МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Д Е П АР Т АМ Е Н Т О С В І ТИ І Н А У К И ЛЬВІВСЬКОЇ ОБЛАСНОЇ ДЕРЖАВНОЇ АДМІНІСТРАЦІЇ УПРАВЛІННЯ ПРОФЕСІЙНО-ТЕХНІЧНОЇ ОСВІТИ, КООРДИНАЦІЇ ДІЯЛЬНОСТІ ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ І НАУКИ ке ДН З івсь ЛьвУ ІКТ ВП ДЕРЖАВНИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ЛЬВІВСЬКЕ ВИЩЕ ПРОФЕСІЙНЕ УЧИЛИЩЕ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ Г. І. Волошин МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ на тему Папір. Виробництво паперу для учнів з дисципліни «Матеріалознавство» Львів-2015 Укладач Г.І.Волошин. Методичні рекомендації на тему «Папір. Виробництво пареру» з дисципліни «Матеріалознавство» для учнів професійно-теоретичної підготовки професії 4112 «Оператор комп’ютерної верстки» третьої категорії державного навчального закладу „Львівське вище професійне училище інформаційнокомп’ютерних технологій”. – Львів, 2015. – 32 с. Рецензент: Хамула О., кандидат технічних наук кафедри електронних виданьУкраїнської академії друкарства. Друкується за рішенням методичної комісії із професійнотеоретичної та професійно-практичної підготовки професії «Оператор комп’ютерного набору. Оператор комп’ютерної верстки». Протокол №__ від ___________2015 року. Зміст Тема 1. Основні поняття з матеріалознавства .............................................. 4 1.1. Загальні вимоги, що ставляться до матеріалів ................................. 5 1.2. Загальна класифікація матеріалів. ..................................................... 6 1.3. Поліграфічні матеріали ...................................................................... 7 Тема 2. Виробництво паперу ......................................................................... 9 2.1. Характеристика основних волокнистих напівфабрикатів............... 9 2.2. Способи отримання целюлози, їх вплив на властивості паперу .. 11 2.3. Деревна маса, способи її отримання ............................................... 14 2.4. Проклейка .......................................................................................... 17 2.5. Наповнювачі ...................................................................................... 20 2.6. Фарбування паперу ........................................................................... 22 2.7. Синтетичні волокна – переваги й недоліки використання............ 23 2.8. Оздоблення паперу, методи оздоблення ......................................... 24 Тема 3. Асортимент паперу.......................................................................... 26 3.1. Класифікація паперу ......................................................................... 26 3.2. Характеристика основних видів паперу ......................................... 28 3.3. Папероробні машини ........................................................................ 28 Список рекомендованої літератури............................................................. 32 4 Тема 1. Основні поняття з матеріалознавства Тема 1. Основні поняття з матеріалознавства Матеріалознавство – це наука, що вивчає в загальному зв’язку склад, будову, структуру і властивості матеріалів, а також закономірності їх зміни під тепловими, хімічними, механічними та іншими впливами. Матеріал – речовина, призначена для виготовлення будь чого. У виробничих процесах матеріали розглядають в залежності від їх призначення як основні та допоміжні. Основні матеріали безпосередньо витрачаються на виготовлення продукції і складають її головний речовий склад. Допоміжні матеріали застосовуються для виробництва продукції, але які не входять до її складу. Склад матеріалу – кількісна характеристика вмісту в ньому компонентів. Склад розрізняють за природою компонентів. Так розглядають хімічний, мінеральний склад. Хімічний склад – кількісна характеристика вмісту в матеріалі хімічних елементів чи їх сполук. Мінеральний склад – кількісна характеристика вмісту мінералів в матеріалі чи корисних копалинах. Будова матеріалу – сукупність стійких зв’язків речовини, що забезпечують його цілісність і тотожність самому собі, тобто забезпечення його властивостей. Структура матеріалу – форма, розміри та характер взаємного розташування утворюючих матеріал компонентів. Властивості матеріалу – признак, який складає відмітну особливість даного матеріалу. Метою вивчення "Матеріалознавства" є встановлення зв’язків складу, будови і структури матеріалів з їх властивостями і на цій основі формування і забезпечення необхідних властивостей. Загальні вимоги, що ставляться до матеріалів 1.1. Загальні вимоги, що ставляться до матеріалів Можливість використання матеріалу визначається його складом, будовою, структурою, і як наслідок властивостями. Вимоги, що ставляться до матеріалів в промисловості в залежності від умов їх використання, експлуатації чи споживання, визначаються поняттям якість матеріалу. Якість матеріалу – це сукупність його властивостей забезпечувати його придатність задовольняти певні потреби у відповідності з його призначенням. Якість матеріалу залежить від комплексу хімічних, фізичних і біологічних властивостей, а також від відповідності їх функціональним, гігієнічним, ергономічним, естетичним і економічним вимогам. Від якості залежить призначення та термін придатності, експлуатації матеріалу. Якість матеріалу визначається системою показників, які встановлюють шляхом дослідження та випробувань. Якість промислової продукції залежить