Бумага
Бума́га (вероятно, от итал. bambágia – хлопок), тонколистовой материал, образованный беспорядочно переплетёнными и скреплёнными между собой растительными волокнами, содержащий для придания специфических свойств неволокнистые добавки (наполнители, проклеивающие, красящие, отбеливающие и другие вещества). При всём разнообразии бумага должна иметь равномерную толщину; чистую, без морщин, пятен и других повреждений гладкую поверхность, хорошо воспринимающую печатную краску; определённую белизну или однородный цвет; обладать непрозрачностью и светостойкостью, достаточной механической прочностью; минимальной абразивностью.
Историческая справка
Предшественница бумаги – тапа, которая, как и древнейшая бумага, делалась из коры деревьев семейства тутовых, дающих мягкий и прочный луб. По археологическим данным, бумага была известна в Китае не позднее 2 в. до н. э. Изобретение бумаги традиция связывает с именем придворного советника Цай Луня, который в 105 г. н. э. предложил отливать лист бумаги осаждением на шёлковой сетке водной суспензии из луба шелковицы, истолчённого в каменной ступе. Приготовленную массу выкладывали на деревянную доску и помещали под пресс, затем высушивали. Сырьём для бумаги служили также лоскуты шёлковой ткани, обрывки шёлковых сетей и коконы шелкопряда. Бумагу, наряду с шёлком, использовали для письма, а также для изготовления вееров, ширм, зонтов, фонарей, денежных знаков, затягивания оконных проёмов и т. п. В 751 г. китайские мастера, захваченные арабами в битве при Таласе, основали производство бумаги в Самарканде. Затем бумага появилась в Багдаде, Дамаске, Йемене, Египте, вытеснив менее удобные писчие материалы – пергамен и папирус. Из Китая во 2–7 вв. бумага распространилась в Корею, Японию, Индию. За неимением лубяного сырья арабы использовали при выработке бумаги хлопок, применяя для растирания массы мельничные жернова. В Европе первыми познакомились с бумагой государства, имевшие тесные торговые контакты с арабскими странами. Производство бумаги появилось в Испании и Италии (12 в.), Венгрии (конец 13 в.), Германии (конец 14 в.), Англии (конец 15 в.). Бумагу вырабатывали вручную, измельчая сырьё в каменной ступе с водой и осаждая затем подготовленную массу на шёлковом или волосяном сите. Часто заводы основывали рядом с водяными (позже ветряными) мельницами. Механизация процессов изготовления бумаги началась в 13 в.: ступу заменила толчея – длинное каменное или деревянное корыто, в котором сырьё раздавливалось падающими пестами; в 17 в. в Голландии взамен толчеи стали использовать более производительную машину – ролл с размалывающими ножами (голландер). Огромное влияние на бумажное производство оказало появление первых печатных книг и дальнейшее совершенствование книгопечатания. Развитию бумажной промышленности способствовала предложенная во Франции в 1799 г. Н. Л. Робером технология отлива бумажного листа на непрерывно движущемся полотне; по существу это была первая бумагоделательная машина. В России использовалась в основном писчая бумага итальянского и французского производства, попытки изготовления отечественной бумаги относятся к началу 16 в. Выработка бумаги ручным способом была налажена в 1560-е гг. Первая бумажная мануфактура была основана Петром I в 1716 г. в с. Красное под Санкт-Петербургом. В 1818 г. на Петергофской бумажной фабрике была установлена одна из первых отечественных бумагоделательных машин. Рост производства бумаги в 19 в. стимулировал поиски новых источников сырья: были изобретены способы получения волокнистых материалов – древесной массы (1844) и целлюлозы (1866).
Технология производства бумаги
Основное сырьё, используемое при производстве бумаги:
целлюлоза, выделяемая из волокон древесины хвойных и лиственных пород деревьев, из стеблей и лубяных волокон однолетних растений;
древесная масса, получаемая при механическом истирании лесоматериалов с применением воды;
отходы текстильного производства (тряпичная полумасса);
макулатура.
При выработке некоторых видов бумаги и картона добавляют неорганические материалы (асбест, стекло, базальт), шерстяные и синтетические волокна (полиамидные и др.).
В схеме технологического процесса 3 основных этапа:
подготовка бумажной массы (размол сырья, введение наполнителей, проклейка, крашение, получение определённой концентрации бумажной массы, очистка от посторонних включений);
отлив бумажного полотна на бумагоделательной машине с последующим прессованием, сушкой, отделкой, намоткой в рулон;
отделка и переработка полученного листа (суперкаландрирование, перемотка, резка, упаковка).
