История появления бумаги, технология и этапы производства бумаги. Краткие сведения о технологии бумажного производства
Из чего и как делают бумагу?
Обойтись без бумаги в повседневности почти невозможно. Она задействована во всех сферах жизни: люди читают книги, пользуются документами, заворачивают в упаковку подарки, посылки. Бумагой утирают слезы и даже расплачиваются. Напрасно поклонники современных технологий пророчат ей скорое забвение. Этого не случится еще много веков. Из чего же ее делали раньше, и каковые технологии производства сегодня?
Как и из чего делали бумагу раньше?
Сколько человечество себя помнит, оно пишет свою историю. Сперва в виде наскальных рисунков, наглядно повествующих о быте древних племен. Позже в Египте листы для написания готовили из стеблей папируса. В ходу у римлян были дощечки, покрытые воском. А в Индии сохранились высушенные плитки слоновьего помета с витиеватыми письменами.
Создателями прототипа бумаги считаются китайцы (примерно в 105 г. н.э.). Первоначально ее делали из отходов шелковичных коконов путем размалывания, тщательной просушки и прессования. Но такое изготовление оказалось дорогим и трудоемким. Тогда внимание умельцев привлекла конопляная крапива. Однако листы, которые получались из нее, в готовом виде оставались слишком грубыми.
Наилучшим сырьем стала кора тутового (шелковичного) дерева. Ее волокна, смешанные с пенькой, золой и водой, толкли вручную, варили и укладывали на бамбуковое сито. После длительной просушки на солнце выравнивали с помощью камней. Получались прочные и тонки листы. Для усовершенствования добавляли клей, крахмал и красители. Долгое время тонкости этого рукотворного изготовления хранились в секрете. По некоторым источникам, настойчивым арабам удалось выведать тайны у мастеров под пытками. Так бумага перекочевала в Азию, а оттуда уже в Европу. Первую фабрику поспешили открыть предприимчивые немцы уже в 13 веке.
Современное производство
Раньше бумагу делали из хлопчатой, шелковой и льняной ветоши. Сегодня основным материалом служит древесина . Лидируют хвойные породы, береза, тополь, каштан, эвкалипт. Крупными предприятиями славятся Канада, Россия, США, Скандинавия, Япония, Германия. Комбинаты полностью автоматизированы.
Бревна доставляют в цеха, где агрегаты очищают их от коры. Полученный материал измельчают до тонких волокон (фибрилл). Смешивают с водой для набухания, и снова устраняют остатки щепы. Затем однородную массу помещают в специальные котлы, где она варится в смеси сильнодействующих кислот. Таким же образом отдельно обрабатывают кору и щепу, преобразуя в целлюлозу.
Потом ее смешивают с волокнами бревен, макулатурой (чернила предварительно выводятся) и продолжают обрабатывать в кислотном вареве. Чтобы придать будущей бумаге непрозрачность, добавляется каолин. Примеси клея способствуют гладкости поверхности и водоотталкивающим свойствам. Различные оксиды применяются при производстве особых сортов дорогостоящей бумажного полотна.
Настает черед самого главного механического гиганта комбината – бумагоделательной машины. Исполин достигает в длину 100 м, в ширину – 18-20 м. Между двумя его валами постоянно прокручивается металлическая сетка. На ее поверхность выкладывается сырье, прошедшее несколько этапов обработки. Сквозь ячейки стекает ненужная влага, а масса равномерно распределяется по поверхности.
Далее материал поступает под огромные валы прессов для формирования полотна. После них барабаны-утюги проглаживают гигантскую простыню, удаляя остатки воды. И в завершении огромные каландры прессуют бумажную поверхность, придавая ей готовый вид. Теперь можно отправлять рулоны на нарезку и фасовку в листы разных размеров.
Потребности человека в бумаге не иссякают, а ее производство считается вредным. Наносится ущерб лесам, которые подвергаются массовой вырубке. Комбинаты используют кислоты. Отходы, вредные вещества попадают в водоемы, находящиеся поблизости, в воздух. Из 1 тонны бумаги можно изготовить 30000 школьных тетрадей. Но, чтобы получить ее, придется вырубить 17 деревьев. Важно восполнять природные ресурсы . Тогда не придется через столетия вести детей в музеи, чтобы объяснить, что такое бумага, и как она была важна когда-то.
Изготовление бумаги является сложным физико-химическим процессом. Простой лист – результат большого количества этапов производственного процесса. Сейчас мы рассмотрим пошаговый процесс создания бумаги.
Производство бумаги состоит из следующих шагов. Сначала на комбинат доставляют бревна. Там их измельчают при помощи производственного оборудования, а затем варят со специальными веществами. После этого смесь фильтруют, в результате чего образовывается бумажная масса. Ее помещают в аппараты, где она превращается в полотно, а затем в бумагу. Каждый этап содержит множество нюансов, поэтому рассмотрим их более подробно. Для производства бумаги необходима древесина. Также требуется много воды. Поэтому многие комбинаты, производящие бумагу, располагаются на берегах рек вблизи лесных массивов. К тому же водоемы можно использовать для сплава леса. Бумагу чаще всего производят из ели, сосны и березы, но также используют и другое растительное сырье, например, солому или хлопок. В некоторых случаях применяют макулатуру, что позволяет сократить вырубку леса. Процесс создания бумаги начинается с того, что на комбинат доставляются бревна – по реке или наземным транспортом. Производственное оборудование снимает с них кору и измельчает их на короткие бревна одинаковой длины. Чтобы получить из них бумагу, измельчают еще сильнее. Затем полученная масса несколько часов варится с добавлением специальных химических веществ. В результате этого процесса древесина превращается в мельчайшие волокна – целлюлозу. В зависимости от того, какую по качеству бумагу необходимо получить, к этим волокнам добавляют химически необработанную древесную массу, очищенную от крупных частиц, или измельченную макулатуру. Здесь стоит упомянуть, что добавление макулатуры делает бумагу плотнее и качественнее.