від багатьох факторів: вихідної сировини і матеріалів, конструкції виробів, технологічної обробки, рівня стандартизації, а також пакування, транспортування та збереження. Безпосередній вплив на формування якості продукції мають перші три фактори. Вихідна сировина. Сировина – це різні речовини, що використовують для виробництва продукції. Ці речовини розрізняють по хімічному складу та походженню. Знання природи, будови та властивостей вихідної сировини дозволяє судити про властивості і особливості готових виробів. Конструкція виробів є важливим фактором при визначенні споживчої вартості готових виробів. Вана включає форму, розмір, способи з'єднання та взаємодії деталей та вузлів виробу, співвідношення між окремими елементами та інше. 5 6 Загальна класифікація матеріалів. Технологічна обробка – це певні дії з сировиною чи матеріалами, які формують властивість та якість виробу. При цьому вихідна сировина піддається механічній, термічній, хімічній чи комплексній обробці. 1.2. Загальна класифікація матеріалів. Під класифікацією розуміють розподіл матеріалів, виробів, властивостей чи явищ на окремі види, групи, підгрупи чи інші категорії. Признаками класифікації матеріалів можуть бути походження, форма, розмір, колір, властивості, призначення, спосіб отримання чи інше. Сучасне поширення отримала галузева класифікація матеріалів, тому що в її основу покладено найменування галузі народного господарства, що безпосередньо пов’язана з виробництвом даного матеріалу. Державній системі стандартизації прийнята така класифікація матеріалів (витримка з стандарту): 1.Корисні копалини; 2. Нафтові продукти; 3. Метали; 4. Електротехнічні матеріали; 5. Будівельні матеріали; 6.Силікатно-керамічні та вуглецеві матеріали; 7. Хімічні продукти, гумові та азбестові вироби; 8. Хімічні волокна, полімери, пластмаси; 9. Текстильні, шкіряні матеріали 10.Лісоматеріали, целюлоза, картон, папір; Однак дана класифікація не дає можливості встановити взаємозв'язок складу, будови, структури та властивостей матеріалів і часто ускладнює визначення належності матеріалу до той чи іншої групи. Поліграфічні матеріали Найбільші можливості для розв’язання задач матеріалознавства дає класифікація матеріалів за їх агрегатним станом в нормальних умовах, їх походженням, природою та будовою: Системна класифікація матеріалів: за агрегатним станом: тверді, рідкі, газоподібні, плазма; за походженням: природні, штучні; органічні, неорганічні; по хімічному складу: одно- багатокомпонентні сплави, однобагатокомпонентні розчини; по виду утворених часток: атомні, іонні, молекулярні; по атомній (молекулярній) будові: кристалічні, аморфні, полімерні; по структурі: однофазні, багатофазні, композиційні; за фізичною природою: провідники, напівпровідники, діелектрики; нормальні, розчини, рідкі, кристали. 1.3. Поліграфічні матеріали У сучасній поліграфічній промисловості використовуються матеріали, номенклатура яких сягає понад дві тисячі видів, а вартість цих матеріалів складає у різних випадках від 40 до 70 відсотків вартості усіх виробничих витрат, тому стає зрозумілим, чому так важливо вміло використовувати ці матеріали у роботі. На виробництві матеріали поділяють на основні та допоміжні. Основні матеріали входять до складу готової продукції та визначають її споживчі властивості (задруковувані матеріали; фарби; палітурні матеріали), у той час як допоміжні матеріали лише задіяні у виробничому процесі, але до складу готової продукції не входять (фототехнічні плівки, друкарські форми, матеріали для фарбових валиків, різноманітні хімікати, змащувальні матеріали). На основі інтеграції знань про властивості матеріалів, технологічні операції та їх фізико-хімічні характеристики було вирішено розділити матеріали за трьома умовними групами, виходячи з технологічного процесу виготовлення поліграфічної продукції. 7 8 Поліграфічні матеріали До першої групи матеріалів віднесені фотоматеріали та формні матеріали, що у свою чергу згруповані за призначенням: формні матеріали для високого та флексографічного друку, плоского офсетного, глибокого та тамподруку, трафаретного друку. До другої групи матеріалів віднесені: папір та картон, фарби та лаки, невбираючі задруковувані поверхні (метали, скло, пластмаси та ін.). матеріали з поліуретанів (декелі, друкарські валики, марзани), зволожувальні розчини, змащувальні матеріали. До третьої групи входять палітурні матеріали (клеї, покривні матеріали, фольга та плівки). Питання для самоконтролю 1. Що таке матеріалознавство? 2. Які із матеріалів вашого робочого зошита є основними та допоміжними? 3. Що визначає якість продукції? 4. Назвіть допоміжні матеріали готової поліграфічної продукції? Тема 2. Виробництво паперу Тема 2. Виробництво паперу 2.1. Характеристика основних волокнистих напівфабрикатів Папір – це пористо-капілярний матеріал, із масою квадратного метра до 250 г, що складається переважно із рослинних волокон, пов'язаних між собою силами поверхневого зчеплення, в якому можуть містяться проклеювальні речовини, мінеральні наповнювачі, хімічні й натуральні волокна, пігменти й барвники. Картон – це багатошаровий матеріал, що містить переважно рослинні волокна і відрізняється від паперу більшою товщиною і масою квадратного метра. Папір з необхідними властивостями отримують спеціальним підбором і певною обробкою волокнистих матеріалів. Напівфабрикати – це волокнисті матеріали, з яких виготовляється папір. Вони виділяються з рослинної сировини, і