Войти
| Бумага | |
|---|---|
 Бумажная продукция: книги, туалетная бумага, миллиметровка, картон, яйцо коробок | |
| Тип | Тонкий материал |
| Физические свойства | |
| Плотность (ρ) | От 10 гмов до 3000 гм |
| Бумага | |||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 «Бумага» иероглифами традиционного (вверху) и упрощенного (внизу) китайского языка. | |||||||||||||||||||||||||
| Традиционный китайский | 紙 | ||||||||||||||||||||||||
| Упрощенный китайский | 纸 | ||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
Бумага представляет собой тонкий листовой материал, полученный путем механической или химической обработки целлюлозных волокон, полученных из древесины, ветоши, травы или других растительных источников, в воде, слива воды через мелкую сетку, оставляя волокна равномерно распределенными по поверхности с последующим прессованием и сушкой. Хотя бумага изначально производилась в виде отдельных листов вручную, сейчас почти вся бумага изготавливается на больших машинах - некоторые из них делают рулоны шириной 10 метров со скоростью 2 000 метров в минуту и производительностью до 600 000 тонн в год. Это универсальный материал, имеющий множество применений, включая печать, упаковку, украшение, письмо, чистку, фильтровальную бумагу, обои, форзац для книг, консервационную бумагу, ламинированные рабочие поверхности, туалетную бумагу, валюту и защищенную бумагу, а также ряд промышленных и строительных процессов.
Процесс изготовления бумаги развился в Восточной Азии, вероятно, в Китае, по крайней мере, еще в 105 г. н.э., ханьским придворным евнухом Цай Лунем, хотя самые ранние археологические фрагменты бумаги происходят из Китая 2 века до н.э. Современная целлюлозно-бумажная промышленность носит глобальный характер, в ней лидирует Китай, а за ним - США.
Оберточная бумага из конопли, Китай, c. 100 г. до н.э. Самые старые известные археологические фрагменты непосредственного предшественника современной бумаги датируются II веком до нашей эры в Китае. Процесс изготовления бумаги целлюлозы приписывается Цай Лунь, в втором веке CE Хан суда евнуха.
Было сказано, что знания о производстве бумаги были переданы в исламский мир после битвы при Таласе в 751 году нашей эры, когда два китайских изготовителя бумаги были взяты в плен. Хотя правдивость этой истории сомнительна, вскоре после этого в Самарканде начали изготавливать бумагу. В 13 веке знания и использование бумаги распространились от Ближнего Востока до средневековой Европы, где были построены первые бумажные фабрики, работающие на воде. Поскольку бумага была представлена на Западе через город Багдад, сначала она получила название багдатикос. В 19 веке индустриализация значительно снизила стоимость производства бумаги. В 1844 году канадский изобретатель Чарльз Фенерти и немецкий изобретатель Фридрих Готтлоб Келлер независимо друг от друга разработали способы измельчения древесных волокон.
До индустриализации производства бумаги наиболее распространенным источником волокна были переработанные волокна из использованного текстиля, называемые тряпками. Тряпки были из конопли, льна и хлопка. Процесс удаления печатных красок с переработанной бумаги был изобретен немецким юристом Юстусом Клапротом в 1774 году. Сегодня этот метод называется очисткой от краски. Только после появления древесной массы в 1843 году производство бумаги не зависело от вторичного сырья от тряпок.
Слово бумага этимологически происходит от латинского papyrus, которое происходит от греческого πᾰ́πῡρος ( pápūros), слова, обозначающего папирусное растение Cyperus. Папирус - это толстый, похожий на бумагу материал, полученный из сердцевины папируса Cyperus, который использовался в Древнем Египте и других средиземноморских культурах для письма до появления бумаги. Хотя слово « бумага» этимологически происходит от « папирус», оба они производятся по-разному, и развитие первого отличается от развития второго. Папирус - это ламинирование натуральных растительных волокон, а бумага изготавливается из волокон, свойства которых были изменены в результате мацерации.
Чтобы сделать древесную массу из древесины, в процессе химической варки лигнин отделяется от целлюлозного волокна. Варочный раствор используется для растворения лигнина, который затем смывается с целлюлозы ; это сохраняет длину целлюлозных волокон. Бумага, изготовленная из целлюлозы, также известна как бездревесная бумага (не путать с бумагой без древесной массы ); это потому, что они не содержат лигнин, качество которого со временем ухудшается. Целлюлозу также можно отбелить, чтобы получить белую бумагу, но это потребляет 5% волокон. Химические процессы варки целлюлозы не используются для производства бумаги из хлопка, который уже на 90% состоит из целлюлозы.
