Бумага — это тонкий листовой материал , получаемый путем механической или химической обработки целлюлозных волокон , полученных из древесины , тряпок , трав или других растительных источников, в воде , при этом вода стекает через мелкую сетку, оставляя волокна равномерно распределенными по поверхности, с последующим прессованием и сушкой. . Хотя изначально бумага изготавливалась вручную в виде отдельных листов, сейчас почти вся бумага изготавливается на больших машинах: некоторые изготавливают рулоны шириной 10 метров, работающие со скоростью 2000 метров в минуту и производительностью до 600 000 тонн в год. Это универсальный материал, который можно использовать во многих сферах, включая печать , рисование, графику, вывески, дизайн, упаковку, декорирование, письмо и чистку . Его также можно использовать в качестве фильтровальной бумаги, обоев, форзацев для книг, консервационной бумаги, ламинированных столешниц, туалетной бумаги, денежных знаков и защищенной бумаги, а также в ряде промышленных и строительных процессов.
Процесс изготовления бумаги развивался в Восточной Азии, вероятно, в Китае , по крайней мере, еще в 105 году нашей эры , [1] ханьским придворным евнухом Цай Лунем , хотя самые ранние археологические фрагменты бумаги относятся к 2 веку до нашей эры в Китае . [2] Современная целлюлозно-бумажная промышленность является глобальной: Китай лидирует в ее производстве, а Соединенные Штаты следуют за ней.
Самые старые известные археологические фрагменты непосредственного предшественника современной бумаги датируются 2 веком до нашей эры в Китае . Процесс изготовления целлюлозной бумаги приписывают Цай Луню , ханьскому придворному евнуху II века нашей эры . [2]
Говорят, что знания о производстве бумаги были переданы исламскому миру после битвы при Таласе в 751 году нашей эры, когда два китайских производителя бумаги были взяты в плен. Хотя правдивость этой истории сомнительна, вскоре после этого в Самарканде начали производить бумагу . [3] В 13 веке знания и использование бумаги распространились с Ближнего Востока в средневековую Европу , где были построены первые водяные бумажные фабрики . [4] Поскольку бумага была завезена на Запад через город Багдад , ее сначала называли багдатикос . [5] 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 получения целлюлозы из древесного волокна. [6]
До индустриализации производства бумаги наиболее распространенным источником волокна были переработанные волокна из использованного текстиля, называемые тряпками. Тряпки были из конопли , льна и хлопка . [7] Процесс удаления типографской краски с переработанной бумаги был изобретен немецким юристом Юстусом Клапротом в 1774 году . [7] Сегодня этот метод называется удалением краски . Только с появлением древесной массы в 1843 году производство бумаги не зависело от переработанных материалов, получаемых старьевщиками . [7]
Слово « бумага» этимологически происходит от латинского papyrus , который происходит от греческого πᾰ́πῡρος ( pápūros ), слова, обозначающего растение Cyperus papyrus . [8] [9] Папирус — это толстый, похожий на бумагу материал, полученный из сердцевины растения папируса Cyperus , который использовался в Древнем Египте и других средиземноморских культурах для письма до появления бумаги. [10] Хотя слово « бумага» этимологически происходит от слова «папирус» , они производятся совершенно по-разному, и развитие первого отличается от развития второго. Папирус представляет собой ламинат натуральных растительных волокон, а бумага изготавливается из волокон, свойства которых были изменены в результате мацерации. [2]
Чтобы сделать целлюлозу из древесины, в процессе химической варки лигнин отделяется от целлюлозного волокна. Для растворения лигнина используется кулинарный раствор , который затем отмывается от целлюлозы ; это сохраняет длину целлюлозных волокон. Бумага, изготовленная из химической целлюлозы, также известна как бездревесная бумага (не путать с бездревесной бумагой ); это потому, что они не содержат лигнина, который со временем портится. Целлюлозу также можно отбелить для производства белой бумаги, но при этом расходуется 5% волокон. Процессы химической целлюлозы не используются для производства бумаги из хлопка, который уже на 90% состоит из целлюлозы.
Существует три основных процесса производства целлюлозы: сульфитный процесс, возникший в 1840-х годах, был доминирующим методом до Второй мировой войны. Крафт -процесс , изобретенный в 1870-х годах и впервые использованный в 1890-х годах, в настоящее время является наиболее широко практикуемой стратегией; Одним из его преимуществ является то, что химическая реакция с лигнином выделяет тепло, которое можно использовать для работы генератора. Большинство предприятий по производству целлюлозы с использованием крафт-процесса вносят чистый вклад в электросеть или используют электроэнергию для работы соседней бумажной фабрики. Еще одним преимуществом является то, что этот процесс восстанавливает и повторно использует все неорганические химические реагенты. Производство содовой целлюлозы — еще один специальный процесс, используемый для получения целлюлозы из соломы , жома и древесины лиственных пород с высоким содержанием силикатов .
