какие деревья используют для бумаги
Из какого дерева делают бумагу
История появления бумаги датируется временами третьего тысячелетия до нашей эры.
С чего всё начиналось
Древние египтяне обнаружили растение на берегах рек, папирус, из которого изготовлялся материал для письма с одноимённым названием. Его стволы разрезались на тонкие полосы, складывались в несколько слоёв вдоль и поперёк, сжимались под большим грузом и оставлялись на солнце сушиться. Таким образом, получались гибкие листы, которые резались по определённым размерам, их полировали и склеивали в свитки. Это был первый писчий материал, который сохранился и до наших времён.
Во II веке производство папируса заменилось изготовлением бумаги, более похожей на ту, которой мы пользуемся в нынешнее время. Изобретателями первой бумажной технологии являются китайцы. Сырьём послужили отходы коконов шелкопряда, но из-за недостаточного их количества, перешли на коноплёвую крапиву. Бумага, изготовленная из неё, была не качественной: листы разные по толщине, шершавые и не ровные, что и послужило поводом отказаться от данной технологии. Для усовершенствования производства взяли иное направление: луб тутового дерева. Бумага из него была, по качеству, на несколько порядков выше, а сам секрет изготовления держался в строжайшей тайне. Но прошло время, и данный секрет стал явным, перешёл к арабам и, уже от них, распространился по всему миру.
В начале ХIII века первая бумажная фабрика появилась в Европе, а к концу ХVII её изготовлением начали заниматься и в России.
Новый этап развития
Ввиду того, что ничто в этом мире не стоит на месте, сырья для производства не хватало, а бумаги требовалось всё большее и большее количество. Это послужило поводом для поиска новых технологий. Впервые, для изготовления бумаги начали использовать древесину, а точнее, произведённую из неё древесную целлюлозу. Для получения данного сырья подходят все виды деревьев как мягких, так и твёрдых пород.
Если внимательно разглядеть клочок бумаги в микроскоп, можно, практически с точностью, сказать, из какого дерева делают бумагу для тех или иных целей.
Например, упаковочная бумага обладает не только определённой прочностью, но и является грубой. Её производят из пород мягкого дерева, коими являются сосна, кедр, ель. Но вот интересный факт. Бумага, сделанная из Канадской ели, имеет все качества прочности, но плюсом является её эластичность.
Клён с дубом относятся к твёрдым породам дерева, а вот бумага из них менее прочная. Но, ввиду того, что она имеет гладкую поверхность, её используют для типографской печати.
Но если смешать производные сосны и дуба, провести ряд химических превращений, то можно получить качественный, прочный и эластичный лист, из которого делается книга.
Какие деревья лучше всего подходят для изготовления бумаги?
85% деревьев, из существующих, вполне могут использоваться при изготовлении бумаги и бумажной продукции. Существует множество типов деревьев для разных видов бумаг.
Древесная масса поступает от хвойных деревьев, таких как ель, сосна, пихта, лиственница, но популярнее всего лиственные породы деревьев, такие как эвкалипт, осина и берёза.
Многие отрасли промышленности используют любые леса для изготовления бумажных изделий. Бумага представляет собой лист равномерно распределённых целлюлозных волокон. Растительная клеточная стенка состоит из целлюлозных волокон. Таким образом, растительный материал с большим количеством клеточной стенки является источником «целлюлозы», из которой изготовлена бумага. Древесина является более ценным источником целлюлозы, чем травянистый материал.
Лесные ресурсы, используемые для производства древесной целлюлозы, называются балансовой древесиной. Древесная масса поступает из хвойных и лиственных лесов.
Определённые травы и некоторые быстрорастущие растения (хлопок, лён, бамбук, джут и конопля) также могут использоваться для изготовления бумаги, но их урожай целлюлозы зачастую оставляет желать лучшего.
Хлопковые волокна представляют собой высокопрочные целлюлозные волокна. Хлопковая бумага — бумага высшего качества. Она идёт на изготовление продукции печати с глянцевой отделкой, для важных документов и банкнот.
Бумага представляет собой высушенный, спрессованный мат из растительных волокон. Различные виды деревьев дают различную текстуру бумаги. Мягкие леса имеют более длинные волокна и придают бумаге больше прочности. Лиственные волокна короче, но имеют тенденцию работать лучше при печати на бумаге. Гладкие бумаги, используемые для журналов или упаковки, часто содержат такие материалы, как фарфоровая глина.
