Как изобретение бумаги изменило мир

В поисках сырья

Бумагоделательные машины отличались «прожорливостью». Хлопкового и льняного тряпья, из которого получали волокнистые материалы, катастрофически не хватало. Изготовителей бумаги охватила тревога за будущее. Тем, кто изобретет или откроет дешевый заменитель, предлагали солидное вознаграждение. В Англии второй половины XVIII века издали книгу с перечислением полутора сотен образцов бумаги. В России ее делали из соломы. Житель Тобольска Василий Выборнов изготовил в 1760 году оберточную бумагу из речной тины, за что получил большую серебряную медаль. Мастера бумажного дела испробовали крапиву и картофельную ботву, просо и хмель, сено и торф. Продукция из них получалась низкого качества.

Спасение пришло неожиданно. Идею уроженцу немецкого городка Крипплен Готлибу Келлеру «подсказали» осы, превращающие, как мы знаем, перетертые кусочки древесины в строительный материал для гнезд. Наблюдательный ткач взял точильный камень, кусок дерева, наполнил водой корыто и попытался повторить действия крылатых строителей.

Когда в сосуде накопилось много волокон, Келлер взболтал его, пролив содержимое на скатерть. Лепешку из высохшей массы он просушил на печи, получив первый кусок чистой древесной бумаги. Изобретатель не мог заснуть от радости. Результат своих действий Келлер поместил под стекло, чтобы сберечь на память.

Дефибрер на картонной фабрике

Вскоре немецкий ткач смастерил форму для бумажных отливок. К его огорчению, те получались жесткими и ломкими. Не желая останавливаться на достигнутом, Келлер предложил смешать бочку древесной массы с той, что получали из тряпичного сырья на бумажной фабрике в соседнем городе Хемниц. Длинные и эластичные льняные волокна переплелись с древесными, образовав надежную структуру отливки. Первые шесть стоп бумаги, полученной новым способом, использовали в октябре 1845 года для печати местной газеты.

Несмотря на природную предприимчивость, Готлиб Келлер не смог воспользоваться результатами своего изобретения. Как и создателю бумагоделательной машины Луи Роберу, продвинуть дело ему помешала бедность.

Вид дефибрера Фойта с приводной и рабочей стороны

Идею получения бумаги из перетертой древесной массы подхватил талантливый инженер Генрих Фельтер. За скромную сумму он приобрел права на изобретение и построил первый промышленный аппарат  дефибрер (от латинского «фибра»  волокно и приставки «де»  отделение, удаление). Волокно для производства бумаги, полученное таким способом, можно было использовать только вместе с другими, более прочными волокнистыми материалами.

Древесная масса, полученная из щепы ели, пихты, сосны, лиственницы, осины, тополя, березы, бука и других пород деревьев и сегодня лежит в основе экономичного способа производства бумаги. Такой процесс дешевле основанного на целлюлозе. В состав оборудования современных целлюлозно-бумажных комбинатов входят крупные технологические установки для этой цели. Традиционный дефибрерный метод еще долго будет пользоваться популярностью.

Ключевые этапы истории производства бумаги в разные века

Современные дефибреры весят более ста тонн и перетирают целые бревна-балансы. Присутствие в их металлическом чреве огромных кварцево-цементных или керамических камней с насечками  единственное, что напоминает прародителя этих мощных машин  точильный камень в руках Готлиба Келлера.

История

Технология изготовления бумагоподобных материалов, таких как папирус, береста, пергамент и других, были известны человечеству задолго до появления первого описания производства «классической бумаги».

До Цай Луня в Китае делали бумагоподобный материал из бамбука, из пеньки, а ещё раньше — из шёлка, который изготавливали из бракованных коконов шелкопряда. Древними индусами обнаружен естественный процесс образования листа бумагоподобного материала в луже воды после дождя из отходов жизнедеятельности крупных травоядных животных, например, слонов. Фабрики, выпускающие такую бумагу, существуют в Индии и Таиланде до сих пор.

