Бумага — это тонкий листовой материал , производимый путем механической или химической обработки целлюлозных волокон, полученных из древесины , тряпок , травы , навоза травоядных или других растительных источников в воде , слива воды через мелкую сетку, оставляя волокна равномерно распределенными по поверхности, с последующим прессованием и сушкой. Хотя изначально бумага изготавливалась отдельными листами вручную, сейчас почти вся производится на больших машинах — некоторые из них делают рулоны шириной 10 метров, работая со скоростью 2000 метров в минуту и до 600 000 тонн в год. [ не проверено в теле ] Это универсальный материал со множеством применений, включая печать , живопись, графику, вывески, дизайн, упаковку, декорирование, письмо и уборку . Его также можно использовать в качестве фильтровальной бумаги, обоев, форзаца для книг, бумаги для консервации, ламинированных столешниц, туалетной бумаги, валюты и защищенной бумаги или в ряде промышленных и строительных процессов.
Процесс изготовления бумаги был разработан в Восточной Азии, вероятно, в Китае , по крайней мере, еще в 105 г. н. э . [1] евнухом ханьского двора Цай Лунем , хотя самые ранние археологические фрагменты бумаги датируются II в. до н. э. в Китае. [2] Современная целлюлозно-бумажная промышленность является глобальной, лидером ее производства является Китай, за ним следуют Соединенные Штаты.
Древнейшие известные археологические фрагменты непосредственного предшественника современной бумаги датируются 2-м веком до н. э. в Китае . Процесс изготовления целлюлозной бумаги приписывается Цай Луню , евнуху при дворе Хань , жившем во 2-м веке н. э . [2]
Говорят, что знание о производстве бумаги было передано исламскому миру после битвы при Таласе в 751 году н. э., когда два китайских производителя бумаги были взяты в плен. Хотя достоверность этой истории неизвестна, вскоре после этого бумагу начали производить в Самарканде . [3] В 13 веке знание и использование бумаги распространились с Ближнего Востока в средневековую Европу , где были построены первые водяные бумажные мельницы . [4] Поскольку бумага была представлена на Западе 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 процессы варки древесных волокон. [6]
До индустриализации производства бумаги наиболее распространенным источником волокна были переработанные волокна из использованного текстиля, называемые тряпками. Тряпки были из пеньки , 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 очисткой от краски . Только с появлением древесной массы в 1843 году производство бумаги перестало зависеть от переработанных материалов от тряпичных сборщиков . [7]
Слово «paper» этимологически происходит от латинского papyrus , которое происходит от греческого πᾰ́πῡρος ( pápūros ), слова, обозначающего растение Cyperus papyrus . [8] [9] Папирус — это плотный, похожий на бумагу материал, изготавливаемый из сердцевины растения Cyperus papyrus , который использовался в Древнем Египте и других средиземноморских культурах для письма до появления бумаги. [10] Хотя слово « paper» этимологически происходит от papyrus , эти два материала производятся совершенно по-разному, и развитие первого отличается от развития второго. Папирус — это слоистое натуральное растительное волокно, в то время как бумага изготавливается из волокон, свойства которых были изменены путем мацерации. [2]
Для производства целлюлозы из древесины процесс химической варки отделяет лигнин от целлюлозного волокна. Для растворения лигнина используется варочный раствор , который затем вымывается из целлюлозы ; это сохраняет длину целлюлозных волокон. Бумага, изготовленная из химической целлюлозы, также известна как бумага без содержания древесины (не путать с бумагой без содержания деревьев ); это потому, что она не содержит лигнина, который со временем портится. Целлюлозу также можно отбеливать для получения белой бумаги, но это потребляет 5% волокон. Процессы химической варки не используются для производства бумаги из хлопка, который уже на 90% состоит из целлюлозы.
Существует три основных процесса химической варки целлюлозы: сульфитный процесс восходит к 1840-м годам и 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 распространенной стратегией; одним из его преимуществ является химическая реакция с лигнином, производящая тепло, которое можно использовать для работы генератора. Большинство операций по варке целлюлозы с использованием крафт-процесса являются чистыми вкладчиками 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. Натронная варка целлюлозы является еще одним специальным процессом, используемым для варки соломы , жома и твердой древесины с высоким содержанием силикатов .
