Бумага и карандаши

Без преувеличения можно сказать, что каждый человек ежедневно и в большом количестве использует бумагу или изделия из нее. Неоценима роль бумаги в истории культуры. Письменная история человечества насчитывает около шести тысячелетий и началась до изобретения бумаги. Вначале для этой цели служили глиняная пластинка и камень. Однако без бумаги вряд ли письменность – важнейшее средство общения людей – получила бы такое развитие. Письмо, являясь знаковой системой фиксации речи, позволяет сохранять ее во времени и передавать на расстояния. Даже при широчайшем распространении радио, телевидения и магнитофонных записей, а также памяти электронно-вычислительных машин бумага как средство хранения информации и культурных ценностей человечества не перестает и по сей день играть своей неоценимой роли.

Сохранились документы, указывающие на то, что в 105 г. н.э. министр китайского императора организовал производство бумаги из растений с добавками тряпья. Около 800 г. такая бумага получила широкое распространение в Китае, а также на Ближнем Востоке. Знакомство с бумагой европейцев связано с крестовыми походами на Ближний Восток – в Сирию, Палестину, Северную Африку, организованными западно-европейскими феодалами и католической церковью (первый поход состоялся в 1096...1099 гг.). В эпоху раннего средневековья (до начала крестовых походов) для письма в Европе использовался главным образом папирус. В Италии им пользовались еще в XII в.

В Россию из Европы бумага была завезена в XIV столетии. До этого времени все книги и документы писались на пергаменте. Первое бумажное производство в Московском государстве было налажено в 1550 г., а широкое развитие получило при Петре Первом.

Письменность же была известна в Египте и Месопотамии с конца IV и начала III тысячелетия до н.э., т.е. задолго до изобретения бумаги. Как уже было отмечено, основными предшественниками бумаги как материала, на которое наносилось письмо, были папирус и пергамент.

Растение папирус (Cyperus papyrus) произрастает в Египте в болотистой местности около реки Нила. Стебель растения очищали от коры и луба и из белоснежного материала нарезали тонкие полосы. Их укладывали слоями вдоль и поперек, а затем механическим давлением выжимали из них растительный сок. Этот сок сам обладает способностью склеивать полосы папируса. Позднее для скрепления полос стали применять клей, приготовленный из невыделанных шкур или муки. После высушивания на солнце получающиеся листы шлифовали камнем или кожей. Папирус для письма стали изготовлять около 4000 лет назад. Считают, что и название бумаги (papiera) происходит от слова папирус.

Пергамент – это невыделанная, но освобожденная от волос и обработанная известью звериная, овечья или козлиная кожа. Так же, как и папирус, пергамент – прочный и долговечный материал. Хотя бумага менее прочна и долговечна, она более дешева и потому более доступна для широкого использования.

Пергамент получил свое название от города Пергамон в Малой Азии. Жители этого города улучшили качество в расширили производство пергамента до такой степени, что в тех краях рано прекратили вырабатывать и использовать папирус.

В третьем столетии до н.э. в Китае начали применять для письма шелковые ленты. В качестве сырья для чих брали использованный шелковый текстиль и отходы, получающиеся при изготовлении шелка. Это сырье дробили деревянными палицами в каменных ступах. Волокнистую суспензию разбавляли водой и заливали в форму. В форму вставляли сетку, изготовленную из волокон бамбука в виде рогожки. На этой сетке оседали волокна шелка и образовывался сплошной слой. Слой снимали и высушивали на наклонных деревянных или глиняных пластинах. Далее шелковая бумага проклеивалась крахмальным клейстером.

Во втором столетии до н.э. в Вавилоне, Халдее и Китае в качестве материала для письма начали использовать черепки из обожженной глины, а также куски дерева и небольшие дощечки из бамбука. В Индии применяли для письма листья определенных растений, например листья некоторых пальм. В России, в частности в Новгороде, для письма широко использовалась кора березы – береста.

