Бумага — очень древнее изобретение. Её знали в Древнем Китае. Отцом бумаги считают китайца Пай Луня, который придумал бумагу в 105 году новой эры. Делали её тогда так: клочки шелковой ваты, тряпье, старые рыболовные сети измельчали и бросали в чан с водой, взбалтывали, пока не получалась однородная, водянистая кашеобразная масса, которую черпали бамбуковой сеткой. Осадок, оставшийся лежать ровным слоем на сетке, просушивали. Этот принцип работает, и сегодня, изменились только средства производства, масштабы, скорости и сырье. В России бумага появилась в XIV веке. До этого времени писали на пергаменте [1].
Для производства бумаги используют волокнистые материалы растительного происхождения, выделенные из древесины хвойных и лиственных пород, стеблей, листьев и дуба некоторых растений. Иногда в бумажную массу добавляют волокна шерсти, хлопка, синтетическую органику [4, 5].
Главным компонентом растительных волокон является природный полимер — целлюлоза, обладающая многими свойствами для производства бумаги.
- древесина хвойных пород — ель, сосна, пихта, лиственница;
- древесина лиственных пород — береза, осина, тополь, ольха, бук, эвкалипт;
- стебли однолетних растений — солома злаков, кукурузы, тростника, багассы (сахарного тростника), бамбука;
- лубяные волокна однолетних растений — лён, конопля, джут, кенаф;
- волокна семян хлопка и отходов хлопкового производства;
- волокна из листьев некоторых растений — манильская пенька, новозеланский лён;
- тряпьё хлопчатобумажное, льняное, пеньковое;
- макулатура (старая бумага, бумажные обрезки) [11].
Многие виды бумаги вырабатывают с минеральными наполнителями, которые сообщают бумаге определенные свойства. Вводят наполнители в бумажную массу до или после ее размола. Процесс введения минеральных наполнителей в бумагу называется ее наполнением или отяжелением [3].
К наполнителям, вводимым в бумажную массу, предъявляются определенные требования. Наполнитель должен:
- иметь высокую белизну и с одинаковой интенсивностью отражать все цвета видимого спектра;
- иметь более высокий коэффициент преломления лучей, чтобы даже в тончайшей бумаге обеспечивать максимальную непрозрачность;
- быть однородным и мелкодисперсным, иметь частицы размером не более 0,3 мкм, что соответствует примерно половине длины волны видимого света;
- частицы наполнителя не должны быть слишком твердыми, чтобы по возможности не оказывать механического воздействия на оборудование, применяемое для изготовления и переработки бумаги;
- быть химически инертным, нерастворимым в воде и неизменяемым на воздухе;
- иметь невысокую плотность, чтобы не вызывать разносторонность бумаги и хорошо удерживаться на волокне;
- прочно связываться с образующимся бумажным полотном; быть доступным и дешевым [1, 2].
В качестве наполнителя для пергамента в бумажную массу с целью повышения непрозрачности вводят двуокись титана.
Диоксид, как и металл, белого цвета, поэтому используется он в качестве пигмента. Главное его достоинство — нетоксичность и безвредность. Кроме того, покрытия приобретают высокую стойкость к воздействиям ультрафиолета, не желтеют и практически не стареют.
Около 14 % объема производства двуокиси титана используется при производстве бумаги (белой, цветной, пропитанной), картона, обоев. Диоксид титана играет важную роль при пигментовании. Для придания бумаге гладкости, белости и высоких свойств при печати на поверхность наносят диоксид или его смеси с другими пигментами.
Из применяемых в бумажном производстве наполнителей только двуокись титана имеет средний размер частиц около 0,3 мкм, чем объясняется его высокая эффективность. У каолина, талька, мела и других наполнителей размер частиц значительно превышает указанный. Вместе с тем у некоторых синтетических силикатных наполнителей размер частиц достигает до 0,02 мкм и они придают бумаге высокую белизну и непрозрачность. Это объясняется тем, что оптические свойства бумаги в значительной степени определяются не только размерами исходных частиц наполнителя, но также размерами и структурой тех агломератов, которые из них образуются в результате введения в бумажную массу сернокислого алюминия, флокулирующих полиэлектролитов и других добавок. Поэтому очень важно, чтобы в процессе отлива бумаги в бумажном полотне частицы наполнителя находились в определенном агломератном состоянии, которое можно регулировать в известных пределах различными технологическими факторами [5].
Титановые пигменты, используемые в качестве наполнителя бумаги, представляют собой либо двуокись титана, либо двуокись титана в сочетании с гипсом и сернокислым барием. В последнем случае содержание гипса и сернокислого бария может достигать 50–75 %.
Основная цель введения наполнителей в бумагу заключается в том, чтобы сообщить ей такие свойства, как белизну, непрозрачность, мягкость, гладкость, впитывающую способность и другие. Эти свойства особенно необходимы для писчей бумаги и бумаги для печати. Минеральные наполнители улучшают печатные свойства бумаги. Бумага лучше воспринимает краску из печатной формы. Полученное изображение отличается большей сочностью, не просвечивает на другую сторону листа и не затрудняет чтения. Последнее свойство важно также и для писчей бумаги [4, 10].