Микроскопическая структура бумаги: Микрофотография бумаги autofluorescing под ультрафиолетовым освещением. Отдельные волокна в этом образце имеют диаметр около 10 мкм. Существует три основных процесса химической варки целлюлозы: сульфитный процесс восходит к 1840-м годам и был доминирующим методом до Второй мировой войны. Процесс крафта, изобретенный в 1870 - х годах и впервые использован в 1890 - х годах, в настоящее время наиболее широко практикуется стратегия; одним из его преимуществ является химическая реакция с лигнином, выделяющая тепло, которое можно использовать для работы генератора. Большинство операций по варке целлюлозы с использованием крафт-процесса вносят чистый вклад в электрическую сеть или используют электроэнергию для работы соседней бумажной фабрики. Еще одно преимущество заключается в том, что в этом процессе восстанавливаются и повторно используются все неорганические химические реагенты. Варка из соды - еще один специальный процесс, используемый для измельчения соломы, жмыха и твердых пород древесины с высоким содержанием силикатов.
Существует две основных механической массы: термомеханическая масса (TMP) и древесная масса (GW). В процессе TMP древесина измельчается, а затем подается в рафинеры с паровым обогревом, где щепа сжимается и превращается в волокна между двумя стальными дисками. В процессе измельчения древесины окоренные бревна поступают в измельчители, где они прижимаются к вращающимся камням, превращаясь в волокна. При механической варке лигнин не удаляется, поэтому выход очень высок,gt; 95%; однако лигнин заставляет полученную таким образом бумагу со временем желтеть и становиться хрупкой. Механическая масса имеет довольно короткие волокна, поэтому получается непрочная бумага. Хотя для производства механической целлюлозы требуется большое количество электроэнергии, она стоит меньше, чем химическая.
В процессах переработки бумаги можно использовать целлюлозу, полученную химическим или механическим способом; смешивая ее с водой и применяя механическое воздействие, можно разорвать водородные связи в бумаге и снова отделить волокна. Большая часть переработанной бумаги содержит определенное количество первичного волокна ради качества; вообще говоря, очищенная от краски целлюлоза имеет такое же качество или более низкое, чем собранная бумага, из которой она была сделана.
Существует три основных классификации переработанного волокна:
Вторичная бумага может быть изготовлена из 100% переработанных материалов или смешана с первичной целлюлозой, хотя она (как правило) не такая прочная и яркая, как бумага, сделанная из последней.
Помимо волокон, пульпа может содержать наполнители, такие как мел или фарфоровая глина, которые улучшают ее характеристики для печати или письма. Добавки для проклейки могут быть смешаны с ним или нанесены на бумажное полотно позже в процессе производства; цель такой проклейки - установить правильный уровень впитывающей способности поверхности, подходящий для чернил или краски.
Бумажная фабрика в Мянття-Вилппула, Финляндия Пульпу подают в бумагоделательную машину, где она выполнена в виде бумажного полотна, и вода удаляется из него путем прессования и сушки.
При нажатии на лист вода принудительно удаляется. После того, как вода вытесняется из полотна, для сбора воды используется специальный сорт войлока, который не следует путать с традиционным. При изготовлении бумаги вручную вместо нее используется промокательная бумага.
Сушка включает использование воздуха или тепла для удаления воды с бумажных листов. В первые дни производства бумаги это делалось путем развешивания листов, как для стирки; в более современное время используются различные формы сушильных механизмов с подогревом. На бумагоделательной машине наиболее распространенной является сушилка для банок с паровым нагревом. Они могут достигать температуры выше 200 ° F (93 ° C) и используются в длинных сериях из более чем сорока банок, где выделяемое ими тепло может легко высушить бумагу до влажности менее шести процентов.
Затем бумагу можно калибровать, чтобы изменить ее физические свойства для использования в различных областях.
Бумага на данный момент немелованная. Бумага с покрытием имеет тонкий слой материала, такого как карбонат кальция или фарфоровая глина, нанесенный на одну или обе стороны, чтобы создать поверхность, более подходящую для полутоновых экранов с высоким разрешением. (Немелованная бумага редко подходит для экранов более 150 lpi.) Мелованную или немелованную бумагу можно отполировать каландрованием. Мелованные бумаги делятся на матовые, полуматовые или шелковые и глянцевые. Глянцевая бумага обеспечивает наивысшую оптическую плотность отпечатанного изображения.
Затем бумага подается на катушки, если она будет использоваться на печатных машинах для рулонной печати, или разрезана на листы для других процессов печати или других целей. Волокна бумаги в основном проходят в машинном направлении. Листы обычно разрезаются «с длинными волокнами», то есть с волокнами, параллельными большему размеру листа. Бумага непрерывной формы (или непрерывные канцелярские товары) разрезается по ширине с проделанными по краям отверстиями и складывается в стопки.