При подготовке бумажной массы осуществляются операции, которые обеспечивают в дальнейшем все свойства, предъявляемые к готовой бумаге. Для размола целлюлозное волокно и древесную массу пропускают через систему ножей, в результате чего волокна измельчаются, укорачиваются и расщепляются в продольном направлении. В качестве наполнителей в массу вводят минеральные пигменты, которые повышают белизну, гладкость, светонепроницаемость, придают мягкость, заполняют промежутки между волокнами и делают структуру более плотной и мелкопористой. Использование наполнителей также выгодно экономически, т. к. при этом уменьшается расход волокнистых материалов. Водоотталкивающие свойства повышаются в результате проклейки в массе гидрофобизирующими веществами (обычно канифолью) вследствие адсорбции их на поверхности волокон. Способность бумаги сохранять прочность в увлажнённом состоянии (влагостойкость) достигается введением карбамидного клея, меламино-формальдегидной смолы. В дальнейшем в результате поверхностной проклейки повышается прочность бумаги к истиранию, снижается пылимость и ворсистость; увеличивается её стойкость к выщипыванию при печати. С целью придания улучшенных эстетических свойств бумаги (конвертной, салфеточной и др.) до отлива производят окрашивание и подцветку массы. При изготовлении односторонне окрашенной бумаги (афишной, обложечной и др.) красители распределяются по поверхности одновременно с проклейкой. Желтизна устраняется введением в бумагу подцвечивающих веществ (обычно синие, фиолетовые красители или смесь синего с красным). Для повышения белизны одновременно с красителями добавляются оптические отбеливатели (бланкофоры). Разбавление бумажной массы водой – операция, обеспечивающая равномерное распределение волокна в суспензии и регулирующая поверхностную плотность (массу 1 м2 листа вырабатываемой бумаги).
Готовая бумажная масса (содержание сухих веществ 0,1–1 %) поступает в бумагоделательную машину, являющуюся самостоятельным агрегатом, в котором все узлы расположены в строго определённом порядке в соответствии с заданной технологией.
Применяют 2 типа бумагоделательных машин:
плоскосеточные – для производства бумаги,
круглосеточные – для картона.
Бумагоделательная машина состоит из напускного устройства, сеточной, прессовой и сушильной частей, каландра, привода. Рядом с ней расположены машинный бассейн для аккумулирования бумажной массы перед поступлением в машину, насосы для подачи массы и подкачки воды, вакуумные насосы; имеются также контрольно-измерительные приборы, система приточно-вытяжной вентиляции. При отливе бумажной массы в результате отфильтровывания воды через сеточные полотна происходит формирование бумажного полотна. Отлив полотна на современных машинах осуществляется со скоростью, достигающей 1000 м/мин, полученное полотно может иметь ширину 7–10 м, длину – до 200 м.
Расширение потока до размера сеточного полотна происходит на напускном устройстве, где также выравнивается концентрация бумажной массы. От качества проведения этой операции во многом зависит структура бумаги, масса 1 м2 листа и равномерность его толщины по всей ширине полотна. Дальнейшая обработка производится на непрерывно движущемся сеточном столе, который для уменьшения ориентации волокон по направлению движения сетки периодически встряхивается, выполняя роль дополнительного естественного фильтра. Последующее обезвоживание массы осуществляется вакуумными отсосами. Для выравнивания и уплотнения поверхности полотна, разрушения пены, возникающей при напуске массы на сетку, устранения воздушных пузырьков и дополнительного обезвоживания в сеточной части в машине установлен лёгкий полый валик (эгутёр, или равнительный вал). С помощью эгутёра, обтянутого специальной сеткой, на бумагу можно наносить видимый на просвет узор – водяной знак. После прохождения через сеточную часть полотно с содержанием влаги 80–85 % поступает в прессовую секцию. Формирование бумажного полотна можно считать законченным, когда волокна уже не могут изменить своего положения в процессах дальнейшей обработки и обезвоживания. При транспортировке в прессовую часть полотно поддерживается сукном, которое также впитывает и пропускает влагу. Шероховатость поверхности, появляющаяся от отпечатков структуры сукна, устраняется на сглаживающих офсетных прессах. После прохождения прессовой части полотно содержит 55–65 % влаги; связи между волокнами упрочняются, и полотно может самостоятельно продвигаться дальше. В сушильной секции полотно прижимается к поверхности нагретых паром цилиндров, которые предотвращают коробление и сморщивание поверхности из-за усадки. Большое значение для качества получаемой бумаги имеет температурный режим сушки. В процессе сушки из бумаги испаряется влага, содержащаяся между волокнами и в её капиллярах. При влажности примерно 60 % между свободными гидроксильными группами соседних волокон образуются межволоконные водородные связи, которые главным образом и определяют прочность бумаги. Нормальная влажность печатной бумаги 5–7 % (для способов печати, основанных на электростатических явлениях,– не более 5 %). После сушки бумага имеет температуру 75–85 °C, поэтому для предотвращения пересыхания и электризации за сушильной частью расположены цилиндры, на которых бумага охлаждается до 20–30 °С.