Однако бамбук был тяжёл, а шёлк — дорог. Бумага из таких волокон легко намокала и была непрочной. Цай Луня назначили министром-советником и поручили придумать более дешёвый и технологичный способ изготовления. Поиски привели его к осам. Тонкий, но прочный материал, из которого были сделаны гнёзда ос, больше всего подходил для того, что он искал. Материалом для строительства служили омертвелая древесина и растительные волокна, которые они собирают отовсюду — например, с брёвен, заборов и деревянных стройматериалов. Это насыщенное целлюлозой сырьё насекомые тщательно пережёвывают и смачивают клейкой, богатой белками слюной. Слюна ос, помимо смачивания, придаёт волокну водоотталкивающие свойства (белковая проклейка коллагеном, (также, возможно, воском (пыльца), или крахмалом (переваренная листва)) или их смесью в слюне осы). Затем размягчённая волокнистая масса, высыхая, превращается в светлую, твёрдую и достаточно прочную бумагу. Цай Лунь растолок волокна и, проведя сотни опытов, пришёл к выводу, что нечто подобное можно сделать из коры тутового дерева, конопляного лыка, изорванных рыболовных сетей и ветхих тканей, волокна шелковицы, древесной золы. Всё это он смешал с водой и выложил получившуюся массу на форму (деревянная рама и сито из бамбука). После сушки на солнце он разгладил эту массу с помощью камней. В результате получились прочные листы бумаги.

«Классическая» бумага, с проклейкой в массе, создана Цай Лунем в 105 году н. э.

После изобретения Цай Луня процесс производства бумаги стал быстро совершенствоваться. Для повышения прочности стали добавлять крахмал, клей, естественные красители и т. д.

В начале VII века способ изготовления бумаги становится известным в Корее и Японии. А ещё через 150 лет через военнопленных попадает к арабам.

В VI—VIII веках производство бумаги осуществлялось в Средней Азии, Корее, Японии и других странах Азии. В XI—XII веках бумага появилась в Европе, где вскоре заменила животный пергамент. С XV—XVI веков, в связи с введением книгопечатания, производство бумаги быстро растёт. Бумага изготовлялась весьма примитивно — ручным размолом массы деревянными молотками в ступе и вычёрпыванием формами с сетчатым дном.

Большое значение для развития производства бумаги имело изобретение во второй половине XVII века размалывающего аппарата — ролла. В конце XVIII века роллы уже позволяли изготавливать большое количество бумажной массы, но ручной отлив (вычерпывание) бумаги задерживал рост производства. В 1799 Н. Л. Робер (Франция) изобрёл бумагоделательную машину, механизировав отлив бумаги путём применения бесконечно движущейся сетки. В Англии братья Г. и С. Фурдринье, купив патент Робера, продолжали работать над механизацией отлива и в 1806 г. запатентовали бумагоделательную машину. К середине XIX века бумагоделательная машина превратилась в сложный агрегат, работающий непрерывно и в значительной мере автоматически. В XX веке производство бумаги становится крупной высокомеханизированной отраслью промышленности с непрерывно-поточной технологической схемой, мощными теплоэлектрическими станциями и сложными химическими цехами по производству волокнистых полуфабрикатов.

Справочная информация

Представители бумаг с плотностью 80 г/м²

класс С/С+:

«Снегурочка», SvetoCopy Classic, IQ Economy, Ballet Universal, Xerox Performer и Perfect Print, «Гознак Print», KYM Lux Classic, HP Home&Office.

класс В/В+:

IQ Allround, Ballet Classic, Ballet Premier, SvetoCopy Premium, Xerox Office, Xerox Business, «Комус Документ Business», HP Office, KYM Lux Business.

класс А/А+:

IQ Ultra, Ballet Brilliant, Xerox Premium, «Комус Документ Premium».

Представители бумаг с плотностью 70-75 г/м²

• Zoom 75 г/м² (С),
• Discovery 70 г/м² (B),
• Kym Lux Business 70 г/м² (B),
• Discovery 75 г/м² (B+),
• Mondi Communicator Triple 75 г/м² (A),
• Artwork Premium 75 г/м² (A+),
• Double A 70 г/м² (A) и 75 г/м² (A+).