Существует две основные виды 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 преобразуется в волокна между двумя стальными дисками. В процессе измельчения древесины окоренные бревна подаются в дробилки, где они прижимаются к вращающимся камням и превращаются в волокна. Механическая варка целлюлозы не удаляет лигнин , поэтому выход очень высокий, > 95%; однако лигнин приводит к тому, что полученная таким образом бумага со временем желтеет и становится хрупкой. Механическая целлюлоза имеет довольно короткие волокна, поэтому бумага получается слабой. Хотя для производства механической целлюлозы требуется большое количество электроэнергии , она стоит дешевле, чем химическая.
В процессах переработки бумаги может использоваться целлюлоза, полученная химическим или механическим способом; смешивая его с водой и применяя механическое воздействие, водородные связи в бумаге можно разорвать и волокна снова разделить. Большая часть переработанной бумаги содержит долю первичного волокна ради качества; Вообще говоря, очищенная от чернил целлюлоза имеет такое же качество или ниже, чем собранная бумага, из которой она была изготовлена.
Существует три основные классификации переработанного волокна:
Вторичная бумага может быть на 100% изготовлена из переработанных материалов или смешана с первичной целлюлозой, хотя она (как правило) не такая прочная и не такая яркая, как бумага, изготовленная из последней.
Помимо волокон, целлюлоза может содержать наполнители, такие как мел или фарфоровая глина , [12] которые улучшают ее характеристики при печати или письме. [13] Добавки для проклейки могут быть смешаны с ним или нанесены на бумажное полотно позже в процессе производства; Целью такого определения размера является определение правильного уровня впитываемости поверхности, подходящего для чернил или краски.
Пульпу подают в бумагоделательную машину, где из нее формируют бумажное полотно и удаляют из него воду путем прессования и сушки .
При нажатии на лист вода с силой удаляется. После того, как вода вытесняется с листа, для сбора воды используется особый вид войлока, который не следует путать с традиционным. При изготовлении бумаги вручную вместо нее используется промокашка.
Сушка включает использование воздуха или тепла для удаления воды с листов бумаги. На заре производства бумаги листы развешивали, как белье; в более современное время используются различные формы сушильных механизмов с подогревом. На бумагоделательных машинах наиболее распространенной является сушилка для банок с паровым нагревом. Они могут достигать температуры выше 200 ° F (93 ° C) и используются в длинных последовательностях из более чем сорока банок, где выделяемое ими тепло может легко высушить бумагу до влажности менее шести процентов.
Затем бумагу можно подвергнуть проклейке , чтобы изменить ее физические свойства для использования в различных приложениях.
Бумага на этом этапе 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 высокого разрешения. (Бумага без покрытия редко подходит для экранов с разрешением выше 150 lpi.) Поверхность бумаги с покрытием или без покрытия может быть отполирована путем каландрирования . Мелованную бумагу делят на матовую, полуматовую или шелковистую и глянцевую. Глянцевая бумага обеспечивает наибольшую оптическую плотность печатного изображения.
Затем бумага подается на катушки, если ее планируется использовать в рулонных печатных машинах, или разрезается на листы для других процессов печати или других целей. Волокна бумаги в основном располагаются в машинном направлении. Листы обычно разрезаются «длинноволокнисто», т.е. с волокном, параллельным более длинному размеру листа. Бумагу непрерывной формы (или непрерывную канцелярскую бумагу) обрезают по ширине с отверстиями по краям и складывают в стопки.
Вся бумага, производимая бумагоделательными машинами, такими как машина Фурдринье, представляет собой тканую бумагу, т.е. проволочная сетка, которая транспортирует полотно, оставляет рисунок, имеющий одинаковую плотность вдоль волокон бумаги и поперек волокон. Текстурированная отделка, водяные знаки и проволочные узоры, имитирующие бумагу ручной работы, могут быть созданы за счет использования соответствующих валиков на более поздних стадиях работы машины.
На тканой бумаге нет «линий», представляющих собой небольшие регулярные линии, оставленные на бумаге, когда она была изготовлена вручную в форме, сделанной из рядов металлической проволоки или бамбука. Лейд-линии расположены очень близко друг к другу. Они проходят перпендикулярно «линиям цепи», которые находятся дальше друг от друга. Бумага ручной работы также имеет «края декеля» или грубые и расплывчатые края. [14]
Бумагу можно производить с самыми разными свойствами в зависимости от ее предполагаемого использования.
