Климат и бумага. Влияние на бумагу окружающей среды

Окру­жа­ю­щая сре­да, в нашем слу­чае, может быть оха­рак­те­ри­зо­ва­на четырь­мя основ­ны­ми ком­по­нен­та­ми — это воз­дух, вода в раз­ных видах (жид­кость, пар, лёд), тем­пе­ра­ту­ра и сол­неч­ная ради­а­ция раз­ной интенсивности.

Наи­боль­шее зна­че­ние для бума­ги име­ет сти­хия воды. Вода не толь­ко ком­по­нент при­род­но­го син­те­за цел­лю­ло­зы, про­ис­хо­дя­ще­го в рас­те­ни­ях, но и обя­за­тель­ная сре­да это­го син­те­за. Про­цесс про­из­вод­ства бума­ги и кар­то­на так­же до сих пор про­ис­хо­дит в вод­ной сре­де. Исполь­зу­ет­ся бума­га, кар­тон и изде­лия из них в сре­де, в кото­рой им при­хо­дит­ся вза­и­мо­дей­ство­вать с водой, воз­душ­ной сре­дой, сол­неч­ным излу­че­ни­ем и это вза­и­мо­дей­ствие про­ис­хо­дит при раз­ном тем­пе­ра­тур­ном воздействии.

Отно­си­тель­но новое, стре­ми­тель­но раз­ви­ва­ю­ще­е­ся направ­ле­ние исполь­зо­ва­ние мате­ри­а­лов на осно­ве бума­ги, кар­то­на — ком­по­зи­ци­он­ные мате­ри­а­лы. Это направ­ле­ние заме­ня­ет метал­лы и дру­гие иско­па­е­мые мате­ри­а­лы на воз­об­нов­ля­е­мые при­род­ные мате­ри­а­лы на осно­ве цел­лю­ло­зы в быту, меди­цине, стро­и­тель­стве, на транс­пор­те и мно­гих дру­гих сфе­рах. Мож­но ска­зать, — это осно­ва устой­чи­во­го раз­ви­тия нашей цивилизации.

Осо­бен­но­сти бума­ги, это­го капил­ляр­но-пори­сто­го кол­ло­ид­но­го мате­ри­а­ла, в актив­ном вза­и­мо­дей­ствии с вла­гой окру­жа­ю­ще­го воздуха.Параметры сре­ды спо­соб­ны корен­ным обра­зом изме­нить свой­ства бума­ги и при­во­дят к :

• неста­биль­но­сти размеров;
• изме­не­нию фор­мы (скру­чи­ва­нию, короблению;
• изме­не­нию меха­ни­че­ской проч­но­сти и осо­бен­но­стям деформируемости;
• от вла­го­со­дер­жа­ния зави­сит спо­соб­ность сма­чи­вать­ся, впи­ты­вать и набу­хать в жидкостях;
• суще­ствен­но изме­ня­ют­ся элек­три­че­ские свой­ства (элек­тро­про­вод­ность, диэлек­три­че­ские свойства);
• как резуль­тат мно­гих изме­не­ний — изме­ня­ют­ся печат­ные свой­ства бумаги.

Что важ­но учи­ты­вать, что­бы управ­лять свой­ства­ми бума­ги, доби­ва­ясь нуж­но­го резуль­та­та с учё­том вли­я­ния влаж­но­сти и температуры?

Говоря о бумаге мы будем иметь ввиду и картон. Основные выводы относятся к любым материалам из растителной целлюлозы.

Вза­и­мо­дей­ствие бума­ги с вла­гой воз­душ­ной сре­ды или с водой при сма­чи­ва­нии или погру­же­нии в неё бума­ги рас­смат­ри­ва­ет­ся в серьёз­ных и объ­ём­ных иссле­до­ва­ни­ях. Неко­то­рые из них ука­за­ны в кон­це поста. Мы оста­но­вим­ся на важ­ных, с нашей точ­ки зре­ния, вопро­сах рабо­ты с бума­гой как цел­лю­лоз­ным материалом.

Бума­га — гиг­ро­ско­пич­ный мате­ри­ал, т. е. мате­ри­ал актив­но погло­ща­ю­щий вла­гу. Гиг­ро­ско­пич­ность бума­ги опре­де­ля­ет­ся хими­че­ской при­ро­дой цел­лю­ло­зы, эле­мен­тар­ные зве­нья кото­рой содер­жат по три склон­ных к вза­и­мо­дей­ствию с водой гид­рок­силь­ных груп­пы и при­ро­дой дру­гих, более мел­ких вклю­че­ний — геми­цел­лю­лоз и лиг­ни­на. Струк­ту­ра бума­ги, изоби­лу­ю­щая капил­ля­ра­ми мало­го диа­мет­ра, так­же спо­соб­ству­ет кон­ден­са­ции в них влаги.

О дефек­тах бума­ги, вли­я­ю­щих на про­цесс печа­ти, подроб­но смот­ри­те в посте Непо­лад­ки в печа­ти. Вли­я­ние бумаги.

Несколько терминов

Коли­че­ство вла­ги в воз­ду­хе — пере­мен­ная вели­чи­на и харак­те­ри­зу­ет­ся дву­мя пока­за­те­ля­ми: абсо­лют­ной и отно­си­тель­ной влаж­но­стью.

