандаш ; обладают достаточной прочностью и долговечностью (последнее требование не относится к газетной бумаги). Упаковочные виды бумаги характеризуются хорошими физ.-мех. св-вами: высокой динамич. прочностью носитель информации в электронно-вычислительной технике, отличается высокой мех. прочностью (перфолента), плоскостностью (перфокарта), стабильностью размеров. Бумага, используемая в кач-ве регистрирующей в системах вывода и размножения информации, имеет "функциональные" покрытия (свето- и термочувствительная, полупроводниковая бумага и др.). Бумага со спец. липкими покрытиями употребляется для механизации упаковки и этикетирования, с антиадгезионными покрытиями - для упаковки липких материалов.
Мировое произ-во бумаги превышает 177 млн. т/год (1983). В наиб. объемах вырабатывается газетная бумага (~ 25 млн. т), печатная и писчая бумага (~ 40 млн. т), тарный картон и упаковочные виды бумаги (~ 60 млн. т), санитарно-гигиенич. виды бумаги (~ 8,5 млн. т).
===
Исп. литература для статьи «БУМАГА»
: Аким Э.Л., Обработка бумаги, М., 1979; Развитие параметров
бумагоделательных машин, М., 1981; Фролов М.В., Структурная механика бумага,
М. 1982; Фляте Д. М., Свойства бумаги, 2 изд., М., 1986. Э. Л. Аким.
Вначале был папирус
То, что мы называем бумагой, без чего современная офисная жизнь просто немыслима, не всегда представляло собой А4. Так, на вопрос о том, где изобретена бумага, нельзя дать однозначный ответ. Еще четыре тысячелетия назад использовали для письма папирус. Со стеблей осторожно снимался верхний слой кожицы. Снятые тонкие листы накладывали друг на друга и держали под тяжелым прессом. Склеенные и высушенные папирусные листы и служили
В древней Руси использовали для письма внутренний слой березовой коры. Обнаруженные археологами берестяные письмена относятся к 11-15 векам. Хотя в сообщении арабского писателя Ибн-ан-Недима говорится, что «на земле руссов есть письмена, вырезаемые на кусках белого дерева». Сообщение датируется 987 годом. Некоторые фольклорные источники указывают на использование берестяных писем североамериканскими индейцами.
Родина бумаги
Страна, где изобрели бумагу, которой мы пользуемся по сей день, подарила миру фарфор, компас, порох, фейерверки. Речь, конечно, о Китае. И если имена изобретателей «предвестников» бумажного листа - папирусных свитков и дощечек - остаются неизвестными, то имя того, кто изобрел бумагу,довольно известно. Им является служивший евнухом при дворе. Произошло это событие в 105 году н.э., во времена правления
Страна, где изобретена бумага, не засажена березовыми рощами. Здесь растут бамбук и рис. Цай Лунь растолок волокнистую кору тутового дерева. Смешал полученную смесь с водой, пенькой и древесной золой, а затем поместил на бамбуковую раму с решёткой. Разгладил полученный пласт с помощью камня и просушил на солнце. Именно так получился первый лист бумаги. Со временем технология изготовления усовершенствовалась. В смесь, изобретенную Цай Лунем, стали добавлять крахмал, волокна шелка, красители, что значительно улучшило качество бумажных листов.
Все тайное становится явным
Народ восточной страны, где изобретена бумага, тщательно хранил секреты ее производства. Однако и много веков назад китайские купцы ездили со своим товаром по всему миру. Караванщики, приезжая в новый город, общаясь, делились новостями. Возвращаясь в родные края, они привозили вести из-за морей. Это было что-то вроде глобального общения. И каким-то образом в городе Самарканде арабские купцы выведали секреты изготовления бумаги, а узнав, привезли его в Испанию. Бумагу здесь начали делать в 1150 году. Вскоре стала известна во всех европейских странах.
В России бумажное производство появилось лишь во второй половине 16 века. Письменные источники сообщают, что в Москве в 16 веке насчитывалось 10 бумажных мельниц, 50 предприятий, где делали ручным способом бумагу и картон.
Сейчас каждому школьнику известно, откуда родом чай, палочки для еды, где изобретена бумага, в общем, те вещи, которые прочно вошли в наш быт.