перш за все з деревини. Але з цією метою можна використовувати комиш, очерет і інші рослини, а також солому, стебла тютюну, деревні відходи та ін. Хімічний склад рослинних клітин залежить від виду рослин, місця і умов їх росту, від того, з яких частин рослини вони взяті. Всі рослинні клітини містять целюлозу, геміцелюлози, інкрустуючі речовини (лігнін), білки, смоли, мінеральні речовини. Целюлоза – полімер, який має лінійну будову, з великою кількістю гідроксильних груп, що окрім гнучкості притаманній практично всім органічним волокнам, має здатність розмелюватись і скріплятися. Формула целюлози (С6Н10О5)n – де n – число помілеризації або кількість глюкозидних залишків. Кожен глюкозидний залишок має 3 гідроксильних групи (Н-ОН). Молекули целюлози 9 10 Характеристика основних волокнистих напівфабрикатів розміщуються паралельно одна одній, утворюючи фібрили різної товщини і довжини, з’єднані між собою водним зв’язком. Міцність водневого зв’язку є малою, що дозволяє легко руйнувати структуру сировини і потім знову з’єднувати волокна при відновленні його для виготовленні паперу Хімічний склад целюлози – це вміст α-, β-, γ-целюлози. α -целюлоза (n>300) надає волокнам міцності, хімічної і термічної стійкості. Виготовлений папір має більшу довговічність і стабільність білизни. Але волокна α –целюлози є хрусткими, тому важко фібрилюються (розмелюються). β- целюлоза є продуктом деструкції α –целюлози і складається з більш коротких ланцюгів (n=50…200). Має меншу міцність і довговічність, але легко розмелюється. Геміцелюлози – це вуглеводи з меншим, ніж у целюлози, степенем полімеризації, які містять, крім глюкози, і інші гексози, а також пентози. На відміну від целюлози, вони розчинні в лугах, сильніше набухають в воді, що покращує скріплення волокон в структурі паперу. Але в процесі варки целюлози, геміцелюлоза легко руйнується, особливо у кислому середовищі. Крім целюлози рослинні клітини містять так звані інкрустуючі речовини (надають міцності деревині, як деревний цемент, блокує всі водневі зв’язки, не дає пластифікувати) – лігнін. Лігнін несвітлостійкий, тому волокна, які містять лігнін, з часом жовтіють. Лігнін зменшує міцність і довговічність паперу, збільшує хрупкість і пористість. Основна сировина сучасної целюлозно-паперової промисловості – деревина хвойних і листяних порід (ялина, бук, тополя, осика та ін.), однорічні рослини: очерет, комиш, а також бавовновий лист. Чим більше в початковій сировині целюлози, тим цінніший цей матеріал для виробництва паперу. В чистому вигляді целюлоза в природі не зустрічається. Волокна бавовни містять 90 – Способи отримання целюлози, їх вплив на властивості паперу 95% целюлози, волокна льону – 80 – 85%, в різноманітних видах деревини вміст целюлози коливається в межах 40 – 60%, в стеблах соломи – 30 – 35%. Волокна хвойних порід деревини мають більшу довжину і тому являються більш цінною сировиною для виготовлення паперу. Для виробництва гладкого, міцного і білого паперу використовують волокнисті напівфабрикати, які не містять лігніну: деревну целюлозу, бавовну та ін. Для інших видів паперу використовують целюлозу в суміші з більш дешевим напівфабрикатом – деревною масою, яка містить лігнін. 2.2. Способи отримання целюлози, їх вплив на властивості паперу – сульфітний спосіб – сульфатний спосіб Целюлозу отримують хімічною обробкою деревини, з якої при цьому виводяться інкрустуючі речовини, головним чином лігнін. Видалення лігніну базується на його здатності утворювати з деякими хімічними речовинами розчинні в воді утворення, які потім при промивці відділяються. На теперішній час широко застосовуються два методи отримання целюлози: сульфітний (кислотний) і сульфатний (різновид лужного). Підготовка деревини перед отриманням з неї целюлози зводиться до наступного: стовбури деревини розпилюють на баланси і ретельно очищають від кори; баланси рубають на щепу довжиною ~ 20 х 20 мм і товщиною 3 – 5 мм, потім сортують, оскільки від однорідності щепи залежить рівномірність її пропитки хімічними реагентами, ступінь очистки від лігніну і якість целюлози, яка отримується. 11 12 Способи отримання целюлози, їх вплив на властивості паперу При сульфітному способі целюлозу отримують з хвойних порід дерев з невеликим вмістом смоли, наприклад ялини. Щепу загружають в залізні герметично закриті котли, покриті зсередини кислотостійким шаром, і заливають варочною кислотою, тобто розчином бісульфату кальцію Ca(HSO3)2, який в водному середовищі розпадається на сіркову кислоту H2SO3 і сульфіт кальцію CaSO3. Варка ведеться при t 140 - 150º C і при тиску 5066 – 6079 гПа (5 – 6 атм) на протязі 8 – 12 год. В процесі варки лігнін взаємодіє з сірковою кислотою, і утворюються дуже активні лігнінсульфонові кислоти, які можуть зруйнувати волокна целюлози. Але присутній в варочній кислоті сульфіт калію нейтралізує лігнінсульфонові кислоти, переводячи їх в розчинні солі кальція лігнінсульфонових кислот, які при промивці целюлози видаляються. Потім целюлозу сортують, оскільки після промивки можуть залишитися непроварені пучки волокон, щепа та ін. Кращою целюлозою являється та, з якої в процесі варки видалено найбільш можлива кількість лігніну без руйнування целюлозних волокон. Оскільки лігнінсульфонові кислоти, які утворюються під час варки, можуть частково зруйнувати целюлозу і тим самим зменшити міцність волокна, то процес варки ведуть не до повного видалення лігніну. В залежності від часу варки отримують целюлозу