Восточно-азиатская эпоха

Первая эпоха — возникновение изготовления бумаги в китайском культурном пространстве, Хеншел её назвал восточноазиатской эпохой рождения производства бумаги. Продолжалась она до VIII века.

Место

Время первых опытов производства бумаги размыто в пространстве от Монголии до Тибета и Тайланда. При этом, организующее влияние китайской культуры на народы этого региона бесспорно. Часто начало производства бумаги связывает с именем Цай Луня и относит его к 105 году. Мы, зная о более поздних находках, должны отнести истоки производства бумаги на более ранний период во II век до нашей эры. А может быть, это произошло и раньше, точных данных нет, а косвенные вполне допускают начало изготовления бумаги на 600 лет до Цай Луня.

В первую эпоху, с одной стороны, существовала строгая азиатская секретность о способе производства, с другой, известно об экспорте бумаги из Китая во многие сопредельные страны. Умение изготавливать бумагу распространялось прежде всего на восток, в Корею (II-III век нашей эры) и Японию (начало производства зафиксировано документально- 610 год).

Производство бумаги на китайской миниатюре

Техника и технология

Производство бумаги, как процесса получения бумажного листа из измельчённых природных материалов при содействии воды и механического воздействия, активирующего измельчённую волокнистую субстанцию, начавшееся в первую эпоху, представляется выдающимся открытием. В эту эпоху первоначально бумагу производили с помощью, так называемого, “плавающего сита”. По этому способу фиксированное количество волокнистой массы наливалось в форму, частично погружённую в воду. Форма представляла собой деревянную раму с натянутой на неё грубой тканью. После того, как вода стекала, производилась сушка ткани с бумагой на ней, после чего лист снимался с ткани.

Позже появился способ с использованием “черпающего сита”. В нём используется гибкая съёмная сетка, которая погружается черпальщиком в ванну (чан), заполненный волокнистой массой, сетка зачерпывает волокно и, после свободного стекания воды, мокрый лист снимается с сетки и переносится на другую поверхность для прессования и сушки. Этот способ производства впоследствии распространился более широко, хотя в азиатских странах до сих пор остались мастерские с ручным отливом “плавающим ситом”.

Ручной отлив с помощью “черпающего” сита в современной мастерской. За работой черпальщик

Для измельчения сырья использовалась вначале ручная ступа, а позднее толчея с ножным приводом.

Это эпоха ручного отлива. Ремеслом изготовления бумаги занимались семьями, используя свои дома и дворы.

Сырьё

В разных регионах Китая, в Корее, Японии служили разные растительные материалы. Это были кора и луб тутового дерева (шелковицы), коконы тутового шелкопряда (их следует отнести к животному происхождению) , молодые побеги бамбука, конопля, старые рыболовные сети, обрезки шёлка. В Китае ещё в древности исписанную бумагу использовали повторно, как мы теперь используем макулатуру. Сбор использованной бумаги считался, как сейчас бы сказали, богоугодным делом.

Корейцы и японцы познакомились с бумагой из Китая в качестве носителя буддистских текстов. Японцы производили бумагу первоначально из конопли, позднее стали использовать луб кустарников:кодзо и гампи, матсумата и других растений.

Важно отметить, что и в эпоху зарождения производства бумаги в Китае и, как увидим дальше, в средневековую эпоху производства бумаги в Европе, и в наше время, бумага встречается в своём развитии с ткачеством.

Определённо установлено, что утилизация тряпья и отходов шёлка в древнем Китае началась примерно на 600 лет раньше, чем началось производство бумаги по Цай Луню. Это ещё одно свидетельство того, что бумагу изготавливали до него.

