Технология производства бумаги

21

Введение

Бумага занимает исключительное место в жизни людей. Её открытие, как и изобретение колеса, - чудо, одно из величайших завоеваний человеческого разума. Появившись однажды, бумага прочно утвердилась на Земле и, не зная конкурентов, победно идет через столетия. Дружба, начавшаяся с бумагой в детстве, не прекращается всю жизнь, дома, в школе, на улице, в магазине, на работе, в библиотеке мы рады этой встрече. Бумага входит к нам в квартиру свежей газетой, новым номером журнала, книгой. В школе на парте лежат учебники, по которым мы учимся, тетради, в которых пишем. Большая часть предметов домашней обстановки связана с бумагой, полки с книгами, обои на стенах, коробки из-под обуви и т.д. Пожалуй, что бумага – это один из самых распространенных материалов. Куда бы мы ни обратили внимание, скорее всего мы найдём бумагу, ведь бумага – это не только информационный носитель, но и упаковочный материал, средство гигиены, строительный материал, платежное средство, фильтр, электрический изолятор и многое, многое другое!

Мы не всегда осмысливаем великое значение бумаги. Лист бумаги - гладкий, чистый, отменной белизны - мы рассматриваем как некую малость, обыденную, незаметную, даже вроде бы и не вещь и не предмет, а так просто - лист, да и только. И вряд ли кто задумывался над тем, где, как, из чего, трудом каких людей создан этот лист. Поэтому темой данного проекта является рассмотрение известных технологий производства бумаги.

1. Возникновение бумаги

1.1 Папирус

Происхождение бумаги было обусловлено появлением письменности – ведь помимо изобретения алфавита и грамматики, необходимо было на чем-то писать. Впрочем, в том виде, в котором мы привыкли, бумага появилась не сразу. Можно считать, что история возникновения бумаги началась с того, что в древнем Египте около 3,5 тысяч лет назад начали изготавливать папирус.

Основным материалом для изготовления папируса были трехгранные стебли тростника, достигавшие 5-ти метровой высоты. Впрочем, для приготовления папируса применяли только нижнюю часть стебля длиной около 60 сантиметров. Ее освобождали от наружного зеленого слоя, а сердцевину белого цвета извлекали и разрезали на тонкие полоски ножом. После этого полученные полоски 2-3 дня выдерживали в свежей воде для набухания и удаления растворимых веществ. Далее размягченные полоски прокатывали деревянной скалкой по доске и помещали в воду на сутки, опять прокатывали и снова клали в воду. В результате этих операций полоски приобретали кремовый оттенок и становились полупрозрачными. Далее полоски укладывали друг на друга, обезвоживали под прессом, сушили и разглаживали камнем.

Как видно, технология первой бумаги была достаточно сложной, а потому папирусы были дороги. Кроме того, они были не очень долговечны и требовали бережного отношения к себе.

Несмотря на это, вплоть до V века папирус оставался основным материалом для письма, и лишь в X веке от него практически полностью отказались.

1. Пергамент

Параллельно с развитием папируса началось развитие другого материала, который оказал большое влияние на историю бумаги. Этим материалом стал придуманный во II-м веке до нашей эры в Малой Азии пергамент. Свое название он получил из-за места, где началось его производство – города Пергама Пергамского царства. Любопытно, что появление пергамента во многом обусловлено тем, что Египет, опасаясь соперничества Пергамской библиотеки, для защиты статуса Александрийской библиотеки, как крупнейшей, организовал то, что впоследствии будут называть торговым эмбарго – запретил вывоз папируса за пределы Египта.

Пергамент получали путем особой, весьма сложной обработки кож молодых животных – телят, ягнят, козлов и ослов. В отличие от папируса, пергамент был значительно прочнее, эластичнее, долговечнее и на нем можно было писать с обеих сторон.

Однако у него был большой и очень серьезный недостаток – изготовление пергамента было очень трудным процессом, а потому этот материал был чудовищно дорог. Настолько дорог, что для того, чтобы написать новые документы, иногда приходилось смывать чернила со старых пергаментов.