з різним вмістом лігніну: в м’якій целюлозі – 1 – 2%, в середній – 3 – 4%, в жорсткій – 5 – 6%. Вихід целюлози при сульфітному способі складає 45 – 50%, інкрустуючі речовини при цьому переходять в розчин. Волокна сульфітної целюлози достатньо міцні, еластичні, легко відбілюються. Вони йдуть на виготовлення всіх видів друкарського паперу. Целюлоза, отримана в процесі варки деревини, вирізняється низькою білизною, тому не придатна для виготовлення високоякісного білого паперу. Для підвищення білизни целюлоза піддається відбілюванню. Кращі види друкарського паперу виготов- Способи отримання целюлози, їх вплив на властивості паперу ляють на основі біленої, а дешеві, наприклад газетну та ін. – з небіленої сульфітної целюлози. В останні роки став широко застосовуватись сульфатний спосіб отримання целюлози. Основним реагентом тут являється луг NaOH і сірковий натрій Na2S. Щепу варять при більш високій, ніж при сульфітному способі, температурі (165 - 175º С), і більшому тиску (7092 – 8106 гПа, або 7 – 8 атм), в результаті тривалість варки зменшується до 1,5 – 2 год. Луг руйнує лігнін без помітного руйнування целюлози і переводить в розчинний стан смоли, які містяться в деревині. При сульфатному способі в якості сировини можуть бути використані смолисті породи дерев, наприклад сосна в вигляді відходів будівельних матеріалів. Важливу роль в процесі варки відіграє сірковий натрій: в водних розчинах він розпадається на їдкий натр і сульфогідрат натрію: Na2S + H2O ↔ NaSH + NaOH. Таким чином, сірковий натрій підвищує вміст лугу в розчині, а сульфогідрат натрію, що саме важливо, утворює з лігніном продукт – тіолігнін, легкорозчинний в лугах. Сульфатна целюлоза має високу міцність, але має коричневий колір – волокна офарбовуються розчиненими смолами. Тому небілену сульфатну целюлозу використовують тільки для виготовлення високоміцного пакувального і обгорточного паперу. Процес оздоблення сульфатної целюлози дуже складний і дорогий. Але завдяки високій міцності білену сульфатну целюлозу застосовують для виготовлення високоякісного паперу для документів, грошових знаків, тонкого словникового та ін. Сульфатний спосіб виробництва целюлози в останні роки знаходить все більше застосування і є більш перспективним в порівнянні з сульфітним, оскільки дозволяє переробляти відходи деревообробної промисловості з хвойних та листяних порід деревини. Крім того при цьому способі вдається практично повністю регенерувати луги, які утворюються в процесі варки. 13 14 Деревна маса, способи її отримання 2.3. Деревна маса, способи її отримання – біла дефібрерна деревна маса – бура деревна маса – рафінерна деревна маса – термомеханічна деревна маса (ТММ) Деревна маса представляє собою волокнистий матеріал, отриманий механічним змільченням деревини. Деревна маса неоднорідна: разом з волокнистими частинками, в ній багато мілких пиловидних і великих частинок неправильної форми. Спосіб отримання деревної маси, в порівнянні з вищеописаним, простіший, дешевший, менш енергоємний, з більшим виходом по волокну (86 – 90%), тому деревна маса – самий дешевий волокнистий напівфабрикат. До складу деревної маси входять і целюлоза, і лігнін. Деревна маса широко використовується для виробництва різноманітних видів паперу і картону. Нещільно прилягаючі частинки деревної маси надають паперу крупнопористу структуру і більшу всотуючу здатність. Сировиною для виготовлення деревної маси служить ялина, рідше осика та інші листяні породи дерев. Властивості деревної маси залежать від способу її виготовлення і підготовки деревини. Деревну масу виготовляють різних видів. Біла дефібрерна деревна маса. Стовбури дерев розпилюють на баланси – колоди довжиною 2 – 3 м, ретельно очищують від кори на спеціальних машинах, потім баланси стирають на абразивній робочій поверхні камінця, який швидко обертається в машині – дефібрері при неперервній подачі води. Отримана на дефібрері деревна маса (дефібрерна) містить окремі волокна, обривки волокон і грубі нерозтерті пучки. Тому її сильно розбавляють водою (вміст волокна 2 – 8%) і сортують, щоб затримати щепу і сторонні домішки. Отримана після сортування деревна маса не потребує додаткової обробки і придатна для виробництва паперу. Отриману таким чином деревну масу називають білою. Деревна маса, способи її отримання Деревна маса є самим доступним і часто незамінним напівфабрикатом для виробництва деяких видів паперу. Вона надає паперу такі властивості, як добре сприйняття фарби, м’якість і непрозорість. Але папір, який містить деревну масу, швидко втрачає механічну міцність в результаті старіння і з часом жовтіє, тому він застосовується для видань з обмеженим терміном служби. Бура деревна маса отримується дефібруванням деревини, попередньо провареної при підвищеній температурі і тиску для її набухання, розрихлення і розм’якшення. В результаті полегшується дефібрування і утворюється більше довговолокнистих, добре набухаючих частинок. Але тепловий вплив викликає потемніння лігніну. Тому бура деревна маса використовується для виготовлення картону для палітурних робіт. Рафінерна деревна маса – різновид білої деревної маси. Отримується стиранням змільченої в щепу деревини в дискових млинах – рафінерах. Щепа вводиться в щілину між дисками, які обертаються, поверхня яких покрита перетираючими елементами. По виході з рафінера маса сортується і крупні частинки направляються на повторне рафінування. Рафінерна маса містить більше довговолокнистих частинок і має кращі папероутворюючі властивості, ніж деревна маса, яку отримують в дефібрерах. Термомеханічна деревна маса (ТММ) отримується в результаті переробки в дискових млинах щепи, попередньо провареної при високій температурі (110 - 130º С) для розм’якшення лігніну, який в ній міститься. Це покращує якість волокнистого матеріалу: підвищується якість довговолокнистої фракції, знижується вміст костри (нерозмелених частинок деревини). Введення ТММ в папір підвищує його міцність і однорідність структури. Тому при виробництві паперу частково, а іноді й повністю вона може замінити целюлозу. Від целюлози ТММ відрізняється великим виходом з деревини і меншою вартістю. 