Бумага – это материал, состоящий из размолотых растительных волокон, беспорядочно переплетенных и связанных между собой силами поверхностного сцепления. Основным сырьем для производства бумаги является целлюлоза, которая в виде волокон составляет основную часть стенок большинства растительных клеток. Главным источником получения целлюлозы служит древесина. Для производства бумаги предпочтительной является древесина хвойных пород по сравнению с древесиной лиственных пород. Прочность бумаги из хвойной целлюлозы обычно в 1,3...2 раза выше, чем из лиственной целлюлозы.

Волокна целлюлозы в древесине связаны между собой лигнином. Для удаления лигнина и освобождения от него целлюлозы проводят варку древесины. Распространенным способом варки является сульфитный. Он был разработан в США в 1866 г., а первый завод по данной технологии был построен в Швеции в 1874 г. Широкое промышленное значение способ получил с 1890 г. По этому способу для отделения лигнина и некоторых других веществ, содержащихся в древесине, последняя варится в сульфитном щелоке, который состоит из Ca(HSO₃)₂, H₂SO₃ и SO₂. В результате лигнин сульфонируется (превращается в сульфопроизводные), становится растворимым в воде и переходит в раствор, а целлюлоза остается в виде твердой массы. После завершения варки целлюлозу тщательно промывают, на что расходуется большое количество воды. Поэтому заводы по производству целлюлозы строят на берегах рек или больших озер.

После размола и смешения с водой волокнистая масса целлюлозы, которая содержит всего лишь 0,5% сухого вещества, подается на бумагоделательную машину. Масса помещается слоем на движущуюся сетку, на которой вначале обезвоживается самопроизвольно, а затем принудительно с помощью вакуум-отсосов. После этого образующееся мокрое бумажное полотно переносится с сетки на движущуюся суконную полосу, на которой происходит дальнейшее обезвоживание и сушка. Конечная влажность бумаги составляет 5...6%.

После этого бумага подвергается полировке (лощению). Таким путем производят односторонне лощеную бумагу. При необходимости лощение осуществляют и с другой стороны. Лощеную бумагу специалисты также называют бумагой машинной гладкости. Далее бумага в случае необходимости подвергается процессам облагораживания.

Необлагороженная бумага состоит из уплотненных волокон целлюлозы, образующих систему капилляров. Кроме того, волокна целлюлозы обладают свойством адсорбировать влагу (свойством гидрофильности). Благодаря капиллярности и гидрофильности такая бумага непригодна ни для письма чернилами, ни для письма тушью. Печать на ней также расплывается. Однако существуют довольно большие потребности в данной бумаге, например, из нее изготавливают бумажные полотенца, детские простыни, туалетные рулоны. В прошлом, когда в школах учащиеся пользовались чернилами, в тетради непременно была вложена «промокашка» – листочек бумаги, хорошо впитывающий избыток чернил. Эта промокашка также являлась необлагороженной бумагой.

К процессам облагораживания прежде всего относится проклеивание и введение в нее наполнителей. Проклейка бывает по всей массе или поверхностная. Для этой цели используют различные природные и синтетические клеи. Из наиболее древних природных клеев следует указать на крахмал и животные клеи. При проклейке пустоты и промежутки между волокнами заполняются клеевой массой и бумага в значительной мере теряет способность впитывать воду. Кроме проклеивания в поверхностный слой бумаги вводят минеральные пигменты для придания поверхности гладкости и лучших впитывающих печатную краску свойств. Минеральные пигменты позволяют скрывать или изменять цвет бумаги-основы и придавать ей непрозрачность. Такую бумагу называют мелованной. Иногда минеральные вещества составляют от 70 до 90% массы поверхностного слоя.

Для обеспечения прочности соединения частиц пигментов с бумагой-основой требуются связующие. Часто их роль выполняют вещества, обеспечивающие проклейку бумаги. В качестве минеральных пигментов широко используют каолин – землистую массу, близкую по составу к глинам, но по сравнению с последними характеризующуюся пониженной пластичностью и повышенной белизной. Одним из старейших наполнителей является карбонат кальция (мел), потому такие бумаги и назвали мелованными. К известным пигментам также относятся диоксид титана TiO₂ и смесь гидроксида кальция Ca(OH)₂ (гашеной извести) и сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃. Последний, по существу, является смесью сульфата кальция CaSO₄ и гидроксида алюминия Al(OH)₃, которые получаются в результате обменной реакции.