Абсо­лют­ная влаж­ность воз­ду­ха опре­де­ля­ет­ся коли­че­ством водя­но­го пара в грам­мах, кото­рое содер­жит­ся в 1 м³ воз­ду­ха. Мак­си­маль­ное коли­че­ство водя­но­го пара, кото­рое может содер­жать­ся в воз­ду­хе при посто­ян­ном дав­ле­нии зави­сит от тем­пе­ра­ту­ры. Оно уве­ли­чи­ва­ет­ся по мере уве­ли­че­ния тем­пе­ра­ту­ры. При одной и той же абсо­лют­ной влаж­но­сти воз­дух может быть сух или вла­жен в зави­си­мо­сти от тем­пе­ра­ту­ры. Поэто­му для оцен­ки сухо­сти воз­ду­ха при­ме­ня­ют­ся дру­гие харак­те­ри­сти­ки, из кото­рых наи­бо­лее рас­про­стра­не­на отно­си­тель­ная влаж­ность.

Отно­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха — это отно­ше­ние абсо­лют­ной влаж­но­сти воз­ду­ха к его вла­го­ём­ко­сти при той же тем­пе­ра­ту­ре. Отно­си­тель­ная влаж­ность чаще выра­жа­ет­ся в процентах.

Отно­си­тель­ная влаж­ность  может выра­жать­ся так­же отно­ше­ни­ем пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния водя­но­го пара, нахо­дя­ще­го­ся в воз­ду­хе, к пар­ци­аль­но­му дав­ле­нию водя­но­го насы­щен­но­го воз­ду­ха при одной температуре.

Вла­го­ём­кость - это абсо­лют­ная влаж­ность воз­ду­ха в состо­я­нии насы­ще­ния т. е. при мак­си­маль­но воз­мож­ном, в усло­ви­ях дан­ной тем­пе­ра­ту­ры, содер­жа­нии вла­ги. При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры вла­го­ём­кость воз­ду­ха уве­ли­чи­ва­ет­ся. Тем­пе­ра­ту­ра, при кото­рой воз­дух с дан­ным вла­го­со­дер­жа­ни­ем ста­но­вит­ся насы­щен­ным, назы­ва­ет­ся точ­кой росы.

Меж­ду вла­гой в воз­ду­хе и в бума­ге посто­ян­но про­ис­хо­дит вла­го­об­мен. Это про­ис­хо­дит если изме­ня­ет­ся влаж­ность или тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­ще­го бума­гу воз­ду­ха. Ско­рость вос­при­я­тия вла­ги бума­гой и ско­рость отда­чи вла­ги в окру­жа­ю­щую сре­ду стре­мят­ся вырав­нять­ся. Когда меж­ду вла­гой, содер­жа­щей­ся в воз­ду­хе и бума­ге, уста­но­вит­ся рав­но­ве­сие, то гово­рят о рав­но­вес­ной влаж­но­сти бумаги.

Изменение влажности бумаги при изменении влажности воздуха

Высо­кая зави­си­мость вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги от влаж­но­сти окру­жа­ю­ще­го воз­ду­ха пред­опре­де­ля­ет чув­стви­тель­ность свойств бума­ги к изме­не­нию кли­ма­ти­че­ских условий. 

Изме­не­ние вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги при изме­не­нии влаж­но­сти окру­жа­ю­ще­го воз­ду­ха про­ис­хо­дит по-раз­но­му, в зави­си­мо­сти от того уве­ли­чи­ва­ет­ся или умень­ша­ет­ся содер­жа­ние вла­ги в бума­ге. Это раз­ли­чие объ­яс­ня­ет­ся явле­ни­ем гисте­ре­зи­са в про­цес­сах увлаж­не­ния и суш­ки бумаги.

 Гистерезис – это слово греческого происхождения, буквально, означает отставание,запаздывание. 
Понятие гистерезис обозначает явление, в котором свойства тела (вещества), зависят от "предыстории" существования тела (вещества), от того, что было с ним ранее.

Про­цесс уве­ли­че­ния и умень­ше­ния рав­но­вес­ной влаж­но­сти бума­ги при уве­ли­че­нии и умень­ше­нии влаж­но­сти воз­ду­ха, назы­ва­е­мый про­це­са­ми сорб­ции и десорб­ции, соот­вет­ствен­но, пока­зан на рис. 

Из этой кри­вой сле­ду­ет вывод о том, что при изме­не­нии влаж­но­сти воз­ду­ха влаж­ность бума­ги при её суш­ке (верх­няя кривая‑4) име­ет более высо­кие зна­че­ния, при оди­на­ко­вой отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха, чем при после­ду­ю­щем увлаж­не­нии (ниж­няя кри­вая ‑5).

С уве­ли­че­ни­ем вла­го­со­дер­жа­ния воз­ду­ха при посто­ян­ной тем­пе­ра­ту­ре повы­ша­ет­ся и рав­но­вес­ная влаж­ность бума­ги. При этом, с повы­ше­ни­ем тем­пе­ра­ту­ра сни­жа­ет­ся сте­пень изме­не­ния влаж­но­сти бумаги. 

Поми­мо вла­го­со­дер­жа­ния и тем­пе­ра­ту­ры на рав­но­вес­ное вла­го­со­дер­жа­ние бума­ги вли­я­ет ком­по­зи­ци­он­ный состав по виду воло­кон. Чем бли­же волок­на по сво­е­му соста­ву к чистой цел­лю­ло­зе, тем мень­ше, при рав­ных усло­ви­ях, вла­го­со­дер­жа­ние бума­ги. Наи­боль­шее вла­го­со­дер­жа­ние, при посто­ян­ных усло­ви­ях, име­ют волок­на дре­вес­ной мас­сы, наи­мень­шее — волок­на хлопка.