15 16 Деревна маса, способи її отримання Інші види целюлозно-волокнистого матеріалу. Гарні напівфабрикати можуть бути отримані не тільки з деревини, але й з іншої рослинної сировини (табл. 2). Табл. 1. Склад і характеристика деяких рослинних волокон Волокно Бавовна Бавовняний пух Льон Конопля Целюлоза солом’яна Целюлоза ялинова Целюлоза соснова Целюлоза осикова Довжина Ширина Відношення довволокна, волокна, жини волокна до целюлози лігніну мм мм ширини 0,012 – 84 – 91 – 10 – 50 1200 – 1500 0,042 Вміст, % 80 – 90 – 2 – 10 72 – 83 1,7 – 3,2 30 – 40 78 5,3 5 – 55 47 – 49 23 – 25 0,5 – 2,0 49 – 58 28 – 30 2,5 – 4,0 54 – 57 26 – 28 2,5 – 4,5 50 20 – 22 0,8 – 1,7 0,011 – 0,020 0,012 – 0,026 0,016 – 0,050 0,01 – 0,02 0,025 – 0,07 0,03 – 0,078 0,02 – 0,046 400 1200 – 1900 1000 76 68 70 36 Проклейка 2.4. Проклейка В склад паперу вводять різноманітні домішки для регулювання його властивостей: наповнювачі, проклеюючі речовини, фарбуючі речовини та ін. Проклейка – фізико-хімічна обробка волокна для зниження гідрофільності паперу (гідрофобізуюча проклейка) і для покращення зв’язку між волокнами в папері (зв’язуюча проклейка). Для цього застосовують різні гідрофобізуючі і зв’язуючі проклеюючі речовини. Способи проклейки: 1. проклейка в масі (проклеюючі речовини вводяться в паперову масу до відливу паперу); 2. проклейка поверхнева (проклеюючі речовини наносяться на поверхню готового паперу під час його оздоблення). Гідрофобізуюча проклейка. Наявність в целюлозі великої кількості гідроксильних груп надає паперу гідрофільності, тому він добре змочується, всотує воду і навіть поглинає вологу з повітря (гігроскопічність). При цьому папір набухає, змінюється в розмірах, зв’язки між волокнами послаблюються і в результаті зменшується його міцність. Щоб зменшити вологосприйнятність паперу, потрібно зменшити гідрофільність целюлозного волокна, для чого в склад паперу вводять гідрофобні речовини, які не змочуються водою. Каніфольна проклейка робиться в масі. В якості гідрофобізуючого домішку використовується каніфоль – тверда смола, яку отримують із соснової смоли (живиці) після відгонки з неї скіпідару. Вона складається з суміші смоляних кислот (близько 80% в ній міститься абієтинової кислоти C19H29COOH). Гідрофобність 17 18 Проклейка абієтинової кислоти пов’язана з наявністю в ній великого неполярного радикала –– C19H29, перекриваючого полярність карбоксильної групи. Для проклейки з твердої каніфолі, нерозчинної в воді, готують стабільну водну дисперсію, яку називають каніфольним клеєм. Для цього її варять з розчином соди до отримання каніфольного мила – натрієвих солей смоляних кислот (резинат натрію): 2C19H29COONa + CO2 + H2O2C19H29COOH + Na2CO3 Колоїдний розчин, який утворюється, називається бурим каніфольним клеєм. Гідрофобізація підвищується, якщо частину каніфолі (40 – 50%) залишити неомиленою. В цьому випадку частково омилена каніфоль диспергується паровим інжектором. При цьому омилена частина каніфолі служить стабілізатором високодисперсної суспензії смоли або білого каніфольного клею, які утворюються. Для виготовлення високосмоляного клею, який містить до 90% вільної каніфолі, в нього вводять додаткові стабілізатори (казеіт натрію). Каніфольний клей вводять в паперову масу. Він сильно розбавляється водою, концентрація стабілізатора падає і проходить гідроліз резінату: C19H29COOH + NaOHC19H29COONa + H2O Дисперсія клею втрачає стабільність, і високодисперсні частинки смоляних кислот починають коагулювати. Розміри частинок збільшуються (гомоагуляція) і одночасно осідають і закріпляються на волокні паперової маси що проклеюється (гетерокоагуляція). Але закріплення смоли на волокні ускладнюється через те, що і целюлоза, і колоїдні частинки клею мають внаслідок адсорбції іонів негативні заряди. Тому в масу, що проклеюється, додають розчин сіркокислого алюмінію, який, завдяки позитивному заряду поверхні, закріпляється на волокнах сам і утримує частинки смоли. В структуру паперу смола включається в вигляді окремих гідрофобних зерен. Це зменшує його змочування водою і всоту- Проклейка вання ним води. Найбільш сильно проклеєні види паперу містять 2 – 4% каніфолі. Парафінова і каніфольно-парафінова проклейка. Для проклейки паперу використовують також парафін, який представляє собою суміш твердих межових вуглеводнів. Їх неполярна структура надає їм високу гідрофобність. Парафін – дешевий і доступний матеріал. Проклейка парафіном полегшується, якщо його застосувати в суміші з каніфоллю. Каніфольно-парафіновий клей готують шляхом диспергування суміші парафіну з каніфоллю і одночасним омиленням частини каніфолі. Каніфольно-парафінова проклейка має ряд переваг над каніфольною: підвищується якість проклейки, економиться дефіцитна каніфоль, зменшується піноутворення при відливі