Свяжитесь с нами

+7 (495) 989-43-69


(многоканальный)

e-mail: arz-p@arzpuck.ru

8-926-917-76-62
8-926-917-76-69

+7 (499) 123-54-44,
+7 (499) 124-56-63,
+7 (499) 797-49-76,
+7 (499) 127-67-40,
+7 (499) 127-18-78,
+7 (499) 755-71-13.

Бумага и картон

Первые упоминания о бумаге в том виде, в каком она известна нам сейчас, были сделаны в 105 г. до н. э. Ли Янем в Китае. Процесс изготовления бумаги был изобретен Цяй Лунем, придворным императора Хо Ти.

В 751 г. мусульмане захватили в Самарканде китайскую «бумажную мельницу» и вынудили работников раскрыть секрет изготовления бумаги. Около 950 г. мусульмане принесли секрет изготовления бумаги в Испанию. С изобретения книгопечатания в 1450 г. и начала регулярного издания газет в 1609 г. бумажная промышленность в Европе стала одной из важнейших.

В Америке первая бумагоделательная машина была построена в 1690 г. Вильямом Риттенхаузом в Филадельфии. В то время за один цикл производился один лист бумаги.

Непрерывный процесс изготовления бумаги изобрел француз Николя Луи Робер. Его первая машина, построенная в 1799 г., была запатентована в Англии братьями Фурдринье. Позднее Джоном Диккенсоном была изобретена машина цилиндрического типа, которая была сооружена недалеко от Филадельфии в 1817 г.

В настоящее время лидерство в мировом производстве бумаги принадлежит Соединенным Штатам, где ежегодное душевое потребление бумаги и картона составляет более 317,5 кг. В США производством и переработкой бумаги и картона занимаются примерно 5000 предприятий.

Более 66% сырья для бумаги и картона в США составляют балансная древесина, древесная щепа и т. п., а около 33% — это макулатура и тряпье, собираемые из разных источников (в других частях мира процент макулатуры еще выше). Бумага имеет толщину не более 0,012 дюйма (308 мкм), картон — более 0,012 дюйма (308 мкм). Толстую бумагу толщиной от 0,006 до 0,012 дюймов (от 154 до 308 мкм) иногда называют «бумагой для игральных карт», но для наших целей мы включаем ее в категорию бумаги. Более 56% используемой древесной пульпы производится из вторичного сырья — как потребительского, так и промышленного.

Структура древесины

Древесина состоит из волокон, содержащих примерно 50% целлюлозы, 30% лигнина (адгезионного материала, находящегося в средней части волоконной стенки, ламеллы) и 20% углеводов (таких, как ксилан и маннан), а также смол, таннинов и резиноподобных веществ.

В процессе переработки древесины в бумагу волокна отделяются друг от друга и перегруппировываются так, что образуют плоский лист с требуемыми размерами и свойствами. Применяемые при этом способы зависят от типа древесины и целей использования получаемой бумаги. Различные породы деревьев и разные условия их произрастания дают большое разнообразие волоконной структуры древесины. Понятие «мягкая древесина» используется в бумажной промышленности для обозначения вечнозеленых и хвойных пород дерева, а «твердая древесина» — для лиственных.

Определяющим фактором для производителя бумаги является длина древесного волокна. У твердых пород она составляет менее 1,0 мм, тогда как у мягкой древесины длина волокна может достигать 6,4 мм (рис. 2.1). Таким образом, из твердых пород можно изготовить более тонкий лист, но он будет не таким прочным, как лист из мягкой древесины. На свойства пульпы влияют также условия произрастания; у северной мягкой древесины волокна более короткие и более близкие к параметрам волокон твердой древесины, чем у мягкой древесины южного происхождения.

Волокна твердой и мягкой древесины существенно различаются по своим размерам

Рис. 2.1. Волокна твердой и мягкой древесины существенно различаются по своим размерам

Древесные волокна имеют разнообразную форму, зависящую от их местоположения в стволе. У волокон, сформировавшихся в ранний период сезонного роста (весенняя древесина), стенки намного тоньше, чем у волокон, образованных летом (летняя древесина). Следовательно, весенняя древесина более гибкая и лучше сжимается, чем летняя.