Явле­ние гисте­ре­зи­са, а так­же изме­не­ние сорб­ци­он­ных свойств бума­ги при чере­до­ва­нии про­цес­сов увлаж­не­ния и суш­ки свя­за­ны с необ­ра­ти­мым изме­не­ни­ем как мик­ро­струк­ту­ры бума­ги (исчез­но­ве­ни­ем мел­ких капил­ляр­ных поло­стей воло­кон вслед­ствие усад­ки струк­тур­ных эле­мен­тов воло­кон), так и хими­че­ских свойств поверх­но­сти воло­кон (замы­ка­ни­ем склон­ных к вза­и­мо­дей­ствию с водой хими­че­ских групп цел­лю­ло­зы на дру­гие актив­ные груп­пы воло­кон или их экранирование).

Для прак­ти­ки рабо­ты с бума­гой и про­дук­та­ми её пере­ра­бот­ки важ­но учи­ты­вать, как изме­ня­ет­ся влаж­ность бума­ги при мно­го­крат­ных цик­лах изме­не­ния влаж­но­сти воз­ду­ха. Важ­но брать в рас­чёт “предыс­то­рию” суще­ство­ва­ния бума­ги или любых цел­лю­лоз­ных про­дук­тов. При цик­ли­че­ском изме­не­нии отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха, напри­мер, от 30% до 87% и сно­ва до 30% про­ис­хо­дит изме­не­ние вла­го­по­гло­ще­ния бумаги. 

При этом:

• Рав­но­вес­ная влаж­ность бума­ги при уда­ле­нии вла­ги (в каж­дом отдель­ном цик­ле: суш­ка-увлаж­не­ние) все­гда выше рав­но­вес­ной влаж­но­сти, дости­га­е­мой, после это­го, при увлажнении.

• При мно­го­крат­ном увлаж­не­нии с после­ду­ю­щей суш­кой, в каж­дом после­ду­ю­щем цик­ле, рав­но­вес­ная влаж­ность бума­ги при оди­на­ко­вой отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха увеличивается.

• В каж­дом после­ду­ю­щем цик­ле умень­ша­ет­ся раз­ни­ца в рав­но­вес­ной влаж­но­сти бума­ги при увлаж­не­нии и уда­ле­нии вла­ги (бума­га стабилизируется). 

Всё это ука­зы­ва­ет на важ­ность “предыс­то­рии” бума­ги для обес­пе­че­ния её ожи­да­е­мых свойств — важ­ность усло­вий хра­не­ния и под­го­тов­ки к печати.

Деформация бумаги при увлажнении и сушке

При изме­не­нии влаж­но­сти и тем­пе­ра­ту­ры воз­ду­ха в бума­ге про­ис­хо­дят про­цес­сы, важ­ные для фор­ми­ро­ва­ния свойств релак­са­ции внут­рен­них напря­же­ний, зало­жен­ных в неё при изго­тов­ле­нии на бума­го­де­ла­тель­ной машине. Эти про­цес­сы могут при­во­дить к изме­не­нию внеш­не­го вида бума­ги, напри­мер, умень­ше­нию глад­ко­сти, появ­ле­нию короб­ле­ния поверх­но­сти, а так­же изме­ня­ют дефор­ма­ци­он­ные и проч­ност­ные свой­ства бума­ги. При этом воз­мож­но воз­ник­но­ве­ние пла­сти­че­ских необ­ра­ти­мых дефор­ма­ций, если бума­га нахо­ди­лась под воз­дей­стви­ем нагрузки.

Сведения из опыта

Несколь­ко цик­лов увлаж­не­ние-высу­ши­ва­ние умень­ша­ют сте­пень усад­ки бума­ги при каж­дом после­ду­ю­щем цикле.

Резуль­тат обра­бот­ки офсет­ной бума­ги [4]:

Чис­ло цикловувлажнение-высушивание	1	2	3	4
Усад­ка при высушивании,%	1,80	0,55	0,30	0,16

Опти­маль­ное зна­че­ние вла­го­со­дер­жа­ния бумаж­но­го полот­на харак­тер­но и для полу­че­ния мак­си­маль­но­го погло­ще­ния вод­ных рас­тво­ров при обра­бот­ке бума­ги. Была уста­нов­ле­на зави­си­мость водо­по­гло­ще­ния бума­ги от её отно­си­тель­ной влаж­но­сти перед обра­бот­кой вод­ным рас­тво­ром в кле­иль­ном прес­се бума­го­де­ла­тель­ной машины[1]. Наи­боль­шее зна­че­ние погло­ще­ния вла­ги полу­че­но при отно­си­тель­ной влаж­но­сти бума­ги 12–18 % .

Изме­не­ние вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги ведёт к изме­не­нию её раз­ме­ров, а ино­гда и формы.Увеличение раз­ме­ров увлаж­нён­но­го листа бума­ги по отно­ше­нию к пер­во­на­чаль­ным раз­ме­рам сухо­го листа, назы­ва­ет­ся линей­ной дефор­ма­ци­ей при увлажнении.

Мно­го­крат­ное уве­ли­че­ние влаж­но­сти бума­ги с после­ду­ю­щей под­суш­кой при­во­дит, как уже отме­ча­лось, к ста­би­ли­за­ции её раз­ме­ров. Это след­ствие про­цес­сов релак­са­ции внут­рен­них напря­же­ний, кото­рые при цик­ли­че­ском увлаж­не­нии — высу­ши­ва­нии при­во­дят к умень­ше­нию, после каж­до­го цик­ла, реак­ции раз­ме­ров бума­ги на изме­не­ние её влаж­но­сти. При этом, как пра­ви­ло, про­ис­хо­дит уве­ли­че­ние тол­щи­ны и шеро­хо­ва­то­сти бума­ги, а так же может про­изой­ти короб­ле­ние поверхности.