Кстати, такие многоразовые пергаменты называются палимпсестами, иногда ученым удается восстановить то, что на них было изначально написано. Так в 1926 году стал широко известен Лейденский палимпсест, на котором сначала были нанесены тексты Софокла, а потом смыты и заменены на религиозный текст.

1.3 Китай

Однако настоящим началом истории бумаги принято считать 105 год нашей эры, а родиной – Китай. Хотя это и не совсем верно, ведь появление бумаги в Китае произошло гораздо раньше.

Тем не менее, именно Цай Лунь обобщил и усовершенствовал уже известные способы изготовления бумаги и предложил технологический принцип производства бумаги – образование листового материала из отдельных волокон путём их обезвоживания на сетке из предварительно сильно разбавленной волокнистой суспензии. Происхождение бумаги во многом было обусловлено тем, что для ее производства годились практически любое растительное сырье и отходы: лубяные волокна тутового дерева и ивы, побеги бамбука, солому, траву, мох, водоросли, всякое тряпьё, конопляные очёсы, паклю.

На рубеже II и III веков новой эры бумага, изготовленная из растительных волокон, уже не считалась в Китае редким материалом. Дальнейшим шагом в истории развитии бумаги стало ее полное вытеснение из употребления деревянных дощечек в III веке, которые ранее использовались для письма. Бумагу изготавливали нужного размера, цвета, толщины и пропитывали специальными веществами для более длительного хранения.

Другой по-настоящему большой вехой в истории развития бумаги стало появление «летающих монет» в IX веке все в том же Китае – бумажных денег. Следует отметить, что в Европе это произошло намного позже.

Кстати, именно Китай стал местом происхождения туалетной бумаги. В Европе это новшество прижилось значительно позже. В течение многих веков китайцы были единственными, кто владел секретами изготовления бумаги, а потому они ревностно оберегали эту технологию.

Однако в 751 году произошло сражение, в котором арабы победили китайцев, и смогли пленить нескольких бумажных мастеров. От них арабы смогли перенять опыт по производству бумаги и потом усовершенствовали его, что оказало большое влияние на историю бумаги.

Первым некитайским центром развития бумажного производства стал Самарканд, далее в 800 году бумагу появляется в Багдаде, в 1100 – в Каире, а в 1300 – в Венеции. Почти 300 лет потребовалось для того, чтобы бумага из Ирака смогла попасть в Египет.

1.4 Появление бумаги в Европе

История появления бумаги в Европе была еще длиннее. Первые бумажные мельницы появились в Испании в X веке, а уже через 100 лет в Толедо и Шативе вырабатывали бумагу столь высокого качества, что ее охотно покупали во многих странах. В начале XII века произведения некоторых итальянских поэтов были уже написаны на превосходной белой бумаге.

Дальнейшая история развития бумаги и бумажного производства развивалась преимущественно в Европе. Вскоре, большую конкуренцию итальянцам стали составлять французы. Из Франции бумажное производство двинулось в Англию, Голландию и на восток – в Германию, Польшу, Московскую Русь.

Несомненно, огромное влияние на историю развития бумаги оказало изобретение печатного станка. В XV-XVI веках темпы производства бумаги растут, и внедряются новые технологии ее производства.

История развития бумаги шла, и во второй половине XVII века был придуман ролл – размалывающий аппарат. Трудно представить себе более значимую веху в истории изобретения бумаги, ведь применение таких аппаратов позволило сильно увеличить объемы производства.

В конце XVIII века при помощи роллов уже производили гораздо большие объемы бумажной массы, однако отлив вручную бумаги сильно тормозил производственный рост. Поэтому в 1799 произошло другое важное в истории изобретения бумаги событие – француз Н. Л. Робер придумал машину для изготовления бумаги, механизировав отлив бумаги при помощи использования непрерывно движущейся сетки.

История развития бумаги и бумажного производства продолжалась, и в 1806 братья Г. и С. Фурдринье, которые приобрели патенты Робера и продолжили работать над машиной по отливу в Англии, запатентовали свою машину по производству бумаги.

