Бумага - пористо-копиллярные листы или ленты, состоящие главным образом из растительных волокон, прочно соединенных между собой химическими водородными связями.

4.2.1. Основные материалы для изготовления бумаги

В течение почти 2000 лет китайцы использовали в качестве сырья для бумаги мочало, древесную кору, пеньку (коноплю), а также солому. Ранней формой бумаги был папирус, используемый египтянами для записей. Это позволило историкам изучить культуру Египта после расшифровки этих записей. Если бы египтяне не оставили записей, труд историков был бы намного тяжелее.

Сегодня рабочим сырьем для бумаги в первую очередь служит древесина. На Земле это количественно самый распространенный натуральный продукт (примерно треть суши покрыта лесом). Древесина является важнейшим источником сырья для изготовления целлюлозы и бумаги более чем 100 лет.

Целлюлоза – это волокнистый материал, который выделяют из древесины химическим путем в процессе варки древесины и другого растительного сырья (например, конопля, джут, солома хлопка или зерновых и др.).

Чтобы получить древесную массу для производства бумаги, древесина должна быть механически измельчена. Бревна очищены от коры, они отправляются в устройство, расщепляющее их на щепки для дальнейшей очистки или варки. Они должны быть выровнены по размеру для того, чтобы химикаты могли проникнуть внутрь древесины равномерно на большой скорости, поэтому после процесса расщепления фрагменты просеиваются. Очищенная древесная масса также вырабатывается из стружек и опилок (щепок), являющихся отходами лесопильных заводов.

Около 40% веса древесины составляют волокна целлюлозы/ Множественные слои целлюлозы соединены между собой посредством лигнина, и они должны быть отделены друг от друга. Есть три технологии разделения, или разрыхления волокон: механическое, химическое и полумеханическое, являющееся комбинацией обоих. Каждый из методов разрыхления имеет свои особенности и дает разные типы бумаг.

Целлюлоза отличается от древесной массы главным образом качеством волокна (она имеет более длинные, прочные и эластичные волокна) и более высокой степенью белизны. В зависимости от используемого химического раствора для обработки различают: сульфатную целлюлозу, полученную путем варки древесной массы в едком натре (щелочной метод); сульфитную целлюлозу, получаемую путем варки древесной массы в кислоте (кислотный метод).

Около 85% производимой во всем мире целлюлозы – это сульфатная целлюлоза. Она более прочная, чем сульфитная, но имеет меньшую степень белизны и отличается от второй печатными свойствами. Сульфитная целлюлоза нуждается в более длительной варке. Процесс варки заканчивается промыванием целлюлозы, ее отбеливанием, обезвоживанием, сушкой и упаковкой

Целлюлоза, которая отбеливается без хлора, имеет обозначение «TCF» (Totally Chlorine Free, т.е. полностью свободна от хлора). При этом самыми употребительными компонентами в технологическом процессе изготовления бумаги являются кислород и перекись водорода.

Волокна древесной массы и целлюлозы считаются первичными волокнами . Но макулатура издавна также играет большую роль при изготовлении бумаги.Уже в 1774 г. геттингенский ученый Юстас Клэпроф выпустил брошюру из бумаги, для которой в качестве сырья служила ранее запечатанная бумага.На сегодня доля использования макулатуры для изготовления бумаги составляет около 60%. Отдельные сорта бумаги могут состоят на 100% из так называемоговторичного волокна (например, газетная бумага).

Макулатура сегодня стала самым важным сырьем для производства бумаги. Полученное из макулатуры волокно имеет ограниченное использование. Макулатурное сырье должно отвечать требованиям соответствующего качества производимой бумаги. Процесс получения вторичных волокон из макулатуры требует высоких издержек производства при ее очистке и приготовлении суспензии, удалении печатной краски и сортировки волокон по длине. Волокна после 3-5 переработок становятся непригодным ресурсом для производства бумаги. Поэтому для изготовления бумаги необходимо добавление свежей древесины, т.е. увеличение в составе бумажной массы первичных волокон. Прочная, сравнительно дорогая писчая бумага или бумага для копировальных машин и принтеров может содержать 25, 50 или 100% хлопковых волокон (бумага из ветоши).

Безволоконные материалы добавляются для улучшения свойств бумаги и расширения спектра ее использования. Наполнители обычно составляют 5-30% от веса печатной или писчей бумаги, в то время как некоторые бумаги не содержат наполнителей вообще.