Изменение прочностных показателей бумаги в зависимости от влагосодержания

Для проч­ност­ных пара­мет­ров бума­ги тре­бу­ет­ся опти­маль­ное зна­че­ние вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги при мак­си­маль­ном зна­че­нии пара­мет­ров. Мак­си­маль­ное зна­че­ние раз­рыв­но­го уси­лия дости­га­ет­ся по дан­ным М.В. Фро­ло­ва [2] при отно­си­тель­ной влаж­но­сти бума­ги 6–8 %. При повы­ше­нии вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги до это­го уров­ня повы­ша­ет­ся гиб­кость воло­кон и созда­ют­ся усло­вия для уве­ли­че­ния пло­ща­ди кон­так­та меж­ду волокнами.

При пере­су­ши­ва­нии бума­ги ухуд­ша­ют­ся и её сорб­ци­он­ные свой­ства. Поло­жи­тель­ное пла­сти­фи­ци­ру­ю­щее вли­я­ние воды на меха­ни­че­скую проч­ность бума­ги ярко про­яв­ля­ет­ся на зна­че­ни­ях пока­за­те­ля сопро­тив­ле­ния изло­му, кото­рый рез­ко умень­ша­ет­ся при пере­су­ши­ва­нии бумаги.

Проч­ность замо­чен­ной в воде бума­ги может состав­лять не более 10% от исход­ной прочности.

Изменение потребительских свойств при воздействии климатических условий

Влаж­ность бума­ги на воз­ду­хе может изме­нять­ся при изме­не­нии отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха. С уве­ли­че­ни­ем отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха влаж­ность бума­ги увеличивается.

При посто­ян­ной отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха, но при изме­не­нии тем­пе­ра­ту­ры, влаж­ность бума­ги тоже изме­ня­ет­ся. С уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры, в этом слу­чае, абсо­лют­ная влаж­ность воз­ду­ха будет умень­шать­ся, а зна­чит и вла­го­со­дер­жа­ние бума­ги так­же будет уменьшаться.

Сведения из опыта

Изме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры на 5 оС ведёт к изме­не­нию влаж­но­сти печат­ной бума­ги на 0,15%.

Изме­не­ние отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха на 10% изме­ня­ет влаж­ность офсет­ной бума­ги при­бли­зи­тель­но на 1 % . При влаж­но­сти свы­ше 80%, содер­жа­ние вла­ги может изме­нять­ся на 1,5–2%.

При поме­ще­нии бума­ги в сре­ду с изме­нён­ной отно­си­тель­ной влаж­но­стью воз­ду­ха, её элек­тро­про­вод­ность начи­на­ет изме­нять­ся мгновенно.

Лист бума­ги, при хоро­шем воз­ду­хо­об­мене, в тече­ние 10–15 минут при­ни­ма­ет 50–75% тех изме­не­ний, кото­рым он под­вер­га­ет­ся при новой влаж­но­сти воздуха.

Реко­ме­ду­е­мые пара­мет­ры воз­ду­ха в печат­ном цехе:

	Отно­си­тель­ная влаж­ность воздуха, %	Тем­пе­ра­ту­ра, град С
зимой	45–55	18–22
летом	50–60	19–23

Чув­стви­тель­ность бума­ги к изме­не­нию влаж­но­сти воз­ду­ха может при­во­дить к воз­ник­но­ве­нию про­блем. Напри­мер, кри­ти­че­ские усло­вия могут создать­ся при попа­да­нии охла­ждён­ной бума­ги в тёп­лое поме­ще­ние, или наобо­рот, при поступ­ле­нии тёп­лой бума­ги в холод­ное поме­ще­ние. Допу­сти­мая раз­ни­ца тем­пе­ра­тур печат­но­го цеха и сто­пы бума­ги не более 4 гра­ду­сов Цельсия.

Над холод­ной бума­гой созда­ют­ся усло­вия для кон­ден­са­ции вла­ги воз­ду­ха на бума­ге, поэто­му кром­ки листов в пач­ке теря­ют плос­кост­ность и ста­но­вят­ся волнистыми.

Над тёп­лой бума­гой, име­ю­щей более высо­кую тем­пе­ра­ту­ру, чем тем­пе­ра­ту­ра окру­жа­ю­ще­го воз­ду­ха, созда­ют­ся усло­вия при кото­рых пони­жа­ет­ся отно­си­тель­ная влаж­ность воз­ду­ха и бума­га под­сы­ха­ет, что так — же может при­ве­сти к её дефор­ма­ции, вызы­ва­ю­щей нару­ше­ние плос­кост­но­сти листа. Гово­рят, что в этом слу­чае бума­га при­ни­ма­ет фор­му тарелки.

Прак­ти­че­ский инте­рес вызы­ва­ет пове­де­ние бума­ги в замкну­той систе­ме, ины­ми сло­ва­ми в огра­ни­чен­ном про­стран­стве при отсут­ствии воз­ду­хо­об­ме­на. Такая ситу­а­ция харак­тер­на для руло­нов и пачек бума­ги, кото­рые упа­ко­вы­ва­ют­ся во вла­го­изо­ли­ру­ю­щую упа­ков­ку (влаго‑, паро­не­про­ни­ца­е­мую бума­гу, поли­эти­лен и пр.). В замкну­той систе­ме изме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры при­во­дит к изме­не­нию отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха, а, сле­до­ва­тель­но, и рав­но­вес­ной влаж­но­сти бума­ги. Напри­мер, бума­га в поли­эти­ле­но­вой упа­ков­ке, при низ­кой тем­пе­ра­ту­ре будет при­ни­мать вла­гу из воз­ду­ха, нахо­дя­ще­го­ся в пач­ке. При этом, чем боль­ше воз­ду­ха в пач­ке, тем боль­ше могут быть эти изме­не­ния вла­го­со­дер­жа­ния бумаги.