Арабо-мавританская эпоха

Вторая эпоха – арабо–мавританская (VIII-XI века) наступила благодаря расцвету культуры этих народов, которые занимали территорию от южной Испании до западной границы Китая, включая север Африки. бумага стала широко распространяться на арабском востоке: в Йемене, Египте, Сирии, Палестине, а затем, так как арабы владели Ираком, Алжиром, Тунисом, Марокко бумага пришла и туда. Использовали сначала экспортируемую из Китая бумагу. С помощью пленных китайских мастеров уже в VIII веке в Самарканде стали производить свою бумагу. Считается, что это произошло при следующих обстоятельствах. В середине восьмого века на одной из рек в Туркестане, почти у самых границ Китая, произошло жестокое сражение между китайскими и арабскими войсками. Китайцы потерпели поражение, многое из них попали в плен. Среди военнопленных оказались знатоки бумажного дела. В обмен на освобождение они научили арабов выделке бумаги. Возможно передача технологии произошла как — то по — другому, ведь китайцы, как и их бумага, передвигались по многим сопредельным странам.

Сырьё

В отсутствии привычного волокна луба шелковицы арабские бумажники начали использоваться волокна старых льняных, пеньковых и хлопковых тряпок.

Арабский мир в 900 году

Изобилие бумаги позволило арабским халифам создавать огромные библиотеки, насчитывающие сотни тысяч рукописей. Арабская бумага была высококачественной, в её технологию был внесён ряд изменений. Производилась бумага из тряпья, которое было в основном из льна и конопли и пеньковых канатов. Была улучшена проклейка бумаги, усовершенствована технология крашения.

Техника и технология

Считается, что арабы стали первыми использовать энергию животных и водяного колеса для производства бумаги. Для измельчения сырья использовали мельничные жернова.

Использовалась отделка поверхности с использованием мела, гипса, талька и крашение.

Уже в IX веке здесь производились различные сорта бумаги белой и цветной, грубой и тонкого качества, и для письма и шёлковой бумаги для голубиной почты.

В 1100 году в городе Фесе (современный Тунис) уже было около 400 бумажных мельниц.

В 1035 году, посещая базар в Каире, персидский путешественник с удивлением писал, что повсюду товары заворачиваются в бумагу.

Арабская бумага появилась в конце концов в Европе.

Средневековая эпоха

Третья эпоха — (с XII века): средневековая – интенсивное развитие производства бумаги в Европе.

Медленное распространение бумаги – примерно 100 км за 100 лет, только частично можно объяснить засекреченностью технологии в Китае. Сказалась предубеждённость, недоверие к новому материалу. Не сразу поняли, что такой, с виду хрупкий, лёгкий, не солидный материал может заменить пергамент. В Европе, например, после начала производства бумаги ещё несколько веков параллельно использовался пергамент. Ещё в VII веке появляются законы, обязывающие при написании государственных документов использовать пергамент. Долгое время запрещалось использовать бумагу в судопроизводстве. Это способствовало уходу от папируса, но поддерживало предубеждение к бумаге. При этом папская канцелярия долго не признавала пергамент и пользовалась папирусом.

Потребности в дешёвом материале для письма или бытовых нужд в Европе сформировалась позднее. Библиотек в 20–30 тысяч рукописей, как в Египте, в Европе не было. Здесь редкостью были собрания в 500 – 1000 пергаментных свитков. Книга была огромной ценностью. Известны случаи, когда книги для сохранности приковывались цепью к стене цепями. Часто владельцы единственной книги указывали в завещании, кому из наследников она должна быть передана.

И это не удивительно. Европейцы занимались бесконечными междоусобными разборками, сказывался гнёт инквизиции. Книги писали на пергаменте, да к тому же на латинском языке. Крестьяне, ремесленники, да и большинство представителей высших классов не утруждали себя грамотностью.

Так как юг Испании и Сицилия принадлежал арабскому миру, здесь развивалась мавританская культура и привезена была арабская технология производства бумаги. В XII веке на юго-востоке Каталонии, в области Валенсии и южных провинциях Барселоны возникли бумажные мельницы и мануфактуры. Бумага производилась из конопли и текстильной ветоши.

Техника и технология

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

Толчея с приводом от водяного колеса

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 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, прообраз 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. По другим данным первый описанный водяной знак получен в 1271 году на бумаге, изготовленной на бумажной фабрике Фабриано. Водяной знак стал отличительной особенностью европейской бумаги. Благодаря наличию водяного знака, до сих пор удаётся датировать многие культурно-исторические документы.