Наполнители могут повысить яркость, придать хорошую способность светорассеивания и неабразивности, повысить восприимчивость к краске.

Китайцы делали ее из размоченных растительных волокон. В Европу бумага попала между 1000 и 1100 годами. Оказалось, что ее можно делать из дерева, тряпок и даже... из старой бумаги - макулатуры. Так оказалось, что бумагу можно было использовать дважды!

Как же делают бумагу в наши дни?

Бумагу производят на бумажных фабриках.

Основным сырьем для производства бумаги является древесная целлюлоза. Целлюлозу получают из лесных пород: в основном из ели, сосны и березы, но используют также эвкалипт, тополь, каштан и другие деревья.

На фабрике машины сдирают с них кору, измельчают в щепки.

Самый экономичный способ получения древесной целлюлозы - механический: на деревообрабатывающем предприятии лесоматериалы измельчаются до крошки, которая смешивается с водой. Бумага, изготовленная на основе такой целлюлозы, непрочна и чаще всего идет на производство, например, газет.

Бумагу более высокого качества делают из целлюлозы, полученной химическим способом. Из такой древесной массы изготавливают бумагу для книг, брошюр и модных журналов, а также прочные оберточные материалы.

В этом случае щепки сортируют по размеру на специальных ситах и отправляют в варку. Варят дерево в специальных машинах, куда добавляют кислоту.

Очищенную и разваренную древесину фильтруют и промывают, чтобы очистить от примесей.

К обрабатываемой бумажной массе может быть добавлена макулатура, но лишь после удаления чернил. На этом этапе производства обрабатываемая масса, состоящая из древесных волокон и воды, называется бумажным сырьем.

Затем на специальной перерабатывающей машине меняются форма и структура бумажных волокон. Для этого к бумажному сырью добавляют дополнительные вещества. Например, клеи - их присутствие в писчей бумаге отталкивает влагу. Или смолы - благодаря им, написанное на бумаге чернилами на водной основе, не растекается и легко распознается человеческим глазом. Бумага, используемая для печатания, не требует такого проклеивания, как писчая, потому что печатные краски готовятся не на водной основе и не растекаются.

После этого бумагу окрашивают в смесителе, куда добавляют красители или пигменты, - например, мелко размельченные вещества для мелования. Так, добавки каолина делают бумагу белой и непрозрачной.

Бумажная масса, превращенная в кашицу, попадает в бумагоделательную машину.

Сначала кашица выливается на сетку бумагоделательной машины. Эта сетка натянута на два вала и все время вращается, перенося бумажную кашицу вперед. На сеточном участке начинается образование бумажного полотна, называемое формованием листа. Это происходит благодаря удалению воды из волокнистого материала. По мере продвижения бумажной массы по ленточному конвейеру часть содержащейся в ней воды вытекает через ячеистые отверстия, и бумажные волокна начинают сплетаться друг с другом, образуя так называемую рулонную ленту.

Сырая бумажная лента проходит через целый ряд валиков. Одни валики отжимают воду, другие, обогреваемые изнутри паром, высушивают ее, третьи полируют.

В конце сеточного участка еще сырое бумажное полотно перемещается в секцию прессования, которую также называют "мокрым прессованием". Там бумажное полотно механически обезвоживается и еще больше уплотняется.

Наконец ровная белая лента выходит из машины и наматывается в огромный рулон.

Потом эти рулоны отправляют в типографии или режут на листы.

Так, переходя из машины в машину, дерево превращается в белую и чистую бумагу.

А знаете ли вы...

Для изготовления 1 тонны бумаги нужно 5,6 м 3 древесины. Если учесть, что средний объем одного бревна (дерева) - 0,33 м 3 , то для производства 1 тонны бумаги требуется 17 деревьев.

А из 1 тонны бумаги можно изготовить порядка 30 тысяч обычных ученических тетрадей.

Ответ на вопрос о том, как делают бумагу сегодня, лежит в плоскости технологий. Но стоит заглянуть в историю. Прототип материала - древнеегипетский папирус - растение, из которого делали писчий материал. Размоченную сердцевину соединяли, накладывая слои перпендикулярно друг другу. После выдерживания под прессом листы высушивали на солнце, разрезали и полировали. Готовые гибкие свитки были прочными - некоторые из них сохранились до XXI века.

