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.
Технологический процесс изготовления бумаги включает в себя пять основных циклов: заготовку древесины, вывозку древесины из леса, сплав древесины, размол древесины, получение бумажного полотна.
Основным исходным сырьем для получения бумаги являются древесина и целлюлоза.
Целлюлоза - это основа растительных клеток. Ее приготавливают из древесины и смолы. В специальных варочных котлах размолотую древесину подвергают действию химических реактивов и пара. Сваренную целлюлозу промывают, измельчают и отбеливают. Готовая целлюлоза служит сырьем для кинофотопленки, из нее вырабатывают искусственный шелк и другие материалы. В бумажной промышленности целлюлоза является основным полуфабрикатом для изготовления высококачественной бумаги.
Бывшая в употреблении бумага и бумажные отходы, называемые макулатурой, - прекрасное вторичное сырье для бумаги и картона. Переработка макулатуры позволяет экономить миллионы кубометров леса.
Поступающее на бумажную фабрику исходное сырье (тряпье, целлюлоза, древесная и соломенная масса, макулатура) подвергают механической обработке: разбивают в гидроразбивателях, очищают от посторонних примесей и размалывают в специальных мельницах. В результате такой обработки волокна расщепляются. К размолотым волокнам добавляют наполнители, проклеивающие и красящие вещества. Наполнители - каолин, мел, тальк, гипс, титановые белила и другие вещества - служат для того, чтобы сделать бумагу непрозрачной, уплотнить ее структуру, улучшить ее поверхность и др. Некоторые виды бумаги проклеивают, чтобы она становилась влагонепроницаемой. Для проклейки бумаги используют канифоль, синтетические смолы, крахмал, парафин. Для подцветки и окраски бумаги применяют различные красители.
Процесс производства бумаги на бумажной фабрике начинается с приготовления бумажной массы. Древесная масса и целлюлоза в специальной мельнице - ролле - перерабатывается в пыльцу. При этом длину волокон доводят до необходимого размера. К размолотым волокнам добавляют наполнители, красители, клей, воду. Затем бумажная масса поступает на бумагоделательную машину. В массовом бассейне при постоянном вращении мешалки получается бумажная масса, которая течет через песочницу и узлоуловитель. Под разбрызгивателем масса равномерно распределяется по бесконечной сетке, образуя тонкий волокнистый слой. Благодаря вибрации сетки волокна сцепляются. Валик-ровнитель вдавливает ребра массе, а при необходимости и водяные знаки. Волокнистый слой под давлением мокрых прессов, частично обезвоживается и поступает под «мокрый» пресс с суконным бандажом. Между сукнами и сушильными цилиндрами бумага высушивается. При этом смола, содержащаяся в волокнах хвойных древесин, расплавляется и склеивает волокна. В машинном каландре бумага приобретает необходимую поверхность и далее скатывается в рулон. С помощью дискового ножа осуществляют продольную разрезку бумажного полотна. При необходимости поперечный нож рубит бумагу на листы.
Современные бумагоделательные машины - это огромные агрегаты, достигающие в длину 150 м.
Бумага обладает определенными физическими, механическими и технологическими свойствами. К физическим свойствам относят: вес, цвет, шероховатость, теплопроводность, гигроскопичность, электропроводность; к механическим - прочность на разрыв, излом, истирание; к технологическим-способность подвергаться различной обработке.
Машинный процесс производства картона в принципе не отличается от производства бумаги. Картоном называют волокнистый материал, квадратный метр которого весит более 230 г. Машины производят два основных вида картона: однослойный и многослойный.
Картон изготавливают на картоноделательных машинах. Основные технологические операции при получении картона - разлив, прессование, сушка - принципиально не отличаются от подобных операций при выработке бумаги. Основное отличие заключается в том, что для изготовления картона используют сырье с более грубыми и жесткими волокнами: бурую древесину, полуцеллюлозу и др. Изготавливают и многослойный картон, внутреннюю часть которого отливают из дешевого сырья, а наружный слой - из более прочных и дорогих волокон.
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-
История создания бумаги насчитывает вот уже не одну тысячу лет, и по сей она остается самым распространенным средством передачи информации графическим или символьным способом. Но также она нашла свое применение и в быту, в качестве упаковочного материала, в оформлении интерьеров и в гигиенических целях.
С ее помощью через рисунки передавались графические изображения. Если в прошлом это могли быть первые схематичные наброски предметов и явлений окружающих людей, то сейчас на бумаге печатают фото с высокой детализацией, максимально приближенно отображающие окружающую действительность.
