Методический материал руководителям кружков технического творчества. Беседа: " Производство бумаги и картона"

«Папір - продукт перетирання лахміття й ганчірок,

як тільки зроблений й відданий під друковий верстат,

перетворившись у книгу або газету,

здобуває велику могутність,

стає всесвітнім владикою.

Вона змінює наші ідеї й нашу релігію,

перевертає наші вдачі й закони,

скидає й відновлює царства,

вирішує питання війни й миру:

він, можна сказати, керує світом.

І він одержав таке поширення в наші дні,

таку широку й універсальну область застосування,

він настільки характеризує нашу епоху,

що наш час можна назвати «паперовою ерою».

А. Цим

Папір є найважливішим елементом у процесі друку, та являючись основним матеріалом для створення поліграфічної продукції. Від її якості в значній мірі залежить зовнішній вигляд книг, журналів і газет. Прекрасний твір, надрукований на поганому папері, має менший збут, і, навпаки, другосортна річ, для видання якої скористалися відмінним папером, приваблює читача. Крім того, від паперу залежить і те, наскільки добре на ньому вийде друк тексту й малюнків.

Ми дотепер точно не знаємо, коли був винайдений папір. Безсумнівно, що початок варто шукати в Китаї, де, по переказу, в 153 році нашої ери Тцай-Лунь, міністр землеробства, рекомендував своїм співгромадянам застосовувати для листа папір «ши», виготовлений із волокон деревини «паперового деревця» (Brussonetia papyrifera). До цього часу китайці вживали як матеріал для написів і малюнків камінь, кості й пластинки, вирізані із серцевини бамбука.

Оскільки в Китаї у давнину папір робили з молодих пагонів бамбука, то цілком імовірно, що слово походить від старої назви бамбука. До речі, в українській і в багатьох інших європейських мовах назва паперу (фр. Papier, англ. Paper) явно веде своє походження від грецького. papyrus (папірус).

Однак треба помітити, що принципи виготовлення паперу й папірусу - зовсім різні. Якщо папірус являє собою тонко нарізані й склеєні пластинки, то для виготовлення паперу потрібне розщеплення часток (волокон) того матеріалу, що вживається для його виробництва, порушення зв'язку між волокнами, щоб потім ці волокна сплутати між собою (піддати процесу взаємного проникнення) і потім зробити із цієї маси тонкий і гнучкий аркуш, придатний для використання.

Для виготовлення паперу годяться будь-які рослинні волокна, які мають гнучкість. Можна назвати сотні рослин, придатних для виробництва паперу. Крім того, підходять не тільки рослини, але й кокони шовковичних хробаків, вовна, шкіра тварин та ін. Спроби робити папір із найрізноманітніших волокон робили здавна. Великий інтерес у цьому сенсі представляють посібники з виробництва паперу «Manuel de papeterie» (Louis Pitte)які вийшли в 1827 і в 1861 роках, і до яких прикладена безліч зразків паперу, виробленого з різних речовин, навіть із торфу.

Головна проблема полягає не у виборі матеріалу для виробництва паперу, постачальниками якого є все: поля, луги й ліси, а у використанні такого матеріалу, що забезпечить світові потреби, й з якого можна виготовити папір цілком доброякісний - білий, міцний, не проникний для чорнила при письмі й добре приймаючий фарбу при друкуванні.

Варто сказати, що не людина першою почала робити папір з деревини - її «винахідниками» були деякі види ос. Вони будують свої гнізда так: робітники оси (нерозвинені самки) навесні згризають молоді зелені пагони дерев, пережовують їх і при цьому відокремлюють волокна (клітковину). У слині ос є клей, і в такий спосіб виходить клейка маса, склад якої той же, що й паперу: клітковина деревини або соломи й клей. Із цієї клейкої маси оси будують свої гнізда, роблять основу, що прикріплює гніздо до дерева, стіні та ін. Міцність осиних гнізд дозволяє їм існувати багато років, пручаючись дощу, снігу й вітрам. А щоб відірвати таке гніздо від місця, куди воно прикріплено, іноді потрібно застосувати велику силу. По своєму складу (якщо не брати до уваги принесений вітром у гнізда пил) осині гнізда до дріб'язків схожі з м'якими, шовковистими сортами паперу, виробленими в Китаї і Японії.