Изготовление бумаги из привычных нам материалов поставили на поток в Китае. Со II века н. э. технология обработки луба тутовых деревьев постепенно начала распространяться по миру. Сначала она перешла из Китая на арабский Восток, а затем - в Европу.

Первые мануфактуры по производству бумаги появились в Европе в XIII веке. С XVII века изготовлением бумажных материалов занялись российские промышленники.

Некоторые листы пергамента хорошо сохранились

Виды бумаги

Чтобы понять, как изготавливают бумагу, надо сначала определить ее вид, ведь состав сырья может быть разным.

Различают такие разновидности материала:

1. Офсетная. Широко используется в типографском деле - для печати книг и массовой полиграфической продукции. Бумага устойчива к сырости, что важно, так как при офсетной печати используют увлажнители.
2. Упаковочная. Прочная, невосприимчивая к влаге. К цвету и гладкости не предъявляют повышенные требования.
3. Газетная. Применяется для печати на высокоскоростном оборудовании. Ее особенность - повышенная впитываемость красок.
4. Мелованная . Отличия от других видов - белизна, гладкость. Из нее печатают качественные иллюстрированные издания.
5. Целлюлозная. Состоит из чистой целлюлозы плюс 1-3 % добавок. Используется для печати банкнот и ценных бумаг.

Дизайнерская бумага для упаковки подарков

Из чего делают бумагу?

Сырьем служат растительные вещества с длинными волокнами. Смешиваясь с водой, они образуют податливый, однородный полуфабрикат. Его делают из:

• дерева - масса называется целлюлозной;
• однолетних растений: из конопляной или рисовой массы изготавливают материал повышенной белизны, из соломы и тростника - прочную и плотную;
• вторичного сырья - макулатуры, тряпок;
• сырья для производства бумаги специального назначения - шерстяных, асбестовых и прочих волокон.

Основной материал в бумажной промышленности - древесина. На комбинаты поставляют стволы целиком. Там с них снимают кору, разрезают. Далее сырье измельчают в муку - до волокон-фибрилл.

В таком виде древесина поступает на измельчение в муку

Для производства бумаги используют:

• сосну, кедр - мягкие породы пригодны для изготовления упаковочных материалов;
• клен, дуб - основа из твердых пород гладкая, но менее прочная;
• канадскую ель - из нее делают прочный, но эластичный материал;
• каштан, березу и так далее.

Смешивая дубовое и сосновое сырье, получают книжную бумагу. Она прочная, эластичная.Для улучшения качества продукции древесный материал сортируют, фильтруют, обрабатывают химическими составами.

Производственные этапы

Технология состоит из таких этапов:

• обработка массы - размол, окрашивание, смешивание растительных и химических составляющих;
• разбавление массы водой, очищение, прессовка и сушка;
• каландирование;
• резка, сортировка и упаковка.

Процесс изготовления бумаги начинается с размалывания сырья в непрерывно действующих аппаратах. На фабриках используют роллы, мельницы конического и дискового типов, рафинеры.

Полученную муку очищают, добавляют связующее вещество и наполнитель:

• парафиновые эмульсии;
• глинозем, каолин;
• мочевино-, меламино-формальдегидную смолу;
• канифольные и животные клеи;
• тальк, крахмал и пр.

Жидкий состав выливают на плоскую сетку бумагоделательной машины. После уплотнения и формовки цельное полотно покрывают клеевыми пигментами (так производят мелованную бумагу) или другими составами.

Следующий этап - просушка при повышенной температуре с помощью шлифовочных цилиндров. Волокна застывают, образуя бумажное полотно. После обезвоживания оно попадает в каландры. Это массивные цилиндры, объединенные по 5-8 штук. Проходя между ними, бумага становится гладкой, выравнивается, уплотняется.

Так происходит сушка бумаги

Готовая лента наматывается на накат - вращающийся цилиндр с прижимным валиком. Он собирает полотно в рулон. Технология производства бумаги также предполагает постобработку - глянцевание, окрашивание, резку.

По тому же принципу производят картон - материал плотностью от 250 г/м². Из него изготавливают обложки книг, папки, упаковку и другую подобную продукцию.

Упаковка и резка

Способ резки рулонов бумаги отличается в зависимости от планов на ее использование. Рулоны разрезают в бобинорезке, затем сматывают в несколько рулонов меньшего объема и диаметра. Потом разделяют на готовые листы для печатного цеха - например, лазером (края аккуратны, на них нет нагара).

