Современное производство бумаги. Технология изготовления бумаги

Бумага является крайне древним изобретением, её знали ещё в Древнем Китае. Основоположником бумаги считают китайца Пай Луня, который изобрел бумагу в 105 году новой эры. Изготавливали её тогда так: обрывки шелковой ваты, ветошь, старые рыболовные сети размельчали и кидали в чан с водой, взбалтывали, пока не выходила однородная, водянистая кашеобразная масса, которую черпали бамбуковой сеткой. Осадок, оставшийся лежать гладким слоем на сетке, просушивали. Этот принцип функционирует, и сегодня, модифицировались только средства производства, масштабы, скорости и сырье. Состав и технология изготовления бумаги Размолотое целлюлозное волокно, древесная масса, отбеленный и размельченный каолин, клей, подцветку смешивают в необходимых пропорциях. В качестве наполнителя печатной бумаги используют главным образом каолин - белую фарфоровую глину или тальк - сочетание из класса силикатов. Диоксид титана применяют в производстве мелованных бумаг. Оксид цинка употребляется как наполнитель для особых видов бумаги. Благодаря наполнителям бумага делается ровной, гладкой, непрозрачной, пластичной, капиллярной и менее пористой. Бумагу отливают из бумажной массы на бумагоделательной машине, функционирующей со скоростью до 800 м/мин и состоящей из четырех составных частей: 1. Сеточная часть: бумажная масса потоком поступает на сетку машины. Создающийся из кашеобразной массы тонкий волокнистый слой понемногу избавляется от воды на сеточной части. 2. Прессовая часть: тут вода выжимается давлением прессов. 3. Сушильная часть: бумажная лента, прижимаясь к сушильным цилиндрам, доводится до сухости 95%. В сушильной части встраивают клеильный пресс для неглубокой проклейки бумаги, что нужно для бумаг, применяемых для печати с использованием увлажнения (фототипия, литография, офсетная печать) . 4. Отделочная часть с накатом бумаги (намотка в рулоны) : 3-8 полированных чугунных цилиндров уплотняют бумагу, делая её поверхность глаже. В процессе изготовления бумаги, когда бумажная масса потоком поступает на движущуюся сетку бумагоделательной машины, волокна, увлекаемые потоком, приобретают преимущественное расположение, когда их оси сходятся с направлением движения сетки машины. Вследствие этого свойства бумажного листа в продольном и поперечных направлениях будут немного различны, а именно - прочность бумаги будет выше в продольном направлении. Приём определения направления волокон бумаги: 1. Если мы разорвем бумагу по длине и по ширине листа, то разрыв по линии движения сетки бумагоделательной машины будет ровным, а в поперечном направлении разрыв будет неравномерным. Направление прямого разрыва бумаги и есть направление отлива бумаги. 2. Отрезать равные полоски по длине листа и по его ширине. Положить одну полоску на другую. Выровнять. Взять в руку большим и указательным пальцами. Вытянуть руку под прямым углом перед собой. Та полоска, которая свисать будет меньше и определяет направление отлива бумаги. Верхняя (лицевая) сторона бумаги, не соприкасающаяся с сеткой бумагоделательной машины, будет намного глаже сеточной. Сеточная сторона обладает меньшим количеством наполнителя, отчасти уходящего из бумаги совместно с промывными водами. То есть бумага ортотропна: её свойства немного отличаются во всех трех измерениях - по ширине, длине и обороту. Всё это нужно учесть при подготовке бумаги к печатанию и при обработке оттисков в брошюровочно-переплетных и отделочных целях (при разрезке, фальцовке, шитье, высечке и тиснении) .

В век информатизации книжное издательство становится менее популярным. Набирает больше популярности электронный вид информации. Но все равно бумага при этом незаменима. Еще не создано изобретение, которое могло бы так же служить человеку в любом его деле.

Только подумать, бумага и ее производные используются повсеместно. Для работы в офисе, для писательства, для периодических изданий, для изображения различной информации и мыслей людей, для творчества, для искусства, для отопления при разжигании, для упаковки продуктов, материалов, товаров, для различных украшений и даже в качестве гигиенических средств (например, салфетки). Можно еще долго перечислять уникальные способности и возможности бумаги и ее составляющих. Без бумаги никуда.

