История возникновения бумаги. | Полезная статья о бумаге – Снегурочка.

Гладкость бумаги

Гладкость бумаги — одно из ее важнейших печатных свойств, которое зависит от
микрогеометрии поверхности бумаги, то есть от рельефа, образованного выступами
и впадинами между растительными волокнами и частичками наполнителя. Микрогеометрию
бумаги контролируют профилографами, микроинтерферометрами различных систем,
вычерчивающими профилограмму ее поверхности (рис. 1).

Поверхность хорошо
отглазированной мелованной бумаги имеет в основном
микронеровности в пределах 0,1-0,5 мкм,
суперглазированной высокогладкой
мелованной бумаги — 0,03-0,05 мкм.
Макронеровности у этой бумаги отсут­ствуют.

Глянцевитость и матовость бумаги также зависят от микрогеометрии ее поверхности.
Очень гладкие бумаги будут глянцевыми, шероховатые — матовыми (рис.
2).

В основном эффективная гладкость
бумаги определяется ее микрорельефом, так
как макронеровности подавляются в процессе
печатания. Это, разумеется, не относится к грубым
механическим включениям, которые не
сглаживаются при печатании даже в случае
очень сильного давления печати. Поэтому
повышенная сорность бумаги не допускается.

Гладкость (шероховатость) — весьма важный фактор, от которого зависят печатные
свойства бумаги. В то же время это довольно трудно определяемый для бумаги показатель
(рис. 3).

ГОСТ 12795.—89
«Бумага и картон. Метод определения
гладкости по Беку» соответствует стандарту
ISO 5627-84. Результаты, получаемые по этому
методу, сопоставимы с результатами
определения шероховатости бумаги с помощью
прибора Бендтсена ISO 2494-74.

За рубежом показатель гладкости (шероховатости)
определяют приборами, подающими поток
воздуха при постоянном давлении, при этом
используются приборы Бендтсена, Шеффера,
Паркера. Поэтому при определении каких-либо
показателей необходим анализ
сопоставимости методов и средств
контроля качества печатных видов бумаги по
ГОСТ и ISO.

В полиграфическом производстве
бумага, проходя различные технологические
процессы, испытывает разного рода
воздействия и дефор­мации. Так, при
высокой печати на бумагу давят рельефные
печатающие элементы формы, в брошюровочно-переплетном
производстве бумага фальцуется в тетради
и прессуется.

Свойство материала мгновенно
изменять свою форму и размеры под
действием соответствующей нагрузки, а после
прекращения ее действия также мгновенно
восстанавливать первоначальную форму и размеры
называется упругостью. Следовательно,
упругие деформации — это мгновенно
возникающие и полностью обратимые
деформации. В соответствии с законом
Гука они прямо пропорциональны
прилагаемому напряжению.

Эластичность — свойство
материала изменять форму и размеры под
действием нагрузки в течение некоторого
промежутка времени и постепенно
полностью восстанавливать первоначальную
форму и размеры после прекращения
действия. Эластические деформации
возникают постепенно, вслед за упругими
деформациями, и также постепенно
исчезают после прекращения действия
соответствующего напряжения.

Свойство материала сохранять полученную деформацию после снятия механического
воздействия, вызывающего его, называется пластичностью. Следовательно, упруго-эластические
деформации полностью обратимы, а пластические являются остаточными (рис.
3).

В полиграфии необходимы как упруго-эластические,
так и пластические (остаточные)
деформации. Упруго-эластические свойства
положительно сказываются на процессе
печатания, но зачастую бывают
недостаточными для надлежащего
выравнивания поверхности бумаги и компенсации
неровностей как печатной формы (офсетного
полотна), так и самой бумаги.

Пластические деформации бумаги
технологически необходимы при фальцовке,
биговке, штриховке, тиснении. Такие
противоречивые требования к свойствам
бумаги удовлетворяются не путем
компромисса, а посредством создания
различных ее видов и сортов.

Упруго-эластические свойства бумаги во многом зависят от влажности и степени
уплотнения, каландрирования бумаги и силы воздействия на нее. Следует иметь
в виду, что существенно повысить упруго-эластические свойства бумаги не представляется
возможным, а для брошюровочно-переплетных работ это и вовсе нежелательно.

В
то же время задача повышения пластичности легко решаема. Так, бумага, содержащая
древесную массу со сравнительно укороченными, не слишком фибриллированными (разлохмаченными)
волокнами целлюлозы (рис. 4), а также значительное количество
наполнителя и особенно влаги, будет пластичной.