паперу, знижується вартість проклейки. Зв′язуюча проклейка. Проклейка зв′язуючими речовинами проводиться в масі, а в разі необхідності – і з поверхні шляхом нанесення розчину клею на готовий папір. Зв′язуючими речовинами являються клеї: крохмаль, тваринний клей, карбоксиметилцелюлоза. Вони посилюють зщеплення волокон в структурі паперу, збільшуючи його міцність і жорсткість і зменшуючи ворсистість. В результаті збільшуються гладкість паперу, його опір вищипуванню волокон фарбою і знижується його пилимість. Підвищується опір поверхневого шару руйнуванню при стиранні гумкою. Крім того, зв’язуючі проклеюючі речовини сприяють утриманню наповнювача в папері. ... C –– N == CH2 + H2O, які викликають полімеризацію з утворенням смол. Частинки карбамідних смол заряджені позитивно і при введенні в паперову масу добре утримуються волокном. При нагріванні в сушильній частині машини полімеризація продовжується. Смола стає нерозчинною в воді і гідрофобною. Завдяки проникненню продуктів полімеризації в структуру волокна проходить міцне скріплення суміжних волокон водостійкими зв’язками. 19 20 Наповнювачі Тому проклейка карбідними смолами надає паперу вологостійкість, тобто здатність зберігати міцність при зволоженні. Проклейка карбамідними смолами. Меламіноформальдегідна і мочевиноформальдегідна проклейка. Цей вид проклейки має на папір і гідрофобізуючу, і зв’язуючу дію. При взаємодії мочевини і меламіну з формальдегідом утворюються похідні, які містять реакційні метилольні групи. При нагріванні вони виділяють воду з утворенням подвійних зв’язків ...C –– NH –– CH2OH 2.5. Наповнювачі Для підвищення білизни, гладкості і зниження світлопроникності паперу в паперову масу вводять наповнювачі – білі порошковидні, нерозчинні в воді мінеральні речовини: каолін, сіркокислий барій, діоксид титану та ін. Частинки наповнювача механічно й адсорбційно утримуються волокнами паперу. Це надає йому рівномірну структуру і підвищує гладкість поверхні. Висока білизна наповнювачів підвищує білизну паперу. Відбиток на папері, який містить наповнювач, виходить більш чітким, книжковий блок більш щільним, з рівним і чітким обрізом, що надає книзі компактності, покращує її зовнішній вигляд. В зв’язку з малою товщиною папір має порівняно високу світлопроникність, що є дефектом для друкарського паперу. При наявності наповнювача світло багаторазово переломлюється в місцях контактів волокон з його частинками і тому розсіюється. Розсіювання тим більше, чим більша різниця в значеннях показників переломлення волокна і наповнювача. Найбільший показник переломлення має діоксид титану (табл. 3). Найбільш білий і непрозорий папір отримують при введенні в паперову масу двоокису титану, але застосування цього наповнювача обмежене в зв’язку з його високою ціною. Частіше всього в Наповнювачі паперову масу для друкарського паперу вводять каолін і бланфікс. Тому він найбільш ефективно знижує світлопроникність і його використовують при виготовленні тонкого паперу. Наповнювачі знижують міцність паперу і роблять його більш м’яким, він легко деформується, тому що їх частинки ускладнюють контакти між волокнами і зменшують кількість зв’язків в структурі паперу. Крім того наповнювачі збільшують масу паперу, в результаті зменшується витрата волокнистого матеріалу. В залежності від кількості наповнювачів папери поділяють: Без наповнювачів – 0% (фільтрувальний, побутового призначення); Малонаповнений – до 6% (газетний); Середньонаповнений – 6-18% (офсетний); Високонаповнений – 18-25% (типографський, для глибокого друку). Табл. 2. Властивості наповнювачів і волокнистих матеріалів Матеріал Щільність, Показник пе- Білизна, г/см3 реломлення % Каолін (Al2O3·2SiO2·2H2O) 2,5 – 2,7 1,56 до 94 Крейда осаджена (CaCO3) 2,7 1,56 95 – 98 Сіркокислий (BaSO4) 4,5 1,64 98 3,9 – 4,2 2,62 97 – 98 1,53 97 – 98 барій Діоксид титану (TiO2) Тальк (3MgO·4SiO2·H2O) 1,5 Целюлоза білена 85 – 90 21 22 Фарбування паперу Целюлоза небілена 50 – 65 Деревна маса небілена 65 білена 72 – 74 термомеханічна небілена 55 білена 61 – 66 2.6. Фарбування паперу Для надання паперу більшої білизни в паперову масу вводять, крім наповнювачів, невелику кількість синіх і фіолетових фарбуючих речовин. Подібно до світлофільтрів, вони поглинають промені жовтої частини спектру і усувають жовтий відтінок волокна. Такий прийом покращення білизни називають підфарбовуванням. Папір фарбують 2-а способами: В масі – дешево, але потрібно опісля вимити машину і скидати стічні води; З поверхні – дорого, бо потребує спеціального обладнання (валики або додаткові секції до машини) Особливий ефект досягається при введенні в паперову масу флюоресцюючих непофарбованих речовин, які поглинаючи невидимі оку ультрафіолетові промені, випромінюють енергію з більшою довжиною хвилі в видимій частині спектру. Ці так звані «оптичні відбілювачі» нібито збільшують відбиття світла. Крім того вони випромінюють світло в синьо-фіолетовій частині спектру, яка компенсує жовтуватий відтінок волокна. Оптичні відбілювачі можна наносити і на поверхню готового паперу. Це більш ефек- Синтетичні волокна – переваги й недоліки використання тивне використання флюоресцюючих речовин, оскільки виключається поглинання ультрафіолетових променів в товщі паперу. Та потрібно враховувати композицію паперу. Наприклад, в основу крейдованих паперів дають деревну масу, для зменшення їх вартості, тут оптичні підбілювачі не допоможуть. 