Вся бумага, производимая бумагоделательными машинами, такими как машина Фурдринье, представляет собой тканую бумагу, то есть проволочная сетка, по которой транспортируется полотно, оставляет узор, который имеет одинаковую плотность вдоль волокон бумаги и поперек волокон. Текстурированные отделки, водяные знаки и образцы проволоки, имитирующие ручную положенная бумага могут быть созданы путем использования соответствующих роликов на более поздних стадиях машины.
Тканая бумага не имеет «лежачих линий», которые представляют собой небольшие регулярные линии, оставленные на бумаге, когда она была изготовлена вручную в форме, сделанной из рядов металлической проволоки или бамбука. Лейдлайны очень близки друг к другу. Они проходят перпендикулярно «цепям», которые находятся дальше друг от друга. Бумага ручной работы также имеет «деклевые края», или грубые и перистые границы.
Бумажные деньги из разных стран В зависимости от предполагаемого использования бумагу можно производить с самыми разными свойствами.
Подсчитано, что решения для хранения информации на бумаге охватили 0,33% от общего количества в 1986 году и только 0,007% в 2007 году, хотя в абсолютном выражении мировая емкость хранения информации на бумаге увеличилась с 8,7 до 19,4 петабайт. Подсчитано, что в 1986 году бумажные почтовые письма составляли менее 0,05% мировых телекоммуникационных возможностей с тенденцией к резкому сокращению после массового внедрения цифровых технологий.
Бумага играет важную роль в изобразительном искусстве. Он используется сам по себе для создания двух- и трехмерных фигур и коллажей. Он также превратился в конструкционный материал, используемый в дизайне мебели. Акварельная бумага имеет долгую историю производства и использования.
Картон и бумага для поделок бывают самых разных текстур и цветов. Толщина бумаги часто измеряется штангенциркулем, который обычно измеряется в тысячных долях дюйма в Соединенных Штатах и в микрометрах (мкм) в остальном мире. Бумага может иметь толщину от 0,07 до 0,18 миллиметра (от 0,0028 до 0,0071 дюйма).
Бумага часто отличается плотностью. В Соединенных Штатах вес - это вес стопки (пачки из 500 листов) различных «основных размеров» до того, как бумага будет разрезана до размера, который она продается конечным потребителям. Например, пачка бумаги размером 20 фунтов, 8,5 дюймов × 11 дюймов (216 мм × 279 мм) весит 5 фунтов, потому что она была разрезана из листов большего размера на четыре части. В Соединенных Штатах бумага для печати обычно составляет не более 20 фунтов, 24 фунта, 28 фунтов или 32 фунта. Обложка обычно составляет 68 фунтов, а 110 фунтов и более считаются картоном.
В Европе и других регионах, где используется система калибровки бумаги ISO 216, вес выражается в граммах на квадратный метр (г / м 2 или обычно просто г) бумаги. Бумага для печати обычно составляет от 60 г до 120 г. Все, что тяжелее 160 г, считается картой. Таким образом, вес стопки зависит от размеров бумаги и ее толщины.
Большая часть коммерческой бумаги, продаваемой в Северной Америке, нарезается до стандартных размеров бумаги на основе обычных единиц и определяется длиной и шириной листа бумаги.
Система ISO 216, используемая в большинстве других стран, основана на площади поверхности листа бумаги, а не на ширине и длине листа. Впервые она была принята в Германии в 1922 году и получила широкое распространение по мере того, как страны приняли метрическую систему. Самый большой стандартный размер бумаги - A0 (A ноль), его размер составляет один квадратный метр (прибл. 1189 × 841 мм). Размер A1 составляет половину листа A0 (т. Е. 594 мм × 841 мм), так что два листа A1, помещенные рядом, равны одному листу A0. A2 составляет половину размера листа A1 и так далее. Обычно в офисе и дома используются форматы A4 и A3 (A3 - это размер двух листов A4).
Плотность диапазонов бумаги от 250 кг / м 3 (16 фунтов / куб фут) для папиросной бумаги до 1 500 кг / м 3 (94 фунт / куб футов) для некоторой специальной бумаги. Бумага для печати составляет около 800 кг / м 3 (50 фунтов / куб футов).