К середине XIX века эта машина, претерпев ряд изменений, превратилась в достаточно сложный агрегат, который работал непрерывно и по большей степени автоматически.

В XX веке производство бумаги – это уже крупная высокомеханизированная промышленная отрасль с непрерывно-поточной схемой в технологии производства, большими по мощности теплоэлектрическими станциями и достаточно сложными химическими цехами по изготовлению полуфабрикатов из волокон.

1. Современные технологии производства бумаги

2.1 Состав бумажной массы

Как и много веков назад, основным сырьем для производства бумаги остается древесная целлюлоза. Как правило, используется измельченная древесина сосны, березы, тополя и клена. Реже для этих целей используется дуб, каштан, кедр и другие более ценные породы.

Древесная целлюлоза — природное органическое соединение (волокно), получаемое методом варки измельченной древесной щепы. Целлюлоза является ключевым структурным элементом, из которого состоит оболочка растительной клетки. Волокно обладает удивительно высокой гибкостью и механической прочностью. Эти свойства передаются и самим растениям.

При производстве качественной бумаги невозможно обойтись без использования различных химикатов. Они позволяют повысить белизну, гладкость, прочность конечного продукта, изменить свойства, повысить эффективность работы бумагоделательных машин — основного оборудования по производству бумаги. Всего на современном бумажном производстве используется свыше 20 разных химических реагентов и их число периодически пополняется.

Из чего еще делают бумагу? Некоторые сорта бумаги и картона делают из вторсырья — макулатуры. Вторичная переработка старых газет, журналов, книг и других бумажных отходов снижает необходимость в вырубке лесов, что особенно актуально в условиях современного мира с его экологическими проблемами.

К сожалению, менее 1% бумаги в России производится из макулатуры. В развитых европейских странах этот показатель доходит до 50 процентов, а в Японии из вторсырья производят порядка 65% новой бумажной продукции.

2.2 Виды бумаги

Современная бумажная промышленность предлагает несколько сотен сортов бумаги. Они отличаются форматом, плотностью, белизной, наличием/отсутствием глянца, жесткостью, прочностью, фактурой и целым рядом других характеристик. В зависимости от области применения можно выделить несколько наиболее востребованных видов бумаги:

• Газетная — низкокачественная бумага невысокой плотности (как правило, не более 50 граммов на квадратный метр). В качестве сырья для производства газетной бумаги в основном используется переработанная макулатура.

• Типографская. Это белая малоклеенная бумага, предназначенная для печати книг, плакатов, рекламных буклетов и прочей полиграфической продукции, содержащей текст и графику. Плотность такой бумаги — 65-300 г/м².

•  Дизайнерская – бумага широкой цветовой палитры с необычной фактурой. Такая бумага может иметь тиснение, металлизированные и прочие элементы, позволяющие добиться эксклюзивных фактурных эффектов. Применяется дизайнерская бумага в основном для малотиражного изготовления рекламной продукции, визиток, приглашений и т.п.

•  Упаковочная и оберточная бумага. Используется для изготовления разных видов упаковки для промышленной продукции, продуктов питания, медикаментов и т.п.

•  Самоклеящаяся – бумага, на одну из сторон которой нанесен равномерный клеевой слой. Такая бумага используется для изготовления стикеров.

•  Бумага для отделочных материалов. Применяется для изготовления обоев на бумажной основе, гипсокартона, кровельного пергамина и других строительно-отделочных материалов.

•  Бумага и картон для производства одноразовой посуды — плотная (150-300 г/м²) бумага с ламинацией, которая повышает устойчивость к воздействию влаги и высоких температур.

• Картон. В зависимости от области применения бывает нескольких видов: коробочный (из небеленой целлюлозы или вторсырья), бурый, с мелованным слоем и белым покрытием.

• Санитарно-гигиеническая – бумага невысокой плотности (как правило, не более 40 г/м²), предназначенная для изготовления салфеток, бумажных полотенец и туалетной бумаги.