Готовые рулоны бумаги

Последний этап изготовления бумаги - упаковка. Ее самые распространенные виды:

• фасовка в пачки из 250-1 000 листов, обернутые крафт-бумагой или другим плотным и водостойким материалом;
• паллетирование - перенос листов на плоские прямоугольные подставки с выемками для захвата и крепления;
• смешанный способ - сначала листы собирают в пачки, а затем помещают на паллеты;
• упаковка «калачами» (свертками до 10-15 кг) - подходит для технической, упаковочной бумаги увеличенного формата (может переносится вручную, без пандусов и спецтехники).

Критерии качества бумаги

1. Прочность - сопротивляемость разрыву и сжатию при высокоскоростной печати должна быть высокой.
2. Плотность - для глубокой печати используют тонкие листы, для упаковки - толстые (диапазон - от 60 до 300 г/м²);
3. Гладкость - чем она выше, тем лучше воспроизводятся детали изображения, плотнее контакт листов с формами для печати;
4. Белизна - показатель попадает в диапазон 60-98 %;
5. Непрозрачность - чем меньше просвечивается лист, тем меньшей будет степень проявления изображения с обратной стороны (для обычной офисной бумаги - от 89 %);
6. Пористость - на пористом материале лучше фиксируется краска, но отпечатки теряют насыщенность.
7. Сопротивляемость истиранию - если она мала, вязкие печатные краски «выщиплют» волокна с листов, и это загрязняет детали печатного оборудования.
8. Впитываемость - чем она выше, тем быстрее краски закрепятся на поверхности листа.
9. Наличие проклейки - с ней верхний слой будет прочным, устойчивым к воздействию влаги, клея.

Смотрите интересный репортаж из завода по производству бумаги:

Итоги

• Первые писчие материалы из растительного сырья появились в Древнем Египте и Китае.
• Сегодня бумагу разных видов производят из древесины, однолетних растений, вторичного сырья.
• В бумажной промышленности используют целлюлозу из хвойных пород, дуба, березы, каштана.
• Технология производства бумаги предполагает размол, подготовку массы, прессование, сушку, каландирование, намотку в рулоны. Постпроизводственные этапы - резка и упаковка.
• Качество материала определяется его плотностью, непрозрачностью, гладкостью и другими параметрами.

Основным компонентом бумаги и картона является растительные волокна, полученные из древесины различных пород, стеблей и других частей однолетних растений. Главным компонентом растительных волокон является целлюлоза, обладающая всем необходимым для производства бумаги свойствами. А именно – высокой молекулярной массой, линейным строением молекул, фибриллярной структуры волокна, высокой прочностью и стойкостью к различным химическим реагентам и температурам, гидрофильностью. Важнейшим значением для бумажного производства имеет способность целлюлозы образовывать связи между волокнами. Целлюлоза – это природный полимер класса углеводов, её империческая формула (C6H10O5)n , где n – коэффициент полимеризации, показывающий сколько раз повторяются в молекуле элементарное звено. Коэффициент полимеризации целлюлозы составляет от 102 до 104 . Чем больше значение коэффициента полимеризации, тем больше длина макромолекулы и само волокно, а значит выше механическая прочность. Коэффициент полимеризации различен у растительных волокон различного происхождения. Линейное строение молекул целлюлозы придает волокнам гибкость и эластичность, что обеспечивает их достаточно плотное переплетение. Располагаясь в растительных клетках параллельно друг другу, макромолекулы целлюлозы образуют фибриллы. Фибриллы, соединенные между собой за счет сил межмолекулярного взаимодействия, образующие волокно. При механическом воздействии на волокна связи на межфибрилльных участках с аморфной структурой разрушается, что делает поверхность волокон ворсистой за счет отделения от основного волокна микроволновых образований – фибрилл. Такие волокна переплетаются в процессе изготовления бумаги и делают её прочной, гладкой, плотной. Волокна целлюлозы легко смачиваются водой и набухают, при этом вода, проникая между молекулами целлюлозы ослабляют водородные связи, при этом теряется прочность бумаги. Если излишек воды удалить, то связи восстановятся, и прочность снова возрастет. Однако при полном удалении воды из бумаги водородные связи разрушаются и бумага рассыпается. Поскольку целлюлоза гигроскопична, то содержание влаги в бумаге будет зависеть от условий окружающей среды. Компонент, отрицательно влияющий на свойства бумаги, который входит в состав любой одресневевшей растительной клетке является лигнин. Он делает растительные волокна жесткими и хрупкими, они плохо переплетаются, поэтому бумага, полученная из таких волокон – рыхлая, шероховатая, с малой прочностью. Лигнин легко окисляется, из-за чего бумага, содержащая данный компонент желтеет под действием света. Для изготовления качественной бумаги выбираются те волокна, которые содержат минимальное количество лигнина: хлопок, пихта, сосна, тополь и др. Основными источниками сырья для получения волокнистых полуфабрикатов являются: 1) древесина хвойных пород: ель, сосна, пихта, лиственница. Она обладает длинными волокнами, подходящими для производства прочной бумаги. 2) древесина лиственных пород: береза, осина и т.д. Она имеет более короткие волокна, поэтому обладает худшими механическими свойствами. Преимущества: быстро возобновляются. 3) стебли однолетних растений: злаков кукурузы, тростника и т.д. Они имеют волокна небольшой длины и содержат клетки не волокнистого строения. Хорошая перспектива возобновления сырья. 4) лубяные волокна однолетних растений и отходы хлопкового производства. Волокна обладают высокой прочностью, большой длиной. 5) тряпичная полумасса. Представляет собой отходы текстильного производства, которые сортируются по типу волокон: пеньковое, хлопковое, льняное. Тряпичную полумассу используют для производства специальных высокопрочных видах бумаги. 6) макулатура. Отходы производства и переработки бумаги в виде брака и чистых обрезков, а также бумажные изделия, находящиеся в употреблении в быту, в различных областях народного хозяйства. Её можно смешивать с другими видами сырья, а также производства картона и некоторых видов бумаг. Доля макулатуры в производстве бумаги будет все время возрастать.