Понимание всех этапов создания бумаги поможет принять правильное решение при выборе подходящего вида для печати. Таким образом, вы сможете выбрать бумагу с наилучшим качеством изображения, которое снизит количество застреваний и других неудобств.
Бумага используется во многих сферах деятельности человека. Это и разнообразная упаковка, обои, афиши и календари. Но наибольшую роль сыграла бумага в становлении книги, как источника распространения знаний. Расскажем все о бумаге, что должен знать любой грамотный человек. Приступаем.
В статье рассмотрим производство бумаги, и как делается бумага на современных производствах. Но для начала коротко взглянем, как делали бумагу в древности.
Как делали бумагу в древности
Древние люди свои первые надписи оставляли на скалах, костях животных, глиняных и восковых табличках, пергаменте. Но все методы фиксации информации имели недостатки, из-за своего веса, габаритов или стоимости. Создание бумаги было делом сложным.
Прообразом бумаги можно назвать папирус, который много веков изготавливали древние египтяне. Они извлекли сердцевину растения папирус, намачивали, и потом накладывали один слой на другой так, чтобы они лежали перпендикулярно.
Потом эту бумагу выдерживался под прессом, что давало возможность получить прочный и достаточно твердый материал.
Изготовление бумаги
Наверное, вы уже знаете, что бумагу, как правило, делают из дерева. Поэтому рассмотрим, как из дерева делают бумагу.
Чаще всего для изготовления бумаги используют целлюлозу, которую получают из древесины ели, сосны, березы, хвои, каштана и др..
На бумажной фабрике стволы деревьев обдирают от коры, размалывают и дают набухнуть в воде. На этом этапе процент воды составляет 95% и 5 процентов древесной массы.
Задача этого этапа – измельчить древесину до фибрилл – мелких волокон. Дерево определенное время варится в специальных растворах, которые состоят из раствора кислот. Они должны не только измельчить трески, но и отбелить древесную массу.
От этой операции в значительной степени зависит, какой сорт бумаги получим. После измельчения, нужно очистить массу от ненужных примесей, и добавить в нее связующие вещества и наполнители. Для этой цели используются органические и неорганические вещества, различные оксиды.
Их задача – связать вещество в равномерную массу, вязкую массу.
После этого, на специальных поточных линиях, полученную массу формуют в полотно бумаги. В частности, массу выливают на сетчатую поверхность, где формируется полотно бумаги.
Далее, оно покрывается рядом веществ – в зависимости от вида бумаги. Например, для получения мелованной бумаги, он покрывается с одной или двух сторон пигментно-клеевым раствором, который придаст изделию более гладкость и белизну. Этот процесс состоит из нескольких этапов, чтобы увеличить прочность адгезии слоя бумажного полотна.
Также, на поверхность бумаги может наноситься проклейка. Это вещество, которое увеличивает устойчивость бумаги к жидкости, в том числе воды, клея или краски.
Далее бумага проходит через тяжелые цилиндры (каландры), которые увеличивают ровность и гладкость бумаги и бумага просушивается. Нужно сказать, что готовая бумага имеет влажность около 7%. Если будет больший процент влажности, то материал станет менее прочным, если влаги будет меньше, то бумага будет хрупкой.
Картон изготавливают подобным методом, только толщина его больше. Картоном считают бумагу, который тяжелее, по 250 грамм/м2.
Готовую бумагу в бумагоделательной машине наматывают в рулоны, и направляют в типографию. У них бумага намотана в рулоны и режется на отдельные листы, и поступает в печатный цех.
Качество бумаги
Качество бумаги контролируется по многим показателям. Это и белизна, толщина, масса, гладкость, проклейка, прочность на разрыв и сжатие, непрозрачность. Рассмотрим некоторые подробнее.
Толщина бумаги влияет на толщину книжного блока. В некоторых видах печати (глубокий), важно, чтобы разница толщины листа не была большой.
Пористость бумаги. Чем больше – тем лучше закрепляется краска на оттиске. Но зато отпечаток получается менее насыщенным.
Непрозрачность. В большинстве случаев бумага должна быть непрозрачной, иначе на лицевую сторону будет пробиваться изображение с оборота.
Гладкость. Гладкая бумага дает возможность воспроизвести на ней мелкие элементы изображения. Кроме этого, материал с гладкой поверхностью позволяет обеспечить хороший контакт с печатной формой.
Прочность бумаги. Особенно важно для упаковочной бумаги. Но и нужна для других видов, ведь дает возможность печатать на нем высокоскоростными печатными машинами.
Прочность поверхности к истиранию. Печатные краски имеют хорошую вязкость, и могут во время процесса печатания выщипывать волокна с поверхности. Это негативно влияет на скорость процесса, ведь приходится часто очищать форму.
Впитываемость. Чем больше этот показатель, тем быстрее закрепляются краски на оттиске.
Поверхностная проклейка. Придает прочность поверхностному слою, что уменьшает количество пыли во время печати и стойкость к воде и клею.