Существует два основных вида механической массы: термомеханическая масса (ТММ) и древесная масса (ДМ). В процессе ТММ древесина измельчается, а затем подается в рафинеры с паровым нагревом, где щепа сжимается и преобразуется в волокна между двумя стальными дисками. В процессе измельчения древесной массы окоренные бревна подаются в измельчители, где они прижимаются к вращающимся камням для превращения в волокна. Механическая варка не удаляет лигнин , поэтому выход очень высок, > 95%; однако лигнин заставляет произведенную таким образом бумагу желтеть и становиться хрупкой с течением времени. Механическая масса имеет довольно короткие волокна, поэтому получается слабая бумага. Хотя для производства механической массы требуется большое количество электроэнергии , она стоит дешевле, чем химическая.
Процессы переработки бумаги могут использовать как химически, так и механически полученную целлюлозу; смешивая ее с водой и применяя механическое воздействие, можно разорвать водородные связи в бумаге и снова разделить волокна. Большая часть переработанной бумаги содержит часть первичных волокон для обеспечения качества; в общем, очищенная от краски целлюлоза имеет такое же качество или ниже, чем собранная бумага, из которой она была сделана.
Существует три основные классификации переработанного волокна:
Переработанная бумага может быть изготовлена из 100% переработанных материалов или смешана с первичной целлюлозой, хотя она (как правило) не такая прочная и яркая, как бумага, изготовленная из последней.
Помимо волокон, целлюлоза может содержать наполнители, такие как мел или каолин , [12], которые улучшают ее характеристики для печати или письма. [13] Добавки для проклеивания могут быть смешаны с ней или нанесены на бумажное полотно позже в процессе производства; цель такой проклейки — установить правильный уровень впитываемости поверхности для чернил или краски.
Масса подается на бумагоделательную машину, где из нее формируется бумажное полотно, а вода удаляется из нее путем прессования и сушки .
Нажатие листа удаляет воду силой. После того, как вода выдавливается из листа, для сбора воды используется специальный вид войлока, который не следует путать с традиционным. При изготовлении бумаги вручную вместо него используется промокательная бумага.
Сушка подразумевает использование воздуха или тепла для удаления воды из листов бумаги. На заре бумажного производства это делалось путем развешивания листов, как белья; в более современные времена используются различные формы нагреваемых сушильных механизмов. На бумагоделательной машине наиболее распространенной является паровая сушилка для банок. Они могут достигать температуры выше 93 °C (200 °F) и используются в длинных последовательностях из более чем сорока банок, где тепло, выделяемое ими, может легко высушить бумагу до менее чем шести процентов влажности.
Затем бумагу можно подвергнуть проклейке для изменения ее физических свойств для использования в различных областях.
Бумага на этом этапе является непокрытой . На мелованную бумагу наносится тонкий слой материала, например, карбоната кальция или каолина, на одну или обе стороны, чтобы создать поверхность, более подходящую для растровых изображений с высоким разрешением. (Непокрытая бумага редко подходит для растровых изображений с линиатурой выше 150 линий на дюйм.) Поверхность мелованной или непокрытой бумаги может быть отполирована путем каландрирования . Покрытая бумага делится на матовую, полуматовую или шелковую и глянцевую. Глянцевая бумага обеспечивает самую высокую оптическую плотность напечатанного изображения.
Затем бумага подается на рулоны, если она будет использоваться в рулонных печатных машинах, или разрезается на листы для других процессов печати или других целей. Волокна в бумаге в основном идут в машинном направлении. Листы обычно разрезаются «длинноволокнистыми», т. е. волокнами, параллельными более длинному размеру листа. Бумага непрерывной формы (или непрерывная канцелярская бумага) разрезается по ширине с пробитыми по краям отверстиями и складывается в стопки.
Вся бумага, произведенная на бумагоделательных машинах, таких как машина Фурдринье, является тканой бумагой, то есть проволочная сетка, которая транспортирует полотно, оставляет рисунок, который имеет одинаковую плотность вдоль волокон бумаги и поперек волокон. Текстурированные отделки, водяные знаки и проволочные узоры, имитирующие бумагу ручной выкладки , могут быть созданы с использованием соответствующих валиков на более поздних стадиях работы машины.