Папір, що виготовлявся в стародавності китайцями, мав основним своїм недоліком рихлість , через що фарба, якою на ньому писали (головним чином, туш із сажі з домішкою риб'ячого клею й мускусу), розтікалася, а папір легко рвався.

Подальший шлях паперу в Європу з Китаю описується французьким ученим Авенелем так: «Він прийшов з Китаю дуже повільним шляхом, із середньою швидкістю, може бути, сто верст у сто років. Народи Центральної Азії, потім араби, потім єгиптяни підвозили її вироблення все ближче до нас. В 650 році папір бачили в Самарканді; в 800-му - зустрічали в Багдаді; в 1100 році він дійшов до Каїра. Потім проходить по берегу Африки, перепливає через Середземне море й довго не переходить Лангедок (Південна Франція. - Н.Д.)».

Звичайно, процес проникнення паперу в Європу набагато складніше. Раніше він ввозився через Грецію, пізніше через новий центр торгівлі на Середземне море - Венецію - з Малої Азії й Африки (є згадування, що у Феце наприкінці XII століття було до 400 паперових закладів). Потім його почали виробляти в Європі, де була відкрита велика майстерня на південно-сході Іспанії - у Хативе ( Сан-Филип, в 56 км від Валенсії). Ця майстерня, що існувала вже в 1154 році, поставляла папір у сусідні країни головним чином через Венецію. Протягом XIII і XIV століть відкрилися «паперові млини» в Італії, Франції, Німеччині, Голландії. А к XIV-XV століттям папір уже одержав міцне поширення в Європі.

Досить заплутаним є питання про сировину, яка вживалася в той час при виробництві паперу. До 80-х років XIX століття анітрошки не сумнівалися, що папір вироблявся арабами з бавовни; звідки і його назва - «бомбицина» (інакше - charta cottonea). Однак аналіз показує, що зі зразків паперу, виготовленого з XI до XV століть, виробленого з бавовни не виявилося ні одного - більшість була виготовлена з ганчірок. Може бути, ця обставина пояснюється тим, що до Х століття араби, запозичивши з Китаю способи вироблення паперу з волокон шовкового кокона й шовковичного (паперового) дерева, у силу відсутності такої сировини в Центральній і Малій Азії перейшли до застосування волокон, що обволікають зерна бавовни. Але оскільки папір виходив досить пухким й непридатним для письма, то вони стали використовувати ганчір'я (хоча назва «Бавовняний папір» збереглася). Процес вироблення паперу з ганчірок набагато складніше, проте отриманий папір цілком задовольняє своєму призначенню.

Так чи інакше, але процес виробництва паперу вдосконалювався, і вчасно початку друкарства в Європі з'явилося багато паперових млинів, які виробляли (винятково із лляних і прядив'яних ганчірок) чудову, що не протікає, білий папір, досить щільну й міцну, «дзвінку» і гнучку, збережену до наших днів у прекрасному виді.

Як папірус із IX століття був витіснений із обігу пергаментом, так папір з XII століття починає витісняти пергамент, і сувої й книги з пергаменту остаточно заміняються книгами з паперу. Дешева ціна паперу в порівнянні з пергаментом дала можливість розширити її виробництво до досить великих обсягів (до речі, по зауваженню академіка Н.П.Лихачова, для одного екземпляра книги на пергаменті потрібно було зняти шкіри із цілої череди), що з'явилося поштовхом до винаходу друкарства і його подальшому розвитку.

Процес виготовлення паперу на стародавніх паперових млинах можна описати в такий спосіб:

матеріал, призначений для вироблення паперу, очищається від бруду й промивається;

після висихання отримана сировина надходить на жернови, водяник або вітряний млин, де перетирається, перетворюючись у безформну пухку масу;

зазначена маса укладається в чани, наповнені водою, де за допомогою пестів розпушується остаточно, волокна розділяються, щоб перетворитися в рівну кашку молочного кольору;

робітник, користуючись формою у вигляді дерев'яної рами з натягнутою на ній тонкою дротяною сіткою, зачерпує із чана потрібну для аркуша паперу кількість рідкої кашки й трясе раму над чаном, щоб вода стікала й волоконця поєднувалися;

після того як аркуш на сітці прийме потрібну форму, робітник перевертає раму на шматок повсті або сукна, куди й падає аркуш;

зверху на цей ще сирий аркуш накладається ще шматок повсті, на нього кладе новий аркуш паперу й т.д.;

коли набереться два-три десятки аркушів, весь стос надходить під прес і піддається сильному стиску, потім аркуші розвішуються на мотузках для остаточної просушки.