Если вы посмотрите на дерево, вам, возможно, будет трудно представить, как древесину превращают во что-то тонкое и слабое, как лист бумаги. Процесс начинается с необработанной древесины.
Целлюлозные волокна склеены природным клеем под названием «лигнин». Чтобы сделать бумагу, необработанную древесину сначала нужно превратить в «целлюлозу». Для этого запускается механически процесс измельчения с использованием машин превращения древесной щепы в целлюлозу. Затем, древесная масса проходит процесс варки и представляет собой водянистый «суп» из целлюлозных древесных волокон, лигнина, воды и химических веществ.
Однако полученная целлюлоза сохраняет большую часть своего лигнина. Короткие волокна, созданные путём шлифования, приводят к слабой бумаге, наиболее подходящей для газет, телефонных книг или других видов бумаги с низкой прочностью.
Чаще всего используется химическая целлюлоза, известная как «крафт». Химические вещества, используемые для отделения лигнина от целлюлозных волокон, создают более прочные бумаги.
В зависимости от того, какой тип бумаги требуется, смесь целлюлозы может быть отбелена, чтобы получить белую бумагу. Поставщики используют различные химикаты для отбеливания целлюлозы до требуемого цвета.
Как только целлюлоза готова, она поступает в процессе, который очень похож на тот, который использовался древними китайцами более 1900 лет назад. Поскольку смесь целлюлозы является водянистой (иногда на 99% воды!), то целлюлозные волокна отжимают от воды.
Огромные машины распыляют смесь целлюлозы на движущиеся сетчатые экраны, чтобы сделать слоистый мат. Затем мат целлюлозы проходит несколько процессов, чтобы удалить воду и высушить её. Наконец, коврик проходит через нагретые ролики, чтобы выжать оставшуюся воду и сжать её в один непрерывный рулон бумаги.
Когда бумага имеет желаемую толщину, её можно окрасить или покрыть специальными химикатами для придания особой текстуры, дополнительной прочности или водостойкости. В качестве последнего шага рулоны бумаги разрезаются по размеру и упаковываются для транспортировки на другие объекты, чтобы превратить их листы во всевозможные специализированные бумаги.
Из чего и как производится бумага?
Люди изобрели бумагу тысячи лет назад, чтобы записывать свои мысли и важные технические открытия. Способ передачи информации с помощью бумаги, производство которой растет с каждым годом, всегда остается актуальным.
Из чего изготавливают
Даже маленький ребенок знает, что сырье для производства бумаги – это древесина. Для этого подходят практически любые породы:
Бревна с лесопилки привозят на комбинаты, где их пилят на мелкие части, а затем делают щепки. Чтобы сделать 50 листов формата А4, нужно 1 кг дерева. Для сокращения вырубки лесов применяется макулатура, то есть бумага, бывшая в употреблении. Для изготовления сырья подходит солома, рис, хлопок, а также тряпичные отходы и асбест.
Кроме этого сырья, для производства нужно много воды. Часто бумажные предприятия строят на берегах рек и озер. Естественные источники используют для забора воды и сплава леса.
Как изготавливают
Этапы процесса изготовления бумаги:
В готовом виде упаковки поступают в магазины и к конечным потребителям. Изготовление бумаги – быстрый процесс, сегодня он реализуется за счет механических и электронных станков, практически не предполагает участия человека. Это позволяет производить товар в больших объемах.
Как изготавливали в древности
Первые надписи люди оставляли на скалах, стенах пещер, глиняных табличках. Береста, папирус и пергамент – древние прародители бумаги. На них можно было писать, но они были недолговечны.
Первое производство было организовано в Китае около 105 года. На изготовление бумаги шли растения – мох, трава, бамбук. Волокна замачивали в воде, а затем варили с золой и известью. Эти вещества нужны для растворения лигнина – полимера, который придает прочность растениям.
Сырье дробили на мелкие волокна, добавляли растительные соки и крахмал и отливали бумажные листы. После стекания воды, листы высушивались прессом. Со временем секрет производства распространился в арабские земли, откуда попал в Европу. Там начали делать бумагу из дерева, первые опыты были поставлены в начале 18 века.