Виды бумаги
В зависимости от назначения, состав бумаги и способ его изготовления может отличаться.
Упаковочная. Для этой бумаги характерны невысокие требования к цвету или гладкости, но она должна быть прочной и устойчивой к условиям окружающей среды.
Офсетная. Имеет широкий спектр применения. Очень часто используют для печати книг и изготовления тетрадей, бланков. Должна быть устойчивой к влаге, поскольку связан с применением увлажняющего раствора.
Газетная. На ней часто печатают газеты. Имеет повышенную скорость впитывания краски, это удобно, когда нужно печатать на высокоскоростных печатных машинах.
. Имеет повышенную гладкость и белизну. Используется для печати высококачественных изданий с большим количеством изображений, каталогов, листовок и т.д.
Картон. Это бумага, тяжелее чем 250 грамм/м2. Применяется для изготовления твердых обложек книг, различных карточек.
Целюльозная. Очень качественная бумага, которая практически на 100 процентов состоит из целлюлозы, применяется для изготовления денежных знаков и ценных бумаг.
Из чего сделана бумага
вырубка леса
После рубки стволы деревьев большими тягачами и железнодорожным транспортом направляется на бумагоделательные комбинаты. Здесь бревна разрезают на меньшие части, и поступают в производственные линии, где измельчается на щепки.
Мы рассмотрели, как делают бумагу из дерева, и вы увидели, насколько важно сдавать макулатуру, и использовать ее повторно в производстве, а также тряпки. Кроме этого, важно на месте срубленного дерева сажать новое.
Производство бумаги требует большого количества деревьев, поэтому оно распространено в тех странах, которые имеют большие массивы деревьев: Финляндия, Россия, Канада.
Теперь вы знаете, как делается бумага.
P.S. Как делается бумага видео:
Из материала Вы можете узнать, когда появилась бумага, как ее делали раньше и как делают сейчас. Вы получите общие представления о технологии производства бумаги: из чего ее делают, и какое для этого используется оборудование.
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Единого мнения о первенстве в начале книгопечатания не существует. Европейцы отдают пальму первенства Иоганну Гуттенбергу, воплотившему опыт предыдущих поколений в построенном им станке, позволявшем получать оттиски с печатных форм. Сроком начала печатного производства считается 1445 год. Первые печатные славянские книги были изданы в Польше в 1491 году. А первой книгой на старославянском языке считается изданный в 1564 году дьяконом московской церкви Николы Чудотворца Иваном Федоровым «Апостол». При этом специалисты, анализировавшие это издание, единодушно пришли к мнению, что судя по качеству изготовления и применённым печатным приёмам русские печатники имели опыт задолго до этого срока. По крайней мере, «Апостол» оказался первым точно датированным изданием.
Материалы, применяемые в полиграфии, делятся на основные (непосредственно входящие в состав издания) и вспомогательные (расходные материалы, применяемые в печатных процессах). К основным относятся бумага, картон, переплётные материалы, краски, полиграфическая фольга, отделочные материалы. Вспомогательные - это печатные формы, фотоматериалы, резинотканевые пластины, различные химикаты.
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для производства бумаги используют волокнистые материалы растительного происхождения, выделенные из древесины хвойных и лиственных пород, стеблей, листьев и дуба некоторых растений. Иногда в бумажную массу добавляют волокна шерсти, хлопка, синтетическую органику.
Главным компонентом растительных волокон является природный полимер - целлюлоза, обладающая многими свойствами для производства бумаги.
Древесина хвойных пород - ель, сосна, пихта, лиственница;
- древесина лиственных пород - береза, осина, тополь, ольха, бук, эвкалипт;
- стебли однолетних растений - солома злаков, кукурузы, тростника, багассы (сахарного тростника), бамбука;
- лубяные волокна однолетних растений - лён, конопля, джут, кенаф;
- волокна семян хлопка и отходов хлопкового производства;
- волокна из листьев некоторых растений - манильская пенька, новозеланский лён;
- тряпьё хлопчатобумажное, льняное, пеньковое;
- макулатура (старая бумага, бумажные обрезки).
В зависимости от условий варки растительного сырья различают:
целлюлоза сульфитная - изготавливают её в основном из древесины ели и пихты;
целлюлоза сульфатная - вырабатывается из хвойных и лиственных пород древесины.
Помимо целлюлозы массовым полуфабрикатом в производстве бумаги является древесная масса: белая, бурая, термомеханическая (ТММ) и химикотермомеханическая (ХТММ). Древесная масса - основной продукт в производстве газетной бумаги, широко используется в композиции печатных видов бумаги, а также при изготовлении обойной, мундштучной бумаги и картона. Древесную массу нередко вырабатывают в белёном виде, тогда её используют для замены белёной целлюлозы с целью удешевления бумаги и придания тонкопечатным бумагам повышенной непрозрачности. Однако присутствие древесной массы ограничивает использование такой бумаги для изготовления изданий длительного срока службы, т.к. её присутствие приводит к ускоренному старению (пожелтению) бумаги.
Макулатуру в больших количествах используют в производстве гофрированного и коробочного картонов, упаковочной, туалетной и других видов бумаги. В последнее время на Западе она всё чаще используется в композиции газетной и некоторых видах бумаги для печати, в т.ч. мелованных. Кроме того, в составе любой бумаги присутствуют т.н. оборотные макулатурные волокна - отходы бумажного производства.