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.

Первые бумажные производства в различных регионах и годы их появления

Испания, Ксатива, 1144 г.

Италия, Фабриано, 1276 г.

Сицилия, 1230-е годы.

Франция, Труа, 1348 г.

Германия, Нюрнберг, 1390 г.

Швейцария, 1432 г.

Португалия, Лейриа, 1441 г.

Польша, Гданьск, 1473 г.

Англия, Сил, 1494 г.

Литва, Вильна, 1524 г.

Россия, Подмосковье (Ивантеевка) в 1560 х годах.

Швеция, Стокгольм, 1565 г.

Дания, Херрисвад, 1573 г.

Голландия, Доордрехт, 1586 г.

Финляндия, Томасболе, 1667 г.

США, Джермантаун, Пенсильвания, 1690 г.

Норвегия, Бентсе, 1695 г.

Начиная с XVI века производство бумаги в Европе стало расцветать. Этому способствовало несколько обстоятельств.

В середине XV в немецком городе Майнце Юханесом Гутенбергом изобретён способ “искусственного письма”- печати с литерным набором. И хотя печать вначале деревянными, а затем глиняными литерами был изобретена в Китае за 400 лет до Гутенберга, это повторное, европейское изобретение, вскоре потребовало бумагу для печати и в больших количествах. Кроме того, благодаря Реформации возник спрос на соответствующую литературу. Наконец, возникла почта и она, в отличии от нынешней, электронной, не могла обходиться без бумаги.

И хотя 30-летняя война в Европе в 1618–1648 гг. затормозила развитие техники в целом, строительство новых мельниц было не остановить. В XVIII веке мельниц стало больше, чем до войны и появились более крупные производства — мануфактуры.

Сырьё

В истории бумаги сбор и переработка тряпья занимают важное место в средневековой эпохе.

В XVII веке на бумажных мельницах и мануфактурах стал обнаруживаться дефицит сырья. Хотя были предприняты попытки законодательно обеспечить сбор бывшей в употреблении одежды и принимались меры поощрения сборщиков. Стало очевидно, что бумажные мельницы не могут быть обеспечены сырьём, а потребность в бумаге всё увеличивалась.

Женщины на сортировке с ножамидля предварительнго измельчения тряпья

Для бумажников возникла серьёзная проблема нехватки сырья для производства.

Постепенно, уже начиная с XVI века стали появляться предложения о новых источниках сырья. В поисках, как тогда выражались, суррогатов, вспоминали старину, когда использовали листья, кору деревьев. Уходили в сторону, пробуя делать бумагу с асбестом (1685 г , англичанин Э. ЛЛойд), c добавлением травы, сена, соломы, крапивы, бобовых растений и т.д., который был одновременно известным в то время исследователем электропроводности, известны его труды по ботанике и зоологии. Шаффер исследовал свыше 50 материалов.

В первой половине XVIII века Луи Пьетт (Диллинген, Германия) исследовал 300 растений в поисках суррогатов, пригодных для производства бумаги. В 1838 году вышла его книга со 160 ю образцами бумаги. Книга была напечатана на бумаги из соломы. Такие случаи печати книг с добавлением соломы, травы, крапивы, водорослей и других материалов были не единичны. Эти поиски привели к созданию декоративных видов бумаги, бумаги для обоев.

Бумага из соломы в середине XVIII века стала производиться в Германии, Франции, Бельгии и других странах.

У сторонников замены тряпья в бумаге были и противники. Когда Рене Реомюр в 1719 году в Парижской Академии наук, говорил о целесообразности использованияя измельчённой древесины для производства бумаги, приводя в пример искусство ос, делать бумагоподобный материал и строить из него гнёзда — ответом был смех слушателей. Против были так же многочисленные владельцы бумажных мельниц.

Ролл для размола бумажной массы

Всё же сознание людей постепенно менялось, крепло понимание того, что традиционное производство бумаги с помощью чана и сита идёт навстречу переменам.

Наряду с государством и церковью, активным творцом истории, стал гражданин. Гражданские интересы требовали книг, журналов, газет. Бумага ручного черпания не могла производиться в требуемом количестве.