Техника и технология

Для механической обработки волокон, первоначально использовалась толчея или молотковая мельница. Для привода мельницы использовалось водяное колесо и иногда сида лошади. Толчея позволяла получать лучшую разработку волокон по сравнению с использовавшейся арабами мельницей с каменными жерновами.

В XIII веке началось производство бумаги в Италии, хотя, по крайней мере, столетие до этого она привозилась в страну торговцами. 

Такое положение, когда бумага уже многие годы в стране использовалась, но не производилась характерно для Европы. Между временем начала использования бумаги и временем начала изготовления в стране собственной бумаги проходило 100–300 лет.

 В наше время больше половины стран не производят бумагу, покупая её у других 109-и государств - производителей бумаги и картона.

Влияние итальянцев на развитие производства бумаги оказалось очень продуктивным. Арабы использовали пшеничный (возможно и рисовый) крахмал для проклейки бумаги, итальянцы стали использовать животный клей, что позволило получать новое качество (износостойкость, барьерность по отношению к воде).

В Италии впервые стали использовать толчею с приводом от водяного колеса, для измельчения сырья. Здесь были сформулированы требования к бумаге, праобраз стандартов, по производимым форматам, использованию водяных знаков, качеству, количеству листов в стопах, штрафам.

Итальянцы первыми стали использовать водяной знак.В Болонье была найдена бумага с водяным знаком 1282 года изготовления [2]. По другим данным [3] первый описанный водяной знак получен в 1271 году на бумаге, изготовленной на бумажной фабрике Фабриано.

Здесь отметим, что первые водяные знаки были светлыми по отношению к полю бумаги. В месте водяного знака, использованная для его получения проволока (филигрань), создавала более тонкие места в бумаге, которые на просвет выглядели белыми.

 В 1818 году в России, на бумажной фабрике Экспедиции заготовления государственных бумаг (теперь это "Гознак"), впервые получили водяной знак с переменной оптической плотностью (многотоновый). Это было достигнуто штамповкой сетки на которой отливалась бумага с получением разноуровневого рельефа на сетке.

Итальянцы, а вслед за ними и другие европейцы, долгое время считали, что бумагу изобрели в Италии, в местечке Фабриано. В средние века в Фабриано работало около 40 предприятий по изготовлению бумаги.

И хотя к XV веку бумажное производство освоили в большинстве стран Европы, итальянская бумага всё ещё доминировала на рынке Европы.

В результате технических и технологических нововведений к XVII веку стали пользоваться большим спросом французская, английская и голландская бумага. В значительной степени этому способствовало появление в Голландии устройства для размола — голландера (позднее его стали называть роллом). Немцы задержались с внедрением роллов на своих мельницах — в результате проиграли в качестве бумаги.

Технология изготовления бумаги

Размолотое целлюлозное волокно,
древесную массу, отбеленный и измельченный
каолин, клей, подцветку смешивают в нужных
пропорциях. Эту смесь называют бумажной
массой.

При выработке многих видов бумаги
и картона для повышения белизны,
непрозрачности, гладкости, улучшения
печатных и других свойств в волокнистую
массу вводят наполнители, то есть химически
инертные минеральные вещества, менее
гидрофильные, чем целлюлозные волокна.

Частицы наполнителя, заполняя
крупные поры бумаги, разъединяют волокно,
увеличивая общую пористость бумажного
листа. Образование многочисленных мелких
пор, обладающих капиллярными свойствами,
увеличивает способность бумаги к
восприятию типографской краски.

Наполнители, распределяясь в мелких
порах между волокнами образующейся бумаги,
увеличивают пористость и повышают
воздухопроницаемость. Они также
способствуют снижению линейной деформации
при увлажнении и уменьшают
скручиваемость бумаги при одностороннем
смачивании.

Степень влияния того или иного
наполнителя на свойства бумаги зависит от
его вида и количества в бумаге.
Наполнители должны быть однородными и мелкодис­персными,
обеспечивать максимальную непрозрачность,
хорошо удерживаться на волокне. Частицы
наполнителя должны иметь высокий
коэффициент преломления потока света,
равный примерно половине длины видимого
спектра.

В качестве наполнителя печатной
бумаги применяют главным образом каолин —
белую фарфоровую глину или тальк —
соединение из класса силикатов. Диоксид
титана используют в производстве
мелованных бумаг. При изготовлении
специальных видов бумаги как наполнитель
используется оксид цинка.

Для каждого вида бумаги существует
определенное оптимальное количество
наполнителя. Каждый наполнитель имеет
специфические особенности как в плане
влияния на свойства бумаги, так и в плане
сцепления в структуре бумажного листа с растительными
волокнами.