Для производства картографических, афишных, декоративных, оберточных и этикетных бумаг применяют люминесцентные пигменты. В качестве последних используют сульфиды цинка ZnS и кадмия CdS, а также сульфиды кальция CaS и стронция SrS. К этим веществам добавляют специальные активаторы – соли некоторых металлов.

Для упаковки сигарет, чая и других товаров используют бумагу с наклеенной алюминиевой фольгой. Иногда на бумагу наносят полимерную пленку. Такие процессы называют кашированием бумаги. Кашированные бумаги широко используют в качестве упаковочного материала для косметических и фармацевтических товаров.

В композицию газетной бумаги входит лишь 25...30% небеленой сульфитной целлюлозы, а остальные 70...75% занимает тонкоизмельченная древесная масса, получаемая из древесины механическим путем. Древесная масса также вводится в упаковочную бумагу, обойную и бумагу для санитарно-бытовых нужд. Замена целлюлозы на древесную массу делается только с целью удешевления бумаги. Конечно, качество ее от такой замены становится более низким.

Бумагу начинают использовать для мульчирования почвы. Мульчирование – это укрывание какой-либо пленкой почвы между кустами, например клубники. Под укрытием в почве дольше сохраняется влага и не растут сорняки. Чтобы бумага не разрушалась, ее обрабатывают антисептиками. К их числу относятся медные соли нафтеновых кислот (нафтенаты меди).

Для изготовления банковской, документной, картографической, сигаретной и других видов высокосортной бумаги ранее использовалось исключительно тряпичное сырье. Химики давно установили, что семенные волоски хлопчатника – хлопок, а также лубяные волокна льна состоят практически из чистой высококачественной целлюлозы. Целлюлоза тканей обеспечивает бумаге высокие физико-механические свойства, такие, как прочность на изгиб, растяжимость, воздухопроницаемость, стойкость к влаге и свету, а следовательно, обеспечивает долговечность. В настоящее время в состав тканей часто вводят искусственные волокна. Они придают тканям ряд ценных свойств. Однако отходы таких тканей и соответствующее тряпье непригодно для бумажного производства, так как плохо поддается переработке. Поэтому значение тряпья в бумажном производстве в настоящее время резко снизилось.

Здесь уместно акцентировать внимание читателей на том, что ткани, изготовленные из хлопка, называют хлопчатобумажными. Включение в название этих тканей слова «бумажные» вполне обосновано потому, что так же, как и бумага, волокна таких тканей состоят из целлюлозы. Однако это не единственное родство бумажной и текстильной промышленности. Еще в прошлом веке было установлено, что нерастворимая в воде хлопковая и древесная целлюлоза довольно хорошо растворяется в медно-аммиачном растворе, содержащем комплексное соединение [Cu(NH₃)₄](OH)₂. Этим путем можно получить растворы, содержащие до 10% целлюлозы. Если такой раствор влить в воду, то целлюлоза вновь выделится в твердую фазу. Эти свойства целлюлозы легли в основу процесса получения гидратцеллюлозного волокна – первого искусственного волокна, которое нашло применение. На практике медно-аммиачный раствор целлюлозы пропускают через никелевые сетки, а затем через формовочные воронки, заполненные водой. В воде и происходит образование нитей. Состав и строение соединения, получающегося при взаимодействии комплексного соединения меди [Cu(NH₃)₄](OH)₂ с целлюлозой, до сих пор точно не установлен.

Все более важное значение в бумажном производстве в качестве сырья приобретает макулатура. Под ней подразумевают отходы, получающиеся при переработке бумаги и картона, различные виды использованной бумаги и бумажных изделий. Среди населения понятие макулатура почти целиком сведено к устаревшим и пришедшим в негодность книгам и старым газетам и гораздо реже к использованным упаковочным материалам.