Применение минеральных наполнителей имеет также и экономическое значение, так как позволяет заменить часть волокна более дешевым минеральным материалом. Несмотря на значительные потери (50–60 %) наполнителей в производстве, применение их экономически выгодно. Однако наполнители придают бумаге и отрицательные свойства: понижают механическую прочность и степень проклейки бумаги [6, 7, 8, 9]. Понижение этих показателей качества бумаги ограничивает количество вводимых в нее наполнителей.
О количестве наполнителей в бумаге судят по ее зольности. Зная естественную зольность волокна и потерю при прокаливании минерального наполнителя в процессе озоления бумаги, нетрудно подсчитать количество наполнителя, содержащегося в бумаге. Для большинства наполнителей, кроме мела, истинное их содержание в бумаге мало отличается от значения ее зольности.
По содержанию наполнителей все виды бумаги условно можно разбить на четыре группы: бумага с естественной зольностью волокна (т. е. без наполнителей), малозольная, с содержанием золы до 5 %, средней зольности (до 12–15 % золы) и высокозольная бумага, с содержанием золы выше 15 % [7].
Растительный пергамент, выпускаемый сейчас на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, — это жиронепроницаемая бумага для упаковки и технических целей, изготавливаемая с помощью специального технологического процесса из бумаги-основы путем обработки серной кислотой. Основа пергамента вырабатывается из чистой целлюлозы хвойных и лиственных пород древесины [8].
Актуальность этой темы заключается в том, что одним из недостатков пергамента является его повышенная прозрачность и с целью преодоления такого недостатка, как низкая непрозрачность пергамента, была разработана и освоена технология производства наполненного пергамента.
Высокая прозрачность упаковочного материала плохо защищает продукт от ультрафиолета, способствующего окислительным процессам и процессам деструкции. Кроме того, страдает и качество печати и внешнего оформления упаковки из-за низкой контрастности печатного изображения. Этот недостаток усиливается, когда в пергамент упаковывают влажные продукты и прозрачность упаковки повышается.
Пергамент без наполнителя (0 % наполнителя) имеет низкую непрозрачность на уровне 50 %. Это связано с его монолитной структурой и малым светорассеянием из-за малой площади границы раздела фаз целлюлоза-воздух. Для сравнения: у бумаги-основы, где удельная площадь поверхности волокон достаточно велика, непрозрачность составляет 65–75 % [6].
Пергамент наполненный изготовлен из беленых видов целлюлозы. В качестве наполнителя в бумажную массу с целью повышения непрозрачности пергамента вводят двуокись титана. Преимущества наполненного пергамента по сравнению с контрольным: сравнительно лучшая защита упакованного продукта от разрушающего действия ультрафиолетовых лучей, повышенная белизна, прочность и четкость наносимой печати, что лучше обеспечивает внешнюю привлекательность упаковки. На опытный пергамент можно наносить логотипы, которые служат визитной карточкой предприятия — изготовителя масла и позволяют отличить его продукцию от других. Наполненный пергамент наравне с традиционным является экологически чистым, инертным к продукту, безопасным для здоровья, легко утилизируемым материалом [4, 6].
Таким образом, можно увидеть, что барьерные показатели опытного пергамента по сравнению с контрольным, используемым для упаковывания сливочного масла монолитами, практически не отличаются и характеризуются следующими величинами: жиропроницаемость > 1860 с; паропроницаемость ~ 0,02 г/дм2; водостойкость > 1860 с.
Литература:
1. Сквернюков П. Ф. Слово о бумаге — Московский рабочий, 1980.
2. Примаков С. Ф. Производство бумаги. — М.: Лесная промышленность, 1987.
3. Непенин Ю. Н. Технология целлюлозы — М.: Экология, 1994. — Т.3.
4. Полиграфические материалы. Бумага: учеб, пособие / Л. Г. Варепо. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. — 132 с.
5. Примаков С. Ф. Производство бумаги.- М.:Лесн. пром-сть,1967–224с. [Б-чка бумажника]
6. Муллина Э. Р., Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Ершова О. В. Влияние химической природы проклеивающих компонентов на гидрофильные и гидрофобные свойства целлюлозных материалов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 250; URL: www.science-education.ru/120–16572 (дата обращения: 20.04.2015).
7. Мишурина О. А., Тагаева К. А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. — 2013. — Т. 1. № 71. — С. 286–289.
8. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р., Ершова О. В. Исследования качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 254; URL: www.science-education.ru/115–12226 (дата обращения: 21.04.2015).
9. Мишурина О. А., Чупрова Л. В., Муллина Э. Р. Исследование влияние химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические свойства бумаг для гофрирования // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013. № 8. С. 52–55.
10. Флят Д. М. Свойства бумаги. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Лесная промышленность, 1986. — 680 с.
11. Пузырев С. А., Бурова Т. С., Кречетов С. П., Рыжов П. Т. Технология обработки и переработки бумаги — М.: Лесная промышленность, 1985. — 312 с.
