Бумага и производство бумаги

Если вы сейчас не приклеены к
экрану компьютера, то, возможно, читаете эту
статью на бумаге из книги; примерно за 2000 лет до
появления Всемирной паутины практически вся письменная информация
распространялась в печатном виде. Идея получения информации с
запечатанных листов бумаги начинает казаться немного
старомодной, но это не значит, что мы скоро откажемся от бумаги . Люди десятилетиями
предсказывали приход «общества без бумаги», и он, похоже, не приблизился; если уж на то пошло, сейчас мы используем больше бумаги, чем когда-либо прежде, и не только для печати. ​​Огромные объемы бумаги и картона по-прежнему используются для упаковки продуктов, в полотенцах и подгузниках, а также в самых разных строительных материалах. Наверное, не будет преувеличением сказать, что бумага — любимый материал в мире. Давайте подробнее рассмотрим, что это такое и как ее делают!

Фото: Даже в компьютерную эпоху мы по-прежнему используем огромное количество бумаги. Это
фото могло быть сделано вчера; на самом деле, оно было сделано в 1943 году на огромной
фабрике Southland Paper Mills около Лафкина, штат Техас, и показывает газетную бумагу (бумагу для печати газет), изготовленную
из древесной массы с использованием крафт-процесса. Фото
Джона Вашона для
Управления военной информации, любезно предоставлено
Библиотекой Конгресса США.

Что такое бумага?

Бумага — это высушенный, спрессованный коврик из растительных волокон — не больше и не меньше. Это немного
похоже на одежду, на которой можно писать. Нет, правда! Одежду делают
путем переплетения нитей, таких как хлопок и шерсть, спряденных из натуральных
волокон. Бумага больше похожа на ткань, которую мы называем войлоком, изготовленную без
стадии ткачества путем прессования вместе целлюлозных волокон, извлеченных из
растений и деревьев, чтобы они сцеплялись и сплавлялись, образуя прочный, твердый, но
все еще очень гибкий коврик.

Как изготавливается бумага?

Большая часть бумажной массы производится из деревьев (в основном быстрорастущих, вечнозеленых хвойных), хотя ее
также можно делать из бамбука, хлопка, пеньки, джута и широкого спектра
других растительных материалов. Гладкая бумага, используемая для журналов или упаковки,
часто содержит такие материалы, как каолин, чтобы печать получалась
более красочной и глянцевой.

Фото: Бумага может быть сделана из множества различных материалов. 1) Деревья, срубленные для производства бумаги.
Хотя можно использовать множество различных пород деревьев, лиственные породы деревьев обеспечивают большую часть волокон в бумаге,
в то время как волокна хвойных пород деревьев используются больше для прочности. 2) Стога сена, ожидающие изготовления низкосортной
бумаги в провинции Хэбэй, Китай. Китай и США являются ведущими мировыми производителями бумаги, каждая из которых производит около 80 миллионов тонн бумаги в год. Фото Саймона Цуо предоставлено US DOE/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Вот основная идея: вы берете растение, измельчаете его,
чтобы высвободить волокна, и смешиваете его с водой, чтобы получить влажную
суспензию волокон, называемую пульпой (или бульоном). Затем распределяете
пульпу по проволочной сетке, чтобы волокна связались и скрепились вместе, отжимаете
воду, высушиваете пульпу, и вот вам бумага!

Бумагу очень легко делать вручную (попробуйте сами), но люди используют ее так много, что большую ее часть теперь
производят гигантские машины. Какой бы метод ни использовался,
по сути, есть два этапа: подготовка пульпы, а затем ее формирование
и сушка в готовые листы или рулоны.