Но если говорить о письменности, то она возникла гораздо раньше, чем на свет появилась бумага. В прошлом у этого материала было множество альтернатив. Некоторые из них, если говорить честно, были гораздо более долговечны. Но и у бумаги находились свои плюсы, которые позволили ей обрести столь повсеместное распространение. Происходил этот процесс крайне неоднородно. Если в Китае о бумаге знали еще до нашей эры, то европейские цивилизации приобщились к ней только к средним векам.
Изготовление бумаги видоизменялось с приходом новых технологий. Причем это обуславливалось как требованиями новой технологии печати, так и способами ее получения. Если раньше для ее производства требовалось перерабатывать ткани, то с приходом периода промышленной революции и открытием целлюлозы все изменилось.
Нельзя недооценивать значение бумаги в развитии общества - через художественную литературу и научные публикации. Доступность книг сыграла огромную роль в образовании, что приблизило технический прогресс.
В нынешнее время роль бумаги уменьшается, но даже с приходом электронного документооборота все значимые бумаги имеют свое материальное воплощение, будь то денежные банкноты или какие-либо удостоверения.
Для чего нужна бумага
В современном мире мы используем изделия из бумаги в своем ежедневном обиходе, порой даже не задумываясь об этом. Мы встречаем ее дома и на работе. Она используется для рекламы, на ней печатаются чеки за купленные товары, и, в конце концов, чаще мы расплачиваемся за покупки бумажными банкнотами.
История бумаги первоначально предполагала использовать ее для сохранения и передачи знаний. Сейчас эта роль отдана книгам, брошюрам, газетам и прочей печатной продукции информационного характера.
В оформительских целях бумага используется для производства настенных обоев, печати фотографий и в качестве основы для картин и гравюр.
Как материал для упаковки используется Из него изготавливают как огромные коробки для транспортировки товаров, так и небольшие пакетики с соком или молоком.
Бумага с и прочими степенями защиты используется для важных документов, которые предусмотрены в единственном экземпляре: паспорта, свидетельства о регистрации, лицензии и прочее. Производство бумаги по подобным технологиям используется и для изготовления денежных знаков.
Бумага в виде ленты используется для снятия показателей измерительных приборов в медицине и науке. Особенно это характерно для техники, которая не предназначена для работы с цифровыми носителями.
Взгляд в прошлое
Древние изображения животных и охоты на них, сделанные первобытными племенами, можно встретить на стенах пещер. Первая дошедшая до нас египетская письменность тоже гравировалась на каменных плитах. Они были тяжелы, и работа с ними требовала определенной сноровки от мастера. С развитием металлургии стали использовать металлические пластины, но текст каждый раз приходилось наносить на форму отливки, что тоже было неудобно.
В Междуречье придумали более удобный материал для записи. Шумеры использовали глиняные таблички для своей клинописи. Это был достаточно удобный способ: по мягкой глине удобно писать, высохшие таблички были относительно легки. Но они были достаточно хрупкими.
Но древние египтяне в третьем тысячелетии до нашей эры придумали папирус, который по праву можно считать предшественником бумаги. Его изготавливали из одноименного растения, произрастающего у берегов Нила. Для непосредственного производства использовалась внутренняя волокнистая часть, которую отделяли от стебля. Отделенные слои волокна накладывали поперечно относительно друг друга и помещали под пресс. В качестве связующего материала выступали как сам сок растения и мутная нильская вода, богатая иловыми отложениями и тиной, так и размягченный хлебный мякиш. Полученные листы склеивали между собой в свиток. Это был хороший способ хранения записей, папирус был легок, удобен в транспортировке, и на нем можно было записать тексты объемного содержания.
Рождение бумаги
Создание первой бумаги из китайского шелка произошло предположительно еще до нашей эры. Но ее точное место происхождения и время возникновения неизвестно. В ходе археологических раскопок были обнаружены клочки бумаги в захоронении, которое относилось к эпохе, предшествовавшей правлению династии Хань. Но первая бумага, так же, как папирус, была очень дорога. Поэтому в то время в ходу были более распространены деревянные таблички, на которых выжигался текст нагретым наконечником пера.
Достоверно известно, что в 105 году советнику императора пожаловали титул министра и прочие почести за вклад в усовершенствование На ее производство шли только отбракованные коконы или обрезки ткани, полученные из луба древесины шелковицы. Их разделяли на мелкие кусочки, после чего измельчали в ступке почти до состояния порошка. Полученную массу смешивали с чистой водой в однородную кашицу, которую затем выкладывали в формирующее бамбуковое сито. Рамки по его бокам задавали размер листа, а отверстия способствовали вентиляции, притоку воздуха и, как следствие, быстрому просыханию. Чтобы разгладить сетчатый рисунок, бумагу помещали между двумя отшлифованными каменными поверхностями. Таким образом, она одновременно получалась гладкой и тонкой.