Бумага - это материал, состоящий из размолотых растительных волокон, беспорядочно переплетенных и связанных между собой силами поверхностного сцепления. Основным сырьем для производства бумаги является целлюлоза. Для производства бумаги предпочтительной является древесина хвойных пород. Прочность бумаги из хвойной целлюлозы обычно в 1,3-2 раза выше, чем из листовой целлюлозы. Образование прочного, равномерного по толщине бумажного полотна достигается размолом волокон длиной до 0,5 - 2,5 мм, причем отношение толщины к длине волокна должно быть 1: 300. Степень помола бумажной массы измеряется градусами шкалы Шоппер-Риглера (0 - 100 ° ШР). Выпускают бумагу более 200 видов. Для каждого вида бумаги установлена норма степени помола массы, от которой зависят ее физико-механические свойства: способность растягиваться, сопротивление разрыву, излому, истиранию (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Характеристика размолотого волокна в бумаге

После размола и смешивания с водой волокнистая масса целлюлозы, содержащий лишь 0,5% сухого вещества, подается на бумагоделательную машину. Масса размещается слоем на подвижной сетке, на которой обезвоживается с помощью вакуум - отсосов. После этого влажное бумажное полотно, образующийся переносится из сетки на суконную подвижную полосу, на которой происходит дальнейшее обезвоживание и сушка. Конечная влажность бумаги составляет 5 - 6%. После этого бумага подвергается полировке (лощению). Таким путем делают односторонне лощеный бумагу. При необходимости лощение осуществляют и с другой стороны. Лощеный бумагу специалисты также называют бумагой машинной гладкости. Далее бумага в случае необходимости подвергается процессам облагораживания.

Необлагороджений бумагу Состоит из уплотненных волокон целлюлозы, образующие систему капилляров. Кроме того, волокна целлюлозы имеют свойство адсорбировать влагу (свойство гидрофильности). Благодаря капиллярности и гидрофильности такая бумага непригодный ни для писания чернилами, ни принадлежности тушью. Печатный текст на нем также расплывается. Однако существуют достаточно большие потребности и в такой бумаге, например, из него изготавливают бумажные полотенца, детские простыни, туалетные рулоны.

К процессам облагораживания относится проклейки и введение в бумагу наполнителей. Для этой цели используют различные природные и синтетические клеи. Наиболее древние природные клеи - крахмал и животные клеи. В процессе проклейки пустоты и промежутки между волокнами заполняются клеевой массой и бумагу в значительной степени теряет способность впитывать воду. Кроме проклейки в поверхностный слой бумаги вводят минеральные пигменты для придания поверхности гладкости и лучших впитывающих печатную краску свойств. Минеральные пигменты позволяют прятать или изменять цвет бумаги и придавать ему непрозрачность. Такая бумага называют мелованной. Иногда минеральные вещества составляют от 70 до 90% массы поверхностного слоя.