Іноді, особливо при виготовленні папера для письма, до маси в чані додавали клей, тому що на проклеєному папері чорнила не розтікаються.

Завдяки будові металевої сітки (довгі дротики розташовані уздовж і поперек) на папері, якщо подивитися крізь світло, виходили тонкі лінії, звідси на-іменування паперу - верже (від фр. vergeures - так називалися поздовжні смужки дроту). Готові, висушені аркуші розбиралися по сортах і продавалися пачками.

Звичайно власники паперових підприємств шляхом уплітання якої-небудь пласкої фігурки із дроту в сітку відтискували своє фабричне клеймо (водяний знак, филігран) - у вигляді дзвона, орла, єдинорога, корони, квітів, кисті винограду, монограми з ім'я Ісуса Христа (I.H.S.), своїх ініціалів, років і т.п. По цих водяних знаках можна в більшості випадків визначити фабриканта й століття, а іноді навіть рік, коли папір був зроблений.

Самий старий папір був виготовлений погано: у деяких зразках впадають в око довгі, які стірчать із загальної рівної поверхні волокна, іноді видні навіть шматочки ганчірок. Пізніше процес фабрикації все поліпшується, млини вдосконалюються, і досвідчені майстри роблять чудовий, зразковий і для нашого часу папір.

Звичайно, виробництво паперу з тих пір пішло далеко вперед, і якби робітник – який виробляв папір у XV столітті потрапив на сучасну паперову фабрику, він не зміг би зрозуміти ні термінів, ні самого процесу виробництва паперу. Відомо, що ще в другій половині XVII століття для перетворення очищеного ганчір'я в кашоподібну масу став використовуватися чан особливого типу - Голендер, у якому паперова маса варилася разом із хлористими з'єднаннями. Наприкінці XVIII століття відбувся переворот і в цій області: Луї Роберт, робітник на паперовій фабриці в Езонні, в 1799 році винайшов прообраз сучасної паперової машини, яка виробляє папір у вигляді нескінченної стрічки.

Ми не будемо зупинятися на історії цієї машини (це тема окремої статті), але коротенько опишемо її роботу, попередньо ознайомившись із сировиною, уживаною для виробництва паперу.

Кінець XIX - початок XX століття у розвитку виробництва папіру

Як уже згадувалося, ще в XVIII столітті робилися спроби виготовлення паперу не з ганчірок, а з волокон різних рослин. Пізніше потреба в папері настільки зросла, що обмежитися виробництвом паперу з ганчірок стало неможливо, і в паперову масу починають додавати механічно роздрібнену деревину (далі досвіди Келера й Фельтера з 1845 року). А с 1857 року - хімічно оброблену їдким натром ( натро-сульфатний спосіб) деревину, у вигляді біло-сіруватої маси целюлози.

Краща деревна маса виходить зі тільки зрублених хвойних дерев, переважно з ялини, ялиці, сосни, і з листяних (осики). Тому деревинно-целюлозні комбінати майже завжди знаходяться в північній смузі. Дерево для подальшої обробки надходить на завод у вигляді стовбурів неоднакової довжини, з яких ще в лісі обрубують суки й частково кору. За допомогою машин зі стовбурів без залишку віддаляється малопридатна для виробництва паперу кора, після чого стовбури розрізаються на шматки. Ці шматки дерева надходять у машини, які перетворюють їх у м'яку масу (дефибруровання) шляхом розтирання, після чого ця маса може використовуватися для виробництва грубих сортів картону або для примішування до целюлози при виробництві паперу.

Процес одержання паперової маси з деревних стовбурів складний і громіздкий. Ще більш складний процес одержання хімічно очищеної деревної маси - целюлози. Головна мета цього процесу - видалити із клітковини дерева всі так звані речовини, що інкрустують, лігнін та ін., які роблять деревину ламкою.

Після роздроблення в тріску отримана маса надходить у величезні казани, де й вариться по натро-сульфатному або сульфітному (с застосуванням сірчанокислої солі кальцію) способу. Під час варіння речовини, що інкрустують, відділяються від клітковини дерева й разом із водою йдуть із маси. Після цього маса промивається й очищається від суків, осколків дерева й грубих вузликів, що не розварилися, волокон.

