Бумагу делают из переплетённых растительных волокон, главным образом целлюлозы, с добавлением воды, минеральных наполнителей, проклеивающих и других вспомогательных веществ. Источником волокна чаще служит древесина хвойных и лиственных пород или собранная макулатура. Разбавленную волокнистую массу распределяют тонким слоем на движущейся сетке, удаляют воду, прессуют, сушат и при необходимости разглаживают или покрывают специальным составом.
Что такое целлюлоза
Целлюлоза – природный полимер, из которого растения строят прочные стенки клеток. Длинные молекулы собираются в волокна. Когда мокрые волокна сближаются, между ними образуется множество связей. После высыхания возникает цельный лист, хотя в нём нет тканого переплетения нитей.
В древесине целлюлоза окружена лигнином и другими веществами. Лигнин помогает дереву сохранять жёсткость, но для светлой долговечной бумаги его большую часть удаляют. Если лигнина остаётся много, материал дешевле и непрозрачнее, однако быстрее желтеет под действием света и кислорода. Этому посвящён отдельный разбор о пожелтении старой бумаги.
Из какой древесины получают волокно
Хвойные породы дают сравнительно длинные волокна, повышающие прочность листа. У лиственных пород волокна короче и помогают получить более ровную поверхность и хорошую непрозрачность. На фабрике часто смешивают разные виды массы, добиваясь нужного сочетания прочности, гладкости и цены.
Бумажная промышленность использует не только специально заготовленную древесину. Сырьём могут быть отходы лесопиления и деревообработки: щепа, обрезки и другие подходящие остатки. Происхождение зависит от региона и предприятия. Ответственное лесопользование требует восстановления леса, охраны почв, воды и ценных экосистем, а не просто подсчёта посаженных деревьев.
Стебли льна, хлопковые отходы, бамбук, багасса сахарного тростника и другие растения тоже содержат пригодную целлюлозу. Из хлопкового волокна получают особенно прочные и долговечные сорта для документов и художественных работ, но основная массовая бумага производится из древесного и вторичного волокна.
Механическая и химическая масса
При механическом способе древесину истирают или размалывают, стараясь использовать большую часть исходного материала. Выход массы высокий, а производство относительно экономно. Вместе с целлюлозой в лист попадает много лигнина. Такая бумага хорошо подходит для недолговечной печатной продукции, но со временем темнеет и становится хрупкой.
При химическом способе щепу обрабатывают раствором при высокой температуре и давлении. Значительная часть лигнина растворяется, а волокна освобождаются. Выход ниже, зато бумага получается прочнее и долговечнее. Наиболее распространён сульфатный, или крафт-процесс. Название «крафт» связано с прочностью получаемого волокна.
Существуют полуфабрикаты и комбинированные методы. Выбор зависит от будущего продукта. Газетная бумага, упаковочный картон, салфетка и лист для качественной цветной печати требуют разных свойств, поэтому у них разный состав и обработка.
Как древесина превращается в массу
С брёвен снимают кору, потому что она ухудшает однородность бумаги и содержит много нежелательных веществ. Древесину рубят на щепу приблизительно одинакового размера. Однородность важна: слишком крупные куски плохо провариваются, а слишком мелкие расходуют реагенты неравномерно.
В химическом процессе щепа поступает в варочный аппарат. Раствор отделяет лигнин, после чего массу промывают и сортируют. Непроваренные частицы и загрязнения удаляются. Использованный раствор не обязательно становится простым отходом: современные предприятия восстанавливают химикаты и сжигают растворённые органические вещества для получения энергии.
Если нужна белая бумага, массу отбеливают. Цель не в том, чтобы покрыть волокна белой краской, а в удалении или химическом изменении оставшихся окрашенных компонентов. Технологии отбеливания выбирают с учётом сорта и экологических требований.
Как перерабатывают макулатуру
Собранную бумагу сортируют по качеству. Чистые офисные листы, гофрокартон и смешанная макулатура дают разное вторичное волокно. Сырьё размешивают в воде, чтобы разрушить лист и получить пульпу. Сита и очистители удаляют скрепки, пластик, песок и другие включения.
Для светлой печатной бумаги может понадобиться удаление краски. Пузырьки воздуха и химические добавки помогают отделить частицы типографской краски от волокон. Загрязнённая вода и осадок требуют очистки и утилизации.