Переработка макулатуры на белую типографскую или писчую бумагу требует больших затрат. Это связано с необходимостью обесцвечивания типографских красок, удалением проклеивающих веществ и наполнителей. Поэтому на практике из макулатуры изготавливают главным образом упаковочную бумагу и внутренние слои многослойного картона. В этих случаях переработка макулатуры сводится в основном к механическим операциям: макулатура в воде при высокой температуре разбивается (распускается) до необходимой степени измельчения и масса направляется на изготовление картона.

Малая экономическая рентабельность переработки макулатуры на белую бумагу ни в коей мере не снижает значения ее сбора. Использование вторичного бумажного сырья сберегает многие гектары лесных массивов, ведь с нарастанием производства целлюлозные заводы потребляют все больше древесины, существенно исчерпывая лесные ресурсы. Сбор и переработка макулатуры – важнейшая народнохозяйственная и даже государственная задача.

Хотелось бы сказать несколько слов и о типографской краске. Кто не ощущал ее запаха, например, вынимая утром из почтового ящика свежие газеты? Что же такое типографская краска? Она состоит из пигмента и связующего материала. Пигментом является мелкодисперсный порошок определенного цвета. В качестве наиболее распространенного черного пигмента используют сажу. Иногда для создания оттенков к саже в связующем веществе добавляют краситель (неорганический или органический). В состав связующих материалов входят по одному или в смеси: растительное масло, касторовое масло, воск, эфиры целлюлозы и др. В краски вводят сиккативы – соли свинца (II), марганца (II), кобальта (II), способствующие ускорению высыхания. Консистенцию пасты краски регулируют разбавителями, а специальными добавками добиваются снижения липкости и устранения «выщипывания» бумаги, что приводит к порче ее поверхности. Среди добавок наиболее распространены ланолин, жир, мыло, сало и их комбинации с различными маслами, асфальтом и смолами. Следует отметить, что клееные, пропитанные и покрытые бумаги хуже поглощают типографскую краску и потому дольше высыхают.

Для читателей может представить интерес даже элементарная информация о способах печати. Ведь для этих целей используют около 90% выпускаемой промышленностью бумаги. Способ печатания был открыт в Китае в VIII в. В Европе книгопечатание было начато Иоганном Гутенбергом (около 1400...1468 гг.), а в России – Иваном Федоровым (около 1510...1583 гг.). Если взять современную книгу, то в ее конце (иногда вначале) внизу мелким шрифтом указано, когда книга сдана в набор, ее формат, объем, тираж, цена и другие данные. Здесь же непременно указывается тип печати. Чаще всего встречаются слова «Печать высокая». Что это означает?

Существуют три основных способа печати: высокая, плоская и глубокая. Наиболее распространенной является высокая печать. Ее иногда также называют текстовой или типографской. В высокой печати краска удерживается на выступающих рельефных частях печатной формы. С данных участков краска переносится на бумагу под давлением. В этом виде печатания много общего с печатью обычной пишущей машинки.

В глубокой печати, называемой также фотогравюрной или ротогравюрной, краска удерживается в углублениях поверхности печатной формы. Для этого печатную форму гравируют. При работе по данному способу печатную краску накатывают валиками на печатную форму, а затем удаляют с негравированных участков. Для получения отпечатка к форме прижимают бумагу, на которую и переходит краска, находящаяся в углублениях. Глубокую печать используют при изготовлении иллюстраций для журналов и каталогов. Изображения, получающиеся этим путем, отличаются индивидуальностью и художественностью.

В плоской печати, называемой также литографской или офсетной, краска удерживается лишь на определенных участках ровной поверхности. Печатная форма чаще всего изготавливается из камня или из металлических пластин. Подготовку поверхности к восприимчивости или невосприимчивости краски проводят механическим, химическим или фотохимическим способами. Плоскую печать применяют для печатания художественных работ, например афиш, сигаретных и других этикеток.

В настоящее время во многих странах интенсивно ведутся широкие исследования по получению «искусственной» бумаги, в которой целлюлоза целиком заменена на волокнистые синтетические полимерные материалы.