В процессе отделки бумаге придаются свойства, улучшающие её товарный вид. Первая операция – каландрирование – выполняется непосредственно в бумагоделательной машине. Полотно поступает в секцию, где выравнивается по толщине, одновременно уплотняется её структура и увеличивается гладкость поверхности. После каландрирования получается бумага машинной гладкости, которая наматывается на тамбурных валах в рулон.
Отделка и переработка бумаги затем происходят на продольно-резательном станке и упаковочной машине. Для придания поверхности бумаге более высокой гладкости и глянца её дополнительно пропускают через суперкаландр, получая высококаландрированную бумагу. Количественные показатели свойств для каждого вида бумаги указаны в стандартах и технических условиях.
В технологических процессах выработки бумаги необходимо использование химикатов, больших объёмов воды, поэтому производство бумаги размещают рядом с водоёмами. Вблизи целлюлозно-бумажных предприятий происходит загрязнение атмосферы, грунта, сточных вод вредными веществами, которые нарушают равновесие окружающей среды. Для создания экологически чистого производства разработаны технологии, в которых применяются различные фильтры, очистная аппаратура, вытяжные вентиляционные системы, замкнутый цикл водоснабжения и др.
Классификация и назначение бумаги
Известно более 600 видов бумаги. При достаточно высокой прочности бумага имеет капиллярно-пористую структуру, что обеспечивает хорошее взаимодействие поверхности с краской и клеевыми растворами, лёгкость и компактность изделий из неё. Наиболее обширная сфера применении бумаги – полиграфическая промышленность.
Бумагу для печати можно классифицировать по следующим основным признакам:
способу печати – для высокой печати, плоской офсетной печати, глубокой печати;
по волокнистому составу: чистоцеллюлозная – № 1, с содержанием древесной массы – № 2 и № 3;
по массе 1 м2 листа (в зависимости от толщины листа) – от 28 до 320 г/м2;
по отделке – машинной гладкости (каландрированная и высококаландрированная), с покровным пигментным слоем (мелованная), с различной поверхностью – глянцевая, матовая, шёлковая, лёгкого и «литого» мелования, с фактурным рисунком и др.;
по назначению – газетная, книжно-журнальная, иллюстрационная, этикеточная и др.;
по форме выпуска – листовая и рулонная.
В зависимости от способа печати используется бумага различной выработки, например для высокой печати – мягкая (65–80 г/м2), для офсетной печати – водостойкая и очень прочная (40–320 г/м2), для глубокой печати – очень мягкая, гладкая, с особо чистой поверхностью (70–80 г/м2). Выбор бумаги зависит также от характера печатной продукции. Так, для печатания многообъёмных изданий (словарей, справочников, энциклопедий и др.) выпускается тонкая, но достаточно прочная и плотная бумага (30–45 г/м2), для выпуска массовых книжных изданий часто применяется «пухлая» бумага, толщина которой примерно на 30 % больше, чем у обычной печатной бумаги при одинаковой массе. Газетной бумаге придаются свойства, которые обеспечивают печатание на высокоскоростных рулонных машинах (более 45 тыс. оттисков в час), хорошее закрепление краски.
Выпускаются бумаги различного назначения, обладающие соответствующими свойствами:
для письма (почтовая, писчая, конвертная, тетрадная и др.);
многокрасочная этикеточная водостойкая и щёлочестойкая;
декоративная (под бархат, кожу, металлизированная и др.);
обойная;
чертёжно-рисовальная (ватман, калька и др.);
промышленно-техническая (патронная, наждачная, прокладочная, асбестовая, отделочная, для пряжи);
светочувствительная (для светокопий, фотографий и др.);
электроизоляционная (конденсаторная, кабельная);
обёрточная, жиронепроницаемая, упаковочная, санитарно-гигиеническая, фильтровальная и др.
Для картографической продукции, денежных купюр, документов, чертежей, киноэкранов и др. применяется бумага особо прочная и износостойкая на излом, деформацию, истирание, в том числе синтетическая бумага, изготовляемая по традиционной бумажной технологии из химических волокон (поливинилспиртового, полиамидного и др.) и полимерных плёнок.
В ряде случаев бумага успешно заменяет различные материалы – например, используется в текстильном производстве как конструкционный, изоляционный, фильтрующий, отделочный материал. Бумага, изготавливаемая для других сфер применения, в зависимости от назначения должна отвечать определённым требованиям, иметь состав, соответствующий заданным техническим характеристикам.