• Впитывающая бумага (фильтровальная и промокательная) — состоит из чистой целлюлозы и используется для изготовления фильтрующих элементов, промокашек и т.п.

• Папиросная бумага — самая тонкая и очень легкая бумага. Как правило, полупрозрачная. Используется не только для производства табачной продукции, но и в качестве упаковочного и прокладочного материала. Плотность папиросной бумаги редко превышает 25 граммов на квадратный метр.

• Бумага промышленного назначения. Используется для изготовления гильз, втулок, кабельных оболочек, патронной упаковки, трафаретов и т.п.

2.3 Компоненты для изготовления бумаги

Как уже было отмечено выше, основными компонентами для изготовления бумаги является древесная целлюлоза, вода и химические реагенты. Волокна целлюлозы получают методом измельчения из древесины сосны, ели, березы, тополя и других пород. Реже (для изготовления особых сортов бумаги) используется целлюлоза из хлопка.

Для изготовления газетной бумаги, упаковочного картона, втулок, шпуль, кассет для яиц и прочей низкосортной продукции используют макулатуру. В результате переработки из вторсырья выделяют волокна целлюлозы, которые подвергают очистке от примесей и отбеливанию.

В качестве наполнителей и связующих элементов производители используют химические составы. Так, для улучшения влагостойкости и снижения расхода краски в волокнистую массу добавляют проклеивающие вещества — чаще это сульфат алюминия или канифоль. Эти компоненты достаточно вредные, поэтому современные комбинаты отказываются от их использования в пользу нейтральных наполнителей.

Для повышения гладкости и плотности в бумажное сырье добавляют каолин — это нейтральное с химической точки зрения вещество, поэтому его использование считается безопасным. Для этих же целей используют и карбонат кальция (мел), но он применяется только в паре с синтетическими склеивающими веществами.

Для придания бумаге цвета и белизны используют красящие составы органического и неорганического происхождения.

Чтобы снизить прозрачность, в бумажную массу добавляют двуокись титана — этот безвредный оксид имеет белый цвет и также используется в качестве красящего пигмента. Присутствие в составе бумаги диоксида титана повышает стойкость к воздействию ультрафиолетовых лучей, бумага не желтеет и длительное время сохраняет прочность.

2.4 Технология производства

Производством бумаги занимаются целлюлозно-бумажные комбинаты. Сам процесс изготовления представляет собой несколько последовательных этапов, рассмотрим по порядку, как производят бумагу:

1. Подготовка бумажной массы. На этом этапе древесину избавляют от коры, измельчают до древесных волокон, которые подвергают отбеливанию и очистке от смолы. Далее составляют композицию бумаги, улучшая характеристики массы при помощи различных наполнителей и красящих веществ.

2. Варка. На втором этапе происходит обработка целлюлозной массы кислотами под высокой температурой. Сырье варится в котлах до получения жидкой однородной смеси целлюлозных волокон. В ходе данного процесса в состав вводятся различные отбеливатели и другие наполнители.

3. Формирование бумаги на бумагоделательной машине. Из готового сырья вырабатывается готовая продукция. Масса разбавляется водой и при помощи насосов подается на движущуюся сетку огромного станка, где формируется полотно. Затем бумага просушивается и прессуется, проходя через металлические валы бумагоделательной машины.

4. Накатка. Готовая бумага наматывается на шпулю и в виде рулонов поступает на дальнейшее производство.

Интересный факт: Для каждого этапа производства новой бумаги требуется огромное количество чистой воды. По оценкам экологов, на производство одного листа формата А4 уходит порядка 7 литров жидкости. Использованная вода возвращается в реки и озера, а вместе с ней и токсичные компоненты, которые даже в самой малой концентрации представляют угрозу для всех живых организмов.

2.5 Оборудование

Для производства бумаги на современных комбинатах используются бумагоделательные машины четвертого поколения. Это оборудование с полностью автоматизированным управлением, выполняющее полный цикл операций. В ходе непрерывной работы этих функциональных линий из волокнистой суспензии получается высококачественный картон или бумага с заданными характеристиками.