Высо­кая чув­стви­тель­ность свойств бума­ги по отно­ше­нию к рав­но­вес­но­му вла­го­со­дер­жа­нию вызы­ва­ет необ­хо­ди­мость осу­ществ­ле­ния про­цес­сов аккли­ма­ти­за­ции или кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ния бумаги.

Аккли­ма­ти­за­ция бума­ги — при­спо­соб­ле­ние к ново­му кли­ма­ту — про­цесс при­ве­де­ния бума­ги в состо­я­ние рав­но­вес­ное с отно­си­тель­ной влаж­но­стью и тем­пе­ра­ту­рой воз­ду­ха дан­но­го помещения.

Кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ние бума­ги — при­да­ние бума­ге необ­хо­ди­мой влаж­но­сти и тем­пе­ра­ту­ры исхо­дя из усло­вий её исполь­зо­ва­ния или целей при­ве­де­ния бума­ги к срав­ни­мым условиям.

Изменение печатных свойств бумаги

В таб­ли­це пока­за­но как изме­ня­ет­ся влаж­ность офсет­ной чисто­цел­лю­лоз­ной бума­ги машин­ной глад­ко­сти в поме­ще­нии с отно­си­тель­ной влаж­но­стью воз­ду­ха 60% и тем­пе­ра­ту­ре 21 ⁰С (дан­ные инсти­ту­та “FOGRA”) . При исход­ной влаж­но­сти 3 %, все­го через 30 секунд влаж­ность уве­ли­чи­ва­ет­ся на 1,5%.

Исход­ная абсо­лют­ная влаж­ность бумаги, %	Абсо­лют­ная влаж­ность (%), через опре­де­лён­ное вре­мя, в секундах
	30 с	60 с	90 с	120 с	180 с
3,0	4,5	5,4	6,0	6,5	7,3
4,5	5,7	6,5	7,0	7,3	7,5
6,5	7,2	7,4	7,5	7,5	7,5
7,5	7,7	7,7	7,7	7,7	7,7

Сведения из опыта

Для печат­ной бума­ги кон­троль за влаж­но­стью име­ет важ­ное зна­че­ние. С изме­не­ни­ем влаж­но­сти бума­ги про­ис­хо­дит изме­не­ние раз­ме­ров, воз­мож­на поте­ря листом плос­кост­но­го состо­я­ния (воз­ник­но­ве­ние вол­ни­сто­сти или скру­чи­ва­ния). Изме­не­ние раз­ме­ров листов при изме­не­нии влаж­но­сти про­ис­хо­дят, глав­ным обра­зом, в направ­ле­нии пер­пен­ди­ку­ляр­ном машин­но­му направ­ле­нию в листе.

Для умень­ше­ния про­блем с сов­ме­ще­ни­ем кра­сок на оттис­ках печат­ные листы долж­ны иметь машин­ное направ­ле­ние парал­лель­ное оси печат­но­го цилин­дра. Коле­ба­ния отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха на 5 и более про­цен­тов вызы­ва­ет несов­ме­ще­ние кра­сок на оттис­ках. Наи­боль­шая ста­биль­ность бума­ги наблю­да­ет­ся при 45 % отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха. Наи­бо­лее бла­го­при­ят­ный диа­па­зон отно­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха (40 — 60) %.

Осо­бен­ность офсет­ной печа­ти — в увлаж­не­нии бума­ги сма­чи­ва­ю­щим рас­тво­ром. Офсет­ная бума­га мас­сой 1 м² 90 г при печа­та­нии четырь­мя крас­ка­ми может лег­ко погло­тить до 1% вла­ги. Это в свою оче­редь может при­ве­сти к уве­ли­че­нию раз­ме­ра листа в попе­реч­ном направ­ле­нии на 1,2 мм и стать при­чи­ной несов­ме­ще­ния кра­сок на оттиске. 

Для того что­бы срав­нить свой­ства раз­лич­ных марок бума­ги их испы­та­ния про­во­дят в еди­ных кли­ма­ти­че­ских усло­ви­ях, в кото­рых бума­га кондиционируется.

Про­дол­жи­тель­ность кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ния для боль­шин­ства видов бума­ги без про­клей­ки состав­ля­ет 4 часа. Для кле­ё­ных и видов бума­ги с повы­шен­ной мас­сой 1 м² — не менее 12 часов, для водо­не­про­ни­ца­е­мых видов — не менее 24 часов.

Стан­дар­том ИСО 187 “Бума­га и кар­тон. Кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ние образ­цов” преду­смот­ре­ны три режи­ма кондиционирования.

Условия кондиционирования

Тем­пе­ра­ту­ра, 0С	Отно­си­тель­ная влажность, %	Харак­те­ри­сти­ка режима
23±1	50±2	Усло­вия кон­ди­ци­о­ни­ро­ва­ния боль­шин­ства печат­ных видов бумаги
27±1	65±2	Для тро­пи­че­ских условий
20±1	65±2	Для спе­ци­аль­ных условий

Хоро­шо извест­но, что пере­су­шен­ная бума­га склон­на накап­ли­вать ста­ти­че­ское элек­три­че­ство. Для неё уве­ли­чи­ва­ет­ся веро­ят­ность появ­ле­ния таких дефек­тов как пыле­ние и выщи­пы­ва­ние.