После изобретения этого способа дальнейший процесс создания бумаги усовершенствовался довольно быстро. В технологии производства стали применять специальные связующие составы на основе крахмала и клея природного происхождения, что делало бумагу более прочной. А основой стали не только шелковое волокно, но и прочие хлопковые и льняные ткани, а также пеньковая нить, которая обычно шла на изготовление веревок.
Альтернатива бумаге
Вместе с учением буддизма из Китая происходило распространение книг на тесно контактирующие с ним Корею и Японию, соответственно, они перенимали и опыт в бумажного производства. Также изготовление бумаги и технологию ее создания освоили соседние страны Средней Азии и Ближнего Востока. Но на европейский континент бумага попала только после завоевания арабами Испании.
Естественно, до ее распространения использовались альтернативные материалы для записи текстов. Еще с античных времен дорогой папирус заменяли пергаментом и восковыми табличками.
Последние представляли собой деревянные пластинки, на которые тонким слоем наносили воск. Инструмент для письма представлял собой твердую металлическую палочку, одна сторона которой была заострена для нанесения букв, а второй, плоской, происходило соскабливание, после чего текст можно было писать заново. Данный способ широко применялся для обучения письменности и создания записей временного характера вплоть до Средних веков.
Для более долговременного применения использовался пергамент из шкур животных особой выделки. В кожевенном производстве кожу овец или коз замачивали в щелоке, размягчали и спрессовывали. Основное преимущество пергамента было в том, что он позволял писать на нем с двух сторон. Поэтому первые европейские книги были сделаны именно из него.
В древней Руси использовалась березовая береста. Но, к сожалению, до наших дней дошло только небольшое число грамот, написанных на ней.
Предшественники современной бумаги
История создания бумаги в ее современном виде не существовала вплоть до 18 века. Отличались технологии ее производства в зависимости от используемого материала, будь то тряпье или древесина.
Попытки использовать непосредственно волокна древесины не давали существенного результата. Хотя в Китае с успехом применялся бамбук еще в конце первого тысячелетия нашей эры.
Преимущественным сырьем для книжной бумаги служила старая макулатура и изношенная одежда из холщовых тканей. Вот на газеты шел более дешевый материал, например, солома. Дошло до того, что возникал их дефицит, некоторые страны даже вводили запрет на вывоз тряпья. А в Америке возникла ситуация, когда книгопечатники продавали книги только тем, кто приносил им сырье на переработку. Под влиянием такого ажиотажного спроса цены на него росли, что приводило к возникновению черных рынков.
Измельченное сырье помещалось в большой чан с водой, после чего тщательно перемешивалась до состояния взвеси, когда частицы размещались в смеси более-менее однородно. Первоначально использовался ручной труд, а работа черпальщика была очень уважаема. Он следил, чтобы полуфабрикат достигал требуемого состояния, после чего выкладывал кашицу на специальное сито.
Чуть позже появились колесо которых приводило в движение вал. Его механическая энергия передавалась на измельчение сырья для бумажной массы. Каждая мельница для обозначения эксклюзивности своего производства использовала оттиск или водяной знак. На металлическом сетчатом черпаке нашивался проволокой какой-либо знак, который проявлялся на бумажной массе после высыхания.
Из Испании бумажное дело перекочевало в другие европейские страны. Итальянские мастера научились экспериментировать с химическими реактивами. Бумага белая получалась при обесцвечивании хлором, а использование органического клея из сваренных костей животных позволило не впитывать чернила.
В допетровскую эпоху наша страна закупала бумагу из Франции и Италии, и только в 1714 году заложили первую водяную мельницу для механизации производственного процесса. Но, несмотря на некоторое отставание Европы от Азии, именно там придумали способ создания гербовой бумаги с водяными знаками, которой не было ни у китайцев, ни у арабов.
Целлюлоза и промышленная революция
История создания бумаги претерпела большие изменения после изучения состава древесины и появления рулонной бумаги без следа сетки.
Открытие целлюлозы в 1719 году принадлежит французскому химику Рене Реомюру. Именно он впервые предложил ее использование в Целлюлоза представляет собой плотный слой полимерных молекул глюкозы, которые создают защитный барьер в составе клеточной оболочки. Процесс ее выделения из древесины или травяного волокна происходит под действием реактивов, расщепляющих менее устойчивые вещества, входящие в состав клеток. Чем больше содержание целлюлозы в растении, тем более плотная получится из нее бумага. Но только с возникновением бумагоделательной машины это сырье стало повсеместно применяться.