Машинный способ производства. Четвёртая эпоха

Четвёртая эпоха – это период становления машинного способа производства бумаги, когда были изобретены и быстро внедрены многие основополагающие процессы и оригинальные виды оборудования.

Первые три эпохи, вплоть до XVIII века охватывают ручной отлив бумаги в виде листов. С XIX века начинается четвёртая эпоха-эпоха машинного способа производства бумаги.

Рождение машинного способа производства бумаги

В 1799 году, работавший на предприятиях печатного и издательского дома Дидо, в который входила и бумажная мельница (по другим данным (2) это была мануфактура) в Эссене под Парижем Николас — Луис Робер получил патент на агрегат по изготовлению полотна бумаги, сматывающегося в рулон. Это был весьма энергичный молодой человек, к тому времени побывавший на военной службе. У Дидо он работал бухгалтером, cмотрителем и мастером.

Изобретение Робера, как говорили, «убрало сетку из рук черпальщика, из рук валяльщика сукно и лист бумаги из рук укладчика».

На самом деле, машина ликвидировала эти профессии, но возникли другие и бумага всё ещё, на разных стадиях её производства, продолжала делаться буквально руками мастеров — бумажников, которые в контакте с бумажной массой а затем бумагой ещё долгое время оценивали её качество и управляли таким образом процессом производства.

Первое непрерывное полотно на своей машине в Эссене Робер получил в 1800 году оно было длиной около 5 метров и имело ширину 60 см.

Две эпохи, почти до XII века – время производства, базировавшегося на энергии человеческих мускулов, на смену которым, постепенно приходит энергия воды и ветра на бумажных мельницах и мануфактурах, приводящая в действие толчеи для обработки волокон.

При этом, несмотря на то, что машинный способ производства бумаги возник в самом начале XIX века, вплоть до 1878 года в Европе, а в Англии и России до более позднего времени, бумага производилась как ручным так и машинным способом.

Первая промышленная бумагоделательная машина появилась в 1803 году, благодаря интересу, проявленному лондонскими торговцами бумаги братьями Фурдринье (Fourdrinier). Они привлекли инженера Брайяна Донкина к реализации проекта на базе машины Робера. В истории осталось наименование машин с плоской сеткой как “фурдринер”. Донкин за 20 лет выпустил 38 длинносеточных машин. Машины строились всё большей ширины, скорости получения бумажного полотна увеличивались.

Кроме плоскосеточных машин появились и до сих пор существуют и круглосеточные (цилиндровые) машины. Изобретателей цилиндровых машин было несколько. Первыми были англичане Джозеф Брамах в 1805 году, Джон Дикинсон в 1809 году. Дикинсон был первым создателем цилиндровой машины с погруженным в ванну с бумажной массой сеточным цилиндром.

Цилиндровая бумагоделательная машина Дикинсона

Производство бумаги из древесины. Пятая эпоха

Начиналось производство бумаги на основе лубяных волокон шелковицы, бамбукового дерева, обрезков производства шёлка. Потом технология производства бумаги из древесных волокон уступила место технологии переработки тряпья холщового и хлопчатобумажного. Уже с VIII века преобладает переработка тряпья из пеньки, конопли, льна. Такая сырьевая ситуация сохраняется вплоть до XIX века.

В последней четверти XIX века в производстве бумаги наступила эпоха в которую производство бумаги основывается на использовании древесного сырья. При этом создаётся ряд новых технологических решений и новых видов оборудования, которые позволили получать новые свойства бумаги и картона, а главное, существенно повысили производительность оборудования.

Попросту говоря, продукция из чана (т.е. ручного отлива) основана на тряпье, а машинная на древесине. Таким образом «новое» сырье - это возврат к «старейшему» с которого и начиналась история бумаги, к древесине.

В 1806 году появилась публикация Иллига (Illig Moritz Friedrich) из Германии о проклейке бумаги не с поверхности, как до сих пор, а в бумажной массе. Это так называемая массная смоляная проклейка. Она сменила проклейку желатином.

