Санкт-Петербург:
,
Опубликовано:
Бумагу делают из растительных волокон целлюлозы — сегодня почти всегда из древесины и макулатуры, реже из хлопка, льна, конопли, соломы или тростника. Волокна размалывают с большим количеством воды, добавляют клей, крахмал и минеральные наполнители, а затем бумагоделательная машина отливает из этой массы полотно, отжимает его и сушит.
Ниже — из чего состоит бумага, какое дерево идёт на неё, чем древесная масса отличается от целлюлозы, как работает бумагоделательная машина, сколько раз можно перерабатывать макулатуру и из чего делают упаковочную бумагу.
Бумага — это волокнистый материал с минеральными добавками. Само слово, предположительно, пришло из итальянского bombagia — от латинского bombacium, «хлопок». Основа бумаги — волокна целлюлозы, которые есть в любом растении. В древесине, кроме воды, три главных компонента: волокна целлюлозы (именно они нужны для бумаги), лигнин — природный полимер, который склеивает волокна между собой, — и гемицеллюлозы. Задача производства — освободить волокна целлюлозы: размолоть древесину или растворить лигнин.
Сами по себе волокна дают рыхлый, впитывающий лист вроде промокашки. Чтобы получилась привычная бумага, в бумажную массу вводят добавки:
Теоретически годится любое дерево, но больше ценятся хвойные — ель, сосна, пихта, лиственница: волокна у них длиннее, и бумага выходит прочнее. Из лиственных пород берут эвкалипт, осину и берёзу.
Древесина — главное сырьё: в 2023 году из неё делали 92 % всей целлюлозы. При этом на большинстве современных фабрик из специально заготовленных брёвен (балансов) получают лишь 9–16 % массы, а остальное — из щепы и других отходов древесины, которые раньше просто сжигали. По оценкам, на бумагу идёт около 35 % вырубаемых деревьев. Около 90 % целлюлозы получают с плантаций и восстановленных лесов: плантации, которые выращивают специально для целлюлозы, дают 16 % мирового производства, а старовозрастные леса — около 9 %.
Из древесины волокно получают двумя путями — механическим и химическим. От способа зависит, какой будет бумага:
| Полуфабрикат | Как получают | Какая выходит бумага |
|---|---|---|
| Древесная масса | брёвна длиной 1–2 м прижимают к вращающемуся камню или размалывают щепу в дисковых мельницах; лигнин остаётся в массе | дешёвая, выход сырья больше 95 %, но волокна короткие, бумага слабее и со временем желтеет и становится ломкой |
| Целлюлоза | щепу варят в растворе, который растворяет лигнин; волокна сохраняют длину | прочная и долговечная; её можно отбелить, хотя отбелка уносит около 5 % волокна |
| Макулатура | старую бумагу и картон распускают в воде, очищают, при необходимости удаляют краску | картон, упаковка, газетная и туалетная бумага, салфетки; прочность ниже, чем у первичного волокна |
| Недревесное сырьё | солома, тростник, конопля, хлопок, лён | около 5–10 % мировой целлюлозы; бумагу из хлопка и льна ценят за длинные прочные волокна |
У механического способа есть и более современный вариант — термомеханическая масса: щепу пропаривают и перетирают между двумя стальными дисками. Электроэнергии на механическую массу уходит много, но она всё равно дешевле химической.
Варить целлюлозу можно по-разному. Сульфитный способ известен с 1840-х годов и до Второй мировой войны был главным. Сульфатный, или крафт-способ, изобрели в 1870-х, применяют с 1890-х, и сейчас он самый распространённый: волокна получаются особенно прочными, а тепло от реакции с лигнином фабрики даже превращают в электричество. Из слабо проваренной небелёной сульфатной целлюлозы делают крафт-бумагу — самую прочную обёрточную бумагу. Её название и происходит от немецкого Kraft — «сила».
Хлопку варка не нужна: он почти на 90 % состоит из целлюлозы. А бумагу из хлопка, льна и конопли с их длинными прочными волокнами ценят выше древесной — сегодня её делают в основном для изящной печати и искусства.
Современная бумагоделательная машина работает непрерывно и в значительной мере автоматически. Путь от массы до рулона выглядит так:
Для особенно гладких сортов есть ещё суперкаландр — вертикальная батарея из 5–8 металлических валов: проходя между ними сверху вниз, полотно становится глаже, плотнее и ровнее по толщине.
Расход древесины зависит от способа. По одной из оценок, на тонну писчей и печатной бумаги крафт-способом уходит в среднем около 24 деревьев высотой 12 м и толщиной 15–20 см. Механический способ примерно вдвое экономнее, ведь в массу идёт почти вся древесина.
Бумаги в мире становится больше, а не меньше. По данным организации «Форум по экологии и бумаге», в 1980 году человечество израсходовало около 170 млн т бумаги, а в 2017 году — больше 423 млн т. Бумаги для книг и журналов нужно всё меньше, а вот упаковочной — всё больше, во многом из-за онлайн-торговли.
Макулатура — это отходы производства и использованная бумага и картон, которые снова идут в дело как волокнистое сырьё. Из неё делают писчую, типографскую и туалетную бумагу, тарный и упаковочный картон, строительные материалы. Из тонны макулатуры получается около 750 кг бумаги, а сама тонна заменяет примерно 4 м³ древесины.
Бесконечно перерабатывать бумагу нельзя: обычно не больше 5–7 раз. При каждой переработке волокна укорачиваются, поэтому к макулатуре на фабриках часто добавляют первичное волокно. Краску из старой бумаги удаляют отдельным процессом — облагораживанием. Газетную и туалетную бумагу, салфетки нередко делают целиком из облагороженной макулатуры.
