Современная бумага (от итал. bambagia ― хлопок) состоит преимущественно из прочно соединенных между собой волокон в основном растительного происхождения. Бумага появилась в Китае во II в. до н.э. Это была примитивная бумага, больше похожая на войлок. В 105 г. н.э. китайский князь Цай Лунь усовершенствовал процесс изготовления бумаги, поэтому считается, что бумага была изобретена в 105 г., когда Цай Лунь подал властям прошение об использовании предложенного им способа изготовления бумаги.
Изобретение бумаги. В Китае до Цай Луня сырьем для бумаги служили шелковые обрезки, отходы коконов шелкопряда, обрывки старых сетей. Их размачивали в воде и вручную растирали между камнями. Полученную кашицу наливали на отшлифованную каменную плиту и прижимали другим отшлифованным камнем. После высыхания получалась примитивная бумага, представлявшая собой лепешку наподобие войлока.
Цай Лунь предложил использовать в качестве сырья луб шелковицы. Луб — это волокнистая внутренняя часть коры. Кроме того, он усовершенствовал сам процесс изготовления бумаги, особенности которого приводятся ниже. С коры шелковицы удаляли верхний темный слой, а оставшуюся волокнистую часть размачивали в воде. После промывки луб рубили на мелкие части и толкли в ступе тяжелым пестом до волокнистой кашицы, которую собирали в деревянную бочку и разбавляли водой. Из бочки бумажную массу вычерпывали формой, представлявшей собой сетку (сито) с очень мелкими ячейками, сплетенную из шелковых нитей и натянутую на прямоугольную раму. На форме бумажную массу тщательно разравнивали, удаляли излишки, давая возможность воде стекать сквозь мелкие ячейки. В сите оставался ровный тонкий слой волокнистой массы. Ее опрокидывали на гладкую доску. Доски с отлитой бумагой укладывали одну на другую, связывали и сверху помещали груз, под тяжестью которого удалялись остатки воды. Затем листы окончательно просушивали в теплом помещении. Бумага, изготовленная по такой технологии, не была похожа на рыхлую лепешку. Это был ровный, легкий, прочный материал, удобный для письма, и к тому же более белый.
Позже процесс изготовления бумаги был усовершенствован. Это происходило под влиянием возраставшего значения бумаги и роста спроса на нее. Для того чтобы отбелить сырье и получить возможность измельчать его в большей степени, волокнистую массу стали варить с добавлением золы или гашеной извести. Каменная ступа была заменена толчеей, в которой сырье измельчалось пестом, прикрепленным к рычагу. Рычаг приводился в движение ногой. Кроме того, появился пресс для отжима воды из стопок бумаги. Для улучшения связи волокон в листе в бумажную массу стали добавлять животный клей.
Использование бумаги. Во II―III вв. н.э. бумага из растительных волокон не считалась в Китае редким материалом. В III в. она полностью вытеснила использовавшиеся для письма деревянные дощечки. Бумагу изготовляли определенного размера, цвета, и массы. Ее пропитывали специальными веществами, которые отпугивали вредных насекомых.
Бумагу использовали для переписки священных книг. Из бумаги делали всевозможные украшения, зонты, веера, в нее заворачивали продукты, она вставлялась в окна вместо стекла или слюды, т.к. была дешевле этих материалов. В начале IX в. в Китае появились бумажные деньги.
Распространение бумаги. В течение нескольких веков китайцы тщательно хранили секрет изготовления бумаги, но постепенно бумага стала появляться в различных странах. Вначале бумага попала в соседние с Китаем государства. Во II в. н.э. она достигла Кореи. Через Корею в III в. бумага попала в Японию, но развитие бумажного производства там началось лишь в 610 г. Японцы использовали собственную технологию, и их бумага отличалась очень высоким качеством. Японская бумага, изготовленная тысячу лет назад, и сейчас сохраняет свои первоначальные свойства.
В III в. с бумагой познакомились и народы Центральной Азии, В VII в. она стала известна в Индии, в VIII — в Западной Азии. В X столетии бумага появилась в Африке, в XII ― в Европе. В XVI в. бумага стала известна в Америке. Сначала она появилась в Мексике (до 1580 г.). В XVII в. ручное производство бумаги возникло на территории современных США. Производство бумаги успешно развивалось и на территории арабского Халифата. Благодаря пленным китайцам арабы успешно освоили производство бумаги. Однако в распоряжении арабов не оказалось сырья, которым пользовались китайцы и японцы, поэтому они стали делать бумагу из тряпья, иногда из хлопка. Арабы приспособили для измельчения бумажной массы мельничные жернова. Это ускорило ее изготовление и позволило увеличить производство бумаги. Сначала жернова вращали вручную, затем с помощью скота, и, наконец, для этого стали применять силу воды. Поскольку размол бумажной массы составлял основу производства бумаги, мастерские, где ее делали, стали называть бумажными мельницами. В течение 500 лет на Западе арабы сохраняли за собой монополию на изготовление бумаги. Они владели огромным количеством бумажных мельниц. В их библиотеках имелось большое количество рукописных книг, написанных на бумаге. В то же время в Европе далеко не все знали о существовании бумаги. Большинство населения было неграмотно. Библиотеки даже самых развитых европейских стран обладали лишь небольшим количеством книг на пергаменте. Бумажных книг там не было.