Гарна целюлоза виходить із соломи різних злаків, близької по будові до льону і коноплям. Солому перед відбілюванням очищають на машинах від пилу, бруду, усяких сторонніх домішок і т.п., ріжуть на шматочки й піддають варінню в казанах, подібних тому, що застосовують для деревної маси, з додаванням їдкого натру або соди. Після варіння солом'яна маса піддається відбілюванню, а потім іде в товстих аркушах на паперові фабрики.

Отже, на паперових фабриках для виготовлення паперу може вживатися й механічно здрібнена деревна маса, і деревна або солом'яна целюлоза, і бавовняні, полотняні, полотняні з волокон льону, прядив'яні, джутові та інші ганчірки, а також старий, бувший у вживанні папір, з якого в процесі варіння в казанах і хімічному очищенні віддаляються чорнило або типографська фарба.

З однієї ганчіркової маси папір, як правило, роблять порівняно в невеликій кількості, головним чином для цінних паперів, акцій і інших виробів із вищих сортів паперу.

Нерідкі були й випадки, коли газетний, а особливо обгортковий папери вироблявся майже з однієї деревини, а нижчі сорти обгорткового паперу іноді мали у своєму складі тільки солому, варену з вапном.

Звичайно, ганчір'я для виробництва паперу проходить довгий шлях, перш ніж перетвориться в однорідну рідку масу. Після надходження на фабрику ганчір'я йде в різку, потім у казан для бучення (варіння з лугом, як правило, з вапняного молока або їдкого натру). Після варіння ганчір'я вже очищене від фарби та інших речей, але ще не перетворилося в кашу. Остання операція провадиться в Голендер (рол, рольний апарат). Причому маса звичайно проходить три голендери: напівмасний, де звертається в кашу шляхом рубання особливими ножами, поміщеними усередині резервуара Голендера, і розмочування водою; потім більний, де відбувається її біління; після відбілювання ганчіркова напівмаса надходить у масні голандери (роли), призначення яких - остаточно перетворити паперову напівмасу в зовсім одноманітну по своїй будові, придатну для виливки паперу масу. У масних голендерах також відбувається змішування ганчіркової напівмаси із целюлозою, з деревною масою, а також з хімічно очищеним й перетвореним в масу старим папером. Тут же до паперової маси додається клей, але не тваринний, яким користувалися до кінця XVIII століття, а рослинний - смоляний клей, у вигляді каніфолі (гарпіуса), що представляє собою залишок перегонки смоли хвойних дерев на скипидар (терпентин). Каніфоль шляхом варіння з розчином соди піддається замилюванню (іноді ця маса змішується із крохмальним клейстером) і вливається в Голендер для проклейки паперової маси. Папір фільтрувальний, промокальний виготовляється без домішки клею. Також без клею - для кращого усмоктування фарби - виготовляються іноді вищі сорти паперу для друкування гравюр, типу веленевий, японський, китайський, індійський папір. Але основний обсяг паперу, призначений для друку й письма, надходить на ринок після проклеювання каніфольною емульсією.

Додавання азбесту надає паперу деяку горючестійкість, і ця властивість використовується для одержання покрівельного матеріалу, перегородок для кімнат і т.д.

У масних голендерах у папір уводяться так звані наповнювачі, які надають паперу більш щільний вид і вагу. До наповнювачів належать каолін білий відмучений, рідше - гіпс, сірчанокислий барій, тальк, асбестін. За рахунок двох останніх надають паперу білизну й блиск. Для білизни вводять і синьку, тому що природний колір паперової маси - жовтуватий або сірий.

Після того як процес змішування в масних голендерах закінчився й вийшла маса, необхідна для певного сорту паперу, вона надходить у самочерпки, а звідти - на полотно паперової машини. Із самочерпки паперова маса ллється на нескінченну латунну сітку. Сітка із частими отворами, через які стікає вода, безупинно рухається вперед. Смуга паперу, ще мокра й пухка, у краю сітки притискається до неї за допомогою сітчастого циліндра (дандироля, що наносить на папір водяні знаки й згладжує його верхню шорохувату поверхню). Після дандироля смуга проходить між обтягнутими сукном валами гауч-преса, який віджимає вологу, а потім надходить на нескінченне сукно, де знову відбувається пресування й видалення вологи з паперової смуги. Далі папір переміщається з мокрої частини машини на суху, де гарячі циліндри забирають залишки вологи. Там же папір проходить через важкі вали каландрів, вони глазурують його, і через вали, поперек яких розташовані кільцеві ножі, що ріжуть смугу на більш вузькі стрічки, які скачуються в рулони, іноді сягаючі довжини десять і більше кілометрів.