Первая машина для изготовления высококачественной бумаги без следов сетки появилась в Англии. Но пока ее все еще изготавливали из отработанного льняного тряпья, которое измельчалось в специальном аппарате под названием "ролл". Бумажную массу выкладывали не на металлическое сито, а на специальную ткань плотного плетения. Полученные листы назвали "ватманом" в честь владельца фабрики, они приобретали характерную шероховатость и бархатистость. Это позволило возникнуть техники акварели для написания живописи, подвинув лидирующее положение холста и масляных красок.
Но спрос на бумагу был огромен. Чтобы увеличить ее количество, возникли бумагоделательные машины. Роллы измельчали опилки, отходы которые затем помещались в кислотную или щелочную среду, где происходила реакция расщепления древесных волокон и выделялась целлюлоза. Полученная масса бумажного полуфабриката разбухала, хорошо впитывая воду. После чего ее уже условно можно было считать необработанной бумагой. Но для придания формы кашицу прокатывали между двумя противоположно вращающимися валами с медной сеткой. Таким образом возникла бумага в рулонах. А просто бумага получалась после разрезания ее специальными ножами. Данный процесс позволил создавать бумагу определенного размера и плотности в огромном количестве почти автоматическим способом.
В зависимости от ее предназначения в состав бумажной массы вводились специальные добавки. Например, светочувствительными компонентами обрабатывалась специальная бумага "фото", именно с этим связано то, что проявление фотоснимков осуществлялось в комнате с красным цветом освещения. А красители придавали листам требуемые оттенки.
Роль бумаги в развитии человечества
Долго время производство бумаги оставалось коммерческой тайной ограниченного круга владельцев. Процесс ее изготовления был чрезвычайно трудоемок. История бумаги, как и использование ее, была привилегией представителей состоятельного класса, которые вели переписку, читали книги, повышали свой уровень образования.
Чем более доступными становились бумажные носители, тем скорее росли темпы обретения новой информации широким кругом людей. К примеру, Марко Поло написал книгу о своих путешествиях, ее прочитали тысячи людей, и их картина окружающего мира расширилась. Дарвин описал свои умозаключения о происхождении видов, которые пришли к нему еще в юности, когда он отправился в экспедицию на корабле «Бигль».
Так повышался уровень образованности общества, что косвенно приблизило сегодняшний уровень развития. Развивалось книгопечатание, отпала необходимость в рукописных текстах, позже появились печатные машинки, а в компьютерную эпоху - принтеры.
Современные виды бумаги
История создания бумаги для рисования не претерпела больших изменений. Для творчества все так же востребована шероховатая бумага ручного и промышленного производства. При ее выборе в первую очередь учитывают, какова абсорбирующая способность, как были измельчены волокна. Чем они крупнее, тем более бумага будет махриться при соскабливании.
Офисная легкая бумага в первую очередь предназначена для лазерной или картриджной принтерной печати. Копирование осуществляется по аналогичной технологии. Но раньше для этих целей использовалась копировальная бумага, одна сторона которой покрыта тонким слоем красящего пигмента. Сейчас она применяется только для одновременного дублирования рукописного текста справок и квитанций.
Печать цифровых изображений сильно повлияла на такую вещь, как бумага. Фото, напечатанные на ней, имеют как глянцевую поверхность, так и матовую. Исходя из того, лазерный или струйный принтер, выбирают разные виды бумаги по плотности. Также качество бумаги нужно учитывать при использовании определенных чернил, заправленных в картридж.
Одноразовые бумажные носовые платки более практичны, чем их тканевые собратья. Рулонная туалетная бумага выпускается уже не первый век. А в Америке известен случай, когда вместо рулона выпускались томики дешевой поэзии из мягкой бумаги для гигиенических целей. Некоторых это приводило в недоумение, но производитель изначально задумал совместить эти два процесса.
Бумага картон гофрированного типа изготавливается из относительно дешевого сырья - соломы. Прочность достигается за счет сложенного гармошкой слоя, расположенного между двумя листами картона. Таким образом, давление, оказываемое весом предметов, рассредоточивается за счет упругого слоя, устойчивого к деформациям. Но такой картон имеет видимые включения волокон, из-за пористой текстуры коробки из него деформируются под воздействием воды, хотя во всех остальных случаях они очень удобны для транспортировки.
