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 :
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.
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.
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:
Всё это указывает на важность “предыстории” бумаги для обеспечения её ожидаемых свойств — важность условий хранения и подготовки к печати.
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.
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.
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.
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.
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.
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 |
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.
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.
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:
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.”
Важным для переработки целлюлозных материалов является взаимодействие с водной средой. Это взаимодействие имеет три важнейших аспекта, решаемых технологией производства [4]:
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.
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:
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.
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.
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:
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.
Колличество свежей воды, используемой в производстве бумаги постоянно сокращается. Оказалось, что и остающуюся в технологическом…
Как представить такую сложную структуру в виде формулы?
Согласно многим исследованиям, ответ — да. Здесь речь идёт не о снижении когнитивной способности с…
Решение о конкретных разработках по программе производства целлюлозы без выбросов направленную на значительное сокращение расхода…
В сложившихся условиях возрастает роль мероприятий проводимых профессиональными сообществами в стране. Профессионалы должны общаться. К…
Ультразвук довольно давно используется для исследования материалов. По поглощению ультразвуковых волн материалом или по скорости…
View Comments
В России большие запасы торфа. Его можно использовать для изготовления бумаги и картона. https://www.greeninfo.ru/fertilizers/ground_mixes.html/Article/_/aID/2683
"Верхний слой сфагнового торфа может применяться в целлюлозно-бумажной промышленности: для изготовления твердых сортов бумаги, картона".
Мы в России очень богаты. И леса от годового его прироста мы вырубаем меньше 20%. Так что для производства бумаги (а это глубокая переработка и чем она глубже, тем более высокий доход) надо справляться с древесиной. Если посмотрите не сайте, то увидете, что наше производство сильно отстаёт от западных стран. При этом лесопокрытой площади у нас от мировой больше 20%. Но спасибо, пишите на сайте. Это ещё один способ коммуникации.