Пояснение о бумаге пониженной плотности

Возвращаясь к бумаге с плотностью 70–75 г/м², о которой я писал в начале статьи. В России такую бумагу пока не делают, вся она привозная. Сейчас её основные страны-поставщики Финляндия, Португалия и та самая Бразилия. Штош, я прогнал эту бумагу на всех доступных мне принтерах и вот что хочу сказать. Покупка такой бумаги чистая лотерея — неизвестно, как на неё отреагирует техника. Моим старым принтерам, возраст которых 5–7 лет, искренне плевать на чём печатать, они и не заметили разницы. А вот оборудование новее, возрастом 1–2 года, капризничало, когда печатало на такой бумаге. Самые частые косяки: захват и прогон через себя сразу нескольких листов. Хорошо если это не вредило печати. Однако довольно часто бумага застревала внутри, и приходилось останавливать печать, выключать принтер и аккуратно доставать бумагу. Если верить техническим характеристикам, которые предоставляют заводы-изготовители, толщина такой бумаги такая же, как и у «восьмидесятки»: 100–105 мкм. И всё же что-то в ней не так.

Совет

Экспериментируйте! Купите коробку на пробу, дайте бумаге отлежаться сутки и отправляйте в принтеры. И если после этого проблем с печатью нет, то уже покупайте такой объём, который берёте всегда.

Критерии качества бумаги

1. Прочность — сопротивляемость разрыву и сжатию при высокоскоростной печати должна быть высокой.
2. Плотность — для глубокой печати используют тонкие листы, для упаковки — толстые (диапазон — от 60 до 300 г/м²);
3. Гладкость — чем она выше, тем лучше воспроизводятся детали изображения, плотнее контакт листов с формами для печати;
4. Белизна — показатель попадает в диапазон 60—98 %;
5. Непрозрачность — чем меньше просвечивается лист, тем меньшей будет степень проявления изображения с обратной стороны (для обычной офисной бумаги — от 89 %);
6. Пористость — на пористом материале лучше фиксируется краска, но отпечатки теряют насыщенность.
7. Сопротивляемость истиранию — если она мала, вязкие печатные краски «выщиплют» волокна с листов, и это загрязняет детали печатного оборудования.
8. Впитываемость — чем она выше, тем быстрее краски закрепятся на поверхности листа.
9. Наличие проклейки — с ней верхний слой будет прочным, устойчивым к воздействию влаги, клея.

Предшественники современной бумаги

История создания бумаги в ее современном виде не существовала вплоть до 18 века. Отличались технологии ее производства в зависимости от используемого материала, будь то тряпье или древесина.

Попытки использовать непосредственно волокна древесины не давали существенного результата. Хотя в Китае с успехом применялся бамбук еще в конце первого тысячелетия нашей эры.

Преимущественным сырьем для книжной бумаги служила старая макулатура и изношенная одежда из холщовых тканей. Вот на газеты шел более дешевый материал, например, солома. Дошло до того, что возникал их дефицит, некоторые страны даже вводили запрет на вывоз тряпья. А в Америке возникла ситуация, когда книгопечатники продавали книги только тем, кто приносил им сырье на переработку. Под влиянием такого ажиотажного спроса цены на него росли, что приводило к возникновению черных рынков.

Измельченное сырье помещалось в большой чан с водой, после чего тщательно перемешивалась до состояния взвеси, когда частицы размещались в смеси более-менее однородно. Первоначально использовался ручной труд, а работа черпальщика была очень уважаема. Он следил, чтобы полуфабрикат достигал требуемого состояния, после чего выкладывал кашицу на специальное сито.

Чуть позже появились мельницы, водяное колесо которых приводило в движение вал. Его механическая энергия передавалась на измельчение сырья для бумажной массы. Каждая мельница для обозначения эксклюзивности своего производства использовала оттиск или водяной знак. На металлическом сетчатом черпаке нашивался проволокой какой-либо знак, который проявлялся на бумажной массе после высыхания.

Из Испании бумажное дело перекочевало в другие европейские страны. Итальянские мастера научились экспериментировать с химическими реактивами. Бумага белая получалась при обесцвечивании хлором, а использование органического клея из сваренных костей животных позволило не впитывать чернила.