Синтетические волокна органического происхождения и минеральные волокна получили в последнее время применение при изготовлении специальных видов бумаги, отличающихся высокой прочностью на разрыв, химической стойкостью, стабильностью размеров при изменении относительной влажности окружающего воздуха, светостойкостью, долговечностью, термостойкостью.
При использовании синтетических волокон, например, винола, капрона, нитрона, лавсана связь между волокнами осуществляется либо введением в композицию соответствующих связующих, либо введением как добавки более легкоплавких волокон (ПВС), которые плавятся в процессе сушки и горячего каландрирования, связывая между собой тугоплавкие волокна.
Выпускаемая в настоящее время синтетическая бумага подразделяется на две основные группы: бумага из синтетических волокон и на основе синтетической пленки.
К первой группе относятся различные виды электро- и теплоизоляционной бумаги, картографическая, особо прочные упаковочные виды, различные нетканые материалы. Вторая группа используется в основном для замены писчих и печатных видов бумаги при использовании в регистрирующих приборах и электронно-вычислительных машинах.
Бумага этой группы изготавливается не на обычном бумагоделательном оборудовании, а получается либо непосредственно в результате процесса экструзии (формирования листа на полотне, на которое из дозатора наносится слой полимера заданной толщины), либо путём последующей поверхностной обработки пленки.
Производство подобной синтетической бумаги получило наибольшее распространение в Японии; изготавливается же она также в США, Англии, Германии.
Для придания бумаге требуемых свойств в её состав вносятся разнообразные специфичные добавки, проклеивающие, красящие вещества.
КЛАССИФИКАЦИЯ НА ОСНОВЕ СОСТАВА БУМАГИ
Отечественный стандарт при классификации бумаг опирался прежде всего на состав бумаги по волокну. Для опытного полиграфиста наименование «Офсет №1» или «Типографская №2» говорит само за себя. Понятие «бумага №1» подразумевает, что бумага изготовлена на основе чистоцеллюлозных волокон. Позднее понятие «чистоцеллюлозная» несколько расширилось и стало подразумевать возможность включения в состав до 10% древесной массы. В основном бумаги №1 выпускались как офсет или писчая бумага.
Бумага №2 допускает наличие до 50% древесной массы. Существовали типографская, офсетная бумаги и изготовленная на основе офсета №2 книжно-журнальная бумага (не путать с понятием «книжно-журнальная бумага» по европейской классификации).
Наконец, в бумагах №3 предусматривалось преимущественное наличие древесной массы. Формально №3 присваивался только типографским бумагам, хотя аналогичным составом обладают, например, отечественные газетные бумаги.
Макулатура, как составляющая бумажной массы, применялась при производстве полиграфических сортов бумаг в ограниченном количестве и не получила своей ячейки в данной классификации. Наибольшее применение в отечественной промышленности вторичная масса получила в производстве упаковочных картонов (в т.ч. хромэрзац, т.е. картонов, состоящих из различных по составу слоев) и переплётных картонов.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
В технологическом процессе бумажного производства бумагоделательная машина является основным агрегатом. На ней производится отлив и формирование бумажного полотна, прессование, сушка и предварительная, а иногда и окончательная, отделка
бумаги.
Бумагоделательная машина состоит из сеточной, прессовой и сушильной частей, каландра, наката и привода машины. К бумагоделательной машине относят и вспомогательное оборудование: мешальные бассейны для аккумулирования массы, регуляторы и контрольно-измерительные приборы, аппараты для очистки массы (очистители и узлоловители), насосы для подачи массы и воды, вакуумные насосы, аппаратура для переработки брака, компрессоры, оборудование для циркуляционной смазки, подачи воздуха для вентиляции и др.
На сеточной части машины происходит отлив и формирование бумажного полотна, что связанно с удалением из бумажной массы основного количества воды. Бесконечная сетка, которая проходит по поддерживающим её регистровым валикам, выполняет функцию быстродвижущегося бесконечного фильтра. Тонкий слой волокон почти мгновенно оседает на сетку и затем сам действует как тонкий фильтр, задерживая остальные волокна. Сухость бумажного полотна после сеточной части 18 - 22%.
После сеточной части бумажное полотно поступает на прессовую часть, состоящую обычно из 2-3 прессов, на которых оно последовательно обезвоживается до сухости 27 -40%. Сеточную и прессовую части машины называют мокрой частью. Дальнейшее обезвоживание (сушка) полотна бумаги происходит на сушильной части машины.
Сушильная часть состоит из тонкостенных чугунных сушильных цилиндров, обогреваемых изнутри паром. Они расположены в шахматном порядке, обычно в два яруса. По сушильным цилиндрам проходит бумажное полотно, поочерёдно соприкасаясь с нижними и верхними цилиндрами то одной, то другой своей поверхностью. Сухость бумажного полотна после сушильной части составляет 92 - 95%. Для охлаждения бумаги до 50-55 °С и поверхностного увлажнения с целью придания бумаге лучшей пластичности и улучшения каландрирования в конце сушильной части установлены холодильные цилиндры.
Далее бумажное полотно пропускают через каландр, предназначенный для уплотнения бумаги и повышения её гладкости и лоска. Каландр состоит из 3 - 10 тщательно отшлифованных чугунных валов, расположенных друг над другом. Бумажное полотно огибает поочередно валы каландра и проходит между ними при всё возрастающем давлении. Приводным является нижний вал каландра, остальные валы приводятся в движение трением (каждый от нижележащего). Пройдя каландр, бумажное полотно поступает на накат, где непрерывно наматывается на тамбурный валик в рулоны.