Механизм сцепления частиц
наполнителя зависит от формы и размеров
частиц (их оптимальный размер — не более
0,3 мкм). Форма и размеры частиц порошка
также влияют на белизну, лоск, гладкость, на
впитываемость бумагой или картоном
печатных красок и лаков.

Бумага и картон с высоким
содержанием наполнителя представляют
собой своего рода имитацию мелованного
материала. В зависимости от дисперсности
наполнителя повышается плотность бумаги и картона,
соответственно снижается толщина
материала.

О количестве содержащегося в бумаге
наполнителя судят по зольности. Содержание
золы в бумаге соответствует примерному
содержанию неорганических веществ, но не
определяет количество каждого из них в отдельности.

По содержанию минерального
наполнителя все виды бумаги условно
делятся на несколько классов:

• бумага с естественной
  зольностью, без минерального наполнителя;
• бумага малозольная,
  с содержанием золы до 5%;
• бумага со средней
  зольностью, с содержанием золы до 15%;
• бумага с повышенной
  зольностью, с содержанием золы более 15%;
• бумага высокозольная,
  с содержанием золы более 25%.

Как уже было отмечено, в качестве
наполнителей чаще всего используются
следующие материалы: мел, каолин, тальк,
сульфаты бария и кальция, двуокись
титана, различные алюмосиликаты, пигменты
на основе карбамидоформальдегидного
концентрата, микрокапсульные
полистирольные пигменты и другие
вещества.

Каолин (белая глина) —
алюмокремниевая кислота, порошок белого
цвета гексагональной формы, средний размер
частиц около 2 мкм, белизна 70-90%, коэффициент
преломления 1,56. Свободные железистые
минералы, присутствующие в каолине,
придают ему оттенки от светло-желтого до
красно-бурого. На оптические свойства
каолина оказывают влияние титановые
минералы.

Тальк — кислая соль
метакремниевой кислоты. Порошок белого
цвета, пластинчатой, игольчатой или
чешуйчатой формы, размер частиц 2-10 мкм,
белизна 70-80%, коэффициент преломления 1,57.
Тальк придает бумаге мягкость, бесшумность,
лоск, повышает адсорбцию печатных красок и лаков.
В то же время тальк способствует
повышению пылимости бумаги, снижает
действие оптических отбеливателей.

Бланкфист — сернокислый
барий. Товарный бланкфист имеет
пастообразный вид, степень дисперсности
0,4-0,6 мкм, белизна 96%, коэффициент
преломления 1,64, хорошо удерживается в бумаге.
Бланкфист повышает белизну бумаги, снижает
прозрачность, придает бумаге блеск,
звонкость и жесткость на ощупь,
используется для высокосортных видов
бумаги.

Гипс — минерал класса
сульфатов, порошок белого цвета. В обожженном
состоянии размер частиц уменьшается и белизна
гипса повышается. Средний размер частиц
обожженного гипса около 5 мкм, белизна
85-96%, коэффициент преломления 1,57. Природный
гипс придает бумаге звонкость и жесткость
на ощупь.

Титановые пигменты —
двуокись титана или сочетание с сернокислым
барием. Порошок белого цвета, размер частиц
0,3-0,5 мкм, белизна 95-98%, коэффициент
преломления 2,55. Титановые пигменты придают
бумаге высокую степень непрозрачности.

Мел — природный или
химически осажденный карбонат кальция,
твердое вещество белого цвета,
нерастворимый в воде, растворяется в слабой
кислоте. Средний размер частиц осажденного
мела 0,2-0,4 мкм, плотность 2,-2,9 г/м3,
белизна 80-95%, коэффициент преломления 1,48-1,68.

Мел придает бумаге мягкость, белизну,
непрозрачность, повышает впитываемость
печатных красок и лаков. В производстве
чаще всего применяется не как наполнитель,
а как пигмент для облагораживания бумаги с
целью получения на ней хорошего
визуального восприятия печатного
изображения (мелование бумаги).

Мелованная
бумага, матовая или глянцевая, состоит из
основы с нанесенным на нее покровным слоем,
состоящим из наполнителя и связующего. Цель
мелования — создание на поверхности
листа бумаги или картона ровного, гладкого
и одновременно эластичного слоя с
равномерным просветом.

Мелованный слой
способствует быстрому закреплению краски и лаков,
а также улучшает визуальное качество
оттиска. Мелованный слой должен быть
химически нейтральным, так как избыток
щелочи или кислоты может изменять в процессе
печати цветовые характеристики краски на
листе бумаги.