В допетровскую эпоху наша страна закупала бумагу из Франции и Италии, и только в 1714 году заложили первую водяную мельницу для механизации производственного процесса. Но, несмотря на некоторое отставание Европы от Азии, именно там придумали способ создания гербовой бумаги с водяными знаками, которой не было ни у китайцев, ни у арабов.

Физические характеристики бумаги

Плотность

• Единицы измерения: граммы на квадратный метр, (г/м²),
• Норма: 72–80 г/м²,
• В идеале: 80+ г/м².

Стандарт офисной бумаги в России — 80 г/м². Такова масса листа площадью один квадратный метр. Ещё проще: столько должен весить бумажный лист размером метр на метр.

Интересно: для некоторых стран, например, Бразилии, стандартная плотность бумаги 75 г/м². В России золотым стандартом считается плотность 80 г/м², и все последующие характеристики зависят от неё.

С 2018 года — времени написания статьи — в официальной продаже появилась бумага плотностью 70 и 75 г/м², и это только первые ласточки. Безусловно, плотность — важная качественная и количественная характеристика. Но она лишь показывает, сколько этой самой бумаги содержится в бумаге, сорян за каламбур. А дальше за дело берутся наполнители и технология производства. От неё зависят физические характеристики листа: например, при разной плотности толщина бумажного листа может быть одинаковой, вопрос в его рыхлости, качестве наполнителей и количестве прогонов бумажного полотна через каландры. В итоге плотность важна лишь в сочетании с другими прогонными характеристиками, о которых расскажу ниже.

Толщина

• Единицы измерения: микроны (мкм),
• Норма: 100–110 мкм,
• В идеале: 106+ мкм.

Оптимальная толщина бумажного листа гарантирует равномерность подачи бумаги в принтер и снижает вероятность её застревания во время печати. Если бумага слишком тонкая, принтер может захватить сразу несколько листов, и они застрянут внутри. А если бумага будет слишком толстой, то ролики подачи принтера не захватят листок или захватят, но он застрянет между ними (это в теории, никогда с подобным не сталкивался). Это, опять же, приведёт к поломке оборудования, потере денег и времени.

Жёсткость

Единицы измерения: миллиньютон на метр (мН/м),

Норма:

• В продольном направлении: 110–160 мН/м,
• В поперечном направлении: 50–70 мН/м.

В идеале:

• В продольном направлении: 125–140 мН/м,
• В поперечном направлении: 55–60 мН/м.

Жёсткость — это сопротивление изгибающему усилию. Эта характеристика зависит от предыдущей. Как правило, чем толще лист, тем он жёстче. Однако если он будет «дубовым», то не сможет нормально пройти тракт подачи бумаги со всеми его изгибами и застрянет. А если будет чересчур мягким, то будет сминаться и застревать ещё при подаче. Различают жесткости в продольном и поперечном направлениях.

Другие физические характеристики

Кроме основных у бумаги ещё есть и другие механические характеристики, например, пылимость, сорность, зольность и стойкость к выщипыванию. О пылимости я рассказывал раньше, вот здесь, но задержусь ещё чуть-чуть. Пылимость — образование бумажной пыли в результате механического воздействия на бумагу, например, её прогон через узлы принтера.

Аллергия на бумажную пыль — не на бумажную пыль

После публикации первой версии статьи от читателя пришёл вопрос: спасёт ли качественная бумага от аллергии на бумажную пыль? Пришлось разбираться и в этом. Мой ответ: нет, не спасёт, потому что дело вообще не в бумаге, уж точно не в современной. Здесь образование пыли настолько мало, что способно вывести из строя только механизмы принтера, но не человеческий организм. Ну и самое главное, что это просто название аллергии. По факту бумажная пыль человеку безвредна. Ему вредят бумажные клещи, их трупики и плесень, которая образуется в старой бумаге. Так что расходимся, откровений не будет.

Ремарка

Кароч, с физическими характеристиками работает принцип «всё хорошо в меру». То есть оптимально подобранные показатели плотности, толщины и жёсткости бумажного листа гарантируют отличные прогонные характеристики.