Материалы для изготовления бумаги

Как вы можете видеть на диаграмме ниже, переработанная бумага (зеленая линия) уже давно обогнала древесную массу (коричневая линия) в качестве основного источника сырья.
В Европе (ЕС плюс Норвегия, Швейцария и Великобритания) около 71 процента бумаги было переработано в 2021 году по сравнению с всего лишь 40 процентами в 1991 году.
Тем не менее, для производства бумаги по-прежнему потребляется очень большое количество древесины: примерно 152 миллиона кубических метров древесины используется европейской бумажной промышленностью каждый год (26,4 процента лиственных пород и 73,6 процента хвойных пород), но только около 40 миллионов кубических метров из этого количества (менее трети) поступает на бумажные фабрики в качестве пригодной для использования массы.
[Источник: Основные статистические данные: Европейская целлюлозно-бумажная промышленность 2021, Конфедерация европейской бумажной промышленности (CEPI), 2022.]

Диаграмма основана на статистических данных из Key Statistics: European Pulp and Paper Industry 2021, Confederation of European Paper Industries (CEPI), 2022.

Изготовление бумаги вручную

Сырой растительный материал помещают в большой сосуд, наполненный водой, и буквально
взбивают до состояния пульпы, чтобы получить густую суспензию волокон, называемую
полуфабрикатом. Из нее формируют листы бумаги с помощью очень
простой рамы, сделанной из двух частей: металлической сетки, называемой формой, которая
находится внутри деревянной рамы, известной как декель (немного похожей на
рамку для картины). Форма и декель погружаются в полуфабрикат
и осторожно перемешиваются, чтобы сверху образовалось ровное покрытие, при этом большая часть
воды (и часть пульпы) стекает через него. Затем декель
вынимают из формы, а влажный коврик из бумаги кладут на лист
войлока. Этот процесс повторяют, чтобы сделать несколько чередующихся
листов бумаги и войлока, которые затем помещают в
винтовой пресс и сжимают под огромным давлением, чтобы выдавить
практически всю оставшуюся воду. После этого листы бумаги
вынимают и развешивают для просушки.

Фото: Посмотрите внимательно на почти любую обычную бумагу, и вы увидите, насколько
она волокнистая! Фотография справа — это крупный план той, что слева. Она может выглядеть как стопка сложенных
пушистых полотенец для ванной, но на самом деле это листы бумаги! Это на 100 процентов переработанная бумага Evolve, произведенная M-real.

Машинное производство бумаги

Хотя некоторые дорогие виды бумаги все еще изготавливаются вручную, большинство из них штампуются
быстро, эффективно и автоматически гигантскими машинами. Целлюлоза подготавливается
для бумагоделательных машин механическим или химическим способом.
Механический метод (обычно используемый для изготовления бумаги более низкого качества) называется
процессом измельчения древесины, потому что изначально целлюлоза
изготавливалась с использованием огромных камней для измельчения бревен. В настоящее время целлюлозу готовят
гигантские машины, которые режут, моют, рубят, отбивают и смешивают
древесину, тряпки или другое сырье в сырую массу волокон. В
химическом методе, известном как крафт-процесс (от
немецкого слова «прочность», потому что он производит прочную бумагу),
растительные материалы кипятят в сильных щелочах, таких как сульфид натрия или
гидроксид натрия, для получения волокон. На этом этапе в смесь можно добавлять
наполнители (поверхностные покрытия, такие как глины), красители (для изготовления
цветной бумаги) и клеи (для укрепления и водонепроницаемости, а также для предотвращения
растекания чернил), чтобы изменить
свойства готовой бумаги (иногда их добавляют позже).

Фото: Небольшая бумагоделательная машина начала 20 века. Фото предоставлено
фотоколлекцией Национального института стандартов и технологий (NIST).

После подготовки пульпы ее превращают в бумагу с помощью огромной валковой машины.
Самый известный тип бумагоделательной машины называется
машиной Фурдринье (названной в честь двух братьев-англичан, которые изобрели ее в
начале XIX века), хотя существуют и альтернативы (включая
цилиндрическую машину, разработанную несколько лет спустя Джоном Дикинсоном).
Влажная пульпа поступает в машину из желоба, называемого напорным ящиком, на
одном конце и распределяется по движущейся сетчатой ​​конвейерной ленте.
Ленту встряхивают, отсасывают и продувают, чтобы удалить воду из ковра волокон
, прежде чем на нее наносится водяной знак, текстура или другая отделка
с помощью узорчатого валика, называемого денди-роллом. Затем бумагу
прессуют дальше и полностью сушат, снова и снова обматывая вокруг ряда валиков, прежде чем она получит свое окончательное, очень
гладкое прессование большими, тяжелыми стальными валками, называемыми каландрами.
Готовая бумага выходит в виде полотен (очень больших листов) или рулонов (для
печати таких вещей, как газеты и журналы). Самые большие
машины Фурдринье производят бумагу с поразительной скоростью — более 60 км/ч (40 миль/ч)!