По оценкам, решения для хранения информации на бумажных носителях занимали 0,33% от общего объема 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 . [15] По оценкам, в 1986 году почтовые отправления на бумажном носителе составляли менее 0,05% мировой пропускной способности электросвязи, причем после массового внедрения цифровых технологий наблюдалась тенденция к резкому снижению. [15]
Бумага играет важную роль в изобразительном искусстве. Он используется сам по себе для создания двух- и трехмерных фигур и коллажей . [16] [17] Он также превратился в конструкционный материал, используемый в дизайне мебели. [18] Акварельная бумага имеет долгую историю производства и использования.
Толщина бумаги часто измеряется штангенциркулем, который обычно измеряется в тысячных долях дюйма в США и в микрометрах (мкм) в остальном мире. [19] Толщина бумаги может составлять от 0,07 до 0,18 мм (0,0028–0,0071 дюйма). [20]
Бумагу часто характеризуют по весу. В Соединенных Штатах вес — это вес стопы (пачки из 500 листов) различных «базовых размеров» до того, как бумага будет разрезана до размера, который будет продан конечным покупателям. Например, пачка бумаги размером 20 фунтов, 8,5 × 11 дюймов (216 × 279 мм) весит 5 фунтов, поскольку она разрезана из листов большего размера на четыре части. [21] В США бумага для печати обычно весит не более 20 фунтов, 24 фунтов, 28 фунтов или 32 фунта. Обложка обычно составляет 68 фунтов, а 110 фунтов или более считаются карточками .
В Европе и других регионах, где используется система калибровки бумаги ISO 216 , вес выражается в граммах на квадратный метр (г/м 2 или обычно гсм) бумаги. Бумага для печати обычно имеет плотность от 60 до 120 г/м². Все, что тяжелее 160 г/м², считается карточкой. Таким образом, вес пачки зависит от размеров бумаги и ее толщины.
Большая часть коммерческой бумаги, продаваемой в Северной Америке, разрезается на стандартные размеры бумаги в общепринятых единицах измерения и определяется длиной и шириной листа бумаги.
Система ISO 216, используемая в большинстве других стран, основана на площади поверхности листа бумаги, а не на его ширине и длине. Впервые она была принята в Германии в 1922 году и получила широкое распространение по мере того, как страны приняли метрическую систему. Самый большой стандартный формат бумаги — А0 (А ноль) размером один квадратный метр (приблизительно 1189 × 841 мм). Размер A1 вдвое меньше листа A0 (т. е. 594 × 841 мм), так что два листа A1, помещенные рядом, равны одному листу A0. А2 вдвое меньше листа А1 и так далее. В офисе и дома обычно используются форматы А4 и А3 (А3 — это размер двух листов А4).
Плотность бумаги колеблется от 250 кг/м 3 (16 фунтов/куб футов) для санитарно-гигиенической бумаги до 1 500 кг /м 3 (94 фунта/куб фут) для некоторых видов специальной бумаги. Бумага для печати составляет около 800 кг/м 3 (50 фунтов/куб футов). [22]
Бумагу можно разделить на семь категорий: [23]
Некоторые типы бумаги включают в себя:
Большая часть ранней бумаги, изготовленной из древесной массы, содержала значительное количество квасцов , разновидности соли сульфата алюминия , которая имела значительную кислотность . Квасцы добавляли в бумагу, чтобы облегчить определение размера , [24] делая ее водостойкой, чтобы чернила не «текли» и не растекались бесконтрольно. Первые производители бумаги не осознавали, что квасцы, которые они щедро добавляли для решения почти всех проблем, возникающих при производстве их продукции, в конечном итоге окажутся вредными. [25] Целлюлозные волокна, из которых состоит бумага, гидролизуются кислотой, а присутствие квасцов в конечном итоге разрушает волокна, пока кислая бумага не разложится в процессе, известном как « медленное пламя ». Документы, написанные на тряпичной бумаге , значительно более стабильны. Использование некислотных добавок при производстве бумаги становится все более распространенным, и стабильность этой бумаги 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, [26] поэтому газетная бумага и другая механическая бумага желтеют с возрастом. Бумага, изготовленная из беленой крафт- или сульфитной целлюлозы, не содержит значительного количества лигнина и поэтому лучше подходит для книг, документов и других применений, где белизна бумаги важна.