Не всякая бумага годится во вторичное сырьё. Пергамент, бумага с полиэтиленом, металлизированная и пропитанная жиром бумага по ГОСТ считаются загрязнениями и мешают переработке.
В России макулатуру заготавливают и закупают по ГОСТ 10700-97, и в 2020-х годах в переработку шло больше 60 % бумаги и больше 80 % картона. Чтобы сырьё было чистым, сдавать нужно правильно — что принимают, а что нет, мы разобрали в статье о том, что можно сдать в макулатуру. Бумагу, сделанную целиком из макулатуры, по системе лесной сертификации FSC отмечают знаком FSC Recycled, а смесь сертифицированного первичного волокна и макулатуры — FSC Mix.
Для упаковки главное — прочность, поэтому её основа — длинные хвойные волокна сульфатной целлюлозы. Небелёная крафт-бумага обычно бурая: из неё делают мешки, гофрокартон и пакеты, например крафт-пакеты с прямоугольным дном для муки, круп, кофе и выпечки. Такая бумага прочная и пропускает воздух. Для мешков выпускают мешочную крафт-бумагу: её микрокрепируют, и она тянется без разрыва на 4 % вдоль полотна и на 10 % поперёк.
Для жирных продуктов нужна другая бумага. Растительный пергамент получают из обычной бумаги-основы: её проводят через серную кислоту, часть целлюлозы растворяется и закупоривает поры, и лист перестаёт пропускать жир и влагу. Подробнее о нём — в статье о пергаменте и пергаментной бумаге. Картон для бумажных стаканов плотностью 170–350 г/м² покрывают барьерным слоем, а для самих стаканов ради гигиены обычно берут первичное волокно, а не макулатуру.
Бумагу с проклейкой в массе создал китайский чиновник Цай Лунь в 105 году н. э. До него в Китае делали похожий материал из бамбука, пеньки и шёлка, но бамбук был тяжёлым, а шёлк — дорогим. В VII–VIII веках бумагу уже делали в Средней Азии, и особенно славилась самаркандская, а около 800 года первую бумажную мельницу построили в Багдаде. На Запад секрет бумаги, как считается, попал после Таласской битвы 751 года, в Европу бумага пришла в XI–XII веках и постепенно вытеснила пергамент. Первый уцелевший русский документ, написанный на бумаге, — грамота 1341 года.
Долгое время европейскую бумагу делали из тряпья — льняного и пенькового, а с конца XVIII века и хлопкового. В 1799 году француз Луи-Николя Робер придумал машину с бесконечно движущейся сеткой, а в 1806 году братья Фурдринье в Англии запатентовали бумагоделательную машину. К середине XIX века она превратилась в сложный агрегат, который работал непрерывно и в значительной мере автоматически. Бумаги требовалось всё больше, тряпья перестало хватать, и в 1844 году канадец Чарльз Фенерти и немец Фридрих Готлоб Келлер придумали, как делать бумагу из древесной массы. Это изобретение закончило почти двухтысячелетнюю эпоху тряпичной бумаги. В России массовое производство началось при Петре I: в 1716 году под Петербургом, у Дудергофа, основали большую бумажную фабрику, а первые бумагоделательные машины появились в 1816 году на Петергофской фабрике.
Бумагу делают из волокон целлюлозы — в основном из хвойной и лиственной древесины и макулатуры, реже из хлопка, льна и соломы. Волокно получают механически (древесная масса, дешевле и слабее) или варкой (целлюлоза, прочнее и долговечнее), затем добавляют проклейку и наполнители и отливают полотно на бумагоделательной машине. Макулатуру можно переработать 5–7 раз, а для упаковки берут прочную крафт-бумагу и жиростойкий пергамент.
Чаще всего из хвойных пород — ели, сосны, пихты, лиственницы: у них длинные волокна, и бумага выходит прочнее. Используют и лиственные — эвкалипт, осину, берёзу. Причём на большинстве современных фабрик лишь 9–16 % массы получают из брёвен, а остальное — из отходов древесины, которые раньше просто сжигали.
Да. До изобретения бумаги Цай Лунем в Китае похожий материал делали из бамбука, пеньки и шёлка, а в Европе до середины XIX века бумагу делали в основном из льняного, пенькового и хлопкового тряпья. Сегодня солома, тростник, конопля, хлопок и лён дают около 5–10 % мировой целлюлозы.
Древесную массу получают механически: дерево истирают в воде, и в массе остаётся всё, включая лигнин. Целлюлозу получают варкой: раствор удаляет лигнин, а длинные волокна сохраняются. Поэтому бумага из древесной массы дешевле, но слабее и со временем желтеет, а из целлюлозы — прочнее и долговечнее.
Обычно не больше 5–7 раз. При каждой переработке волокна целлюлозы укорачиваются, и в какой-то момент из них уже нельзя сделать прочный лист. Поэтому к макулатуре на фабриках часто добавляют первичное волокно из древесины, а газетную и туалетную бумагу часто делают целиком из облагороженной макулатуры.
Потому что в древесной массе остаётся лигнин — природное вещество, скрепляющее волокна дерева. Со временем лигнин заставляет бумагу желтеть и становиться ломкой. В бумаге из химически сваренной целлюлозы лигнина почти нет, поэтому она дольше остаётся светлой и прочной. Такую бумагу называют бездревесной, хотя сделана она тоже из дерева.