Бумагу можно разделить на семь категорий:
Некоторые типы бумаги включают:
Большая часть первой бумаги, сделанной из древесной массы, содержала значительное количество квасцов, разновидности солей сульфата алюминия, которая имеет значительную кислотность. Квасцы были добавлены в бумагу для облегчения калибровки, что сделало ее несколько водостойкой, чтобы чернила не «текли» или не растекались бесконтрольно. Первые производители бумаги не понимали, что квасцы, которые они щедро добавляли для решения почти всех проблем, возникающих при производстве их продукции, в конечном итоге могут оказаться вредными. Эти целлюлозные волокна, которые составляют бумаги являются гидролизуют кислотой, и присутствие квасцов в конечном счете не деградирует волокна, пока бумага распадается в процессе, известном как « медленный огнь ». Документы, написанные на тряпичной бумаге, значительно стабильнее. Использование некислотных добавок для изготовления бумаги становится все более распространенным, и стабильность этих бумаг не является проблемой.
Бумага, изготовленная из механической массы, содержит значительное количество лигнина, основного компонента древесины. В присутствии света и кислорода лигнин реагирует с образованием желтых материалов, поэтому газетная и другая механическая бумага желтеет с возрастом. Бумага, изготовленная из беленой крафт- целлюлозы или сульфитной целлюлозы, не содержит значительного количества лигнина и поэтому лучше подходит для книг, документов и других приложений, где важна белизна бумаги.
Бумага из древесной массы не обязательно менее долговечна, чем тряпичная бумага. Поведение бумаги при старении определяется ее производством, а не исходным источником волокон. Кроме того, тесты, спонсируемые Библиотекой Конгресса, доказывают, что вся бумага подвержена риску кислотного разложения, поскольку сама целлюлоза производит муравьиную, уксусную, молочную и щавелевую кислоты.
Механическое производство целлюлозы дает почти тонну целлюлозы на тонну используемой сухой древесины, поэтому механическую целлюлозу иногда называют целлюлозой с «высоким выходом». С почти вдвое большим выходом, чем при химической варке целлюлозы, механическая масса зачастую дешевле. В книгах и газетах в мягкой обложке для массового рынка обычно используется механическая бумага. Книжные издатели, как правило, используют бескислотную бумагу, изготовленную из полностью беленой химической целлюлозы, для книг в твердом переплете и для торговли книгами в мягкой обложке.
Производство и использование бумаги имеет ряд неблагоприятных последствий для окружающей среды.
Мировое потребление бумаги выросло на 400% за последние 40 лет, что привело к увеличению вырубки лесов, при этом 35% собранных деревьев используется для производства бумаги. Большинство бумажных компаний также сажают деревья, чтобы помочь отрастить леса. На вырубку старовозрастных лесов приходится менее 10% древесной массы, но это одна из самых спорных проблем.
Бумажные отходы составляют до 40% от общего объема отходов, производимых в Соединенных Штатах каждый год, что составляет 71,6 миллиона тонн бумажных отходов в год только в Соединенных Штатах. Среднестатистический офисный работник в США печатает 31 страницу каждый день. Американцы также используют порядка 16 миллиардов бумажных стаканчиков в год.
Обычное отбеливание древесной массы с использованием элементарного хлора приводит к образованию и выбросу в окружающую среду больших количеств хлорированных органических соединений, включая хлорированные диоксины. Диоксины признаны стойкими загрязнителями окружающей среды, что регулируется на международном уровне Стокгольмской конвенцией о стойких органических загрязнителях. Диоксины очень токсичны, и их воздействие на здоровье человека включает репродуктивные, связанные с развитием, иммунные и гормональные проблемы. Они известны своим канцерогенным действием. Более 90% воздействия на человека происходит через пищу, в первую очередь мясо, молочные продукты, рыбу и моллюсков, поскольку диоксины накапливаются в пищевой цепи в жировой ткани животных.
Целлюлозно-бумажная промышленность и полиграфическая промышленность в совокупности произвели около 1% мировых выбросов парниковых газов в 2010 году и около 0,9% в 2012 году, но меньше, чем экраны: цифровые технологии произвели примерно 4% мировых выбросов парниковых газов в 2019 году, а количество может быть в два раза больше к 2025 году.
Некоторые производители начали использовать новую, значительно более экологичную альтернативу расширенной пластиковой упаковке. Изготовленная из бумаги и известная под коммерческим названием PaperFoam, новая упаковка имеет механические свойства, очень похожие на свойства некоторых упаковок из вспененного пластика, но она биоразлагаема и может быть переработана вместе с обычной бумагой.
В связи с растущими экологическими проблемами, связанными с синтетическими покрытиями (такими как PFOA ) и более высокими ценами на нефтехимические продукты на углеводородной основе, основное внимание уделяется зеину (кукурузному белку) в качестве покрытия для бумаги в приложениях с высоким содержанием жира, таких как пакеты для попкорна.
Кроме того, синтетические материалы, такие как Тайвек и Теслин, были представлены в качестве носителя для печати как более прочный материал, чем бумага.