Расширенные технические характеристики на примере бумаги Xerox Perfect Print, Россия, лист 1/2

Расширенные технические характеристики на примере бумаги Xerox Perfect Print, Россия, лист 2/2

Путем проб и ошибок

В поисках более легкого, чем глина, материала для письма люди обращались к другим воспринимающим поверхностям. Испытанию на способность служить средством передачи информации подвергались раковины моллюсков, панцири черепах и кости других животных, бамбук и кора деревьев, свинец, медь и золото, шелк, черепица и керамические вазы. Для этой цели писцы пытались приспособить даже утрамбованный влажный песок.

Книга на пальмовых листьях. Лаос, конец XVIII века

Надписи на гадальных костях, обнаруженные близ города Аньян в китайской провинции Хэнань, считают первыми историческими письменами Китая. Литератор династии Хань (206 год до нашей эры  220 год нашей эры) Дуфань Шо написал для императора статью на трех тысячах древесных стволов. Их с трудом доставили во дворец. Книги на шелке появились в Поднебесной в V веке. У этого материала был другой недостаток  он дорого стоил. Старались использовать даже мелкие его обрезки. Их размачивали, вручную растирали между камнями. Полученную кашицу наливали на гладкую поверхность, например отшлифованную каменную плиту, и прижимали камнем. Кашица высыхала, превращаясь в лепешку, на которой писали.

Древние народы использовали узелковое письмо. Кипу (кечуа  khipu, исп.  quipu), своеобразная «письменность» инков и их предшественников в Андах, представляла собой сплетения и узелки веревок, изготовленных из шерсти южноамериканских животных  лам и альпак. Подобный способ записи существовал и в Древнем Китае до изобретения иероглифов. Для передачи информации нередко служили вещи, которыми обменивались первобытные племена. Трубка мира, например, символизировала прекращение вражды.

На Востоке в добумажную эпоху приспособили для письма листья деревьев. Их ровные и гладкие части обрезали, сушили, пропитывали маслом. На обеих сторонах металлической иглой выцарапывали знаки. Собрания книг из пальмовых листьев как зеницу ока берегут в библиотеках индонезийского острова Бали, в Лаосе, Таиланде и других странах. Материалом растительного происхождения, использовавшимся с VIII века в Центральной Америке и на Гавайских островах, была тапа. Делали ее из лыка шелковичного бумажного дерева. Лыко промывали, убирали неровности, отбивали молотком, разглаживали, просушивали и заполняли знаками.

С развитием металлургии на Востоке и Западе стали применять для письма металлические пластины. Тонкие полоски свинца скатывали в рулоны. Великую поэму Гомера «Илиада» выгравировали на свинцовых листах. Древнегреческий ритор Дионисий Галикарнасский упоминает о бронзовой стеле в храме Дианы на Авентине с записью договора царя Сервия Туллия с латинскими городами.

Тысячи бронзовых, медных и свинцовых досок с письменами украшали Древний Рим. Древнеримский историк Тит Ливий указывает, что договор, заключенный консулом Спурием Кассием в 493 году до нашей эры, зафиксирован на бронзовой колонне. Памятник римского права «Законы 12 таблиц» выгравирован на бронзе. Римские воины получали бронзовые аттестаты с письменными благодарностями за 25-летнюю службу.В Индии для записи законов и других важных государственных документов выбрали медь. В Государственной библиотеке Монголии есть книга с золотыми буквами на серебряных страницах. Золота в ней 52 килограмма, а серебра 640 килограммов.

Тексты для металла наносили на форму отливки, что было неудобно. Производство пластин занимало много времени и требовало больших затрат. Пластины позволяло себе только высшее сословие. Выход нашли те же римляне. Более дешевым материалом  восковыми табличками из дерева или слоновой кости человечество пользовалось более полутора тысяч лет.

Ничего универсального долго не появлялось. Одни материалы оказывались чересчур тяжелыми, другие хрупкими, третьи отличались дороговизной или требовали слишком больших усилий при обработке.

Роль бумаги в развитии человечества

Долго время производство бумаги оставалось коммерческой тайной ограниченного круга владельцев. Процесс ее изготовления был чрезвычайно трудоемок. История бумаги, как и использование ее, была привилегией представителей состоятельного класса, которые вели переписку, читали книги, повышали свой уровень образования.