Влияние влажности бумаги на переработку 

Струк­ту­ра бумаж­но­го полот­на в обыч­ных усло­ви­ях нахо­дит­ся в застек­ло­ван­ном состо­я­нии. При напря­же­ни­ях, не пре­вы­ша­ю­щих пре­де­ла проч­но­сти на раз­рыв, бума­га ведёт себя как высо­ко­эла­стич­ный мате­ри­ал, для кото­ро­го допу­сти­мы неболь­шие по вели­чине упру­гие дефор­ма­ции, исче­за­ю­щие сра­зу после пре­кра­ще­ния дей­ствия нагрузки. 

Тем­пе­ра­ту­ра стек­ло­ва­ния, (та тем­пе­ра­ту­ра, при кото­рой мате­ри­ал теря­ет свой­ства стек­ла и пре­об­ре­та­ет свой­ства высо­ко­эла­стич­но­го поли­ме­ра), основ­ных поли­мер­ных состав­ля­ю­щих воло­кон, обра­зу­ю­щих бума­гу таковы:

• цел­лю­ло­за — 220 ^оС;
• лиг­нин — 120^оС;
• геми­цел­лю­ло­зы — 70 ^оС.

Тем­пе­ра­ту­ра стек­ло­ва­ния может быть пони­же­на до ком­нат­ной при обра­бот­ке бума­ги пла­сти­фи­ка­то­ром, роль кото­ро­го хоро­шо выпол­ня­ет вода или гли­це­рин. В воде тем­пе­ра­ту­ра стек­ло­ва­ния пони­жа­ет­ся до 45 ^оС. При пла­сти­фи­ка­ции бума­ги воз­мо­жен пере­ход бума­ги и в высо­ко­эла­стич­ное состо­я­ние. Это важ­но учи­ты­вать при пере­ра­бот­ке и обра­бот­ке бума­ги [3].

Крат­ко­вре­мен­ный нагрев цел­лю­ло­зы ваз­мо­жен до 240–260 ^оС без суще­ствен­ной деструкции. 

В каче­стве при­ме­ра хоро­ше­го исполь­зо­ва­ния релак­са­ци­он­но­го изме­не­ния поли­мер­ных ком­по­нен­тов бума­ги мож­но при­ве­сти тис­не­ние двух­слой­ных обо­ев, кото­рое про­из­во­дит­ся непо­сред­ствен­но после склей­ки двух бумаж­ных поло­тен, верх­не­го бело­го и ниж­не­го, содер­жа­ще­го дре­вес­ную мас­су или макулатуру. 

Вод­ный рас­твор клея, увлаж­няя оба полот­на бума­ги, при их склей­ке, и меняя релак­са­ци­он­ное состо­я­ние бума­ги, уве­ли­чи­вая пла­сти­че­скую состав­ля­ю­щую дефор­ма­ции, поз­во­ля­ет полу­чить высо­ко­ре­льеф­ное тис­не­ние, фик­си­ру­ю­ще­е­ся после высы­ха­ния клея и бума­ги, и хоро­шо сохра­ня­ю­ще­е­ся в обоях. 

Извест­но, сколь­ко непри­ят­но­стей достав­ля­ет в про­цес­се печа­ти или в про­цес­сах обра­бот­ки оттис­ков ста­ти­че­ское элек­три­че­ство, кото­рое накап­ли­ва­ет­ся на поверх­но­сти бума­ги. Склон­ность бума­ги накап­ли­вать элек­три­че­ский заряд в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни опре­де­ля­ет­ся её элек­тро­про­вод­но­стью. А послед­няя в реша­ю­щей сте­пе­ни зави­сит от вла­го­со­дер­жа­ния бума­ги. Это обсто­я­тель­ство так же сле­ду­ет учи­ты­вать при рабо­те с бума­гой, не допус­кая её пере­су­ши­ва­ния. Осо­бен­но важ­но выдер­жи­вать тре­бу­е­мый уро­вень элек­тро­про­вод­но­сти бума­ги, исполь­зу­е­мой в циф­ро­вой печа­ти, об этом шла речь здесь: “Бума­га для циф­ро­вой печа­ти” и “Непо­лад­ки в циф­ро­вой печа­ти. Вли­я­ние бума­ги.”

Влияние на бумагу водной среды 

Важ­ным для пере­ра­бот­ки цел­лю­лоз­ных мате­ри­а­лов явля­ет­ся вза­и­мо­дей­ствие с вод­ной сре­дой. Это вза­и­мо­дей­ствие име­ет три важ­ней­ших аспек­та, реша­е­мых тех­но­ло­ги­ей про­из­вод­ства [4]:

• акти­ва­ция ком­по­нен­тов бума­ги. В основ­ном это каса­ет­ся цел­лю­лоз­ных воло­кон, кото­рые в тра­ди­ци­он­ной тех­но­ло­гии (есть ещё без­вод­ная — сухая тех­но­ло­гия) в воде раз­ма­лы­ва­ют­ся. Поверх­ность воло­кон при этом фиб­рил­ли­ру­ет­ся (фиб­рил­лы — тон­кие эле­мен­ты воло­кон­ных сте­нок, кото­рые набу­хая созда­ют кол­ло­ид­ные плён­ки. И фиб­рил­лы и кол­ло­ид­ные обра­зо­ва­ния повы­ша­ют реак­ци­он­ную спо­соб­ность волокон;
• обра­зо­ва­ние свя­зей меж­ду волок­на­ми. В вод­ной сре­де волок­на пла­сти­фи­ци­ру­ют­ся и созда­ют­ся усло­вия для кон­так­тов меж­ду волокнами;
• повы­ше­ние водо­стой­ко­сти и устой­чи­во­сти фор­мы бума­ги и изделий.