После бумагоделательной машины почти все виды бумаги подвергают отделке. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска большинство видов бумаг для печати, писчей и технической бумаги пропускают через суперкаландр. После этого бумагу направляют либо на продольно-резательный станок (где она разрезается на рулоны заданной длины), либо на бумагорезательную машину (где бумага разрезается на листы заданных размеров). Рулонную бумагу после продольной резки упаковывают на рулоноупаковочной машине. Листовую бумагу сортируют, а затем на прессах упаковывают в кипы.
Термин "проклейка бумаги" характеризует процесс, при котором в бумагу вводятся различные вещества, придающие ей специфические свойства, в зависимости от назначения бумаги: чернило- и водонепроницаемость, сомкнутость структуры, увеличение механической прочности и сопротивления истиранию поверхностного слоя. В некоторых случаях в бумагу вводятся вещества, препятствующие прониканию в неё молока, масла, различных жидкостей.
Процесс проклейки осуществляется двумя способами: введением проклеивающих веществ
в бумажную массу или поверхностной обработкой соответствующими веществами готовой бумаги.
В первом случае обеспечивается как бы склеивание между собой растительных волокон, из которых состоит бумага. Благодаря этому силы связи между волокнами возрастают и бумажный лист становится более прочным.
Во втором случае при поверхностной обработке бумаги на её поверхности образуется тонкая пленка, препятсвующая проникновению чернил или воды в толщу листа; бумажное полотно приобретает прочную поверхность. Такая бумага «не пылит». Поверхностная проклейка бумаги в настоящее время широко применяется в тех случаях, когда требуется придать поверхности бумаги какие-то определенные качества.
При выработке многих видов бумаги в их композицию вводят минеральные наполнители. Чаще всего для этой цели используют каолин. Однако на многих предприятиях применяют и другие виды: мел, гипс, тальк, двуокись титана.
Минеральные наполнители увеличивают непрозрачность бумаги, её пористость и воздухопроницаемость, снижают деформацию бумаги при намокании, уменьшают склонность бумаги к скручиванию, увеличивают гладкость бумаги при каландрировании. Наличие минерального наполнителя в бумаге делает её просвет более равномерным, что одновременно с увеличением белизны бумаги, её непрозрачности, гладкости и впитывающей способности улучшает печатные свойства бумаги. О количестве наполнителя в бумаге судят по её зольности.
Окрашивание бумаги в какой-либо цвет осуществляется или крашением самой бумажной массы, из которой изготавливается бумага, или окраской бумаги с поверхности.
Если при помощи крашения бумаге придают определённый цвет, то для придания ей того или иного оттенка пользуются подцветкой бумаги. Для этого в бумажную массу вводят небольшие количества соответствующих красителей. Подцветку производят преимущественно для устранения желтизны различных видов бумаги для письма и печати и придания им видимой белизны.
Белизну бумаги можно повысить при использовании так называемых оптических отбеливателей. Оптические отбеливатели используются в весьма малых количествах и при этом придают бумаге высокую степень видимой белизны.
С.Н. Иванов
ТЕХНОЛОГИЯ
Издание третье
ШКОЛА БУМАГИ МОСКВА 2006
ISBN 5-86472-161-1
Технологиябумаги. Изд. 3-е. Иванов С.Н., 2006, стр. 696.
В учебном пособии описаны процессы производства бумаги, применяемое оборудование и его работа. Изложены теория и технология процессов: размола, проклейки, наполнения, применения связующих материалов и влагопрочных смол, крашения, очистки, отлива, прессования, сушки и каландрирования бумаги. Рассмотрены волокнистые материалы, применяемые для выработки бумаги, и типы бумагоделательных машин. Дана методика технологических расчетов и приведены практические данные по отдельным вопросам производства.
Таблиц 68, иллюстраций 257, формул 163, библиографий 326.
Книга переиздана в рамках проекта «ШКОЛА БУМАГИ» к 105-летию со дня рождения автора - Сергея Николаевича Иванова.
Организаторы проекта выражают благодарность спонсорам 3-его издания книги Иванова С.Н. «Технология бумаги»:
ООО «Австрийская бумага» - Генеральный директор Никольский Андрей Николаевич – оплата электронной верстки и макета издания;
ЗАО «Балтийская целлюлоза» - Генеральный директор Баскин Григорий Львович – оплата полиграфических работ;
«Краснокамская бумажная фабрика – филиал ФГУП «ГОЗНАК» - Директор Агафонов Александр Николаевич – офсетная бумага ВХИ «Г» 65 г/м2 на внутренний блок книги.
ОАО «Каменская бумажно-картонная фабрика» - Директор Арзуманян Арзум Ашотович – картон переплетный толщиной 2 мм.
ОАО «Щелковская фабрика технических тканей» - Генеральный директор Бондарчук Юрий Валентинович – переплетный материал на обложку: ледерин на тканевой основе.
ООО «Редакция журнала «Целлюлоза. Бумага. Картон.»- Главный редактор Шварц Александр Ефимович – информационная поддержка.
Выражаем благодарность за помощь и активное участие в издании книги: Никольскому Николаю Георгиевичу и Острерову Михаилу Анатольевичу.