Для упаковки пищевой продукции используется технология "Тетра Пак". Внутренний слой пакета, контактирующий с влажной средой, покрыт тонким слоем пищевой фольги. А внешний является ярким картоном с глянцевой поверхностью, на который нанесены название, состав и прочее.
Перспективы
Бумажные носители информации отживают свой век. Несмотря на то что чтение все еще очень популярно, бумажные книги, журналы и газеты покупаются все реже. Происходит их постепенное вытеснение электронными аналогами.
Показания измерительных приборов все чаще хранятся в электронной форме. Да и документы проще создавать в цифровом виде, а затем подтверждать их подлинность с помощью сертификатов.
А вот применение бумаги в качестве упаковочного материала постоянно растет: коробки, различные упаковки, оберточная бумага....
Во всех отраслях, где использование материального носителя будет дешевле, бумага найдет свое место. Также не стоит забывать о ее применении в художественной сфере. Несмотря на очевидное преимущество компьютерной графики, картины, украшающие интерьер, в большинстве случаев все же пишутся на бумаге или холсте.
И хотя бумага уходит из некоторых сфер жизни, она все еще остается весьма востребованной в других.
Для изготовления бумаги и картона применяют два типа бумагоделательных машин: плоскосеточные и круглосеточные. Первые используются для производства бумаги, вторые -- картона. Основное отличие машин состоит в том, что в плоскосеточных машинах формирование бумажного полотна осуществляется на движущейся горизонтальной сетке, а в круглосеточных -- полотно формуется на вращающейся цилиндрической сетке.
Размол полуфабрикатов . Размолом называется процесс специальной механической обработки растительных волокон в присутствии воды, выполняемый в размалывающих машинах--мельницах. Размол является одним из важнейших процессов бумажного производства, позволяющих в широком интервале значений изменять многие свойства бумаги. Производится размол волокон в машинах непрерывного действия (в конических, цилиндрических и дисковых мельницах). Общим для размалывающих аппаратов является то, что, работа их основана на принципе скрещивающихся ножей и трущихся поверхностей.
Проходя между ножами размалывающих машин, волокна подвергаются воздействию механических и гидродинамических сил, приводящему к протеканию сложных физико-химических и коллоидных процессов в структуре волокон. В результате происходят некоторое укорочение волокон (рубка), поверхностное расщепление и расчесывание в продольном направлении структуры клеточной стенки на фибриллы (поверхностное фибриллирование), набухание и гидратация волокон. Волокна становятся более мягкими, повышается их эластичность и пластичность. В процессе фибриллирования ослабляются и разрушаются связи между отдельными фибриллами клеточной стенки волокон. На поверхности фибрилл образуется «начес» тонкого пухообразного материала, состоящего из целлюлозных молекул. В результате увеличивается удельная поверхность, способствующих лучшему контакту и соединению отдельных волокон в бумажный лист. Увеличение удельной поверхности волокон повышает их способность удерживать воду.
В зависимости от режима размола можно получать бумажную массу различной степени помола: от низкой (садкая масса) до высокой (жирная масса). Для получения садкой массы размол ведут в режиме, обеспечивающем преимущественно рубку волокон над поверхностным фибриллированием. В процессе формования листа бумаги масса низкой степени помола (садкая) быстро оседает на сетке, легко обезвоживается и образует рыхлую и пористую структуру листа. Для высокой степени помола массы (жирная масса) характерно преобладание фибриллированных волокон с хорошо разработанной поверхностью, которые труднее обезвоживаются на сетке бумагоделательной машины и образуют плотную, сомкнутую и прочную структуру листа. Характер помола массы выбирают в зависимости от вида и качества вырабатываемой бумаги и картона.
Прочность бумаги характеризуется рядом показателей: сопротивлением разрыву, излому, продавливанию, надрыву и раздиранию, для каждого вида и сорта бумаги имеющим определенное значение, и в общем зависит от прочности волокон, их длины, прочности связи между волокнами и структуры бумажного листа.
Лист бумаги при испытании разрывается по наиболее слабому месту. Этим слабым местом в большинстве случаев являются не сами волокна, а связи между ними. При разрыве листа по обе стороны в месте разрыва наблюдается преимущественное вытаскивание волокон из толщи листа, что указывает на разрыв связи между ними. И только часть волокон рвется в поперечном направлении.
Основными факторами, влияющими на качество помола целлюлозы, являются: продолжительность размола, удельное давление между ножами мельниц, концентрация массы, тип размалывающей гарнитуры, окружная скорость ротора или барабана, температура массы при размоле. К управляемым факторам относятся продолжительность, удельное давление, концентрация и температура массы.