Поперечное сечение древесного волокна в большом увеличении

Рис. 2.2. Поперечное сечение древесного волокна в большом увеличении. Виден люмен (пустое пространство в центре) и ламеллы — слои из фибрилл

Основные типы волокон — это «сосуды» и «трахеи». Твердая древесина представляет собой смесь этих типов, тогда как мягкая большей частью состоит из «трахей». Поперечное сечение древесного волокна выглядит в виде своего рода полой трубки произвольной формы (рис. 2.2). Открытая центральная область называется люменом, и она окружена стенкой, состоящей из слоев (ламелл), построенных из фибрилл, диаметр которых составляет около 0,03 мкм. Фибриллы состоят из микрофибрилл диаметром в одну десятую от диаметра фибрилл и длиной около 1,3 мкм. Они, в свою очередь, состоят из цепочек молекул целлюлозы (которых в каждой микрофибрилле около 3 млн), коротких молекул гемицеллюлозы и прочих полимерных остатков (рис. 2.3).

Приготовление пульпы

Ламеллы, или слои из фибрилл, окружены спиральными кольцами, называемыми камбийными кольцами. В процессе приготовления пульпы фибриллы разрывают эту внешнюю кожицу так, что отдельные фибриллы вытягиваются наружу и сцепляются своей «волосатой» поверхностью с другими фибриллами. При изготовлении бумаги вода обычно не попадает в кристаллические области молекул целлюлозы, а действует только на поверхности ламелл.

Хотя некоторые короткоцепочечные молекулы растворятся в воде, основное ее назначение — проникнуть между ламеллами и намочить волокна. При соответствующем намокании отдельные волокна увеличиваются в диаметре до 20%, а по длине — лишь на 3%. Взаимодействие между водой и волокнами на молекулярном уровне состоит в том, что соприкасающиеся с целлюлозой молекулы воды связаны гораздо прочнее, чем молекулы воды между собой. Это позволяет объяснить некоторую проницаемость изделий из целлюлозы и явления их высушивания (рис. 2.4).

Молекула целлюлозы — это цепочка

Рис. 2.3. Молекула целлюлозы — это цепочка длиной от 100 до 3000 таких колец

Параметры бумаги зависят от содержания влаги

Рис. 2.4. Параметры бумаги зависят от содержания влаги. Лист крафт-бумаги (слева) с указанными размерами в сухой атмосфере лишь немного сжимается в направлении, перпендикулярном ходу машины (поперечном), но при достижении относительной влажности 20% — почти на 1% в направлении, параллельном ходу машины (продольном); CD — поперечное направление, MD — продольное направление

Переработка пульпы

После того как бревна поступают на мельницу и удаляется кора, применяется один из трех методов изготовления пульпы: механический, химический или сочетание того и другого.

Чисто механический процесс дает древесную пульпу путем сдавливания бревен между жерновами и поливания поверхности жерновов водой для удаления древесной массы. Жернов имеет цилиндрическую форму, а бревна помещают в загрузочное устройство параллельно оси жернова так, чтобы одновременно обрабатывалась вся поверхность бревна (рис. 2.5). Такой метод используется преимущественно для переработки мягких северных пород дерева. При таком способе переработки утилизируются все компоненты древесины, то есть лигнин и углеводы, составляющие до половины ее массы, не удаляются. Подобное механическое приготовление пульпы в значительной степени было вытеснено термомеханическим способом ее приготовления, при котором древесина сначала обрабатывается (обдирается) в рафинере, а затем для размягчения частиц нагревается под давлением.

Древесную пульпу получают путем трения бревен о жернова

Рис. 2.5. Древесную пульпу получают путем трения бревен о жернова. Для удаления волокон и охлаждения жерновов бревна поливают водой

Механическим способом получают примерно 10% пульпы, используемой для изготовления бумаги и картона. Такая пульпа наиболее дешевая, но из-за небольшой прочности ее нельзя использовать отдельно. Для производства упаковочной бумаги ее смешивают с пульпой, полученной химическим способом.