Как работает машина Фурдринье?

Машины Fourdrinier большие и сложные, но я значительно упростил процесс и выделил его цветом, чтобы было легче понять. От влажной массы до готового рулона бумага проходит пять ключевых этапов: она начинается в большой ванне, называемой напорным ящиком (серый); начинает формироваться в бумагу на столе Fourdrinier (синий); прессуется и высушивается войлочными валиками (зеленый); далее высушивается, формируется и разглаживается в сушилке (красный); и, наконец, прессуется и прокатывается в готовую форму каландрами (фиолетовый). Левая сторона машины (как я ее нарисовал) называется мокрой частью; правая сторона — сухой частью.

Фото: Деталь некоторых роликов машины Fourdrinier. Фото
Рассела Ли для
Управления военной информации, предоставлено
Библиотекой Конгресса США.

Немного подробнее:

1. Headbox: Здесь начинается сырая влажная масса целлюлозы. Это может быть смесь древесной целлюлозы и переработанных бумажных волокон.
2. Сетка: Иногда ее называют столом или сеткой Фурдринье. Именно здесь из пульпы удаляется большая часть воды, и бумага
   начинает медленно формироваться.
3. Всасывающие ящики: часть воды просто капает через сетку, но большая ее часть удаляется всасывающими ящиками (немного похожими на пылесосы в форме коробок, предназначенные для всасывания воды).
4. Ролик-денди: этот большой валик наносит на бумагу водяной знак, узор или текстуру.
5. Войлочная лента: Формовочная бумага проходит по вращающейся войлочной ленте, которая удаляет лишнюю влагу.
6. Сушилка: Бумага движется вперед и назад по нескольким войлочным валикам и нагретым сушилкам.
7. Каландры: Валики в самом конце разглаживают бумагу, делая ее абсолютно однородной по толщине.
8. Рулон бумаги: Бумага полностью готова и готова к использованию.

Фото: От бревен до рулонов бумаги через древесную массу и свистящие колеса машины Фурдинье. Исторические фотографии Джека Делано и других,
Управление безопасности фермерских хозяйств США/Управление военной информации, предоставлены
Библиотекой Конгресса США.

Кто изобрел бумагу и бумажное производство?