Как проверяют качество
Для проверки качества бумаги используют несколько характеристик:
Виды бумажной продукции
Современное производство бумаги предполагает изготовление разных ее видов:
В России хорошо развито производство бумаги из древесины, так как наша страна богата лесами. На месте вырубленных деревьев постоянно сажают новые, это возобновляет ресурсы предприятий. В каждом городе есть пункты сбора макулатуры, которые дают дополнительное сырье бумажным мануфактурам. Теперь вы знаете, как делают бумагу, и какой это сложный процесс.
Видео по теме: Производство бумаги
Ни одно дерево не пострадает: 5 материалов, из которых делают бумагу будущего
По статистике, каждое пятое дерево на Земле вырубается для изготовления бумаги. Но, как это обычно бывает, материала требуется с каждым днем все больше и больше, несмотря на то, что с развитием Интернета потребность в бумажных носителях снизилась. Любопытный факт: если каждый житель планеты сэкономит хотя бы один листок, можно спасти от вырубки миллион деревьев. Поэтому сегодня одна из наиболее важных задач для экологов и ученых – найти более безопасный для природы материал для изготовления бумаги.
Это травянистое растение рода Гибискус произрастает в Юго-Восточной Азии, Южной и Центральной Америке. Обычно его стебли использовали для изготовления волокон технических тканей, веревок, канатов и масла. Только недавно их стали использовать в производстве бумаги.
Бумага из кенафа не отличается по своим качествам от обычной и полезна для экологии тем, что разлагается быстрее без вредных следов. Также ее производство еще и выгодно тем, что кенаф растет быстрее деревьев, а на один гектар плантаций приходится 22 тонны ценного волокна.
Багасса – это отход, получаемый при обработке сахарного тростника. Этот экологически чистый материал может служить не только кормом для скота, но и материалом для топлива и контейнеров для еды. А сделанное еще в 1998 году исследование доказало, что багасса может применятся в качестве сорбирующего материала для очистки разливов нефти.
Багассу используют для изготовления бумаги и картона. Она требует меньше отбеливающих химикатов, чем древесина, чтобы добиться ярко-белого цвета листов. Волокна багассы лучше всего подходят для производства бумажных салфеток, гофрокартона, газетной и писчей бумаги. Однако работа с этим материалом отнюдь не проста. Люди, которые имеют дело с багассой, вынуждены носить перчатки и маски, чтобы защититься от язв и царапин, а также предотвратить легочные заболевания.
Традиционное китайское растение используется в разных отраслях хозяйства: в строительстве, производстве топлива, лекарств. Побеги бамбука добавляются в пищу и корм для животных. Бамбук растет в разы быстрее обычного дерева, поэтому стал основным материалом деревообрабатывающей промышленности.
Бамбуковая бумага появилась еще в Χ веке до нашей эры. Производится она в Китае и идет на разные нужды: для обоев, картона, в офисы, используется как туалетная. Совсем недавно бумага из бамбука стала поставляться на европейском рынке, поэтому найти ее довольно непросто, но возможно.
В 2019 году проект украинского студента Валентина Фречка по производству бумаги из опавших листьев завоевал гран-при конкурса University Startup World Cup. Идею переработки пожелтевших листьев в бумагу парень начал воплощать еще школьником, готовясь к международной олимпиаде по экологии. С тех пор со своим проектом он побывал на конференциях и конкурсах в Сербии, Словакии, Польше, Германии, Франции, США, Корее и Китае.
При изготовлении бумаги из листьев сырья нужно больше, чем из дерева, тонна опавших листьев в среднем сохранит от вырубки 10 деревьев. В обычной бумаге используются синтетические наполнители, которые придают ей прочности. В бумаге из листьев – обычный крахмал и каолин. Производство по этой технологии уже запустили в Украине, в городе Житомир.
Тростник
Еще одна инициатива, на этот раз от белорусских умельцев. Две девушки из Зельвы (Гродненская область) изготавливают свою бумагу из тростника. Тростниковая бумага на 100% экологична, может быть повторно переработана без дополнительных затрат и химикатов. Легко заменяет собой обычную экоупаковку, которую производят из древесины.