ИВАНОВ Сергей Николаевич
ПРЕДИСЛОВИЕКТРЕТЬЕМУИЗДАНИЮ
С выпуском книги профессора, доктора технических наук С.Н. Иванова «Технология бумаги» преодолен своеобразный «вакуум» в сфере информации для специалистов ЦБП. Следует отметить, что за последние 30 – 35 лет подобных учебных и научно-тех- нических трудов не издавалось.
Особенно важно, что книга издана в период высокого спроса на информацию, как для производственных специалистов, так и для высших учебных заведений. Ценность и значение книги подтверждается тем, что последнее издание, вышедшее тиражом 11 тысяч экземпляров, давно уже невозможно где-нибудь приобрести.
Учитывая то, что за последние годы российская целлюлозно-бумажная промышленность начала подниматься на ноги и по-
лучать значительное развитие, особенно за счет сравнительно небольших предприятий, возникла потребность в такой технической специальной литературе в большом объеме.
Автор книги «Технология бумаги» С.Н. Иванов обладал исключительно большим опытом, знаниями в области производства бумаги и картона, пройдя большую практическую школу. Он работал на ряде предприятий, таких как Марийский и Окуловский комбинаты, Краснокамской фабрике «ГОЗНАК», а также преподавал на кафедре целлюлозно-бумажного производства Лесотехнической Академии, передавая свой богатый производственный и научный опыт студентам и аспирантам.
Книга охватывает полный комплекс технологических процессов бумажного производства – размола, проклейки, наполнения, крашения, отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины, прессования, сушки, каландрирования бумаги и картона; устройства оборудования, проведения и организации технологических процессов бумажного производства, а также практические рекомендации по эксплуатации оборудования.
Широта охвата рассматриваемых вопросов и глубина разработки как теоретических, так и практических вопросов бумажного производства ставит книгу С.Н. Иванова в ряды лучших трудов по бумажному производству не только в России, но и за рубежом. Книга С.Н. Иванова «Технология бумаги» была издана в ряде европейских стран с развитой целлюлозно-бу- мажной промышленностью.
Приобретая настоящую книгу, Вы будете обладать широкими знаниями и информацией в области технологии производства бумаги.
ПРИГОТОВЛЕНИЕБУМАЖНОЙМАССЫ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ
Исторический обзор
Бумага является упруго-пластическим, капиллярнопористым листовым материалом, состоящим главным образом из мелких растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления. Соединение мелких волокон в бумажное полотно производится обычно методом осаждения и фильтрации на сетке бумагоделательной машины из сильно разбавленной в воде волокнистой суспензии. Затем бумажное полотно подвергается прессованию, сушке и отделке. Для придания бумаге необходимых свойств к размолотому волокнистому материалу добавляют минеральные наполнители, гидрофильные или гидрофобные проклеивающие вещества, красители и другие химикаты. С этой же целью готовую бумагу подвергают дополнительной отделке или специальной обработке.
В последнее время, кроме обычного способа изготовления бумаги, находит все большее применение так называемый «сухой» способ, при котором волокна соединяются в лист бумаги методами текстильного производства в отсутствии воды. Все большее практическое значение для изготовления специальных видов бумаги приобретает также применение различных синтетических и искусственных волокон взамен растительных. Независимо от способа производства волокна в бумажном листе связаны между собой поверхностными силами сцепления, что отличает бумагу от текстильного материала.
Изобретение бумаги обычно связывают с именем китайца Цай-Луня и относят к 105 г. н. э. Однако, как показали последние исследования, первое упоминание о бумаге относится к 12 г. н. э., а в 76 г. н. э. на ней уже печатали книги . Цай-Лунь обобщил имеющийся опыт изготовления бумаги и усовершенствовал способ ее производства. Сырьем для бумаги сначала служиливолокнаживотногопроисхождения(шелк-сырециотходышелка), а затем стали использоваться волокна растительного происхождения: лубяных волокон тутового дерева и конопли, бамбука, соломы и др., а также тряпье.
В древние времена взамен бумаги для письма применяли папирус – материал, который изготовляли в Египте из растения Cyperus papyrus , произраставшего в низовьях Нила. Стебель этого растения, имеющий трехгранную форму в сечении, разрезали на куски и расщепляли на пластинки, которые затем склеивали между собой клеем. Так получали лист папируса, который затем уплотняли, ударяя по нему деревянными молотками, сушили на солнце, разглаживали гладким камнем и склеивали в длинные полосы.
Хотя по своему внешнему виду и составу папирус близок к бумаге, однако технология его изготовления совсем иная. Производство папируса возникло не менее чем 5500 лет тому назад (сохранились свитки папируса, насчитывающие около 5450 лет).
В ряде европейских стран бумага получила свое название от корня сло-
ва папирус: das Papier (по-немецки), le papier (по-французски), the paper (по-английски) и т. д.
Термин бу мага, возможно, происходит от восточного названия хлопчатника «бумаг», из которого изготовляли бумагу, а может быть от итальянского слова «бомбицина», которым именовали очень рыхлую, пухлую и шероховатую бумагу, вырабатываемую арабами. Этот вопрос еще точно не выяснен .
На протяжении семнадцати столетий, с момента изобретения технологического процесса производства, бумагу изготовляли исключительно ручным, кустарным способом, который мало совершенствовался. Громадным толчком к дальнейшему развитию производства бумаги послужило изобретение книгопечатания Иоганном Гутенбергом в 1453 г.
