3.4. Выбор и обоснование метода моделирования для разработки бумаги и картона. Постановка задачи.

3.4.1. Историческая справка.

Бумага (от итал. bambagia — хлопок) — многокомпонентный материал, состоящий в основном из специально обработанных мелких растительных волокон, тесно переплетенных между собой, связанных силами сцепления различного вида и образующих тонкий лист.

Трудно представить себе нашу жизнь без радио или телевидения, так же трудно представить газету, журнал или книгу без бумаги. Недаром старые печатники говорили, что если душа книги — ее содержание, то тело книги — бумага, на которой она напечатана. «Бумага — изобретение не менее чудесное, чем книгопечатание, для которого она служит основой. Развитие бумажного производства шло медленно, и история его покрыта мраком». Так говорил известный французский писатель Оноре де Бальзак.

Считается, что бумагу изобрели в Китае во 2 в. до н.э., а уже в 76 ее применяли для книг. Из Китая бумага проникла в Японию, а затем через Персию в Северную Африку, на Кипр, в 1154 в Испанию и затем в ряд других стран. Она постепенно стала вытеснять применявшийся до этого для письма папирус и другие материалы.

Основными операциями при изготовлении бумаги были варка, промывка и измельчение бумажной массы, которое производилось вначале молотками в ручных ступах, затем в ножных толчеях. В 13–15 вв. появились механические толчеи. В конце 17 в. в Голландии бумажную массу стали измельчать ножами, насаженными на металлические валы (роллы), заключенные в чане. Измельченную бумажную массу вместе с водой загружали в подогреваемые чаны, из которых ее затем черпали формой, состоящей из прямоугольной рамки с прикрепленной к ней сеткой из проволоки. После того, как лишняя вода стекала сквозь сетку, массу выкладывали на листы грубого сукна или войлока. Стопу листов войлока с бумажной массой пропускали через пресс для удаления остатков влаги. Затем листы проклеивали, сушили, обрабатывали молотами, лощили и упаковывали. В 1799 француз П.Л. Робер предложил механизированный отлив бумаги на непрерывно движущейся бесконечной сетке, расположенной над черпальным чаном. Позднее появилась первая бумагоделательная машина, состоящая из следующих основных частей: сеточной, прессовой, сушильной, отделочной. Для получения отдельных высококачественных видов и бумаги специального назначения до сих пор применяется ручной отлив.

Первые бумажные мельницы появились в Москве, по-видимому, одновременно с началом книгопечатания, в 50–60 годах 16 века. Но впервые производство бумаги, годной для печати, было организовано в 1716 г. Петром I. До начала 19 века бумагу в России производили ручным способом. В 1818 на Петергофской бумажной фабрике была установлена одна из первых в России бумагоделательных машин, изготовленных на русских заводах. В 60-х гг. 19 века бумагоделательная машина уже состояла в основном из тех же частей, которые имеются в современных машинах. Вместо тряпичного сырья стали использовать древесное. Старые роллы постепенно вытеснялись размалывающими аппаратами непрерывного действия.

Наиболее распространенный способ производства бумаги — «мокрый», который базируется, как правило, на использовании плоско- или двухсеточных бумагоделательных машин. Такая бумагоделательная машина состоит из сеточной, прессовой, сушильной частей, каландра (пресса, состоящего из 2–20 валов, между которыми пропускают бумагу) и наката (устройство для наматывания бумаги в рулон). Сеточная часть имеет одну или две бесконечно движущиеся сетки, на которую (плоскосеточные машины) или в зазор между которыми (двухсеточные машины) непрерывным потоком равномерно по всей ширине сеток поступает разбавленная водой бумажная масса. При обезвоживании бумажной массы происходит формирование бумажного полотна, которое далее обезвоживается в прессовой части и окончательно высушивается в сушильной части машины. Прессовая часть состоит из нескольких 2-вальных (иногда 3-вальных) прессов, между валами которых (находясь на прессовом сукне) проходит бумажное полотно. При этом часть влаги из него отжимается. Сушильная часть состоит из 2-ярусных батарей сушильных вращающихся цилиндров, обогреваемых изнутри паром. Сырое бумажное полотно, проходя между горячими поверхностями цилиндров и сушильным сукном каждой батареи, высушивается до влажности 5–7%. В конце сушильной части имеется холодильный цилиндр (иногда два) для охлаждения бумаги. Затем бумага проходит каландр, придающий ей машинную гладкость, и наматывается в рулон на накате.