Затраты на изготовление такой бумаги минимальны – на один лист формата А4 средней плотности уходит 25 граммов тростниковой массы. Такое изделие можно даже красить. Изобретательницы используют для этого овощные соки: свекольный, морковный и другие.
О бумаге внукам. Часть 2. Подготовка древесины
Не так давно, в начале 19 века людям потребовалось так много бумаги, что они спешно нашли замену тряпичному источнику сырья для её производства. Таким новым источником стала древесина. Дерево, растущее довольно самостоятельно и постоянно возобновляющееся, вырастающее снова на месте срубленного, прекрасно помогло людям в их стремлении жить в окружении бумаги, картона и изделий из них.
Разберёмся, на каких предприятиях изготавливают бумагу. Как происходит предварительная обработка древесины и превращение её или в клетчатку или в древесную массу? Какая бумага может быть получена и из первой, и из второй?
Где делают бумагу
Бумага делается на нескольких типах предприятий.
Чтобы приступить к изготовлению бумаги, нужно древесину, во-первых, подготовить к производству: рассортировать, измельчить, а во-вторых, преобразовать её в промежуточный продукт, и таких продуктов может быть два: клетчатка – она же целлюлоза (так её называют на предприятиях) и древесная масса. Эти продукты очень разные по свойствам и это учитывается при производстве бумаги.
Подготовка древесины к производству
Поступает древесина на лесную биржу целлюлозного завода или лесопромышленного комплекса. Стволы деревьев здесь называют балансами. Они достигают нескольких метров длиной.
Балансы хранятся на лесной бирже в штабелях или в кучах.
Балансы проходят ряд стадий переработки на специализированном оборудовании.
Распиливаются, с них снимается кора (кора или идёт на переработку в ценные продукты, о которых поговорим отдельно, или сжигается с получением тепла для производства целлюлозы и бумаги);
Удаляется кора на высокопроизводительных окорочных барабанах. Они наклонены. С приноднятой стороны загружают укороченные балансы-коротьё, в барабан поступает вода и вращаясь с балансов сдирается кора от тренья об острые выступы стенок барабана и при трение брёвен друг о друга.
Окорённая древесина поступает в рубительные машины, которые измельчают её. Так выглядит щепа полученная из рубительной машины. Дальше она проходит сортировочные машины, где удаляется мелочь и слишком крупные щепки.
Как отмечалось в посте 1, древесина может использоваться в виде отходов от деревопереработки, и тогда она приходит в разной степени измельчения и загрязнения. Её тоже пропускают по цепочке измельчающего и очистного оборудования, чтобы получить щепу необходимого качества.
Варка целлюлозы
Производство бумаги происходит на бумажных фабриках, которые иногда бывают самостоятельными предприятиями. В этом случае они покупают для производства бумаги не древесину, а тот самый промежуточный продукт из преобразованной древесины — клетчатку (её называют бумажники, как вы уже знаете, целлюлозой) и второй промежуточный продукт – древесную массу.
Целлюлоза производится на целлюлозных заводах.
Древесная щепа поступает на варку в варочный котёл.
В ходе варки, как в обыкновенной домашней скороварке на вашей кухне где к нагреванию добавляется и давление образующегося водяного пара, происходит выделение из древесины как из кусочков курицы, растворимых веществ. Эти растворимые вещества очень ценные и хотя их нельзя использовать в пищу как куриный бульон, из них получают после переработки много полезных веществ.
Варят древесину разными способами, но наиболее распространены варочные бульоны, состоящие из кислотных или щелочных растворов. В результате получается сульфитная или сульфатная целлюлоза. Щелочная (сульфатная) варка более универсальная и более широко распространена. Она справляется с варкой любой древесины и более экономична.
Варка происходит в котлах. На рисунке котёл непрерывной сульфатной варки целлюлозного завода. Сверху загружается щепа, которая поднимается на высоту верхней горловины котла элеватором. Высота котла превышает 70 м, диаметр в нижней части больше 12 м.
В котёл подаётся варочный раствор и смесь щепы и варочного раствора нагревается до 160 градусов. Варка продолжается несколько часов. Снизу, ещё в котле, целлюлоза первый раз промывается и горячей выгружается в приёмный бассейн.