Так как же люди дошли до того, что теперь уже не представляют себя без бумаги?

История появления бумаги лежит с древних времен, с Египта, где начали использовать для письма папирус. Конечно, в то время не могло идти речи о бумаге, которую мы знаем сейчас. В те времена для того, чтобы написать какую-нибудь информацию, не было такой легкости, как сейчас.
То есть производство бумаги исторически имеет примерное начало около 3,5 тысяч лет назад.

Процесс превращения папируса в пригодный для письма продукт имел довольно сложный характер. Тростник, используемый в качестве материала, проходил очень серьезную обработку, прежде чем на нем можно было что-либо написать. По причине трудоемкой обработки папирусные «листы» (т.е. дощечки) очень дорого стоили и имели малое количество. Главный недостаток такого изобретения был его недолговечность. Но, несмотря на этот весьма значительный недостаток, папирус имел большую популярность и очень продолжительное по времени использование.

Прогресс не стоял на месте даже в те далекие времена. В продолжение производства папируса пришло изготовление пергамента в качестве источника письма. Произошло это в Малой Азии.

Пергамент получали путем очень сложной обработки кожи животных. Он был заоблачно дорог из-за своей сложной обработки, а потому производился весьма в малых объемах. Порой за неимением средств старые записи приходилось смывать, чтобы написать что-то новое.
Эпоха пергамента вскоре сменилась более дешевым и масштабным производством бумаги через образование листового материала. Случилось это в Китае. Использовалось все: тростник с его отходами, дуб и другие древесные растения со своими отходами. Это означало масштабное и более доступное многим производство. Это привело вскоре к полному вытеснению деревянных дощечек, что было ранее привычным изобретением для письма.

Следующим серьезным этапом в развитии бумаги принято считать производство бумажных денег и туалетной бумаги. По-прежнему главным производителем оставался Китай, но Европа тоже не могла не похвастаться успехами в этом деле.

Примерно к 10 веку можно было наблюдать во многих странах Европы наличие бумажных мельниц. А спустя 5 веков бумажное производство совершенствуется преимущественно за счет изобретения и активного использования печатного станка, так как именно в странах Европы производство бумаги терпело большой прогресс.

Спустя еще 2 века появляется ролл – размалывающий аппарат, помогающий увеличивать объемы производства бумаги до невообразимых до этого размеров.

На рубеже 1799 – 1800гг. произошло очень важное событие – изобретение движущейся сетки, позволяющей механизировать отлив бумаги. Далее было ее совершенствование. Уже к 20 веку производство бумаги – это крупномасштабное и механизированное производство с разнообразной продукцией. К нашим дням это производство еще более усовершенствовалось, и имеет еще большее разнообразие производимого продукта. И абсолютно каждый на планете может пользоваться этим продуктом.

Как же в современном мире производится бумага?

Современное производство бумаги имеет ряд этапов.

Для производства бумаги используется волокна целлюлозы, полученные из древесины, соломы, хлопка или уже использованной бумаги. Для бумаги с высоким качеством используется исключительно волокна хлопка и древесины. Древесина таких твердых пород, как береза или мягких пород, как ель, сосна обеспечивает высокое качество и прочность произведенной из этих видов древесины бумаги. Бумага, сырьем которой была макулатура из использованной бумаги, может пойти на производство, например, упаковки или туалетной бумаги. В общем, чем натуральнее и свежее исходное сырье, тем высоко качественнее будет конечный продукт.

Итак, производство бумаги начинается с 1 этапа – получение целлюлозы . То есть первым в производстве бумаги является отделение волокон целлюлозы от остальных частей древесины.