Различают два вида бумагоделательных линий:

• столового типа с плоской сеткой;

• цилиндровые с круглой сеткой

Наибольшее распространение получили машины второго типа, поскольку они более универсальны и подходят для изготовления бумаги всех популярных видов.

Сама линия состоит из четырех секций, каждая из которых отвечает за свой этап технологического процесса:

1. Сеточная часть, куда изначально подается суспензия и где формируется бумажное полотно;

2. Прессовая секция для удаления излишней влаги и повышения плотности бумаги;

3. Сушильный блок из нескольких обогреваемых паром цилиндров;

4. Отделочная секция, где бумага приобретает необходимую гладкость и сматывается в рулоны

2.6.1. Плотность. Одна из ключевых характеристик бумаги, которая выражается в виде массы одного квадратного метра полотна. Плотность мелованной бумаги обычно находится в диапазоне от 70 до 300 граммов на квадратный метр. Для оргтехники оптимальным вариантом является бумага плотностью 80 г/м².

2.6.2. Белизна. Этот качественный (визуальный) показатель указывает на приближенность цвета листа к эталонному белому цвету. Особенно важна эта характеристика для типографской бумаги, ведь чем ближе образец к эталону, тем точнее цветопередача при печати продукции.

2.6.3. Толщина. Этот параметр измеряется в микронах или десятых (сотых) долях миллиметров. Чем толще лист, тем он менее прозрачен. Для офисной бумаги среднего качества оптимальной толщиной считается 104-106 мкм.

2.6.3. Жесткость — ключевой показатель сопротивления бумаги деформации при прохождении через копировальный аппарат. Чем жестче лист, тем лучше он проходит через валики и ниже вероятность его застревания.

2.6.4. Гладкость/Шероховатость. Так называемая геометрия поверхности бумажного листа определяется по присутствующим на нем макро- и микронеровностям. Они отвечают не только за шероховатость и гладкость поверхности, но и за равномерность распределения массы по площади.

2.6.5. Непрозрачность. Это показатель того, как бумага препятствует просвечиванию напечатанного изображения на оборотную сторону листа. Этот параметр  особенно важен при двусторонней печати.

2.6.6. Прочность на разрыв и излом. Наиболее важные прочностные характеристики бумаги. 

Макулатура является ценным вторсырьем, поскольку состоит из бумажного волокна. В ходе многоступенчатой переработки волокно отделяется от примесей и проходит глубокую очистку. После этого целлюлоза снова может быть использована в качестве сырья для производства новой бумаги и бумажных изделий.

Такая переработка может проводиться несколько раз – до тех пор, пока волокно не станет таким мелким, что перестанет представлять какую-то ценность. В этом случае бумажные отходы направляются на конечную утилизацию.

Интересный факт: Вы когда-нибудь задумывались, сколько бумаги ежегодно расходует средний менеджер, бухгалтер или юрист. По оценкам экологов каждый офисный работник за год расходует такое количество бумаги, на производство которого требуется порядка 17 взрослых деревьев!

Конец формы

3.Изготовление бумаги из вторичного сырья в домашних условиях

Гипотеза:

Можно ли изготовить бумагу в домашних условиях из вторичного сырья.

Методы и приемы исследования:

- Анализ данных, полученных из различных источников информации.

- Эксперимент.

- Математический расчет.

- Обобщение полученных результатов.

Актуальность:

У нас дома скапливается много различных бумажных отходов. Было решено попробовать в домашних условиях использовать эти отходы для вторичного получения бумаги. Личным примером показать, как очистить дом от макулатуры и сберечь деревья. Реализация проекта будет способствовать повышению культуры поведения, формированию правильного экологического поведения.

3.1 Практическая часть

Цель: Получить бумагу в домашних условиям из бумажных отходов.

Материалы: использованная бумага, таз с водой, блендер, сетка, клей ПВА.