Таблица 2.1. Типы пульпы, применяемой для изготовления бумаги и картона

Тип пульпыПроцент использования
Механический10
Химический
содовый1
сульфатный79
отбеленный45
неотбеленный32
сульфитный2
Полухимический6
На основе растворения1

При химическом процессе приготовления пульпы, в отличие от механического, для обработки древесины (удаления лигнина и углеводов) используют химические вещества, что позволяет получить более качественную и более дорогую пульпу (табл. 2.1).

Существуют три вида таких технологий. Наиболее древний, так называемый содовый, был изобретен в Англии еще в 1851 г., однако в США он практически не применялся. В этом случае для растворения нежелательных компонентов древесины применялись каустическая (гидроксид натрия) и кальцинированная сода (карбонат натрия). Такая «содовая» технология применяется в основном для переработки твердой древесины.

Сульфатная технология, известная также как крафт-технология, применяется для переработки как твердой, так и мягкой древесины. Карбонат натрия здесь заменяется сульфидом натрия, а в остальном эти технологии аналогичны. С помощью подобного метода получают наиболее прочные типы бумаги (отсюда и их наименование — крафт-бумага, происходящее от немецкого слова kraft - прочный).

Сульфатная пульпа имеет коричневый цвет и для производства белой бумаги и картона требует отбеливания, тогда как содовая пульпа светлее, более тонкая по текстуре и по прочности находится где-то в промежутке между крафт-пульпой и измельченной. И все-таки больше всего пульпы приготовляется с помощью сульфати-рования. Наименования групп изделий, изготавливаемых таким способом, приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Основные изделия из крафт-бумаги

Группа изделийДоля, %
Бумажные пакеты и мешки (бакалея)40
Многослойные грузовые мешки38
Оберточная бумага17
Прочие пакеты и мешки5

Сульфитная технология основана на кислотной реакции (в отличие от натриевой и сульфатной технологий, которые являются чисто щелочными). Рабочая смесь представляет собой раствор бисульфит кальция или магния и серной кислоты. Он применяется как для твердой, так и для мягкой древесины, позволяя получить на выходе светлоокрашенную пульпу, более прочную, чем при использовании натриевой технологии, но менее прочную, чем для крафт-бумаги. Такой пульпы производится около 1% от общего количества. Сульфитная пульпа обычно используется для изготовления тонкой бумаги (но не для «архивной», так как остаточное количество кислоты в такой бумаге с течением времени вызывает ее разложение).

Полухимическим способом пульпу изготовляют путем применения как химических, так и механических средств. Сначала добавляют каустическую соду и нейтральный сульфит натрия, чтобы размягчить лигнин и углеводы, связывающие волокна древесины между собой. Затем следует обдирание в дисковом измельчителе. Такой способ применяется в основном для твердой древесины, позволяя получить дешевую пульпу с повышенным содержанием лигнина.

Такую полухимическую пульпу трудно отбеливать, и она желтеет под действием солнечного света. Ее часто используют тогда, когда не требуется особая прочность и жесткость, а цвет не играет большой роли — например, для производства оберточной бумаги. Примерно 6% всей производимой бумаги и картона изготовляется именно таким полухимическим способом.

При таком способе обработки древесина в виде мелкой щепы варится несколько часов при температуре около 149 °С и давлении около 0,690 кПа, а затем сливается в специальный резервуар, откуда она прокачивается в узлоловитель, где удаляются комки, а затем поступает на промывочную линию, где раствор удаляется и поступает на повторное использование. До или после промывания осуществляется «скрининг» для обнаружения и удаления жестких волокон.

После промывки следует отбеливание одним или несколькими химическими веществами — например, гипохлоритом кальция, перекисью водорода или двуокисью хлора. Поскольку отбеливание несколько уменьшает прочность пульпы, следует стремиться к компромиссу между белизной листа бумаги и его прочностью и жесткостью. Уменьшение прочности можно до некоторой степени минимизировать выбором соответствующих химических веществ или путем отбеливания в несколько этапов. Процесс отбеливания много критикуют за то, что в результате его применения в бумаге, картоне и в сточных водах остается много ядовитых отходов в виде диоксина, однако в настоящее время появилась возможность производить отбеленную бумагу и картон практически без следов диоксина.