В XVII в. в Голландии был применен новый, более производительный размалывающий аппарат – ролл, заменивший устаревшую и малопроизводительную толчею, а конец XVIII века ознаменовался изобретением самочерпки – машины, заменившей ручной труд рабочих-черпальщиков, изготовлявших бумагу. Изобретение самочерпки, или бумагоделательной машины, французом Луи Робером (1799 г.) положило начало стремительному росту бумажной промышленности и в немалой степени содействовало всеобщему росту культуры и прогрессу человечества.
Рост бумажного производства, последовавший вслед за изобретением бумагоделательной машины, натолкнулся на острый недостаток волокнистого сырья, так как тряпья, из которого вырабатывалась бумага, было недостаточно уже и при старом, кустарном производстве бумаги. Наступил сырьевой голод, заставивший основательно заняться поисками новых источников сырья для производства бумаги. Эти поиски увенчались успехом с изобретением способов производства волокнистых полуфабрикатов из древесины. В середине прошлого столетия были открыты способы производства сначала древесной массы, затем натронной и сульфитной целлюлозы и, наконец, сульфатной целлюлозы. С этого момента бумажное производство получило неисчерпаемые источники сырья и стало развиваться быстрыми темпами. За 165 лет своего существования, с момента введения
машинного производства бумаги, бумажная промышленность проделала громадный путь развития и превратилась в одну из передовых отраслей промышленности.
Первая бумагоделательная машина, сконструированная Луи Робером и работавшая некоторое время на бумажной мануфактуре в городе Эссоне во Франции, была очень примитивна (рис. 1). Она состояла из бесконечной сетки, натянутой на двух деревянных валиках, которые располагались над деревянным черпальным бассейном, и приводилась в движение вручную вращением валика от рукоятки. Над черпальный бассейном вращалось
Рис. 1. Бумагоделательная машина Луи Роббера:
1 – сетка;2 – валики;3 – черпальный бассейн;4 – черпальное колесо;5 – отражательный щит;6 – накат
черпальное колесо, изготовленное из тонких медных полос, которое зачерпывало разбавленную водой волокнистую массу из чана, отбрасывало на отражательный щит и выливало ее на движущуюся сетку. Сырая бумага наматывалась на накат, откуда ее периодически снимали. Длина медной сетки 3,4 м , ширина 0,64м . Машина была далеко не совершенной и по своей производительности лишь ненамного превосходила ручную выработку. Тем не менее сам принцип, заложенный в конструкцию машины, – непрерывный отлив бумажной массы на движущейся сетке – оказался прогрессивным и был использован в последующих конструкциях бумагоделательных машин, созданных братьями Фурдринье и Донкиным. Поэтому имя Луи Робера вполне заслуженно почитается как имя изобретателя машины, сыгравшей в истории техники такую же огромную роль, как типографский станок или паровая машина.
Луи Робер не смог создать промышленной установки бумагоделательной машины. Это сделали конструкторы англичане Сили и Генри Фурдри-
нье, а также заводчик Бриан Донкин, купивший совместно с французским промышленником Дидо патент у Луи Робера за 24 700 франков. Технические знания и опыт в машиностроении помогли им значительно усовершенствовать первоначальную конструкцию машины Роббера и создать бумагоделательную машину, нашедшую широкое промышленное применение. Первая бумагоделательная машина Донкина была установлена в Англии в городе Фрогморе в 1804 г., а в 1805 г. была установлена вторая такая же машина в городе Гартфордшайре. С этого времени бумагоделательные машины стали быстро входить в практику бумажной промышленности, они появляются, кроме Англии, во Франции, Германии и в России.
Первые машины Донкина (рис. 2) не имели сушильной части, состояли только из сеточной, прессовой частей и наката. Вначале отсутствовали
Рис. 2. Первая бумагоделательная машина Донкина:
1 – черпальный чан; 2 – лоток; 3 – сетка; 4 – декельный ремень; 5 – гауч-пресс; 6 и 7 – прессы; 8 – накат
даже отсасывающие ящики. Сырое полотно бумаги, снятое с машины развешивали для просушки на открытом воздухе. Сушильная часть машины была введена только в 1823 г., причем вначале сушильные цилиндры были открытыми и обогревались изнутри жаровнями с углем. Пар для обогрева сушильных цилиндров стали использовать несколько позже. В 1826 г. француз Кансон применил вакуум-насос для отсасывающих ящиков сеточной части, что резко повысило эффективность обезвоживания бумажного полотна на сетке и позволило повысить скорость машины. Из дальнейших усовершенствований бумагоделательной машины отметим изобретение эгутера (ровнителя), позволившего получать бумагу с водяными знаками (Маршалл, 1826 г.), введение сначала плоских (1830 г.), а затем цилиндрических узлоловителей для очистки массы (Франке, 1856 г.), песочницы (Берг, 1838 г.) и ряд других усовершенствований, которые сделали бумагоделательную машину одни из наиболее совершенных агрегатов в промышленности. Это дало основание Карлу Марксу в своем труде «Капитал»1 назвать бумагоделательную машину образцом механизированного непрерывно действующего агрегата.
1 Маркс К. Капитал, т. I, Госполитиздат, 1952, стр. 387.
Наряду с усовершенствованием длинносеточной столовой машины в первой половине XIX столетия были сделаны и другие важные изобретения по созданию новых типов бумагоделательных машин. Так, в 1805 г. Иосиф Брама сконструировал цилиндровую машину, в 1827 г. Эдельхейзер разработал конструкцию самосъемочной машины. В этот же период было предложено несколько типов бумагоделательных машин для выработки бумаги листами.