На плетеной бумаге не видны "laidlines", которые представляют собой небольшие регулярные линии, оставшиеся на бумаге, когда она была сделана вручную в форме, сделанной из рядов металлической проволоки или бамбука. Laidlines расположены очень близко друг к другу. Они идут перпендикулярно "chainlines", которые находятся дальше друг от друга. Бумага ручной работы также показывает "deckle edges", или грубые и перистые края. [14]
Бумага может производиться с широким спектром свойств в зависимости от ее предполагаемого использования.
По оценкам, решения для хранения на бумажных носителях охватывали 0,33% от общего объема в 1986 году и только 0,007% в 2007 году, хотя в абсолютном выражении мировая емкость для хранения информации на бумаге увеличилась с 8,7 до 19,4 петабайт . [15] По оценкам, в 1986 году бумажные почтовые письма составляли менее 0,05% мировой емкости телекоммуникаций, с резкой тенденцией к снижению после массового внедрения цифровых технологий. [15]
Бумага играет важную роль в изобразительном искусстве. Она используется сама по себе для создания двух- и трехмерных фигур и коллажей . [16] [17] Она также превратилась в структурный материал, используемый в дизайне мебели. [18] Акварельная бумага имеет долгую историю производства и использования.
Толщина бумаги часто измеряется штангенциркулем, который обычно указывается в тысячных долях дюйма в Соединенных Штатах и в микрометрах (мкм) в остальных странах мира. [19] Бумага может быть толщиной от 0,07 до 0,18 миллиметра (от 0,0028 до 0,0071 дюйма). [20]
Бумага часто характеризуется весом. В Соединенных Штатах вес — это вес стопки (пачки из 500 листов) различных «базовых размеров» до того, как бумага будет разрезана на размер, который она продает конечным покупателям. Например, стопка бумаги весом 20 фунтов, размером 8,5 × 11 дюймов (216 мм × 279 мм) весит 5 фунтов, поскольку она была разрезана из более крупных листов на четыре части. [21] В Соединенных Штатах бумага для печати обычно весит 20 фунтов, 24 фунта, 28 фунтов или максимум 32 фунта. Обложечный картон обычно весит 68 фунтов, а картон весом 110 фунтов или более считается картоном .
В Европе и других регионах, использующих систему калибровки бумаги ISO 216 , вес выражается в граммах на квадратный метр (г/м 2 или обычно г/м2) бумаги. Плотность печатной бумаги обычно составляет от 60 до 120 г/м2. Все, что тяжелее 160 г/м2, считается карточкой. Таким образом, вес стопки зависит от размеров бумаги и ее толщины.
Большая часть коммерческой бумаги, продаваемой в Северной Америке, нарезается по стандартным размерам, основанным на 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 принимали метрическую систему. Самый большой стандартный размер бумаги — A0 (A ноль), размер одного квадратного метра (приблизительно 1189 × 841 мм). A1 — это половина размера листа A0 (т. е. 594 мм × 841 мм), так что два листа A1, размещенные рядом, равны одному листу A0. A2 — это половина размера листа A1 и т. д. Обычные размеры, используемые в офисе и дома, — это A4 и A3 (A3 — это размер двух листов A4).
Плотность бумаги варьируется от 250 кг/м 3 (16 фунтов/куб. фут) для папиросной бумаги до 1 500 кг/м 3 (94 фунта/куб. фут) для некоторых специальных видов бумаги. Плотность печатной бумаги составляет около 800 кг/м 3 (50 фунтов/куб. фут). [22]
Статьи можно разделить на семь категорий: [23]
Некоторые типы бумаги включают:
Большая часть ранней бумаги, сделанной из древесной массы, содержала значительное количество квасцов , разновидности соли сульфата алюминия , которая является значительно кислой . Квасцы добавлялись в бумагу для облегчения проклеивания , [24] делая ее несколько водостойкой, чтобы чернила не «текли» или не растекались неконтролируемо. Ранние производители бумаги не осознавали, что квасцы, которые они щедро добавляли для решения почти каждой проблемы, возникавшей при изготовлении их продукта, в конечном итоге окажутся пагубными. [25] Целлюлозные волокна , из которых состоит бумага, гидролизуются кислотой, и присутствие квасцов в конечном итоге разрушает волокна, пока кислотная бумага не распадется в процессе, известном как « медленный огонь ». Документы, написанные на тряпичной бумаге, значительно более стабильны. Использование некислотных добавок для изготовления бумаги становится все более распространенным, и стабильность этих бумаг становится меньшей проблемой.