Однако менее известен факт о том, где появились первые станки, производящие бумагу в таком виде, в каком мы пользуемся ею сейчас. А произошло это событие во Франции в 1798 году. А уже в 1807 г. Англия запатентовала первенство в изобретении станка для изготовления бумаги в рулонах. Вскоре начинается повсеместное распространение изготовление бумажной упаковки. Но это уже другая история.
Несмотря на бурное развитие компьютерных технологий и разнообразной электронной запоминающей техники, бумага остается наиболее распространенным и активно используемым материалом для хранения информации. Переоценить ее место в обыденном использовании сложно. Она нужна в делопроизводстве, печати, быту.
Бумага из древности
История производства бумаги уходит в далекую старину. Еще древние египтяне использовали для письма прообраз современной бумаги, изготавливая свои папирусы из измельченных и спрессованных в тонкие листы волокон тростника. Стебли этого водяного растения состоят из тонких и прочных целлюлозных нитей, которые освобождали при помощи специальной обработки. Добавление клейких веществ позволяло сформировать из полученной массы достаточно тонкий слой, который после просушивания приобретал нужные характеристики. Древняя бумага была довольно плотной, шершавой на ощупь и не имела той белизны, которая присуща современным писчим материалам.
Кожаные рукописи
В Древней Европе вместо бумаги использовался пергамент. Для его изготовления вычинялись тонкие и эластичные шкуры мелкого рогатого скота. Снятая с овец и коз кожа обрабатывалась по специальным технологиям, после чего она становилась мягкой и гладкой. Пласты подготовленного материала обрезались по размеру будущей книги и сшивались в переплетных мастерских. Разрозненные документы транспортировались и хранились в виде свитков. В таком случае кожа не сминалась и не имела сгибов, на которых могла перетираться.
Дерево, на котором можно писать
Современные технологии изготовления различных сортов бумаги предполагают использование разнообразных видов древесины. В процессе производства ее измельчают до нужных размеров. Полученная масса замачивается в емкостях, куда добавляются необходимые для процесса высвобождения целлюлозных волокон химические реактивы.
Подготовленная бумажная масса, отбеленная или окрашенная, при помощи бумагоделательных машин формуется в полотно. Его пропускают через целый ряд катков, которые выравнивают и высушивают бумажную заготовку. В результате получается готовый материал, имеющий необходимые характеристики:
- толщину;
- плотность;
- цвет;
- качество поверхности.
Разные сорта бумаги предназначаются для разного использования – для офисной техники нужна более плотная и прочная бумага, для газет она не такая качественная. К туалетной и салфеточной бумаге предъявляются свои требования.
Альтернативное производство бумаги
Использование только древесины для изготовления бумажной продукции может довольно быстро привести к полному уничтожению лесов на планете. Поэтому уже давно разрабатываются и используются альтернативные технологии.
Целлюлозу, которая является основой бумажной массы, получают из соломы зерновых сельскохозяйственных культур. На полях ежегодно скапливается огромное ее количество. И чаще всего она просто оставляется на земле, чтобы послужить удобрением.
Источниками волокнистой массы могут стать и другие культуры:
- конопля;
- тростник.
В нашей стране, как и во всем мире, проводится активный сбор макулатуры, которую используют как вторичное сырье. Старые книги, газеты, упаковку измельчают, отбеливают, смывая типографскую краску и чернила, и из полученной массы вновь делают бумагу. Она не столь качественна, но вполне годится для печати.
Бумага из всего
В некоторых странах для изготовления писчей продукции освоили переработку ткани – тряпье обрабатывается по сходным технологиям. Хлопковое и льняное волокно, синтетические нити обладают нужными свойствами, что позволяет применять их для изготовления прочной качественной бумаги.
В отрасли сегодня работают компании, полностью отказавшиеся от использования древесины при производстве бумаги. Они нашли совершенно необычные источники сырья для своей продукции. В ход идут банановые и пальмовые листья, все виды растительных волокон, шерсть, даже отходы жизнедеятельности травоядных животных.
Специальные виды бумаги могут быть изготовлены из минеральных волокон, таких как асбест, например.
Применение подобных инноваций помогает сберечь существующие сегодня леса, сохранив их для следующих поколений землян.