Для размола волокнистых полуфабрикатов на предприятиях, вырабатывающих массовые виды бумаги и имеющих большую производительность, применяются дисковые мельницы. Массный размол проводится в однодисковых и сдвоенных мельницах с закрытой камерой, которые обеспечивают производительность до 650 т/сут.
Широкое применение дисковых мельниц обусловлено быстрым развитием производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода. Они вытесняют другие виды размалывающего оборудования (конические мельницы, роллы) благодаря следующим преимуществам: возможности размола при высокой концентрации массы (до 40 %); более низкому удельному расходу энергии; большой единичной мощности и производительности, компактности, простоте конструкции; более широкой области применения (размол целлюлозы, полуфабрикатов высокого выхода, древесной щепы, отходов сортирования древесно-массного и целлюлозного производств); возможности получения более однородной по структуре массы.
Основные рабочие элементы мельницы - статор (корпус) и ротор - выполнены в виде конусов. Внутреннюю поверхность статора и внешнюю поверхность ротора образуют сменные ножевые рубашки. Зазор между ножами статора и ротора регулируется перемещением (присадкой) ротора вдоль его оси при помощи присадочного механизма. При работе мельницы движение массы осуществляется в направлении от малого диаметра ротора к большему. Производительность мельницы но воздушно-сухому волокну 4--16 т/сут, частота вращения ротора 1000 мин- 1 , площадь поверхности соприкосновения гарнитуры ротора и статора 0,40 м 2 .
Проклейка . Назначение проклейки -- придание бумаге или картону ограниченных впитывающих свойств по отношению к воде, чернилам, типографской краске и другим жидкостям и улучшение многих других физико-механических свойств. При неограниченном впитывании (у неклееной бумаги), например, чернил, они будут впитываться в толщу листа бумаги, расходиться и проходить на его обратную сторону. Полное отсутствие впитывающих свойств будет вызывать стекание чернил с поверхности бумаги. Первое и второе явление делают бумагу непригодной для письма и печати. Поэтому процесс проклейки призван обеспечивать для каждого конкретного вида бумаги и картона свою строго определенную впитывающую способность, которая оценивается степенью проклейки.
Различают поверхностную проклейку и проклейку в массе. Поверхностную проклейку осуществляют нанесением крахмального или животного клея на поверхность готовой бумаги. Применяется она для производства некоторых специальных высокосортных видов бумаги - документной, чертежной, картографической и др. Подавляющее большинство видов бумаги и картона проклеивается введением проклеивающих веществ в бумажную массу перед отливом бумажного листа, т. е. проклеивается в массе. Для проклейки в массе применяют гидрофобные (водоотталкивающие) вещества, а процесс проклейки все чаще называют гидрофобизацией бумаги или картона. Основным гидрофобизующим веществом является канифоль, выделяемая из смолы хвойных древесных пород.
На многие предприятия проклеивающие вещества поступают в виде готового клея - клея-пасты (это сваренный клей, но еще не разведенный водой). После разбавления водой до требуемой концентрации он готов к применению. Это исключает необходимость иметь на предприятии клееварочное отделение, и, что важнее, клей всегда получается стабильным и высококачественным. В перспективе планируется все предприятия перевести на использование клея-пасты, поставляемого централизованно с нескольких клееварочных заводов.
Наполнение . Под наполнением бумаги понимают введение в композицию бумаги минеральных веществ-наполнителей для улучшения ее качества и экономических показателей. Введением наполнителей в композицию бумаги достигаются следующие цели: снижается себестоимость производства бумаги, так как стоимость наполнителя ниже стоимости волокон, часть которых заменяется наполнителем; повышается белизна бумаги, поскольку почти все наполнители имеют более высокую степень белизны, чем волокна; существенно увеличивается гладкость поверхности бумаги за счет заполнения частичками наполнителя пор и неровностей между волокнами на шероховатой поверхности листа; уменьшается непрозрачность бумаги, что дает возможность писать и печатать с обеих сторон листа; улучшается равномерность просвета; увеличивается мягкость и пластичность - бумага меньше «шумит» при перелистывании; снижается объемная масса, пористость и, следовательно, впитываемость типографских красок и т. п.
По зольности бумагу делят на четыре группы: бумага с естественной зольностью -- фильтровальная, электроизоляционная, основа для фибры и пергамента, жиронепроницаемая; наполнители не вводятся.