Бумага, изготовленная из механической массы, содержит значительное количество лигнина , основного компонента древесины. В присутствии света и кислорода лигнин реагирует, давая желтые материалы, [26] поэтому газетная бумага и другая механическая бумага желтеют со временем. Бумага, изготовленная из отбеленной крафт-целлюлозы или сульфитной целлюлозы, не содержит значительного количества лигнина и поэтому лучше подходит для книг, документов и других применений, где белизна бумаги имеет важное значение.
Бумага, изготовленная из древесной массы, не обязательно менее долговечна, чем тряпичная бумага. Старение бумаги 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]
Механическая варка целлюлозы дает почти тонну целлюлозы на тонну сухой древесины, поэтому механическую целлюлозу иногда называют целлюлозой с «высоким выходом». С почти вдвое большим выходом, чем химическая варка целлюлозы, механическая целлюлоза часто дешевле. Массовые книги в мягкой обложке и газеты, как правило, используют механическую бумагу. Издатели книг, 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 оказывает ряд неблагоприятных воздействий на окружающую среду.
Потребление бумаги во всем мире выросло на 400% за последние 40 лет [ необходимо разъяснение ] , что привело к увеличению вырубки лесов , при этом 35% вырубленных 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 самых спорных вопросов.
Бумажные отходы составляют до 40% от общего объема отходов, ежегодно производимых в Соединенных Штатах, что составляет 71,6 млн 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 млрд бумажных стаканчиков в год.
Традиционное отбеливание древесной массы с использованием элементарного хлора производит и выбрасывает в окружающую среду большое количество хлорированных органических соединений , включая хлорированные диоксины . [32] Диоксины признаны стойким загрязнителем окружающей среды, регулируемым на международном уровне Стокгольмской конвенцией о стойких органических загрязнителях . Диоксины очень токсичны, и их воздействие на здоровье человека включает репродуктивные, иммунные и гормональные проблемы, а также проблемы развития. Известно, что они канцерогенны. 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. [33]
Целлюлозно-бумажная промышленность и полиграфия в совокупности выбрасывали около 1% мировых выбросов парниковых газов в 2010 году [34] и около 0,9% в 2012 году. [35]
В ежегодном обзоре «Производственные мощности целлюлозно-бумажной промышленности» за 2022–2024 годы Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) сообщает, что Азия обогнала Северную Америку и стала крупнейшим континентом по производству целлюлозы и бумаги. [36]
Данные ФАО за 2021 год показывают, что производство графических бумаг продолжает снижаться с пика середины 2000-х годов до уровня ниже 100 миллионов тонн в год. Напротив, производство других видов бумаги и картона, включая картон и санитарные изделия, продолжает расти, превысив 320 миллионов тонн. [36]
ФАО задокументировала рост производства картона в бумажной и картонной промышленности, который увеличился в ответ на распространение электронной коммерции с 2010-х годов. [36] Данные ФАО свидетельствуют о том, что он еще больше увеличился из-за карантинов, связанных с COVID-19. [37]
Некоторые производители начали использовать новую, значительно более экологичную альтернативу упаковке из вспененного пластика. Изготовленная из бумаги и известная под коммерческим названием PaperFoam, новая упаковка имеет механические свойства, очень похожие на свойства некоторой упаковки из вспененного пластика, но является биоразлагаемой и может также перерабатываться вместе с обычной бумагой. [38]
В связи с растущей обеспокоенностью по поводу воздействия синтетических покрытий (таких как ПФОК ) на окружающую среду и более высокими ценами на нефтехимические продукты на основе углеводородов, особое внимание уделяется зеину (кукурузному белку) в качестве покрытия для бумаги в областях применения с высоким содержанием жира, таких как пакеты для попкорна. [39]
Кроме того, в качестве печатных носителей были введены синтетические материалы, такие как Tyvek и Teslin , как более долговечные, чем бумага.
Исследования Библиотеки Конгресса показали, что сама целлюлоза генерирует кислоты по мере старения, включая муравьиную, уксусную, молочную и щавелевую кислоты.
Более 90% воздействия на человека происходит через пищу.
