Кто и когда изобрёл бумагу? Где это произошло? Из чего и как делают бумагу? Как делают бумагу на производстве
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 наши дни бумагу изготавливают во всем мире. Ежедневно мы используем ее, когда читаем газеты, журналы и книги, дети обучаются в школе по учебникам из бумаги, пишут в тетрадях, выполненных из этого же материала.
Список можно продолжать бесконечно, но кому же мы обязаны ее появлением? Кто и когда придумал бумагу?
Когда была изобретена бумага?
По общепринятой версии, бумага была изобретена в 105 году нашей эры. Однако сам материал для письма возник задолго до этого. Одной из самых ранних письменных принадлежностей в истории человечества был папирус, который жители Древнего Египта изготавливали из растения семейства осоковых.
Сегодня в музеях, посвященных египтологии, можно увидеть старинные иконографии с изображением папируса, датируемые III тысячелетием до нашей эры. Впоследствии для письма использовали шелковые ткани, производимые из бракованных коконов шелкопряда, а затем – пеньку, которую делали из конопляных волокон.
В 105 году произошел настоящий прорыв в бумажной индустрии, благодаря которому весь мир получил возможность писать на бумаге.
Кто изобрел бумагу?
Создателем бумаги стал китайский евнух Цай Лунь, служивший при императоре из династии Хань. Будущий изобретатель родился в городе Гуйян (ныне – Лэйян), в 75 году поступил в императорский дворец, а в 89 году получил должность в учреждении, которое занималось перезарядкой оружия.
К тому времени документы в Китае писались на бамбуке или костях животных. Они имели большой вес и были неудобными для перевозки, поэтому в стране появилась необходимость придумать что-нибудь более легкое. Правда, был еще шелк, но стоил он дорого и по определению не мог получить широкое распространение. По этой причине изобретение Цай Луня пришлось весьма кстати.
Существует легенда, что вдохновение для создания бумаги евнух обрел во время наблюдения за бумажными осами. Эти насекомые способны самостоятельно делать материал, похожий на бумагу, путем пережевывания древесных волокон и смачивания их своей клейкой слюной.
Историки не исключают, что на самом деле бумагу изобрел кто-то из более низких слоев общества, а Цай Лунь лишь присвоил себе результаты его труда. Как бы там ни было, но в 105 году евнух представил свое изобретение императору Хэ-ди, за что получил наивысшую похвалу.
Как была изобретена бумага?
В соответствии с китайскими летописями, чтобы получить бумагу, Цай Лунь использовал в своей работе древесную золу, пеньку, волокна тутового дерева и старье тряпье. Все ингредиенты он тщательно измельчил и перемешал с водой.
Дополнительно изобретатель создал специальное приспособление в виде деревянной рамки с бамбуковым ситом внутри, на которое выложил полученную смесь и выставил для просушки на солнце. Затем высушенный материал был разглажен камнями. В итоге получились тонкие, плотные листы, на которых было удобно делать записи.
С течением времени процесс был запущен в массовое производство. Бумагу изготавливали на водяных мельницах, но перед просушкой на солнце клали под пресс и подвергали сильному сжатию. В некоторых случаях в чаны с бумажным сырьем добавляли клей, благодаря чему при письме на таких листах чернила не растекались.
Древняя бумага была не совсем качественной и включала в себя цельные древесные волокна и даже кусочки тряпок, однако со временем китайская технология изготовления была усовершенствована и получила признание во всем мире.
Когда бумага попала в другие страны?
Распространение бумаги за пределы Китая продвигалось достаточно сложно. Долгое время техника ее изготовления держалась в секрете, но к VII столетию первые бумажные листы появились в Японии и Корее, а в IX веке – в арабских странах.
Европейцы смогли воспользоваться настоящей бумагой только в XI–XII столетиях. В эпоху Ренессанса в моду вошли бумажные обои, а к XV веку, в связи с появлением книгопечатания, в большинстве европейских государств уже существовали многочисленные бумажные фабрики.
Китайцы делали ее из размоченных растительных волокон. В Европу бумага попала между 1000 и 1100 годами. Оказалось, что ее можно делать из дерева, тряпок и даже... из старой бумаги - макулатуры. Так оказалось, что бумагу можно было использовать дважды!
Как же делают бумагу в наши дни?
Бумагу производят на бумажных фабриках.
Основным сырьем для производства бумаги является древесная целлюлоза. Целлюлозу получают из лесных пород: в основном из ели, сосны и березы, но используют также эвкалипт, тополь, каштан и другие деревья.
На фабрике машины сдирают с них кору, измельчают в щепки.
Самый экономичный способ получения древесной целлюлозы - механический: на деревообрабатывающем предприятии лесоматериалы измельчаются до крошки, которая смешивается с водой. Бумага, изготовленная на основе такой целлюлозы, непрочна и чаще всего идет на производство, например, газет.
Бумагу более высокого качества делают из целлюлозы, полученной химическим способом. Из такой древесной массы изготавливают бумагу для книг, брошюр и модных журналов, а также прочные оберточные материалы.
В этом случае щепки сортируют по размеру на специальных ситах и отправляют в варку. Варят дерево в специальных машинах, куда добавляют кислоту.
Очищенную и разваренную древесину фильтруют и промывают, чтобы очистить от примесей.
К обрабатываемой бумажной массе может быть добавлена макулатура, но лишь после удаления чернил. На этом этапе производства обрабатываемая масса, состоящая из древесных волокон и воды, называется бумажным сырьем.
Затем на специальной перерабатывающей машине меняются форма и структура бумажных волокон. Для этого к бумажному сырью добавляют дополнительные вещества. Например, клеи - их присутствие в писчей бумаге отталкивает влагу. Или смолы - благодаря им, написанное на бумаге чернилами на водной основе, не растекается и легко распознается человеческим глазом. Бумага, используемая для печатания, не требует такого проклеивания, как писчая, потому что печатные краски готовятся не на водной основе и не растекаются.
После этого бумагу окрашивают в смесителе, куда добавляют красители или пигменты, - например, мелко размельченные вещества для мелования. Так, добавки каолина делают бумагу белой и непрозрачной.
Бумажная масса, превращенная в кашицу, попадает в бумагоделательную машину.
Сначала кашица выливается на сетку бумагоделательной машины. Эта сетка натянута на два вала и все время вращается, перенося бумажную кашицу вперед. На сеточном участке начинается образование бумажного полотна, называемое формованием листа. Это происходит благодаря удалению воды из волокнистого материала. По мере продвижения бумажной массы по ленточному конвейеру часть содержащейся в ней воды вытекает через ячеистые отверстия, и бумажные волокна начинают сплетаться друг с другом, образуя так называемую рулонную ленту.
Сырая бумажная лента проходит через целый ряд валиков. Одни валики отжимают воду, другие, обогреваемые изнутри паром, высушивают ее, третьи полируют.
В конце сеточного участка еще сырое бумажное полотно перемещается в секцию прессования, которую также называют "мокрым прессованием". Там бумажное полотно механически обезвоживается и еще больше уплотняется.
Наконец ровная белая лента выходит из машины и наматывается в огромный рулон.
Потом эти рулоны отправляют в типографии или режут на листы.
Так, переходя из машины в машину, дерево превращается в белую и чистую бумагу.
А знаете ли вы...
Для изготовления 1 тонны бумаги нужно 5,6 м 3 древесины. Если учесть, что средний объем одного бревна (дерева) - 0,33 м 3 , то для производства 1 тонны бумаги требуется 17 деревьев.
А из 1 тонны бумаги можно изготовить порядка 30 тысяч обычных ученических тетрадей.
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 . 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.