Ш бумага малозольная (с зольностью до 5%)--газетная, мундштучная, обойная и др.; в этих видах бумаги важно сохранить механическую прочность, поэтому повышение содержания наполнителей, существенно снижающих механические показатели бумаги, нецелесообразно;
Ш бумага средней зольности -- писчая с зольностью до 6--8%, некоторые виды бумаги для печати с зольностью до 15%; в эти виды бумаги наполнитель вводится в ограниченных количествах;
Ш бумага высокозольная (зольность свыше 15%) -- это типографская, для глубокой печати и др.; для этих бумаг важно иметь хорошие печатные свойства и высокую непрозрачность, поэтому содержание наполнителя в них большое.
Общим недостатком введения наполнителей является заметное снижение механической прочности и степени проклейки бумаги. Кроме того, с увеличением содержания наполнителей в большей степени обнаруживается пылимость бумаги -- явление отделения от поверхности бумаги мелких волокон, частиц наполнителя, проклеивающих веществ. Этот эффект резко ухудшает качество печати -- бумажная пыль прилипает к печатной форме, забивает набор и клише.
Аккумулирование. Приготовление бумажной массы проводят в размольно-подготовительном отделе. Потоки волокнистых, наполняющих, проклеивающих, окрашивающих и других материалов, составляющих композицию данного вида будущей бумаги, направляются в дозатор или составитель композиции, где они непрерывно и строго дозируются в заданном соотношении, а затем поступают в мешальный бассейн. В этом бассейне масса тщательно перемешивается и аккумулируется (накапливается).
Рафинирование (очистка). Рафинирование бумажной массы производится перед ее подачей на машину в аппаратах непрерывного действия -- конических и дисковых мельницах. В процессе рафинирования бумажной массы происходит выравнивание степени помола массы, устранение пучков волокон и некоторый подмол массы. Для этого мельницы устанавливают после машинного бассейна непосредственно перед бумагоделательной машиной.
Выпуск массы на бумагоделательную машину. По выходе из машинных бассейнов масса при концентрации 2,5-- 3,5 % дозируется и направляется на бумагоделательную машину. Перед поступлением на машину она разбавляется оборотной водой, очищается от посторонних загрязнений, а также от узелков и комочков. Для поддержания постоянной массы 1 м 2 вырабатываемой бумаги необходимо, чтобы в единицу времени на сетку машины поступало одно и то же количество массы, при этом скорость машины должна быть постоянной. Скорость машины изменяют при переходе на выработку другого вида бумаги.
На современных бумагоделательных машинах массу 1 м 2 вырабатываемой бумаги поддерживают постоянной автоматическими регуляторами. На бумагоделательную машину массу подают с помощью насоса и ящика постоянного напора. Масса, поступающая на бумагоделательную машину, разбавляется водой в смесительном насосе. Разбавление необходимо, во-первых, для последующей очистки массы, так как из густой массы трудно удалять загрязнения, и, во-вторых, для лучшего формования бумаги на сетке бумагоделательной машины.
Формирование бумажного листа на сетке бумагоделательной машины. Бумажная масса, разбавленная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной машины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м 2 бумаги, рода волокна и степени помола массы. Формирование бумажного листа на сетке бумагоделательной машины. Бумажная масса, разбавленная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной машины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м 2 бумаги, рода волокна и степени помола массы
Напуск массы на сетку . Эта операция осуществляется при помощи напускного устройства -- напорного ящика. Для нормальной работы машин при скоростях 450--500 м/мин требуется напор массы в напорном ящике 2,5--3 м, при скорости 600 м/мин -- около 4,2 м и т. д. Напускное устройство обеспечивает напуск бумажной массы на бесконечную сетку, движущуюся в направлении от грудного к гауч-валу, с одинаковой скоростью и в одинаковом количестве по всей ширине сетки. Напуск массы осуществляется почти параллельно сетке без всплесков. Скорость напуска массы на сетку должна быть на 5--10 % ниже скорости сетки. Если скорость массы значительно отстает от скорости сетки, то увеличивается продольная ориентация волокон (ориентация в машинном направлении) и прочность бумаги в продольном направлении.
Формирование бумажного листа (отлив). Формирование, или отлив, бумажного листа представляет собой процесс объединения волокон в листовую форму с созданием определенной объемной капиллярно-пористой структуры. Этот процесс осуществляется на сеточной части бумагоделательной машины постепенным и последовательным удалением воды из бумажной массы (обезвоживанием). Режим обезвоживания, начинаемый в начале сеточного стола и заканчиваемый сушкой бумаги в сушильной части, на всех этапах технологического процесса оказывает существенное влияние на качество бумаги и производительность машины.