Древесная масса

В 1840 х годах немецкий мастер ткацкого производства Фридрих Келлер (Keller Fridrich Gottlob) придумал способ измельчения древесины путём истирания её на шероховатой поверхности камня. С помощью бумажника Генриха Волтера и механика Иохана Фойта в 1848 году они сделали первый промышленный дефибрёр. С этого момента появилась возможность увеличивать содержание древесного сырья в бумаге. ДДМ — дефибрёрная древесная масса была единственным видом древесной массы до середины 60 х годов XX века.

Схема дефибрёра в XX веке

Балансы древесины (короткие брёвна после окорки, загружаются в шахту дефибрёра и цепями прижимаются к вращающемуся камню. В зону прижима подаётся вода. Древесная масса отводится из ванны снизу.

Выход древесной массы из древесины составляет 93–98%, т.е. древесина используется почти полностью.

При способах получения древесной массы, сочетающих тепловую и химическую обработку с механической, в раствор переходит до 15% вещества древесины. Качество получаемой древесной массы при этом различно.

В 60–70 х годах ХХ века были разработаны и получили промышленное применение новые виды древесной массы с комбинированной обработкой: термо-механическая, химико-термомеханическая и другие. Развивались способы сортирования и отбелки древесной массы.

Целлюлоза

В 1853 годах француз Меллир (Mellir) взял патент на способ получения основного компонента древесины — целлюлозы при высокотемпературной обработке (варке) соломы в каустической соде. Почти одновременно, в 1853–1854 годах, англичанин Уатт (Watt) и американец Бфрджесс получили патенты на получение целлюлозы таким же способом из древесины. Это было начало щелочного (натронного) способа производства целлюлозы.

В 1866–1872 гг. несколькими авторами был открыт сульфитный способ получения целлюлозы, в 1879 году сульфатный способ.

Целлюлоза, в отличии от древесной массы, позволяла производить более прочную бумагу и в сочетании с древесной массой были получены новые виды бумаги и изделий с новыми свойствами.

Параллельно с изменением сырья развивался основной агрегат производства бумаги — бумагоделательная машина. Последовательно увеличивалось скорость работы машин, увеличивалась ширина бумажного полотна. Кроме машин с плоской сеткой, появились круглосеточные, цилиндровые машины. На машине появилась прессовая и сушильная часть.

В ХХ веке машиностроители, кажется достигли предела технических возможностей в скорости и ширине бумагоделательных машин.

Современная эпоха

Современный период производства бумаги и картона, начиная с конца XX века, отличается особенностями, связанными с масштабностью производства. Объём производства бумаги и картона в мире в превысил 400 млн. тонн, при этом, прирост в последние годы составляет свыше 2 млн тонн в год. Определяющими условиями развития технологии глубокой переработки древесины являются: рост цен на энергоносители; резкое повышение значимости биотоплива; дефицит древесины в Европе; увеличение доли вторичного (рекуперированного) волокна. В Европе эта доля превысила долю первичного волокна и составила 61 %; существенное увеличение использования плантационной древесины; в условиях обострившейся экологической ситуации возрастает роль возобновляемых ресурсов в экономике и предложение отраслей глубокой переработки древесины – биорефайнинг древесины, становятся очень востребованными.

Это развитие присходит при усилении связей между секторами производства, занимающимися процессами глубокой механической, химической и энергетической переработки древесины, создание Лесопромышленных комплексов (ЛПК) с безотходным производством-развитие технологии биорефайнинга древесины.

Новые технические решения развиваются при взаимодействии различных отраслей.

Интересные результаты уже получаются при взаимодействии производителей бумаги и строительными отраслями, отраслями занимающимися продуктами питания, транспортом, здоровьем и гигиеной, коммуникациями и обменом информацией, логистикой.

Бумагоделательные машины оснащаются устройствами, позволяющими получать бумажное полотно с использованием приемов ткацкого производства-поперечного перемещения волокон. Такие технологии получения новых нетканых материалов уже реализованы в промышленности фирмами “Voith”,“Trutzschler”, “Andritz”.