Для обеспечения прочности соединения частиц пигментов с бумагой используют специальные добавки. Часто их роль выполняют вещества, обеспечивающие проклейку бумаги. Как минеральные пигменты широко используют каолин - массу, близкую по составу к глин, имеет пониженную пластичность и повышенную белизну. Одним из древнейших наполнителей является карбонат кальция (мел), поэтому такие бумаги назвали мелованными. К известным пигментов также относятся диоксид титана TiO2 и смесь гидроксида кальция Са (ОН) 2 (гашеной извести) и сульфата алюминия Al2 (SO4) 3.

Для производства картографических, афишных, декоративных, оберточных и этикетных бумаг применяют люминесцентные пигменты (сульфиды цинка ZnS и кадмия CdS, сульфиды кальция CaS и стронция SrS). Пытки бумаги - нанесение полимерной пленки или алюминиевой фольги. Побои бумаги широко используют в качестве упаковочного материала для пищевых, косметических и фармацевтических товаров. В состав газетной бумаги входит лишь 25 - 30% небеленой сульфитной целлюлозы, а остальные 70 - 75% занимает мелкая древесная масса, полученная механической обработкой. Древесная масса также вводится в упаковочный, обойный бумагу и бумагу для санитарно бытовых нужд. Замена целлюлозы на древесную массу делается только с целью удешевления бумаги, качество его от такой замены становится более низкой. Для изготовления банковского, документационного, картографического, сигаретного и других видов високогатункового бумаги ранее использовалась исключительно тряпичная сырье. Хлопок и лубяные волокна льна состоят практически из чистой высококачественной целлюлозы. Целлюлоза тканей обеспечивает бумаги высокие физико-механические свойства, такие, как прочность на изгиб, способность растягиваться, воздухопроницаемость, устойчивость к влаге и свету есть, обеспечивает долговечность. В настоящее время в состав тканей часто вводят искусственные волокна. Отходы таких тканей и соответствующее тряпки непригодно для бумажного производства, поскольку плохо поддается переработке. Поэтому значение тряпки в бумажном производстве в настоящее время снизилось. Наиболее ценная тряпичная масса выходит из льняного и пенькового волокна, почти чистой целлюлозой, которая хорошо распускается в процессе размола. Хлопчатобумажная масса, состоящая из хлопчатобумажных волокон, плохо распускается в процессе размола, поэтому применяется для производства бумаги с хорошей впитывающей способностью.

Все более важное значение как сырье бумажного производства приобретает макулатура - отходы, которые получают в процессе переработки бумаги и картона, различные виды использованной бумаги и бумажных изделий. Среди населения понятие макулатура почти полностью сведено к устаревшим и тех, которые пришли в негодность, книг и старых газет и гораздо реже - до использованных упаковочных материалов. Переработка макулатуры на белый типографский бумага и бумага для письма требует больших затрат. Это связано с необходимостью обесцвечивание типографских красок, удалением клеев и наполнителей. Поэтому на практике из макулатуры изготавливают упаковочную бумагу и внутренние слои многослойного картона. В этих случаях переработка макулатуры сводится к механическим операций: макулатура в воде при высокой температуре разбивается (распускается) до необходимой степени измельчения и масса направляется на изготовление картона. 1т макулатуры позволяет сэкономить 3,0 - 4,5м3 древесины или 15 взрослых деревьев.

Продукт массой до 250 г / м2 называется бумагой, выше - картоном.

Для производства бумаги и картона применяют преимущественно волокнистые полуфабрикаты из различных пород древесины и недревесных растительного сырья. Вместе с растительными волокнами для специальных технических видов бумаги в последнее время все шире стали применять искусственные, синтетические, минеральные и другие волокна. Целлюлозные волокна - главный составляющий компонент растительных клеток. Эти волокна хорошо набухают в воде, способны фибрилюватися на мелкие волокна (фибриллы и микрофибриллами), имеют высокую прочность и устойчивость к воздействию температуры и химических веществ. Что касается других волокон (искусственных, синтетических, минеральных, шерстяных), то они этих свойств не имеют, поэтому в последнем случае требуется применение различных диспергирующих и вяжущих добавок, что делает технологический процесс производства бумаги из этих волокон значительно дороже и сложнее.