В конце XIX и в XX столетии были сделаны дальнейшие усовершенствования бумагоделательной машины, которые дали возможность значительно повысить ее скорость, увеличить выработку бумаги и почти полностью автоматизировать процесс работы машины. В результате этого были созданы машины производительностью до 500 т бумаги и до 1000т картона в сутки.
Этим успехам содействовали следующие основные усовершенствования:
1) создание многодвигательного электрического привода бумагоделательной машины, заменившего громоздкий групповой привод с ременной передачей (1908 г.);
2) замена простых линеек для напуска массы на сетку напорным ящиком высокого давления (1911 г.);
3) замена гауч-пресса отсасывающим валом (1908 г.) и внедрение отсасывающих валов в прессовой части машины;
4) создание накатов барабанного типа, заменивших неудобные фрикционные накаты, тормозившие повышение скорости бумагоделательной машины:
5) автоматизация управления отдельными частями машины и процессами ее работы (управление движением сеток и сукон, натяжение сукон, заправка бумаги, ведение процесса сушки бумаги, регулирование концентра-
ции массы, ее температуры, кислотности среды, веса 1 м 2 бумаги и т. п.).
Таблица 1
Показатели машины Луи Робера и современной машины для выработки крафт-мешочной бумаги
Современная |
||
Наименование показателей | ||
выработки |
||
мешочной |
||
Производительность, т в сутки. . . . . . . . . . . . . | ||
Рабочая скорость, м/мин . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
Ширина сетки, м | ||
Длина сетки, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
Число сушильных цилиндров. . . . . . . . . . . . . . . | ||
Мощность двигателей переменной части, квт . . . . . . . | ||
Вес машины, т . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ||
Длина машины, м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
Наряду с этим были созданы более совершенные аппараты для очистки массы перед машиной: вихревые очистители, центриклинеры и селектифайеры, новые типы высокопроизводительных узлоловителей. За последнее время значительно усовершенствована конструкция напорного ящика. Создан напорный ящик закрытого типа, обеспечивающий надлежащее формование бумаги при скорости бумагоделательной машины, превышающей 1000 м /мин . Значительно усовершенствованы сеточная, прессовая,
Рис. 3. Современная бумагоделательная машина
сушильная части машины и системы вентиляции. Широкое применение получили вентиляционные установки с использованием тепла уходящего воздуха. Все эти усовершенствования и многие другие, о которых будет сказано далее, привели к созданию современной бумагоделательной машины (рис.3).
Чтобы оценить путь развития бумагоделательной машины, сравним первую машину Луи Робера и современную бумагоделательную машину
Прибавим к этому, что машина Робера была установлена в небольшой комнате, тогда как современная бумагоделательная машина требует для своей установки громадного зала длиной свыше 150 м , шириной около 27м и высотой около 25м . Несмотря на гигантские размеры, эта машина, как и машина Робера, обслуживается пятью рабочими.
Одновременно с развитием конструкции бумагоделательной машины совершенствовалась и технология бумажного производства, создавалось новое оборудование для размола, проклейки и наполнения массы, отделки бумаги и других процессов. В 1858 г. Иосифом Жорданом была сконструирована коническая мельница, которая впоследствии превратилась в один из основных размалывающий аппаратов непрерывного действий. В 1862 г. в Германии завод Гаубольд выпустил многовальный суперкаландр для отделки бумаги. В 1870 г. француз Верни создает саморезку гильотинного типа для разрезания бумаги на листы. Позже появились продольно-реза- тельные станки и ротационные саморезки, обладающие высокой производительностью. Создавались новые конструкции станков, внедрялись новые методы отделки бумаги. Бумага стала находить все большее применение в промышленности и в быту.
С введением машинного способа производства ручной отлив бумаги при помощи специальных черпальных форм, который был единственным способом производства бумаги на протяжении 17 веков, утратил свое значение и начал исчезать. В настоящее время, способ ручного черпания является редкостью. Он сохранился только для производства некоторых специальных видов бумаги: чертежного ватмана, документных бумаг с локальным знаком и т. п. Серьезного промышленного значения этот способ выработки не имеет.
Возникновение бумажного производства в России относится к XVI веку. Но о существовании первой бумажной мельницы на реке Уче в Московском уезде нам мало что известно. Более определенные сведения имеются о постройке в 1655 г. и работе бумажной мельницы на реке Пахре в слободе Зеленой.
Производство бумаги в России начало развиваться при Петре I, по указу которого было выстроено несколько бумажных мельниц под Москвой и около Петербурга. Благодаря его заботам бумажная промышленность в России по своему уровню не уступала заграничной. Появились такие крупные бумажные мануфактуры, как Полотнянозаводская (1720 г.) и Ярославская; на каждой из них работало по 500 рабочих.
Первая бумагоделательная машина в России булла установлена на Петергофской гранильной фабрике в 1817 г. Монтажными работами, которые велись русскими мастеровыми, руководил англичанин Вестингаузен, представитель фирмы Донкина. Многие части машины были изготовлены на Петербургском чугунолитейном заводе. С этого времени в России получает развитие машинный способ производства бумаги. Тем не менее бумажная промышленность, несмотря на большие сырьевые ресурсы, до Великой Октябрьской социалистической революции в России не получила должного развития.
В годы первых пятилеток бумажные фабрики Советского Союза были реконструированы и оснащены новой техникой. Было построено несколько современных целлюлозно-бумажных комбинатов, впервые создана маши-