Совершенствование бумажного производства в Европе. Испания стала первой в Европе делать бумагу; искусство изготовления бумаги испанцы переняли у своих завоевателей — арабов. Сначала испанцы изготовляли бумагу из хлопка, потом в качестве сырья стали использовать очесы, ветхое белье, спорки, старые канаты и паруса. Датой появления бумаги в Испании называют 1150 г., когда там была построена первая бумажная мельница.
В 1154 г. бумага попала в Италию. Итальянские бумажники усовершенствовали процесс, применив для измельчения сырья так называемые толчеи, в которых бумажную массу толкли деревянными пестами, окованными железом, приводившимися в движение от колеса водяной мельницы. Устройства такого типа применялись бумажниками многих стран почти до конца XVIII в. Кроме того, для повышения прочности и водостойкости итальянцы стали проклеивать бумагу животным клеем. Благодаря проклейке бумага перестала пропускать чернила и краску.
В 1189 г. бумагу стали делать во Франции. Как только бумага проникала в ту или иную страну, она находила там самое широкое применение. Однако в некоторых странах к ней относились с недоверием. Например, в Священной Римской империи в 1231 г. было запрещено использовать бумагу для нотариальных документов и в судебном делопроизводстве. Считалось, что в таких случаях бумага не могла заменить пергамент. Но, несмотря на это, значение бумаги все возрастало. Ее использовали торговцы для конторских книг, расписок, счетов. Со временем она получила доступ и в государственные учреждения. Все больше бумаги требовалось монастырям, библиотекам, учебным заведениям. Заниматься изготовлением бумаги оказалось чрезвычайно выгодно, поэтому во всех странах, где было известно производство бумаги, появлялись все новые бумажные мельницы. Их строили вблизи водоемов, ведь с помощью воды приводились в движение толчеи, необходимые для измельчения сырья. Но и для создания самой бумага нужно большое количество мягкой (свободной от минеральных солей) и чистой воды. Такая вода способствует созданию высококачественной жидкой бумажной массы.
Процесс изготовления бумаги оставался кустарным, использующим в основном ручные операции. Важнейшим специалистом при этом был черпальщик. Как и древние китайцы, он, используя прямоугольную форму с сетчатым дном, вычерпывал из чана бумажную массу и разравнивал ее. Требовалось большое умение для того, чтобы после того, как стечет вода лучить на сетке ровный волокнистый слой. Затем рабочий-приемщик переворачивал раму, и волокно попадало на суконную прокладку. Когда набиралась стопа листов, разделенных прокладками, имеющая достаточную высоту, другой рабочий с помощью пресса удалял из листов влагу; затем листы просушивали и подвергали различным видам отделки. Их распрямляли, разглаживали, шлифовали, снова прессовали и т.д. В технологии изготовления бумажного листа насчитывалось не менее 30 операций.
На сетках для отлива бумаги укреплялись филиграни (фр. filigrane от итал. Filigrana) ― изображения из тонкой проволоки. Те участки сеток, где находились изображения, становились слегка выпуклыми, и в результате при отливке на них оседало меньше волокна. Таким образом, на готовых листах получались водяные знаки — изображения, которые видно только на просвет. Водяные знаки помогают ученым правильно датировать древние рукописные и печатные издания. При современном машинном способе изготовления бумаги сложно изготовлять филиграни. Поэтому только в особых случаях современную бумагу помечают водяными знаками.
Во второй половине XVII в. в Голландии усовершенствовали процесс подготовки бумажной массы — были изобретены голландеры или роллы (от нем. Rolle ― каток, валик). Ролл разрывал тряпки, растирал их и одновременно перемешивал с водой измельченное сырье. Все это происходило в небольшой прочной ванне. В ней вращался барабан с ножами, а на ее дне находились неподвижные ножи. В роллах тряпье раздиралось на тончайший волоконца. Подготовленная таким способом бумажная масса отличалась высоким качеством. Один ролл создавал столько бумажной массы, сколько за такое же время делали несколько толчей. Долгое время голландцы держали свое изобретение в тайне, пока их секрет не стал известен французам. В конце XVII в. роллы начали применять в бумажном производстве почти во всех странах.