Прежде чем идти дальше, объясню, что такое целлюлоза. Это органическая составляющая каждого зеленого растения. Она образуется в клетках и используется для различных целей, как самим растением с его содержанием, так и человеком для различных целей. Это то же самое, что и сахар.
Этап отделения волокон целлюлозы от остальной древесины может выполняться несколькими способами: химически, механически либо смешано.
Это довольно объемный процесс, вкратце представляющий следующее. Древесина освобождается от щепы и превращается в волокна (целлюлозная масса), которые используются далее, переходя в этап 2 – отбеливание . Бумага проходит несколько этапов отбеливания. Их количество зависит от того, какая бумага нужна в итоге. Для упаковочной бумаги хватит лишь один раз отбеливания. Для бумаги же высокого качества и яркой белизны первой стадией отбеливания является отбеливание кислородом с использованием специального оборудования. Далее происходит отбеливание перекисью водорода. И так несколько раз. Только на конечном этапе отбеливания бумага приобретает белоснежный вид.

3 этап — изготовление бумаги . Оборудование или машина, изготавливающая бумагу, имеет несколько секций. Секция подачи, сетки, отжима, сушки и проклейки. В первой секции бумага смешивается с большим процентом воды. Затем полученная масса перемещается в секцию сетки, где происходит процесс связки и обезвоживания целлюлозной массы за счет работы вакуумных насосов. Далее полученная масса переходит в секцию отжима, где уходит большая часть воды, после чего автоматически происходит переход в секцию сушки. В данной секции происходит нагревание бумаги с помощью нагретых роликов. Между секциями сушки располагается секция проклейки. Для проклейки листов бумаги используется специальное вещество, наносимое на поверхность бумаги и придающее гладкость и ровность поверхности бумаги, а также улучшающее качество и прочность бумаги. После просушки иногда бумагу пропускают через каландер, который обеспечивает еще большую гладкость и прочность бумаге. Каландер – гладильная машина для бумаги.

4 этап – мелование . Для производства мелованной бумаги используются вещества на основе минеральных материалах. Это еще больше улучшает прочность, качество и печатные свойства бумаги. Процесс мелования выглядит так, что с помощью специальных валов на поверхность бумажных листов наносятся слои минеральных соединений ровным слоем. В зависимости от конечного продукта нанесение слоев увеличивает свое количество.

5 этап – каландирование . То есть придание бумаге большей гладкости и глянца с помощью суперкаландера.
По окончании 5 этапа бумажные листы сматываются в рулоны либо нарезаются на листы различных форматов.

Бумага – одно из уникальных изобретений человека. Весьма трудоемкий и масштабный процесс. Такое тонкое, автоматизированное и массовое производство, даже целая индустрия. Она не может пострадать от перехода на электронную жизнь, когда все охвачено компьютерной системой.

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.

Полученную смесь фильтруют и тщательно промывают, чтобы удалить ненужные примеси. На следующем этапе снова добавляют вещества, в зависимости от того, какого вида бумагу необходимо получить. К примеру, для получения глянцевой бумаги в состав вводят смолу. Чтобы получить материал повышенной прочности – клей. В некоторых случаях вносят красители (если это нужно) и специальные составы, чтобы краска на бумаге не расплывалась. В результате получается готовая бумажная масса, состоящая примерно на 99% из воды, которую можно подавать в бумагоделательную машину. В этой машине она первым делом попадает на движущуюся металлическую сетку с мелкими ячейками. Вода сквозь эту сетку протекает, а бумажная масса остается. Мельчайшие волокна древесины, переплетаясь между собой, создают основу для будущей бумаги. Далее влажное бумажное полотно попадает на войлочную ленту и на цилиндрические прессы. В результате количество воды в нем уменьшается еще больше, а само полотно – выравнивается.

После этого наступает этап сушки будущей бумаги, для чего ее пропускают через большие нагретые металлические барабаны. Воды в ней остается всего несколько процентов. Затем она поступает на нагретые и хорошо отполированные бумажные валы – каландры. Они сдавливают бумагу с большой силой, в результате чего она становится плотной, гладкой и окончательно сухой. Специальное оборудование сматывает ее в рулоны, которые поступают в другое устройство. Оно режет бумагу на листы, складывает их в пачки и оборачивает в специальную упаковку.

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.

Конечно, за многие столетия развития бумажного производства, технология изготовления бумаги претерпела значительные изменения, хотя принципы формирования бумажного полотна не изменилось. Революционным явилось изобретение мелованной бумаги - покрытия бумажной основы специальной пастой на основе каолина.