С 1950-х гг. в производстве бумаги находят применение полимерные пленки и синтетические волокна, на основе которых выпускают синтетическую бумагу. Такая бумага отличается высокой механической прочностью в сухом и влажном состоянии, хорошей стабильностью линейных размеров при увлажнении, долговечностью, высокой эластичностью. Для отделки бумаги применяются суперкаландры (система вращающихся с разной скоростью валов, между которыми под давлением пропускают увлажненное бумажное полотно), обеспечивающие более ровную гладкую поверхность и глянец. Такая бумага называется каландрированной (глазированной) и высококаландрированной (дважды пропускается через суперкаландр). Для придания бумаге глянца (для получения лощеной бумаги) бумажное полотно пропускают через лощильный (или фрикционный) каландр, валы которого совершают возвратно-вращательное движение, не оказывая большого давления на бумагу.

В качестве основных компонентов композиционного состава бумаги используют волокна растительного происхождения, выделяемые из древесины хвойных и лиственных пород, из стеблей однолетних растений, семенных коробочек и листьев некоторых растений. В зависимости от метода производства, выхода гемицеллюлоз (веществ, сходных с целлюлозой, но с меньшей молекулярной массой) и лигнина (инкрустирующего вещества), получают различные полуфабрикаты: древесную массу, полухимическую массу (полуцеллюлозу), небеленую, беленую и облагороженную целлюлозу.

Для снижения гидрофильности и гигроскопичности (впитывания при смачивании и поглощения воды из воздуха) бумагу проклеивают гидрофобными (с водоотталкивающими свойствами) смолами и парафинами. Для повышения прочности, гладкости (уменьшения ворсистости), стойкости к выщипыванию (липкой краской при печатании) и истиранию наиболее эффективна поверхностная проклейка в клеильных прессах крахмальным, карбоксиметилцеллюлозным и др. клеями. Проклейка необходима для офсетной, картографической, фототипной, форзацной, обложечной, чертежной, писчей и др. бумаг, которые увлажняются в процессах полиграфического производства (при печатании, склеивании) или при пользовании. В зависимости от степени проклейки различают бумагу слабоклееную, клееную и высококлееную. В бумажную массу вводят наполнители — белые порошкообразные, нерастворимые в воде минеральные вещества: каолин, сернокислый барий, тальк, двуокись титана и др. Они повышают белизну, гладкость и непрозрачность бумаги, делают ее более мягкой, легко деформируемой (пластичной), но и менее прочной.

Повышенное содержание наполнителей (зольность) необходимо бумаге для высокой печати, т.к. повышенная пластичность позволяет снизить давление для хорошей пропечатки оттиска, а для глубокой печати — лучшего впитывания и снижения растекаемости жидкой краски на оттисках. Белая пигментно-клеевая композиция наносится на поверхность мелованной бумаги для получения высокой гладкости и глянца, что необходимо в производстве рекламных и высококачественных иллюстрированных многокрасочных изданий. По содержанию наполнителей различают мало-, среднезольную, повышенной зольности и высокозольную бумагу. Бумага машинной гладкости, имеющую матовую поверхность, применяют преимущественно для печатания текстовых или содержащих штриховые иллюстрации изданий, а каландрированную и высококаландрированную — для изданий, содержащих тоновые (растровые) иллюстрации. Важнейшие показатели — масса бумаги площадью 1 м2, толщина, плотность, прочность, гладкость, пористость, белизна, непрозрачность, оттенок, стоимость и др. Листовая и рулонная бумага для печати выпускается с массой площади 40–250 г/м2 [14].

При той важности бумаги в нашей повседневной жизни все время присутствует необходимость в улучшении всех качеств бумаги. Этот процесс довольно трудоемкий, следовательно, актуальна создания некой модели, которая могла бы позволила не делать всех опытов по исследованию новых типов бумаги и картона.