Бумага, изготовленная из древесной массы, не обязательно менее долговечна, чем тряпичная бумага. Поведение бумаги при старении определяется ее производством, а не исходным источником волокон. [27] Кроме того, тесты, спонсируемые Библиотекой Конгресса, доказывают, что вся бумага подвержена риску кислотного распада, поскольку сама целлюлоза производит муравьиную, уксусную, молочную и щавелевую кислоты. [28]
Механическое производство целлюлозы дает почти тонну целлюлозы на тонну используемой сухой древесины, поэтому механическую целлюлозу иногда называют целлюлозой с «высоким выходом». Механическая целлюлоза, выход которой почти в два раза превышает выход химической целлюлозы, зачастую дешевле. В книгах и газетах в мягкой обложке, предназначенных для массового рынка, обычно используется механическая бумага. Книжные издатели, как правило, используют бескислотную бумагу , изготовленную из полностью отбеленной химической целлюлозы, для книг в твердом переплете и коммерческих книг в мягкой обложке .
Производство и использование бумаги имеет ряд негативных последствий для окружающей среды.
За последние 40 лет мировое потребление бумаги выросло на 400% [ необходимы разъяснения ] , что привело к увеличению вырубки лесов , при этом 35% заготовленных деревьев используются для производства бумаги. Большинство бумажных компаний также сажают деревья, чтобы помочь восстановить леса. Вырубка старовозрастных лесов составляет менее 10% древесной массы [29] , но является одним из наиболее спорных вопросов.
Бумажные отходы составляют до 40% от общего объема отходов, производимых в Соединенных Штатах каждый год, что в сумме составляет 71,6 миллиона тонн бумажных отходов в год только в Соединенных Штатах. [30] Среднестатистический офисный работник в США печатает 31 страницу каждый день. [31] Американцы также используют порядка 16 миллиардов бумажных стаканчиков в год.
Традиционное отбеливание древесной массы с использованием элементарного хлора приводит к образованию и выбросу в окружающую среду большого количества хлорированных органических соединений , включая хлорированные диоксины . [32] Диоксины признаны стойкими загрязнителями окружающей среды, деятельность которых регулируется на международном уровне Стокгольмской конвенцией о стойких органических загрязнителях . Диоксины высокотоксичны, и их воздействие на здоровье человека включает проблемы репродуктивной системы, развития, иммунитета и гормональные нарушения. Известно, что они канцерогенны. Более 90% воздействия на человека происходит через пищу, в первую очередь мясо, молочные продукты, рыбу и моллюски, поскольку диоксины накапливаются в пищевой цепи в жировых тканях животных. [33]
На долю целлюлозно-бумажной и полиграфической промышленности приходилось около 1% мировых выбросов парниковых газов в 2010 году [34] и около 0,9% в 2012 году. [35]
В выпуске ежегодного «Обзора мощностей целлюлозно-бумажной промышленности» за 2022–2024 годы Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) сообщает, что Азия вытеснила Северную Америку в качестве крупнейшего континента-производителя целлюлозы и бумаги. [36]
Данные ФАО за 2021 год показывают, что производство полиграфической бумаги продолжает снижаться с пика середины 2000-х годов до уровня ниже 100 миллионов тонн в год. Напротив, производство других видов бумаги и картона, в том числе картона и санитарно-гигиенических изделий, продолжает расти, превысив 320 миллионов тонн. [36]
ФАО зафиксировала расширение производства картона в виде бумаги и картона, которое с 2010-х годов увеличивается в ответ на распространение электронной коммерции. [36] Данные ФАО показывают, что карантин, связанный с Covid-19, еще больше усилил эту ситуацию. [37]
Некоторые производители начали использовать новую, значительно более экологически чистую альтернативу пенопластовой упаковке. Изготовленная из бумаги и известная под коммерческим названием PaperFoam, новая упаковка имеет механические свойства, очень похожие на свойства некоторых пенопластовых упаковок, но она биоразлагаема и может быть переработана вместе с обычной бумагой. [38]
В связи с растущей озабоченностью по поводу окружающей среды, связанной с синтетическими покрытиями (такими как ПФОК ) и ростом цен на нефтехимические продукты на основе углеводородов, особое внимание уделяется зеину (кукурузному белку) в качестве покрытия для бумаги, используемой в продуктах с высоким содержанием жира, таких как пакеты для попкорна. [39]
Кроме того, в качестве материалов для печати стали использоваться синтетические материалы, такие как Тайвек и Теслин , как более прочный материал, чем бумага.
Исследования Библиотеки Конгресса США показали, что целлюлоза сама по себе с возрастом вырабатывает кислоты, в том числе муравьиную, уксусную, молочную и щавелевую кислоты.
Более 90% воздействия на человека происходит через пищу.