Бумажное производство в России. Россия познакомилась с бумаги лишь в конце XIII в. и закупала ее за границей более 260 лет. Только во второй половине XVI в. в царствование Ивана Грозного, в России появилась бумага собственного производства. В конце XVI — начале XVII в. было построено много бумажных мельниц в Москве, Киеве. Вильнюсе и других городах. Реформы Петра I способствовали развитию книгопечатания, а, следовательно, и росту потребления бумаги и развитию бумажной мануфактуры, увеличению количества бумагоделательных предприятий. Ко второй половине XVIII в. государственные бумажные мануфактуры не удовлетворяли растущего спроса на бумагу, поэтому поощрялось строительство частных предприятий. Некоторые из них оставили заметный след в развитии русского бумажного производства. К концу XVIII в. в России насчитывалось более 60 мануфактур, изготовлявших листовую бумагу ручным способом.
Создание бумагоделательной машины. Производительность роллов была так высока, что черпальщики не успевали превращать подготовленную массу в бумажные листы. Нужна была машина, которая бы отливала бумагу не отдельными листами, а непрерывной лентой. Идея создания такой машины появилась у француза Луи Николаса Робера. Робер сначала работал корректором в типографии, а затем стал служащим на бумажной фабрике. Знакомство с полиграфической технологией и бумажным делом позволило изобретателю создать машину, которая с помощью небольшого количества рабочих давала возможность получать много бумаги. Созданию и продвижению машины способствовала революция во Франции, которой требовалась бумага на печатание газет (появилось более 300 новых газет), листовок, воззваний.
Первая бумагоделательная машина была построена в 1799 г. Она занимала площадь всего 4,5 кв. м. В ней чан с бумажной массой размещался на деревянной станине. Над ним располагалась натянутая на два деревянных ролика медная сетка, которая непрерывно двигалась от ручного привода. При помощи вращающейся крылатки из чана на сетку ровным потоком подавалась жидкая бумажная масса. Вода через сетку уходила в чан, а оставшиеся на сетке волокна соединялись друг с другом, образуя бумажное полотно, которое затем пропускалось между двумя валиками, обтянутыми сукном. В результате бумажное полотно уплотнялось и теряло остатки влаги. Затем оно наматывалось на приемный валик, установленный в конце машины. Когда на валике образовывалось примерно 15 м бумаги, валик снимали с машины, бумагу разматывали, пропускали между отжимными валиками и сушили на воздухе. Машина была еще не совершенна. Она приводилась в движение вручную и делала всего 5 м бумаги шириной 64 см в минуту. У машины не было ни прессового, ни сушильного устройств. Но великое изобретение стало достоянием мировой бумажной промышленности. Оно распространялось во многие страны, В Англии первая бумагоделательная машина появилась в 1804 г., спустя двадцать лет в Лондоне их было уже 38. К ним приспособили сушильные цилиндры, которые обогревались изнутри углями, а затем и паром. К концу XIX в. бумагоделательные машины стали сложными агрегатами. Они вырабатывали бумагу со скоростью 120 м/мин при Ширине сетки, на которой формируется бумажное полотно, равной 3 м. В сутки такая машина делала до 20 т бумаги. В XX в. были созданы еще более мощные бумагоделательные машины, которые были способны делать до 1000 м бумага в сутки.
Поиски нового сырья. До XIX в. в качестве сырья для бумаги использовалось тряпье. Увеличение производительности бумагоделательных машин требовало все большего количества сырья. Тряпья стало не хватать. Проблема сбора тряпья осложнялась тем, что с середины XIX в. в западных странах в производстве тканей для одежды начали широко использовать хлопок. В отличие от натурального хлопка тряпье из хлопка плохо подходит в качестве сырья для бумаги, Сам же хлопок дорог, поэтому, несмотря на высокое качество хлопковой бумаги, он нашел лишь ограниченное применение в бумажной промышленности. Еще в начале XVIII в. высказывались предположения о том, что в качестве сырья для изготовления бумаги могла бы использоваться древесина. Но лишь в 40-е годы XIX в. немецкий ткач и переплетчик Фридрих Келлер доказал принципиальную возможность получения бумаги из древесины. Древесину, очищенную от коры, Келлер измельчал с помощью точильного камня. Такое точило впоследствии стало называться ручным дефибрером (фр. defibreur от лат. fibra ― волокно). Бумага, полученная из древесной массы, оказалась грубой, жесткой и ломкой. Она не могла найти практического применения. Хорошую и прочную бумагу удалось получить лишь после того, как Келлер смешал тряпичную и древесную массы. Первый механический дефибрер создал инженер Фельтер, а в 1854 г. таким дефибрером был оборудован первый завод по производству древесной массы. В настоящее время древесная масса является одним из важнейших видов сырья для производства бумаги.