Наполнители
существенно влияют на свойства бумаги.
Благодаря им после каландрирования бумага
становится ровной, гладкой, непрозрачной,
пластичной, капиллярной и менее пористой.
Все это особенно важно для бумаг,
используемых в высокой и глубокой
печати.

Если бумага изготовлена из белой
древесной массы и небеленой целлюлозы,
наполнитель повышает степень ее белизны.
Однако наполнители несколько снижают
механическую прочность бумаги, так как
ограничивают возникновение водородных
связей между волокнами целлюлозы.

При размачивании в воде обычные
сорта бумаги теряют свою механическую
прочность, при пропитке керосином или
маслами прочность бумаги почти не меняется.
Это говорит о том, что целлюлозные
волокна в бумаге соединены между собой
главным образом водородными связями и в меньшей
степени — силами Ван-дер-Ваальса и трения.

Бумагу отливают на
бумагоделательных машинах, состоящих из
четырех частей:

• сеточной;
• прессовой;
• сушильной;
• отделочной, с накатом
  (намоткой в рулоны).

Эти машины, как правило, имеют плоский сеточный конвейер. Они
работают со скоростью до 800 м/мин при ширине сетки до 7-8 м.

Бумажная
масса потоком поступает на сетку
бумагоделательной машины. Формирующийся из
кашеобразной массы тонкий волокнистый слой
постепенно освобождается от воды на
сеточной части. На прессовой части машины
вода отжимается давлением прессов, а в сушильной
части бумажная лента, прижимаясь к сушильным
цилиндрам, доводится до сухости 95%.

В
однородной бумаге вместе с длинными
волокнами присутствует некоторое
количество мелких волокон, в основном
лиственных пород древесины, которые
заполняют свободное пространство между
длинными волокнами. Таким образом
увеличивается общая площадь, на которой
между волокнами устанавливаются прочные
связи, что способствует повышению
механической прочности бумаги.

В сушильной части находится
клеильный пресс.

Существует несколько технологий
проклейки бумажной массы. Офсетную,
картографическую, фототипную, обложечную,
писчую, чертежно-рисовальную и некоторые
другие виды бумаги проклеивают в массе
различными веществами, такими как
канифольный клей, крахмал, карбамидные
смолы, кремнийорганические полимеры и др.

Проклейка в массе делает бумагу более
влагостойкой, затрудняя проникновение в нее
воды, но не препятствуя впитыванию масляных
полиграфических красок. Это особенно важно
для бумаг, используемых в плоской (офсетной)
печати, литографии и фототипии, где при
печати применяют и увлажнение водным
раствором.

Поверхностная проклейка бумаги
чаще всего осуществляется 3%-м водным
раствором карбоксиметилцеллюлозы, что не
только повышает влагостойкость бумаги, но и увеличивает
прочность ее поверхности, что особенно
важно при работе с вязкими и липкими
красками и водно-дисперсионными лаками.

Отделочная часть
бумагоделательной машины представлена
машинным каландром, состоящим из трех-восьми
полированных чугунных цилиндров, которые
своей тяжестью уплотняют бумагу, делая ее
поверхность ровнее.

Бумага, прошедшая машинный каландр,
называется бумагой машинной гладкости,
матовой или неглазированной (некаландрированной).
Бумага, дополнительно пропущенная через
суперкаландр, называется глазированной,
каландрированной или лощеной.

В
процессе изготовления бумаги волокна,
увлекаемые потоком бумажной массы,
преимущественно принимают положение, при
котором их оси совпадают с направлением
движения сетки бумагоделательной машины.
Поэтому свойства бумажного листа в продольном
(в направлении движения сетки) и поперечном
направлениях будут несколько различны, а именно:
прочность бумаги будет выше в продольном
направлении, а изменение линейных
размеров при увлажнении будет значительно
больше в поперечном направлении.

Кроме
того, верхняя (лицевая) сторона бумаги, не
соприкасающаяся с сеткой
бумагоделательной машины, будет гораздо
ровнее сеточной. Сеточная сторона имеет
меньше наполнителя, частично уходящего из
бумаги вместе с промывными водами.
Следовательно, бумага ортотропна, то есть
ее свойства несколько различаются во всех
трех измерениях (ширина/ длина и лицо/оборот).

Все это надо учитывать при
подготовке бумаги к печатанию, особенно
к многокрасочному, и при обработке
оттисков в брошюровочно-переплетных и
отделочных цехах (при разрезке, фальцовке,
шитье, высечке и тиснении).