Чем более доступными становились бумажные носители, тем скорее росли темпы обретения новой информации широким кругом людей. К примеру, Марко Поло написал книгу о своих путешествиях, ее прочитали тысячи людей, и их картина окружающего мира расширилась. Дарвин описал свои умозаключения о происхождении видов, которые пришли к нему еще в юности, когда он отправился в экспедицию на корабле «Бигль».

Так повышался уровень образованности общества, что косвенно приблизило сегодняшний уровень развития. Развивалось книгопечатание, отпала необходимость в рукописных текстах, позже появились печатные машинки, а в компьютерную эпоху — принтеры.

Изготовление бумаги

Наверное, вы уже знаете, что бумагу, как правило, делают из дерева. Поэтому рассмотрим, как из дерева делают бумагу.

Чаще всего для изготовления бумаги используют целлюлозу, которую получают из древесины ели, сосны, березы, хвои, каштана и др..

На бумажной фабрике стволы деревьев обдирают от коры, размалывают и дают набухнуть в воде. На этом этапе процент воды составляет 95% и 5 процентов древесной массы.

Задача этого этапа – измельчить древесину до фибрилл – мелких волокон. Дерево определенное время варится в специальных растворах, которые состоят из раствора кислот. Они должны не только измельчить трески, но и отбелить древесную массу.

От этой операции в значительной степени зависит, какой сорт бумаги получим. После измельчения, нужно очистить массу от ненужных примесей, и добавить в нее связующие вещества и наполнители. Для этой цели используются органические и неорганические вещества, различные оксиды.

Их задача – связать вещество в равномерную массу, вязкую массу.

После этого, на специальных поточных линиях, полученную массу формуют в полотно бумаги. В частности, массу выливают на сетчатую поверхность, где формируется полотно бумаги.

Далее, оно покрывается рядом веществ – в зависимости от вида бумаги. Например, для получения мелованной бумаги, он покрывается с одной или двух сторон пигментно-клеевым раствором, который придаст изделию более гладкость и белизну. Этот процесс состоит из нескольких этапов, чтобы увеличить прочность адгезии слоя бумажного полотна.

Также, на поверхность бумаги может наноситься проклейка. Это вещество, которое увеличивает устойчивость бумаги к жидкости, в том числе воды, клея или краски.

Далее бумага проходит через тяжелые цилиндры (каландры), которые увеличивают ровность и гладкость бумаги и бумага просушивается. Нужно сказать, что готовая бумага имеет влажность около 7%. Если будет больший процент влажности, то материал станет менее прочным, если влаги будет меньше, то бумага будет хрупкой.

Картон изготавливают подобным методом, только толщина его больше. Картоном считают бумагу, который тяжелее, по 250 грамм/м2.

Готовую бумагу в бумагоделательной машине наматывают в рулоны, и направляют в типографию. У них бумага намотана в рулоны и режется на отдельные листы, и поступает в печатный цех.

Газетная

Из открытого источника Яндекс Картинки

Часто в сленге полиграфиста есть словечко «газетка». Оно означает очень тонкую бумагу, обычно темного сероватого или желтоватого оттенка. Она изготавливается путем прессования мельчайших частей древесины. Не предназначена для длительного использования. Обычно имеет плотность 40–52 г/м2 (самая распространенная – 48 г/м2).

Из открытого источника Яндекс Картинки

На ней возможна только офсетная печать. Все потому, что цифровая машина просто не захватит такую плотность, а шелкография легко ее продавит. Офсетная печать на газетной бумаге может быть полноцветной, черно-белой. В первом случае яркости и насыщенности у оттенков не будет (из-за цвета самой бумаги), потому часто для обложки применяют так называемую «меловку» (о ней пойдет дальше).

Когда появилась и начала производиться бумага в разных странах

В таб­ли­це све­де­ния о появ­ле­нии бума­ги в стра­нах мира.

Ука­зан­ные даты несколь­ко отли­ча­ют­ся в раз­ных источ­ни­ках, в неко­то­рых слу­ча­ях дата взя­та из доку­мен­тов, в кото­рых впер­вые упо­ми­на­ет­ся дан­ное про­из­вод­ство.