Каждому лесопромышленному комплексу, каждому целлюлозно-бумажному комбинату выделены определенные лесные массивы, так называемые сырьевые базы. Эти лесные кладовые и обеспечивают предприятия древесным сырьем на многие годы. Обычно сырьевые базы находятся в постоянной и непрерывной эксплуатации. В зоне заготовок на месте срубленных деревьев чаще всего сажают молодняк. Он вырастает к тому времени, когда в сырьевой базе начинают иссякать запасы старой древесины. Прибавляется лес и за счет естественного возобновления.

Древесина поступает на целлюлозно-бумажные предприятия, как правило, издалека. Лишь немногие предприятия имеют сырьевые базы поблизости. Лес сплавляется по рекам и озерам в плотах, связанных из пучков бревен, доставляется на предприятия на самоходных баржах, судах, называемых лихтерами. Широко практикуется доставка древесины в любое время года по железной дороге. Возят ее из ближайших леспромхозов и автомобильным транспортом - мощными тягачами-лесовозами. На целлюлозно-бумажные предприятия доставляется древесное сырье в виде щепы в специальных щеповозах. Щепу получают из древесных отходов на месте рубки леса или на деревообрабатывающих предприятиях.

Из воды, судов, вагонов древесину выгружают, укладывают в штабеля и подают на распиловку специальные краны - портальные, кабельные, козловые, мостовые. На бирже работают мотовозы, бульдозеры, тракторы, лесотаски.

Связки длинных бревен, поднятых краном либо из воды, либо из штабеля, поступают на разделочный стол. Рассортированные на площадке стола бревна, увлекаемые по одному захватами транспортера, движутся одно за другим в горизонтальном положении к мощным циркуляционным пилам распиловочного узла, называемого слешером. В одно мгновение пилы разделывают бревна на стандартные (1,2 м, 1,5 м) отрезки - балансы. Те скатываются со слешера на другой движущийся конвейер и попадают в огромный вращающийся металлический барабан, где древесина проходит гигиеническую обработку. Балансы трутся друг о друга и о жесткие ребра барабана и освобождаются от коры и грязи. Снятая с древесины кора проваливается в щели между ребрами барабана, отвозится в отвал, а затем сжигается в топке котла. Полученная тепловая энергия используется для производственных целей. Освобожденные от коры балансы прямо из окорочного барабана подаются по конвейеру в рубительные машины. Их назначение - измельчать кругляк в мелкую щепу.

У рубительной машины 10-16 острых ножей-пластин, укрепленных на стальном тяжелом диске. Диск вращается с огромной скоростью и делает до 7 тысяч отрубов в минуту. Чтобы изрубить толстый полутораметровый, отрезок бревна, машине нужно всего 2-3 секунды. Получается щепа длиной примерно 15 мм, шириной 25 мм и толщиной 5 мм. Дальнейший путь щепы - в котел. По ленточному транспортеру подается на варку. Варят целлюлозу в котлах непрерывного и периодического действия. Агрегаты работают круглосуточно, без остановок. Непрерывным способом вырабатывают преимущественно сульфатную целлюлозу для технических видов бумаги и картона. В стационарных вертикальных котлах периодического действия получают сульфитную целлюлозу. Она идет на изготовление печатных видов бумаги - типографской, офсетной, для глубокой печати.

Крепкая варочная кислота, горячий пар и высокое давление энергично наступают на лигнин, прочно скрепляющий в древесине растительные волокна, и растворяют его. При этом древесина теряет больше половины своего веса. Освобожденные от лигнина волокна образуют волокнистую массу - целлюлозу.

Ниже кратко описан процесс производства наиболее распространенного вида бумаги - мелованной.

Отливка бумаги

Предварительно приготовленная целлюлозная масса наносится на сетку бумагоделательной машины через набор сопел, каждое из которых имеет управляемую подачу. В этот момент в смеси содержится только 5-7 % целлюлозы и 93-95% воды. По мере прохождения сетки через машину, вода удаляется и формируется бумажное полотно. Отсюда возникли понятия "лицевой" и "сеточной" стороны бумаги. На наиболее современных бумагоделательных машинах применяется "двухсеточная" система формирования полотна - целлюлозная масса подается между двух сеток и применяется вакуумная система сушки. Таким образом, бумажное полотно имеет две практически идентичные стороны.