Прессование . После сеточной части бумажное полотно поступает в прессовую, состоящую обычно из нескольких прессов, на которых оно последовательно обезвоживается до сухости 30-- 42 %. Для интенсификации обезвоживания полотна в прессовой части применяют прессы с желобчатыми валами и повышенным линейным давлением между ними. Важное значение для обезвоживания полотна имеют надлежащий подбор сукон и их кондиционирование. Бумажное полотно, сформованное в сеточной части, автоматически вакуум-пересасывающим устройством передается на сукно прессовой части. Современные конструкции комбинированных многовальных прессов обеспечивают прохождение бумаги без свободных участков (участков, где полотно бумаги не поддерживается сукном), что позволяет осуществить безобрывную проводку бумаги в прессовой части.
Сушка . В сушильной части бумагоделательной машины бумажное полотно обезвоживается до конечной сухости 92--95 %. В процессе сушки удаляется 1,5--2,5 кг воды на 1 кг бумаги, что примерно в 50--100 раз меньше, чем на сеточной и прессовой частях машины. При сушке одновременно происходит дальнейшее уплотнение и сближение волокон. В результате повышается механическая прочность и гладкость бумаги. От режима сушки зависят объемная масса, впитывающая способность, воздухопроницаемость, прозрачность, усадка, влагопрочность, степень проклейки и окраска бумаги.
Бумажное полотно, проходя по сушильным цилиндрам, поочередно соприкасается с нижними и верхними цилиндрами то одной, то другой своей поверхностью. Для лучшего контакта между цилиндрами и бумагой и облегчения заправки применяют сушильные сукна (сетки), охватывающие сушильные цилиндры примерно на 180°.
Сушка бумаги на сушильном цилиндре состоит из двух фаз: на нагретой поверхности цилиндра под сукном и на участке свободного хода, т. е. когда бумажное полотно переходит с одного цилиндра на другой. В первой фазе, под сукном, испаряется основное количество влаги: на тихоходных машинах до 80--85 %, на быстроходных до 60--75 % всей влаги, испаряемой в сушильной части машины. Во второй фазе, на участках свободного хода влага испаряется с обеих сторон бумаги за счет тепла, поглощенного бумагой в первой фазе сушки. При этом бумага в зависимости от скорости машины претерпевает понижение температуры на 4--15°. При падении температуры снижается скорость сушки, особенно на тихоходных машинах, так как на них падение температуры полотна бумаги больше, чем на быстроходных. С повышением скорости машины количество испаряемой воды на участке свободного хода бумаги увеличивается. С уменьшением количества воды в бумажном полотне интенсивность сушки на свободном участке понижается.
Температуру сушильных цилиндров повышают постепенно, что способствует улучшению качества бумаги и завершению процесса проклейки. В конце сушильной части температуру поверхности цилиндров снижают, так как высокая температура при небольшой влажности бумаги действует на волокна разрушающе.
Отделка. После сушки бумажное полотно с целью уплотнения и повышения гладкости проходит через машинный каландр, состоящий из расположенных друг над другом 2--8 валов. Полотно, огибая поочередно валы каландра, проходит между ними при возрастающем давлении. Современные машинные каландры снабжаются механизмами прижима, подъема и вылегчивания валов. Нижний вал и один из промежуточных выполняются с регулируемым прогибом, что позволяет применять высокие давления в захватах валов при сохранении равномерности давления по ширине полотна. Пройдя каландр, бумажное полотно непрерывно наматывается на тамбурные валы в рулон диаметром до 2500 мм. Перезаправка с одного тамбурного вала на другой осуществляется при помощи специальных механизмов и устройств.
После бумагоделательной машины бумага поступает на продольно-резательный станок и далее к упаковочной машине. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска большинство видов бумаги для печати, писчей и технической пропускают через суперкаландр. Готовую бумагу разрезают на рулоны или листы. Последние считают и упаковывают. Рулоны также упаковывают и отправляют на склад. Некоторые виды бумаги (конденсаторная, мундштучная, для телеграфной и кассовой лент и др.) разрезают на узкие ленты и наматывают в бобины (узкие рулончики).
Избыток оборотной воды направляют в улавливающую аппаратуру, откуда уловленные волокна используются в производстве, а осветленная вода идет в сток. Бумажный брак с бумагоделательной машины, суперкаландра, станков, разрезающих бумагу, ее перематывающих и упаковывающих, идет на переработку и в виде волокнистой массы используется для изготовления бумаги.