В зависимости от способа получения волокнистые полуфабрикаты, изготавливаемые даже с одной и той же растительного сырья, имеют различные свойства. Поэтому в производстве бумаги должны быть учтены свойства этих полуфабрикатов и их влияние на качество готовой продукции.

Растительные волокна, которые применяются для производства бумаги, отличаются между собой как по химическому составу, так и по анатомическому и морфологическим строением. Наиболее ценными являются волокна, полученные из хвойных пород древесины. Эти волокна можно использовать не только самостоятельно, но и добавлять к ним менее ценные коротковолокнистого полуфабрикаты, такие, как древесная масса, волокна лиственных пород древесины и однолетних растений, макулатурная масса.

Волокнистые полуфабрикаты из лиственных пород отличаются от полуфабрикатов из хвойных пород прежде всего тем, что они имеют более короткие волокна, которые, кроме того, менее однородны по своей анатомическим строением. Эти волокна образованы на 75 - 90% с относительно коротких и толстостенных клеток либриформа с игловидными концами и на 10 - 25% из сосудистых клеток неволокнистой строения, являются короткими, тонкостенные и широкополосными трубками. Клетки либриформа имеют длину 0,7 - 1,5 мм, ширину около 0,025 мм; длина сосудов 0,3 - 0,7 мм, ширина - 0,05 - 0,06 мм. Поэтому разлом полуфабрикатов из лиственных пород древесины следует проводить таким образом, чтобы не было существенного контрактура волокон и не происходило значительного увеличения степени помола массы.

Применяемые волокнистые полуфабрикаты классифицируются как по способу получения, так и по выходу из абсолютно сухого сырья. Основными компонентами растительной ткани являются: целлюлоза (клетчатка), лигнин, гемицеллюлозы (пентозаны и гексозаны), смолы, жиры, воск и др.

В технической клетчатке кроме химических элементов чистой клетчатки, содержатся также и указанные компоненты. Гемицеллюлозы улучшают папероутворюючи свойства волокна, а лигнин их ухудшает. В зависимости от величины выхода полуфабрикатов из растительного сырья их разделяют на клетчатку, клетчатку высокого выхода, полуцеллюлозу, полуцеллюлозу высокого выхода и древесную массу. Примерные границы выхода этих полуфабрикатов составляют: клетчатки - 45 - 55%, клетчатки высокого выхода - 55 - 65%, полуцеллюлозы - 65 - 85%, полуцеллюлозы высокого выхода - 85 - 90% и древесная масса - 90 - 97%. Чем выше выход полуфабриката, тем больше в нем содержится гемицеллюлозы и лигнина. Поэтому качество производимого бумаги во многом зависит от применяемых полуфабрикатов.

В настоящее время основными волокнистыми полуфабрикатами являются: клетчатка сульфатная из хвойных и лиственных пород древесины, клетчатка сульфитная, древесная масса, полуцеллюлоза, макулатура, Тряпичная напивмаса, клетчатка усовершенствована, другие виды волокон (синтетические, искусственные минеральные, шерстяные).

Клетчатку сульфатную получают варкой измельченной растительной сырья в растворе в котлах периодического или непрерывного действия при температуре 160 - 180 ° С и давлении 0,7 - 1,2 МПа. Этот способ позволяет перерабатывать любое растительное сырье и получать наиболее прочные волокнистые полуфабрикаты. Сульфатная клетчатка после варки имеет темный цвет, поэтому в небеленой виде применяется в основном для технических видов бумаги и картонов высокой прочности, например, электроизоляционных, упаковочных и тому подобное.

Клетчатку сульфитную получают главным образом из древесины малосмолистые хвойных пород путем обработки сульфитным варочным раствором, основными компонентами которого являются: водный раствор сульфитов и бисульфит, соответствующих оснований (кальция, магния, натрия или аммония). Сульфитной варки осуществляется в основном в котлах периодического действия при температуре 130 - 145 ° С и давлении 0,6 - 1,2 МПа. В процессе производства сульфитной клетчатки достигается более высокий, чем в случае сульфатного варки, выход клетчатки из древесины, а из отработанных щелочей получают этиловый спирт, белковые кормовые дрожжи, литейные концентраты, дубильные вещества и другие ценные продукты. Сульфитная клетчатка после варки становится более светлой по сравнению с сульфатной и легче поддается отбеливанию.