Каландрирование

Следующим этапом производства является каландрирование. Каландры прессуют бумагу, сушат её и придают полотну гладкость. Именно в этот момент полотно и становится бумагой. От степени каландрирования зависят две характеристики бумаги: пухлость и непрозрачность. Чем более спрессована бумага, тем она менее пухлая и менее непрозрачная. С другой стороны, при малой степени каландрирования, сильно страдает гладкость бумаги. Поэтому, при производстве высококачественной мелованной бумаги очень важен баланс между гладкостью основы и непрозрачностью. Особенно важен этот баланс для тонких бумаг, где количество наносимого мела сравнимо с содержанием собственно целлюлозы.

Мелование

Большинство современных мелованных сортов бумаги покрыты двумя или тремя слоями мела. Меловое покрытие придает бумаге дополнительную гладкость. Кроме того, меловое покрытие делает бумагу мелкопористой, что в конечном счёте приводит к тому, что при печати оттиск имеет более яркие краски по сравнению с печатью на офсетной бумаге без покрытия. Более детально о пористости бумаги будет рассказано ниже.

Обычно бумагу мелуют в три приема: первый тонкий слой мела наносят прямо в бумагоделательной машине, в то время, как остальные два слоя наносят на отдельной машине. Такая технология имеет несколько преимуществ. Во-первых, первый слой мела наносится на влажную основу, что увеличивает прочность покрытия. Во-вторых, этот первый слой является своего рода "грунтовкой", на которую последующие слои ложатся значительно равномернее.

Основное мелование происходит на отдельной установке. Меловая паста может наноситься на бумагу двумя способами: либо наливаться на поверхность с последующим выравниванием ножом (шабером), либо напыляться с помощью ряда форсунок. Последний метод предпочтителен, так как он дает большую равномерность нанесения мела по всей ширине полотна.

Финальное каландрирование или отделка

Мелованная бумага приобретает свои поверхностные свойства после каландрирования. Процесс практически полностью аналогичен каландрированию бумаги-основы. Отличие состоит в том, что, в зависимости от производимого сорта - глянцевой или матовой бумаги, - применяют тот или иной набор валов. Наиболее современные фабрики оснащены так называемыми "Янус-каландрами". В отличие от суперкаландра, рассмотренного выше, "Янус-каландр" позволяет регулировать усилие прижима каждого вала. Кроме того, каждый вал покрыт пластиком, что делает каландрирование более "мягким". С помощью "Янус-каландра" достигается лучший компромисс между гладкостью и пухлостью бумаги. Если же требуется получить тиснёную бумагу, то делают еще одно каландрирование между специальными профильными валами.

Перемотка

В зависимости от ширине бумагоделательной машины, готовое полотно имеет ширину от 2,5 до 9 метров и длину в несколько километров. Такой рулон обычно называют "тамбур". Поскольку листорезательные линии не могут резать такие широкие рулоны, бумагу перематывают на более узкие ролики, в зависимости от требуемых форматов листов. Фабрики стараются компоновать заказы так, чтобы сумма ширин маленьких рулонов была максимально близка к ширине тамбура. В противном случае, остается так называемый "спутник" нестандартного формата.

Резка и упаковка

Большинство мелованной бумаги поставляется в листах, причем упакованных в пачки. Такая упаковка максимально защищает бумагу от внешних воздействий при хранении и транспортировке. Как правило, бумажные фабрики оснащены наиболее современным и точным резальным оборудованием. Тем не менее, часть глубокой печати или ротационной офсетной печати с горячей сушкой (HSWO). Применение подобной бумаги для листовой офсетной печати может вызвать проблемы.

Прогресс не стоит на месте. Как видим, все части бумагоделательной машины были усовершенствованы, увеличена ширина полотна, стали применятся суперкаландры, обеспечивающие более ровную гладкую поверхность и глянец. Бумага сегодня - это самый многофункциональный материал.