Влагопрочность и барьерные свойства

Общее водо­по­гло­ще­ние цел­лю­лоз­но­го волок­ни­сто­го мате­ри­а­ла в рас­пу­шон­ном виде может дости­гать 100–300% от мас­сы сухо­го волок­на. Это зави­сит от хими­че­ской чисто­ты и струк­ту­ры воло­кон. Если из тако­го мате­ри­а­ла сфор­мо­ва­на бума­га, то погло­ще­ние воды до рав­но­вес­но­го состо­я­ния будет опре­де­лять­ся глав­ным обра­зом пори­сто­стью и в мень­шей сте­пе­ни про­кле­и­ва­ю­щи­ми и напол­ня­ю­щи­ми бума­гу веществами.

Высо­ко­по­ри­стые виды бума­ги погло­ща­ют до 50% воды от соб­ствен­ной мас­сы, более плот­ные 30–40%. Ско­рость насы­ще­ния бума­ги водой и ско­рость про­ник­но­ве­ния воды сквозь бума­гу зави­сит от сте­пе­ни про­клей­ки и пористости. 

Вре­мя насы­ще­ния водой некле­ё­ной бума­ги — 1с, для про­кле­я­ных пис­чих ‑100‑2000 с, для силь­но­кле­ё­ных 10 000 — 30 000 с.

Композиты на основе бумаги

С тех­ни­че­ской точ­ки зре­ния в усло­ви­ях рас­ши­ре­ния исполь­зо­ва­ния бума­ги и кар­то­на для упа­ков­ки, в том чис­ле и жид­ких про­дук­тов, важ­ны­ми явля­ют­ся аспек­ты при­да­ния цел­лю­лоз­ным мате­ри­а­лам устой­чи­во­сти к жид­ким средам. 

До сих пор широ­ко при­ме­ня­ю­щи­е­ся спо­со­бы при­да­ния бума­ге устой­чи­во­сти к воде и вод­ным про­дук­там (впро­чем, и к жир­со­дер­жа­щим) путём нане­се­ния на поверх­ность бума­ги сло­ёв поли­ме­ров или метал­ли­зи­ро­ван­ной фоль­ги сего­дня уже не могут счи­тать­ся удо­вле­тво­ри­тель­ны­ми. Они затруд­ня­ют реге­не­ра­цию таких про­дук­тов после того как они выво­дят­ся из исполь­зо­ва­ния. Об упа­ков­ке на осно­ве бума­ги и кар­то­на мы писа­ли в постах:

• Бума­га вме­сто пла­сти­ка — эко­ло­гич­ная упаковка
• Упа­ков­ка из воз­об­нов­ля­е­мо­го при­род­но­го материала

В ком­по­зи­тах сопро­тив­ле­ние цел­лю­лоз­ной мат­ри­цы впи­ты­ва­нию воды дове­де­но до совер­шен­ства. Дости­га­ет­ся это пере­во­дом бума­ги в мате­ри­ал с закры­ты­ми пора­ми. При­чём закры­ва­ют­ся как внут­ри­во­ло­кон­ные, так и меж­во­ло­кон­ные капи­ля­ры. Для это­го исполь­зу­ет­ся про­пит­ка раз­лич­ны­ми смо­ла­ми с тер­мо­об­ра­бот­кой и высо­ким давлением.

Такие гиб­кие ком­по­зи­ты исполь­зу­ют­ся в отдел­ке мебе­ли. В про­из­вод­стве стро­и­тель­ных отде­лоч­ных и несу­щих конструкций. 

Новое инте­рес­ное направ­ле­ние исполь­зо­ва­ния ком­по­зи­тов на осно­ве при­род­ных поли­ме­ров созда­но на АО “Гознак”. Вме­сто метал­ли­че­ских монет, создан мате­ри­ал “Пла­мет” (пла­тёж­ные мет­ки), кото­рый по кра­соч­но­сти и защи­щён­но­сти от под­де­лок не усту­па­ет банк­но­там, устра­ня­ет рас­хо­ды на чекан­ку, вви­ду мало­го веса сни­жа­ет рас­хо­ды на транс­пор­ти­ров­ку монет. 

Старение бумаги

Бума­га ста­ре­ет. Изме­ня­ет­ся её хими­че­ский состав, струк­ту­ра, проч­ность и цвет. Волок­на цел­лю­ло­зы и дре­вес­ной мас­сы ста­но­вят­ся хруп­ки­ми, бума­га жел­те­ет, сере­ет, а ино­гда и коричневеет. 

Совре­мен­ные тех­но­ло­гии поз­во­ля­ют про­из­во­дить бума­гу высо­ко­го каче­ства из более дешё­вых и эко­ло­ги­че­ски более бла­го­при­ят­ных так назы­ва­е­мых, полу­фаб­ри­ка­тов высо­ко­го выхо­да — дре­вес­ной мас­сы, полу­цел­лю­ло­зы, в неко­то­рых слу­ча­ях и маку­ла­ту­ры. Но где чисто­цел­лю­лоз­ные виды бума­ги неза­ме­ни­мы, так это в изда­ни­ях, тре­бу­ю­щих повы­шен­ной долговечности.

Долговечность бумаги

Про­из­вод­ство бума­ги в мире пере­шло от “кис­ло­го” к “ней­траль­но­му” спо­со­бу. В пер­вом слу­чае, если гово­рить корот­ко, при про­из­вод­стве исполь­зу­ют­ся про­кле­и­ва­ю­щие веще­ства, для оса­жде­ния кото­рых на волок­нах цел­лю­ло­зы тре­бу­ет­ся созда­ние низ­ких зна­че­ний рН вод­ной сре­ды 4,5–5,0. При “ней­траль­ном” спо­со­бе сре­да име­ет зна­че­ние рН 6,5–8,0.