Вторым видом сырья является целлюлоза (от лат. cellula ― клетка). Целлюлоза ― это углевод, являющийся главной составной частью клеточных стенок растений. Целлюлоза состоит из множества тончайших и очень прочных волоконцев. В хлопке содержится до 92% целлюлозы, в древесине до 50%, но запасы древесины очень велики, вот почему ее и используют в качестве сырья для получения целлюлозы. Для этого древесину измельчают и нагревают до высокой температуры в щелочной среде при повышенном давлении. Технология получения целлюлозы была создана в середине XIX в. англичанином Уаттом и американцем Барджессом. Во второй половине ХIХ в. во многих странах Европы, в том числе и в России, а также в США, были созданы целлюлозные заводы.
Таким образом, в состав бумаги может входить целлюлоза и древесная масса. Причем, качество бумаги тем выше, чем больше в ее составе целлюлозы. Но увеличение количества древесины удешевляет бумагу. В состав газетной бумаги входит всего 35% целлюлозы.
Современная технология изготовления бумаги. На современных целлюлозно-бумажных комбинатах существуют участки подготовки сырья — древесины и целлюлозы. На них бревна в специальных устройствах автоматически очищаются от коры и измельчаются. Часть древесной массы поступает в варочные котлы, в которых происходит варка целлюлозы. Другая часть используется для создания бумажной массы. Бумажная масса готовится в специальных устройствах из целлюлозы, древесины и некоторых добавок. Все эти вещества разбавляются большим количеством воды. На современных целлюлозно-бумажных комбинатах применяют несколько типов бумагоделательных машин: пока еще наибольшее применение находят традиционные четырехсекционные, кроме них используются и двухсеточные машины, а картон и толстую бумагу делают на круглосеточных. Принцип работы четырехсекционных машин мало отличается от того, который использовался в бумагоделательных машинах в ХIХ в. Но современные бумагоделательные машины работают непрерывно круглые сутки. Кроме того, автоматизированы все операции по отделке бумаги. С помощью дозаторов бумажная масса ровным слоем наносится на непрерывно движущуюся сетку, которая совершает колебания и в поперечном направлении. При движении бумажного полотна по сетке из него в значительной степени удаляется вода. Для этого используются специальные отсасывающие устройства. Бумажное полотно, в котором сохраняется 80-85% влаги, передается на сукно для ввода в прессовую часть. Бумажное полотно, находящееся на сукнах, проходит между прессующими валами машины, которые выжимают из него остатки воды, придавая ему прочность. Так как всю воду выжать невозможно, бумажное полотно поступает в сушильные устройства, где и происходит его сушка. Сушильная часть представляет собой систему металлических цилиндров диаметром до 1,5 м, нагретых до 100―120°С и вращающихся с большой скоростью. В результате бумага разглаживается, отдает влагу; между ее волокнами образуются водородные связи, благодаря которым волокна хорошо соединяются между собой, и бумага становится прочной. Далее происходит отделка бумаги, для чего ее пропускают между чугунными валами — каландрами. В случае необходимости бумажное полотно может подвергаться и другим видам обработки. В заключение бумага наматывается на специальный вал. Как только толщина рулона достигнет 1,5―2,5 м, он снимается специальным краном и передается на продольно-резальный станок, где бумага режется и перематывается в рулоны стандартных размеров.
Современная бумагоделательная машина может вырабатывать до 160 тыс. тонн бумаги в год.
Лицевая (суконная) и оборотная (сеточная) стороны бумаги, изготовленной на четырехсекционных машинах, имеют неодинаковую гладкость, вследствие чего печатную машину для печати на лицевой и оборотной сторонах приходится настраивать по-разному. Для преодоления этого недостатка были разработаны бумагоделательные машины двухсеточного формирования. Существует несколько разновидностей таких машин, но во всех них бумага формируется между двумя сетками, вода отделяется с обеих сторон листа, и обе стороны имеют одинаковую гладкость. Другое достоинство таких машин — высокая производительность. Недостатком является более ярко выраженное в отлитой на них бумаге продольное направление волокон, что приводит к неравномерной ее усадке в продольном и поперечном направлениях при увлажнении. Поэтому такую бумагу не рекомендуется использовать для многокрасочной офсетной печати.
Елена Козлова. История печатных средств информации