Для виготовлення пергаментного й воскового паперу готовий папір пропускають протягом декількох секунд через ванну із сірчаною кислотою, потім промивають водою, розчином соди й знову водою. Сірчана кислота, по-перше, робить папір непроникним для жирів і деяких кислот, по-друге, надає йому напівпрозорість, а по-третє - міцність.

У продаж папір надходить у двох видах: у рулонах і флатова (тобто нарізана на аркуші або відлита аркушами різного розміру).

Слід зазначити, що при наступному грандіозному розвитку машинного виробництва дотепер збереглося виробництво паперу ручним способом, особливо при виробленні дорогих сортів, які йдуть для тонких малюнків аквареллю, веленевого (схожого на пергамент), пухкого китайського й щільного японського (для друкування розкішних видань із гравюрами й офортами).

Цікаво було б привести звичайну колись номенклатуру паперів і картону, пропоновану Центробумтрестом. Ось весь список видів на той час: актовий ганчірковий; олександрійський малювальний; альбомний різнобарвний матовий і глазурований; англійський картон; афішний різнобарвний; кольоровий рольовий; брістольський картон (глазурований) різнобарвний; пляшковий різнобарвний; бюварний (промокальний) різнобарвний; виготський - прокладочний й цигарковий; восковий; газетний в рулонах; глянсовий різнобарвний; гофрований; золотий (покритий золотою фольгою); картографічний; картон (жовтий, солом'яний, білий, глазурований, сірий, технічний); картковий папір і картон; картузна; касові й контрольні стрічки; книжковий білий і напівбілий (у стопах і рулонах); конвертовий папір, концептний (для копіровки планів) у рулонах; копіювальний в стопах і рулонах; фарбований медяний; літографський папір; маслюка для обкладинок; крейдовані папери; мармуровий матових і глянсових різних малюнків; мундштуковий флатовий й в бобінах; обгортковий і пакетний (жовтий і сірий); шпалерний; цигарковий (білий, жовтий і кольоровий); парафінований (непромокальна); пергамент у рулонах і аркушах; писальний від № 1 до № 9 у пачках і аркушах; під пергамент; полотняний (візерунок під полотно); поштовий в аркушах і пачках; ротаторний (провощений, спеціально виготовлений для ротаторів); срібний (покритий срібною фольгою); слоновий (товстий, веленевого типу, глазурований); телеграфна стрічка в котушках в 9-10-12-13 мм шириною; форзацний; фільтрувальний білий; чайний; чорний матовий і глянсовий; шагреневий для палітурок і картонів; шведський картон (глазурований) у рулонах і аркушах; інші види, які виготовляються на замовлення.

Що далі було вдосконалене у виробництві паперу?

Прогрес не стоїть на місці. Всі частини паперової машини були вдосконалені, збільшена ширина полотна. Замість ганчіркової сировини стали використовувати деревину. Старі роли поступово витіснялися апаратами, що розмелюють, безперервної дії.

Для обробки паперу тепер застосовуються суперкаландри (система обертових із різною швидкістю валів, між якими під тиском пропускають зволожене паперове полотно), які забезпечують більш рівну і гладку поверхню й глянець. Такий папір називається каландрований. Для додання паперу глянцю паперове полотно пропускають через лощильний каландр, вали якого роблять зворотно-обертальний рух, не надаючи великого тиску на папір.

Основний композиційний склад майже не змінився - це волокна рослинного походження з деревини хвойних і листяних порід, стебел однолітніх рослин, листів і т.п. Залежно від методу виробництва, виходу геміцелюлоз (речовин, подібних із целюлозою, але з меншою молекулярною масою) і лігніну (інкрустуючої речовини) одержують різні напівфабрикати: деревну масу, наполовину хімічну масу (напівцелюлозу), невибілену, білену й облагороджену целюлозу.

І історія паперу на цьому не завершується, майже кожний рік на виробництві вдосконалюють старі й впроваджують нові технології виготовлення паперу.