Про­цесс ста­ре­ния осо­бен­но интен­сив­но идёт при “кис­лом” спо­со­бе про­из­вод­ства бума­ги. При “ней­траль­ном” же реак­ции деструк­ции и окис­ле­ния суще­ствен­но замед­ля­ют­ся, осо­бен­но при исполь­зо­ва­нии в каче­стве напол­ни­те­ля мела. Послед­ний бла­го­да­ря сво­ей белизне, поз­во­ля­ет повы­сить белиз­ну и бумаги.

Соче­та­ние высо­кой чисто­ты цел­лю­ло­зы с про­клей­кой бума­ги в ней­траль­ной или щелоч­ной сре­де поз­во­ля­ет рез­ко уве­ли­чить дол­го­веч­ность бума­ги и печат­ных изданий.

Соглас­но меж­ду­на­род­но­му стан­дар­ту ISO 9706 “Инфор­ма­ция и доку­мен­та­ция. Бума­га для доку­мен­тов. Тре­бо­ва­ния к дол­го­веч­но­сти” бума­га, пред­на­зна­чен­ная для изде­лий дли­тель­но­го хра­не­ния, долж­на удо­вле­тво­рять тре­бо­ва­ни­ям, основ­ные из кото­рых следующие:

• Сопро­тив­ле­ние раз­ди­ра­нию в про­доль­ном и попе­реч­ном направ­ле­нии, не менее 350 мН (при мас­се 1 м² бума­ги 25–70 г сопро­тив­ле­ние раз­ди­ра­нию опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле 6g-70, где g‑масса 1 м² бума­ги в граммах);
• Резерв­ная щёлоч­ность бума­ги, не менее 0,4 моля кис­ло­ты / 1 кг бума­ги (опре­де­ля­ет­ся по стан­дар­ту ISO 10716). При исполь­зо­ва­нии в каче­стве напол­ни­те­ля кар­бо­на­та каль­ция для созда­ния тре­бу­е­мой резерв­ной щелоч­но­сти в 1 кг бума­ги долж­но содер­жать­ся при­бли­зи­тель­но 20 г СаСО₃;
• Устой­чи­вость к окис­ле­нию. Опре­де­ля­ет­ся по чис­лу Кап­па, кото­рое изме­ря­ет­ся в соот­вет­ствии с ISO 302;
• рН вод­ной вытяж­ки (холод­ной) долж­но состав­лять 7,5–10,0.
• Сле­ду­ет отме­тить, что мело­ва­ние, как пра­ви­ло, сни­жа­ет устой­чи­вость бума­ги к есте­ствен­но­му старению.

Зна­чи­тель­ный опыт по про­из­вод­ству бума­ги для доку­мен­тов дли­тель­но­го сро­ка хра­не­ния в Рос­сии накоп­лен в АО “Гознак”, где про­из­во­дят­ся мно­гие доку­мент­ные и дру­гие спе­ци­аль­ные виды бума­ги, обла­да­ю­щие спо­соб­но­стью про­ти­во­сто­ять ста­ре­нию. Вла­де­ют на Гозна­ке и несколь­ки­ми тех­но­ло­ги­я­ми про­из­вод­ства изно­со­устой­чи­вой и гря­зе­стой­кой бумаги.

Спе­ци­аль­ную бума­гу, соот­вет­ству­ю­щую тре­бо­ва­ни­ям “ISO 9706” про­из­во­дит ряд фирм: “Arjo Wiggins” (Фран­ция), “Rahnemuhle”,”SCA Fine Paper GmbH”, (Гер­ма­ния), “Cartiere Fedrigoni S.P.A.” (Ита­лия) и др.

Отме­тим, что бума­ге мож­но при­дать свой­ства него­рю­че­сти, или рас­тво­ри­мо­сти в воде, мож­но при­дать ей свой­ства све­тить­ся толь­ко при осве­ще­нии све­том с опре­де­лён­ным спек­тром волн, мож­но с помо­щью бума­ги раз­де­лять жид­ко­сти (рас­тво­ры) на ком­по­нен­ты, но это очень спе­ци­аль­ные свой­ства и здесь их касать­ся не будем.

1. М.А. Остре­ров, И.Я. Остре­ро­ва “Изме­не­ние струк­ту­ры бума­ги при обра­бот­ке в кле­иль­ном прес­се бума­го­де­ла­тель­ной маши­ны”, жур­нал “Бумаж­ная промышленность”,1990, №8,с.6–8 https://docs.google.com/document/d/e/2PACX-1vT1aKBoQOL7VGZGgDU8SvCj_vavHrM5PmvCmGTSb-GAYJAn73iYLq_YptFX6IoAxQ/pub
2. М.В. Фро­лов “Струк­тур­ная меха­ни­ка бума­ги”, М., Лес­ная про­мыш­лен­ность, 1982, 272 с. https://search.rsl.ru/ru/record/01001096803
3. Э.Л. Аким “Обра­бот­ка бума­ги”, М., Лес­ная про­мыш­лен­ность, 1979, 230 с. https://search.rsl.ru/ru/record/01007741467
4. С.П. Пап­ков, Э.З. Файн­берг “Вза­и­мо­дей­ствие цел­лю­ло­зы и цел­лю­лоз­ных мате­ри­а­лов с водой”, М., Химия, 1976, 231 с. https://ru.b‑ok.cc/book/3012660/c3960f