Ход опыта:

1. Мелко порвала ненужные тетрадные листы и другую использованную бумагу. Старые газеты использовать не стала, потому что типографская краска ядовита.

2. Залила теплой водой.

3. Хорошо перемешала и дала постоять 4 часа.

4. Нагрела на плите в течение 10 минут.

5. Когда бумажная масса остыла, я хорошо ее размешала (можно использовать блендер) и отжала.

6. Потом добавила еще теплой воды и немного клея ПВА.

7. На сито положила бумажную массу.

8. Когда вода стекла, то я аккуратно отжала свою сырую бумагу, потом положила на полотенце, накрыла марлей, положила сверху еще полотенце и придавила на 24 часа, высушила.

Вывод: В результате работы была получена бумага серо-белого цвета. Полученную бумагу можно использовать для детского творчества на уроках технологии и рисования.

1. Получение цветной бумаги

Для того чтобы получить цветную бумагу, нужно покрасить ранее полученную массу красителем. В качестве красителя я применила гуашь разного цвета.

Вывод: Была получена цветная бумага. Такую бумагу можно использовать для детского творчества на уроках технологии.

1. Изготовление поделок из полученной бумаги

В бумажную массу я добавила лепестки цветов, чаинки, зёрнышки для придания фактурности. Перед сушкой придала задуманную форму, например сердечко, вазочку, цветочек, разукрасила и высушила.

Вывод: Из полученной бумажной массы можно изготавливать поделки.

1. Подсчеты расходов на получение бумаги

Для изготовления бумаги в домашних условиях нам понадобилось:

- 3 кг использованной бумаги;

- 40 л водопроводной воды;

-электроэнергия для получения массы;

- по 50 гр. красной, зеленой, желтой гуаши.

В результате было получено 3 листа белой бумаги и 2 листа цветной бумаги.

Общий вывод: процесс изготовления бумаги в домашних условиях трудоёмкий. При промышленной переработке бумаги из 1 тонны макулатуры получают, в среднем, до 500 кг новой бумаги, пригодной для использования в офисе и школе. 

Заключение.

Я считаю, что цель моей работы достигнута. Я нашла новое применение бумажным отходам, которые скапливаются дома или выбрасываются в мусор - это изготовление новой бумаги.

В результате проделанной работы я познакомилась с историей возникновения бумаги, познакомилась с технологией производства бумаги на целлюлозно-бумажном комбинате.

Изучив различные источники, я опробовала один из методов изготовления бумаги в домашних условиях из вторичного сырья.

Таким образом, я подтвердила гипотезу о возможности получения бумаги в домашних условиях. В наши дни изделия ручной работы ценятся очень высоко, ведь они выполняются в единственном экземпляре. То же можно сказать и о бумаге ручного изготовления.

Полученную бумагу можно использовать для бытовых нужд, а также для детского творчества на уроках технологии в школе, что позволит сэкономить природные ресурсы нашей страны. Используя вторично бумагу, мы спасем несколько деревьев от вырубки. Значительно снижается и загрязнение воды и воздуха, так как при вторичной переработке используется меньшее количество химических веществ.

Список используемой литературы

1. Алексин А. Г. Что такое. Кто такой. - М., Издательство педагогика, 1990. с.188-190

2. Львов С. Книга о книге. – М.: Просвещение, 1980, с 15, с. 96

3. Орлова Н. Д. Я познаю мир.- М.: Издательство АСТ, 2000. с. 97

4. Сквернюков П.Ф. Слово о бумаге. - М.: Московский рабочий, 1980 г. с 9-13, с. 79 – 92, с 150 – 208.

5. Глен Веччионе. Сделай сам! 100 самых интересных самостоятельных научных проектов. – М.: «Издательство АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2004.

6. Н. Ю. Яковлев. «Слово о бумаге» - М: 1988.

7. www.paperman.ru

8. http://www.7ya.ru

9. https://www.livemaster.ru/topic/139701-istoriya-vozniknoveniya-bumagi

10. https://koronaspb.ru/articles/proizvodstvo-bumagi