Волокно нельзя перерабатывать бесконечно. При каждом цикле оно укорачивается и повреждается, поэтому бумага теряет прочность. В систему приходится добавлять первичную целлюлозу. Переработка всё равно полезна: она возвращает сырьё в оборот и сокращает объём отходов, но не отменяет необходимость устойчивого лесного хозяйства.
Что добавляют кроме волокон
Минеральные наполнители, например карбонат кальция или каолин, заполняют промежутки между волокнами. Они повышают белизну, гладкость и непрозрачность, улучшают печать. Слишком большое количество может снизить прочность, поэтому рецептуру подбирают для конкретного сорта.
Проклеивающие вещества уменьшают впитывание воды и чернил. Без проклейки капля быстро растекалась бы по капиллярам листа. Добавки для прочности помогают бумаге выдерживать нагрузку в сухом или влажном состоянии. Красители корректируют оттенок, а оптические отбеливатели могут усиливать ощущение белизны под определённым светом.
Мелованная бумага получает дополнительное поверхностное покрытие из пигментов и связующего. Оно заполняет неровности и создаёт гладкую поверхность для детальной печати. Обычная офисная бумага и картон также могут проходить поверхностную обработку, хотя внешне это не всегда заметно.
Как формируется лист
Готовую массу сильно разбавляют водой. На бумагоделательной машине эта суспензия равномерно поступает на быстро движущуюся сетку. Вода уходит сквозь отверстия под действием силы тяжести, вакуума и специальных элементов, а волокна остаются на поверхности и образуют непрерывное влажное полотно.
На этом этапе воды всё ещё очень много. Полотно проходит между прессовыми валами, которые выжимают влагу и уплотняют структуру. Затем оно огибает нагретые сушильные цилиндры. Испарять всю воду только нагревом было бы слишком энергозатратно, поэтому механическое удаление в сеточной и прессовой частях имеет большое значение.
После сушки бумагу могут пропустить через каландр – систему валов, которая выравнивает толщину и делает поверхность гладкой. Полотно наматывают в огромный рулон, разрезают на меньшие рулоны или листы и упаковывают. Датчики непрерывно контролируют влажность, массу квадратного метра, толщину и дефекты.
Почему бумага бывает такой разной
Свойства определяются не одним видом дерева. Важны длина и обработка волокон, количество лигнина, наполнители, проклейка, направление волокон, прессование, покрытие и плотность. Тонкая салфетка должна быстро впитывать воду, пакет – выдерживать нагрузку, картонная коробка – сохранять форму, а архивный документ – медленно стареть.
Направление волокон формируется движением машины. Вдоль него лист обычно легче сгибается и иначе меняет размер при увлажнении. Переплётчики учитывают это, чтобы книга хорошо открывалась и страницы не коробились.
Бумага стала основой массовой культуры не только благодаря сырью, но и потому, что производство ускорилось и подешевело. Как это повлияло на распространение знаний, рассказывает статья «Как бумага изменила производство книг», а следующий промышленный шаг показан в материале о массовой печати.
Вода, энергия и воздействие на природу
Целлюлозно-бумажное производство использует много воды и тепла. Вода переносит волокна, промывает массу и участвует в химических процессах. Современные фабрики многократно возвращают её в цикл и очищают стоки, но эффективность предприятий различается.
Основные экологические вопросы связаны с происхождением древесины, энергией, выбросами, химикатами, стоками и отходами. Нельзя оценить лист только по надписи «переработанный»: значение имеют доля вторичного волокна, энергосистема, долговечность продукта и возможность переработать его после использования.
Ламинация, пластиковые окна, жир и некоторые покрытия усложняют переработку. Поэтому упаковку проектируют так, чтобы материалы легче разделялись. Потребитель помогает системе, когда сортирует чистую бумагу по местным правилам и не кладёт в контейнер загрязнённые пищей изделия, если их не принимают.
Короткий вывод
Бумага – это высушенная сеть целлюлозных волокон, а не просто тонко срезанная древесина. Дерево или макулатуру превращают в водную волокнистую массу, очищают и смешивают с добавками. Машина формирует полотно на сетке, прессует, сушит и отделывает его.
Разные рецептуры дают газету, книгу, салфетку, банкноту или упаковочный картон. Именно управляемое соединение волокна, воды, химии и механики делает один и тот же базовый материал настолько разнообразным. Неудивительно, что среди интересных фактов о книгах многие связаны не только с авторами, но и с эволюцией бумаги и печати.