• 3000 г. до н.э.: Древние египтяне начинают писать на папирусе, сделанном из тростника, растущего на берегах реки Нил.
  Это первая легкая, переносная поверхность для письма.
• 105 CE: Китаец Цай Лунь (ок. 50–121 CE; также пишется Цай Лунь) изобретает бумагу на основе древесной коры для императора Китая. Технология изготовления бумаги постепенно распространяется по всей Азии.
• 1100-е годы: Мавры привозят технологию изготовления бумаги в Северную Африку и Испанию, откуда она переходит в остальную Европу. Их бумага изготавливается из пеньки и льна.
• 1450-е годы: немец Иоганн Гутенберг (ок. 1400–1468) изобретает подвижные металлические литеры и
  современный печатный станок, печатает около 180 экземпляров своей знаменитой Библии Гутенберга. Это
  изобретение значительно увеличивает спрос на бумагу.
• 1790-е годы: Француз Николас Луи Робер (1761–1828) изобрел бумагоделательные машины, а затем около 1803 года усовершенствовал их британский брат
  Генри Фурдринье (1766–1854) и Сили Фурдринье
  (1774–1847). (В Национальной портретной галерее есть
  портрет семьи Фурдринье.)
• 1804: Англичанин Эндрю Уилсон выпускает первую книгу на бумаге машинного производства. Уилсон — лондонский печатник, работающий на Чарльза Махона, 3-го графа Стэнхоупа, изобретателя первого
  железного печатного станка (пресс Стэнхоупа).
• 1809: Через несколько лет после Фурдинье англичанин Джон Дикинсон (1782–1869) изобретает и патентует альтернативный аппарат для изготовления бумаги, называемый цилиндрической машиной.
  (Вы можете увидеть великолепную модель машины Дикинсона 1809 года на
  веб-сайте Библиотеки изображений «Наука и общество».)
• 1840: В Германии разработан метод производства древесной массы «Граундвуд».
• 1883: Немецкий изобретатель Карл Даль разрабатывает химический метод изготовления прочной бумажной массы, называемый крафт-процессом («прочность»).
• 1890: Американская компания Scott Paper из Филадельфии, штат Пенсильвания, производит первый рулон бумажной туалетной бумаги; в 1907 году она разрабатывает бумажные туалетные салфетки для улучшения общественной гигиены. В 1931 году Scott производит первые бумажные полотенца ScottTowels и продает их в продуктовых магазинах.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Струйные принтеры
• Печать

На других сайтах

• Влияние производства бумаги на окружающую среду: Planet Ark имеет хорошую графику и некоторые полезные факты и цифры. Архивировано через Wayback machine.
• Бумага: Шокирующая статистика: Сколько бумаги можно получить из дерева? Сколько люди используют в среднем каждый год? Множество подобных статистических данных на этой удобной странице. [Архивировано через Wayback Machine.]
• Environmental Paper Network: группа организаций, работающих над снижением воздействия производства бумаги на нашу планету (и особенно на леса).

Книги

Для читателей старшего возраста

• Статья: «Пролистывая историю» Марка Курлански. WW Norton, 2017. Всеобъемлющая история бумаги и ее производства.
• «Изготовление бумаги: история и техника древнего ремесла» Дарда Хантера, Courier Dover Publications, 1978. Эта классическая книга, впервые изданная в 1940-х годах, доступна и сегодня.
• Бумага Жанетт Баккер. Murdoch Books, 2006. Краткое введение в бумагу и ее историю, за которым следует руководство по изготовлению собственной бумаги и множество поделок, для которых вы можете ее использовать.

Для юных читателей

• «История бумаги» Барбары А. Сомервилл. Raintree, 2012. Введение на 32 страницах для детей 6–8 лет.
• Изготовление бумаги (шаг за шагом) Дэвида Уотсона. Search Press, 2008. Еще одно краткое (32 страницы) руководство для детей 6–8 лет, основанное на простых действиях. Оно начинается с истории бумаги, за которой следуют девять простых в изготовлении бумажных проектов, от поздравительных открыток и рамок для фотографий до книг-шнуровок и абажуров.

Статьи

• Круговая экономика переработанной бумаги Кристофера Ф. Шютце. The New York Times, 18 ноября 2014 г. Является ли переработка будущим производства бумаги?
• Действительно ли цифровые технологии более экологичны, чем бумажные? Элисон Муди, The Guardian, 24 февраля 2014 г. Бумажная промышленность бросает вызов предположениям о том, что электронная почта и другие формы цифровых технологий автоматически более безопасны для окружающей среды.
• Может ли производитель бумаги помочь спасти цивилизацию? Марк Левин, The New York Times, 17 февраля 2012 г. Взгляд на жизнь и творчество Тима Барретта.
• Художник из Бернхэма делает бумагу из органических материалов: BBC News, 21 июля 2010 г. Как Чарльз Бран научился делать бумагу из экологически чистых материалов, таких как листья и водоросли.
• Переработка в Китае «спасает леса»: BBC News, 13 июля 2007 г. Масштабная переработка бумаги в Китае помогает спасать леса во всем мире, хотя большая часть бумаги импортируется из США, Японии и Европы и перевозится на значительные расстояния.