Одной из важнейших технологических операций производства бумаги является размола, перед которым сухие (товарные) волокнистые полуфабрикаты предварительно распускаются водой в Гидроразбиватели, а затем смешиваются в определенном соотношении в регуляторах композиции. Бумажная масса, в зависимости от требований к качеству бумаги, может идти либо на изготовление бумаги, или на дополнительное введение в нее композиции вещества для проклейки, наполнителей, красителей и других добавок. Для осаждения на волокнах в бумажной массе компонентов, добавляемых применяют сернокислый алюминий, полиакриламид или другие вещества. Целлюлозную массу очищают от примесей и пропускают тонким слоем конвейером через ряд горячих валков, которые высушивают и прессуют бумагу (рис. 8.2).

Существуют четыре основные химические способы получения бумаги:

Сульфатный или крафт-процесс;

Сульфитный процесс;

Полухимическим процесс;

Содовый процесс.

Сульфатный или тафт-процесс. Древесная пульпа содержит два основных компонента - клетчатку и лигнин. Волокна клетчатки, составляющих пульпу, в древесине связанные лигнином.

Рис. 8.2. Технологические процессы изготовления бумаги:

И - сдирания коры со стволов; 2 - измельчение древесины; 3 - образование древесной пульпы; 4 - расщепление пульпы на волокна; 5 - отбеливание пульпы; 6 - осаждения пульпы через мелкоячеистыми ленту; 7 - сушки и прессования волокна в листе бумаги; 8 - готов бумага; 9 - пульпа из макулатуры.

Чтобы перевести клетчатку в форму, пригодную для производства бумаги, необходимо сначала использовать любой химический процесс для извлечения лигнина. В этом процессе древесные щепки варятся при повышенной температуре и давлении в серной варочной жидкости (белой жидкости), что представляет собой водный раствор сульфида натрия Na2S и гидроксида натрия NaOH. Белая жидкость химически растворяет лигнин древесины. Клетчатка в виде пульпы, остается, отфильтровывается от отработанной варочной жидкости и промывается водой. Обычно процесс приготовления пульпы состоит из нескольких промежуточных стадий промывки и, возможно, выщелачивания, после чего пульпа прессуется и высушивается в конечный продукт - бумагу.

Для подведения баланса процесса необходимо регенерировать потраченные реактивы и рекуперировать тепло. Отработанная варочная жидкость и вода после промывки пульпы смешиваются вместе, образуя слабкочорну жидкость концентрируется в многоступенчатом выпарных аппаратов до содержания твердых веществ около 55%. Черную жидкость можно концентрировать дальше до содержания твердых веществ 65% или в испарителе прямого контакта, в котором жидкость испаряется в процессе контакта с отходящими газами из рекуперационных топки, или в испарителе непрямого контакта. Прочная черная жидкость (лигнитний шлак) подается в регенерационные топку. В процессе сгорания органических продуктов, растворенных в жидкости, выделяется тепло, необходимое для регенерации паров, используется в процессе преобразования сульфата натрия Na2SO4 в Na2S. Для компенсации потери реагентов технологического цикла обычно добавляется сульфат натрия, который в топке превращается в сульфид Na2S. Сульфат добавляется к магнитному шлака перед его распылением в топке. Неорганические продукты, содержащиеся в лугу, собираются на дне топки в виде сплава. Сплав, состоящий из карбоната натрия и сульфида натрия, растворяется в воде, образуя зеленую жидкость подается в каустификацийний резервуар, куда добавляется негашеная известь (СаО) для преобразования карбоната натрия в гидроксид натрия. Образование гидроксида натрия завершает регенерацию белой жидкости, которая возвращается в автоклав. Шлак карбоната кальция, осаждается в каустификатори, кальцинируется в известняковой печи для регенерации негашеной извести.

Сульфитный процесс. Производство пульпы сульфитным методом похоже из крафт-процессом, но основная разница заключается в том, что для растворения лигнина древесины вместо сульфидного щелочного раствора используется соль сернистой кислоты. Для повышения буферности раствора используются гидросульфиты магния, аммония, кальция или натрия. Системы на основе кальция используются только на старых предприятиях и вытесняются новыми процессами.