Вернёмся к курице – роль, которой у нас выполняет щепа. После удаления бульона – варочного раствора, щепа только начинает распадаться на волокна. Основу этих волокон составляет клетчатка или целлюлоза. Целлюлоза – очень прочное вещество, она выдерживает нагрузку более высокую, чем сталь. Неудивительно, что деревья достигают такой высоты и не ломаются при сильных порывах ветра.
Важно заметить, что бульон на целлюлозном заводе, как у хорошей хозяйки пускается в дело. Часть его используется для возврата в производство для добавления к свежему варочному раствору. Часть используется для получения многих полезных веществ восков, смол, мыла, лекарственных веществ, лаков и пр.
Иногда целлюлолозу после варки не отбеливают, тогда она меньше теряет свои прочностные свойства и прекрасно подходит для изготовления крепкого гофрокартона.
Из такой целлюлозы производят мешочную бумаги. Такую целлюлозу называют ещё “крафт-целлюлозой”, а бумагу из неё “крафт-бумагой”.
Два потока после варки
Промытая целлюлоза в водной среде может разделяться на ДВА ПОТОКА.
1. Один подаётся на сетку отливной машины, где формируется толстая папка целлюлозы, которая подсушивается, разрезается на листы пакуется в кипы и поступает на рынок, в том числе, целлюлозный завод продаёт её и бумажным фабрикам;
Листовая целлюлоза после отбелки и сушки выглядит так. Внешне, она уже похожа на бумагу! Но сходство только поверхностное. Чтобы из целлюлозы получить бумагу придётся ещё потрудиться.
2. Если целлюлозный завод и бумажная фабрика образуют единое предприятие, а это бывает часто — другая часть целлюлозы идёт на эту бумажную фабрику, входящую в состав целлюлозно-бумажного комбината без сушки “жидким потоком” вместе с водой. Волокна такой целлюлозы лучше сохраняют свои прочностные качества и имеют большие возможности для образования связей между собой. А это важно для производства бумаги.
Из деревьев получают техническую целлюлозу (в ней есть остатки других элементов древесины, главный из которых лигнин).
Природная, очень чистая целлюлоза содержится в хлопке. Хлопок тоже варят и отбеливают.
Из хлопковой целлюлозы делают, например, банкнотную бумагу для бумажных денег.
Древесно-массное производство
Если древесину не варить, чтобы выделить из неё клетчатку, то можно преобразовать её в продукт, пригодный для производства бумаги другим способом. Этот продукт называется древесной массой. Все вещества, входящие в древесину, остаются в древесной массе.
Первоначально древесную массу получали, прижимая окорённые балансы к вращающемуся абразивному (шершавому) камню, которые вырезали из природной породы. На рисунке схема машины для получения древесной массы истиранием древесных брёвнышек — “коротья”.
Так выглядят камни дефибрёров
В современном производстве древесную массу чаще получают размалывая не коротьё, а щепу на специальных мельницах с предварительным подогревом или пропиткой химикатами для удаления некоторого количества растворимых веществ и улучшения свойств древесной массы.
Дисковые рафинёры-мельницы для размола щепы и получения древесной массы.
Древесная масса позволяет почти до 2 раз уменьшать расход древесины на производство бумаги. Особенность древесной массы в том, что она даёт меньшую прочность бумаги, потому что прочные целлюлозные волокна в ней, закрыты другими компонентами. Волокна в ней не такие гибкие, как у целлюлозы, их поверхность не раскрыта и между волокнами древесной массы в бумажном листе не образуются прочные связи, какие возникают между волокнами целлюлозы.
Если положить рядом газету и лист офисной или тетрадной бумаги, то можно увидеть различие по белизне. В газетной бумаге до 80 % древесной массы и она слабее и не такая белая, как офисная, в которой, как правило, 100% целлюлозы.
Древесную массу тоже можно отбеливать для использования в более высококачественной бумаге. На рисунке показана термо-механическая древесная масса после отбелки. Такую массу вполне добавляют в белые виды офисной, писчей и печатной бумаги.
Теперь мы знаем, что бумагу, как и картон, можно производить и из целлюлозы и из древесной массы, а чаще производят из их смеси. Происходит это на бумагоделательной машине. О производстве бумаги на ней поговорим в другом посте.
Обратите внимание на другие посты из серии “О бумаге внукам”.