2.7. Синтетичні волокна – переваги й недоліки використання В останні роки для виробництва паперу стали застосовувати різноманітні синтетичні волокна. Отримано папір з поліефірних і поліамідних волокон: капрону, лавсану, нітрону та ін. Синтетичні волокна вирізняються високою гідрофобністю, тому при формуванні листа вони скріпляються між собою спеціальними зв’язуючими, а не в результаті встановлення водневих зв’язків, як у целюлозних волокон. Папір із синтетичних волокон має високу механічну міцність, еластичність. Він стійки до дії лугів, кислот, добре пофарбовується різними барвниками. Представляють інтерес синтетичні волокна із вінолу. На відміну від інших синтетичних волокон вони мають меншу гідрофобність, краще змочуються водою. Це дозволяє застосовувати вінол при виробництві паперу звичайним способом. Папір може бути отриманий як із одного вінолу, так і в суміші з целюлозою. Додання в папір вінолу (3 – 5% від ваги целюлозного волокна) призводить до значного підвищення міцності паперу. Завдяки своїм відмінним властивостям, папір із синтетичних волокон знайде широке застосування для друку географічних карт, документів, грошових знаків, виготовлення палітурок та іншої продукції, призначеної для довготермінового використання. 23 24 Оздоблення паперу, методи оздоблення 2.8. Оздоблення паперу, методи оздоблення Для підвищення якості паперу, надання йому відповідних якостей, товарного вигляду і забезпечення збереження при користуванні ним його піддають обробці. Як правило, всі види паперу піддаються каландруванню безпосередньо в папероробній машині – в її оздоблювальній частині. Для цього в машину після сушильної частини встроюють так званий «машинний каландр». Він складається з декількох металевих полірованих валів, розташованих один над одним. Проходячи між ними, папір стискається під їх тиском. Волокна зближаються, наповнювач проникає між ними і заповнює нерівності поверхні. В результаті зменшується товщина і вирівнюється поверхня паперу, підвищується його однорідність по товщині, гладкість, щільність і знижується пористість. При необхідності папір піддається додатковій обробці в суперкаландрі. Він відрізняється від звичайного каландра тим, що металеві вали в ньому чергуються з валами із щільно спресованих паперових листів. Завдяки цьому суттєво підвищується гладкість паперу і його лоск. Також для покращення зовнішнього вигляду і властивостей паперу в деяких випадках проводять крейдування. Покривний шар в вигляді суміші білих пігментів з плівкоутворюючим наноситься на поверхню паперу-основи в фарбуючих машинах. Надлишок пігментно-фарбової суспензії видаляється гнучким шабером або повітряним струменем (повітряний шабер). Потім папір підсушується і каландрується. Папір може покриватися з однієї сторони або з двох сторін, одноразово або багатократно. Розгляньте самостійно загальну технологічну схему виготовлення паперу і картону. Оздоблення паперу, методи оздоблення Рис. 1. Загальна технологічна схема виготовлення паперу і картону 25 26 Тема 3. Асортимент паперу Тема 3. Асортимент паперу 3.1. Класифікація паперу Відповідно до класифікації, яка застосовується в целюлозно-паперовій промисловості, папір традиційно поділяють за призначенням на 9 груп: папір для друку; оздоблювальний; для писання, креслення та малювання; електротехнічний; пакувальний та обгортковий; світлочутливий; для виготовлення цигарок і сигарет; вбирний; технічно-промисловий папір різного призначення. Кожна група об’єднує види паперу, які різняться між собою волокнистим складом, масою 1м2, кількістю наповнювача, ступенем проклеювання та іншими властивостями. Папір для друку визначається як папір для друкування видавничої продукції, що включає такі види – газетний, типографський, тонкий типографський, офсетний, для глибокого друку, картографічний, документний, обкладинковий, етикетковий, титульний тощо. Слабким місцем цієї класифікації є те, що види паперу визначені як за сферою застосування (газетний, етикетковий), так і за способом друку (офсетний, типографський). Для поліграфістів найважливішою ознакою класифікації паперу для друку є спосіб друку, для якого він призначений. За цією ознакою папір поділяють на 2 групи – з використанням друкарської форми (високий, плоский, глибокий, трафаретний) і без використання друкарської форми (електрофотографічний, електростатичний, струменевий, термографічний тощо). За волокнистим складом папір поділяють на 4 групи: чистоцелюлозний; із вмістом деревної маси; із вмістом макулатури; із використанням недеревної сировини. Класифікація паперу Перший – це каландрований чистоцелюлозний (чи з невеликим вмістом деревної маси) папір із високим ступенем білості (86– 97%), масою 60–150 г/м², який використовується для багатокольорових журналів, книг, високохудожніх каталогів, довідників та інших видань тривалого терміну служби. До паперу зі значним вмістом деревної маси відносять найтонші види паперу (45–51 г/м²), які застосовуються переважно для друкування газет. Папір більшої маси 1 м 2 (55–70 г/м²) використовується для друкування книг, інструкцій, інформаційних листків. Ці види паперу можуть бути облагороджені чи крейдовані, мати один шар покриття. Для довідників і газетних вкладок випускається папір тонований в масі, що також може бути облагороджений. Такі види паперу відносно дешеві й придатні лише для друкування текстів і нескладних чорно-білих ілюстрацій та схем. Папір із вмістом макулатури та недеревної сировини займає незначний сегмент на ринку паперу для друку. За ступенем проклеювання папір для друку поділяють на силь- нопроклеєний, проклеєний, слабопроклеєний та непроклеєний. Для виробництва першого (картографічного, рекламного) вводять 2-3 % проклеювальних речовин від маси абсолютно сухого волокна; для виготовлення слабопроклеєного (типографського, офсетного) – 0.5–1.5 %. За вмістом масової частки золи папір для друку поділяють на: • малозольний (із зольністю до 5 %) – газетний та інші види паперу, де важливо зберегти механічну міцність; • середньої зольності (із зольністю від 5 до 15 %) – офсетний та деякі види паперу для друку; • високозольний (із зольністю понад 15 %) – типографський та інші види паперу, де важливо мати високі непрозорість і друкарські властивості. Вміст наповнювачів у них високий, проте повинен бути не більше 25–30 %. 27 28 Характеристика основних видів паперу 3.2. Характеристика основних видів паперу Табл. 3. Характеристика основних видів паперу для друку Вид паперу Газетний Типографський Офсетний Для глибокого друку Картографічний Документний Етикетковий Характеристика за ДСТУ 2101-92 Непроклеєний малозольний папір із переважним вмістом деревної маси для друкування газет Слабопроклеєний середньозольний або підвищеної зольності папір для друкування високим друком Проклеєний середньозольний папір із обмеженою деформацією після зволожування для друкування видань способом офсетного друку Слабопроклеєний папір підвищеної зольності з рівною зімкненою поверхнею для друкування видань способом глибокого друку Вологоміцний сильно проклеєний папір із низькою лінійною та залишковою деформацією для друкування картографічних видань Довговічний сильно проклеєний папір із водяними знаками або без них для виготовлення документів Проклеєний папір однобічно пігментований або з однобічною гладкістю для друкування багатоколірних етикеток або друкарським способом із наступним їх обробленням 3.3. Папероробні машини Папероробна машина – агрегат неперервної дії для виготовлення паперу (картону) з паперової маси. В ній послідовно виконуються операції вологовідділення, пресування, сушки і оздоблення паперу. Папероробні машини Рис. 2. Загальний вигляд папероробної машини. Розрізняють 2 основних типи папероробних машин Плоскосіточні вживані для вироблення основних видів паперу Циліндрові (круглосіточні) на яких виготовляється обмежений асортимент паперу і картону Ці типи машин мають різні пристрої для випуску паперової маси на сітку і відливу паперового полотна, конструкція ж останніх вузлів, а також технологічний процес виготовлення паперу аналогічні (за винятком машини «сухого формування» - папір виготовляється з синтетичних волокон, тому тут немає розмелювання) Машина для виробництва паперу складається з наступних основних частин: сіткової, де з розведеної суспензії безупинно формується полотно паперу і з нього видаляється перша частина надлишкової води; пресової, де проводиться зневоднювання й ущільнення полотна паперу; сушильної, у якій видаляється волога, що залишилася в паперовому полотні; 29 30 Папероробні машини оздоблювальної, де полотно піддається необхідній обробці для додання лиску, щільності, гладкості й намотується в рулони. Рис. 3. Схема плоскосіточної папероробної машини: 1 — машинний басейн; 2 — насос; 3 — бак постійного натиску; 4 — конічний млин; 5 — насос змішувача; 6 — засувки; 7 — очисна апаратура; 8 — напірний ящик; 9 — сіткова частина; 10 — грудний вал; 11 — гауч-вал; 12 — регістрові валики; 13 — відсмоктуючі ящики; 14 — вирівнювальний валик (егутер); 15 — правильний валик; 16 — пресова частина; 17 — валикові преси; 18 — шерстяні сукена; 19 — сушильна частина; 20, 21 — сушильні циліндри; 22 — каландр; 23 — холодильний циліндр; 24 — накат; 25 — подовжньо-розрізний верстат. 1. 2. 3. 4. Питання для контролю Як відповідно до класифікації, яка застосовується в целюлознопаперовій промисловості, папір традиційно поділяють за призначенням? Що таке зольність? Дайте коротку характеристику етикеткового паперу. Назвіть основні види папероробних машин. Папероробні машини Для нотаток 31 32 Список рекомендованої літератури Список рекомендованої літератури 1. Курська Т.М., Чернобай Г.О., Єрьоментко С.Б. Матер іалознавство та технологія матеріалів. – Х.: УЦЗУ, 2008.136 с. 2. Остеров И. А. Инновации технологии и печатные свойства бумаги / И. А. Остеров // Мир бумаги. — 2003. — № 2 — С. 26— 29.Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений [Текст] : / Гонсалес Р., Вудс Р. М.: Техносфера, 2005.— 1072 с. 3. ДСТУ 2101–92. Папір. Терміни та визначення. — [Чинний від 1993—07—01]. — К.: Держстандарт України, 1992. — 91 с. 4. Держстандарт України, 1995. - 50 с. 19.ДСТУ 3018-95. Видання. Поліграфічне виконання. Терміни та визначення. - К: Держстандарт України, 1995. -21с. 5. Мартинюк В. Т. Основи додрукарської підготовки образотворчої інформації: підруч.: у 2 кн. Кн.2: Процеси опрацювання образотворчої інформації. [Текст] : / Мартинюк В. Т. К.:: Університет «Україна», 2009.— 291 с. 6. Вильсон Дэниел Дж. Основы офсетной печати / Дэниел Дж. Вильсон; пер. с англ. М. Бредиса. — М. : Принт-Медиа центр, 2005. — 232 с. 7. Перетятко Б. Т. Папір для офсетного друку / Б. Т. Перетятко, Л. С. Слоцька. — Л. : НВП "МЕТА", 2000. — 106 с. 8. Технология целлюлозно-бумажного производства : В 3-х т., Т. 2. // Производство бумаги и картона. Ч. 2. Основные виды и свойства бумаги, картона, фибры и древесных плит ; под. ред. П. С. Осипова. — СПб. : Политехника. — 2006. — С. 8—25.
