XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Бумага из осенних листьев

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Цуров Е.А. 1

---

1МБОУ Гимназия № 1 г. Челябинска

Чернова Е.Н. 1

---

1МБОУ Гимназия №1 г. Челябинска

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Знаете ли вы, что бумагу, на которой мы пишем, из которой сделаны наши тетради и учебники, изготавливают из древесины?? Для этого вырубается огромное количество деревьев!!! И, как правило, это деревья, которые росли не менее 50 лет.  Если задуматься, то для производства всего 1 тонны бумаги требуется вырубить и использовать целых 17 деревьев!

Официально - 125 000 000 деревьев вырубается ежегодно в мире только лишь для производства бумаги!!! И это не предел! За последние годы мировое потребление бумаги увеличилось почти на 120%, и это несмотря на развитие компьютерных технологий.

С каждым годом потребность в бумаге увеличивается, а запасы древесины, из которой ее получают- уменьшаются. Что же будет с лесными массивами через 20 лет? Через 50 лет? Ведь всем известно, что лес – это легкие Земли, благодаря лесу мы можем дышать, а значит – жить! Лес - это место обитания огромного количества зверей и птиц!

Так стоит ли бумага таких жертв? Может бумагу для некоторых домашних нужд можно сделать не из древесины, а из вторичного природного сырья??? Ведь очень жалко деревья, которые умирают ради бумажных изделий.

Актуальность моей работы как раз и заключается в том, чтобы обратить внимание общественности на альтернативные источники производства бумаги и для этого совсем не нужно уничтожать живые деревья, лишать нашу планету лёгких! 

Цель моей работы (гипотеза исследования) доказать, что можно получать бумагу из природного сырья – опавших осенних листьев.

Задачи, которые я ставлю при исследовании:

1. Узнать о происхождении производства бумаги.

2. Собрать материал о технологиях и альтернативах изготовления бумаги в современных условиях.

3. Изучить производство бумаги в домашних условиях, научиться получать бумагу из макулатуры и осенних листьев.

4. Найти применение изготовленной бумаги в домашних условиях

5. Информировать одноклассников о результатах эксперимента с целью привлечения внимания к проблеме

Применяемые методы:

Поиск и анализ информации

Эксперимент (получение бумаги из опавших осенних листьев)

Исследование (сравнение характеристик полученной бумаги и обычной бумаги)

Выводы.

Историческая справка о возникновении бумаги:

эпохи зарождения и развития производства

Историки выделяют несколько эпох становления производства бумаги и разделяют их по географии (где производили бумагу), по использованному сырью и по технологии и организации производства.

Первая эпоха – восточно-азиатская эпоха (с 1 века до 8 века н.э.). Именно в этой части планеты зарождалось производство бумаги и связывают его в первую очередь с китайской культурой. Время первых опытов производство бумаги территориально относят в пространстве от Монголии до Тибета. При этом влияние именно китайской культуры на эти народы бесспорно.

Датой рождения первой бумаги считают 105 год нашей эры в Китае, хотя некоторые источники говорят о появлении бумаги ещё в 11 веке до нашей эры. Но научное сообщество однозначно сходится в том, что данный  материал изобрели именно в Китае, что подтверждают обрывки бумаги, найденные в гробнице из пещеры Баоцян провинции Шэньси на севере страны. Дата производства этих обрывков как раз и относится к 11 веку до нашей эры, а может быть это произошло и ранее, точных дат нет. Навыки изготовления бумаги распространялись из Китая, прежде всего, на восток, в Корею и Японию. Способы изготовления бумаги были строго засекречены, что и объясняет отсутствие информации о более точных данных создания бумаги.

Производство бумаги, как процесса получения бумажного листа из измельченных природных материалов при механическом воздействии на него с использованием воды, представляет собой выдающееся открытие. Сырьем для такой бумаги в разных регионах Китая, Кореи и Японии служили в основном растительные и животные материалы: кора тутового дерева (шелковицы), коконы шелкопряда, молодые побеги бамбука и т.д. Также в Китае использовали ранее исписанную бумагу в качестве вторичного материала при переработке.

Процесс изготовления проходил следующим образом:

После замачивания в воде кору тутового дерева делили: внешний грубый слой шёл на изготовление бумаги низшего класса, из мягкого (внутреннего слоя) изготавливали тонкую и дорогую бумагу. 

Разделённые волокна варили в чанах, куда добавляли золу или известковое молочко. 

Сваренную массу промывали, обрабатывали молотками для более тщательного измельчения.

Размельчённую массу проклеивали растительными соками, разбавленными водой, иногда заменяли сок на крахмальный клейстер для лучшей связки материала. 

Специальной формой отливали листы. Немного подсушенный лист досушивали на солнце. Придумал усовершенствованный рецепт производства этого ценного материала Цай Лунь, сановник из Китая – родины бумаги.  До этого момента на производство бумаги требовалось много труда и затрат. Обобщив и усовершенствовав известные ранее технологии получения бумаги, он объяснил принцип, образующий листовой материал из отдельных волокон растений.

Вторая эпоха – арабо-мавританская (7-9 века н.э.). В этот период как раз был расцвет культуры народов, которые занимали территории от южной Испании до западной границы Китая, включая север Африки. Бумага широко распространялась между народами арабского востока - Египта, Сирии, Индии, Палестины, Туниса, Марокко. Считается, что развитие производства бумаги было связан с китайскими мастерами, которые попали в плен после сражения китайских и арабских войск, которое произошло в середине 8 века на границе Китая. Китайские пленные мастера в обмен на свою жизнь согласились рассекретить способ производства бумаги. Технология изготовления бумаги в эту эпоху не сильно изменялась, а вот в отсутствие привычного сырья (коры тутового дерева), арабы стали использовать волокна старых льняных, пеньковых и хлопковых тряпок. То есть основное сырье подвергалось вторичной переработке. Большое количество производимой бумаги позволило создать арабам огромные библиотеки. Арабская бумага считалась более качественной, арабами была улучшена проклейка бумаги, усовершенствована технология крашения бумаги (стали использовать для отделки и крашения мел, гипс, тальк).

Третья эпоха создания бумаги – средневековая (с 12 века). В эту эпоху производство бумаги получило свое интенсивное развитие в Европе. Так как Каталония и юг Испании принадлежали арабам, арабская технология производства бумаги была привезена и в Испанию. В 12 веке стали возникать бумажные мельницы. Бумага производилась в основном из конопли и вторичного сырья – текстильного тряпья. Технология не претерпевала больших изменений, основные стадии процесса оставались прежними, лишь когда итальянцы подключились к производству бумаги, они усовершенствовали некоторые процессы. Например, арабы использовали пшеничный крахмал для проклеивания бумаги, а итальянцы стали использовать животный клей, что в итоге позволило увеличить износостойкость и прочность бумаги, ее водонепроницаемость. Также именно итальянцы ввели стандарты бумаги: формат, использование водяных знаков, качество и количество листов в пачке и т.д. Итальянцы первыми стали использовать водяные знаки (примерно в 13 веке), именно водяной знак стал особенностью бумаги, произведенной в Европе.

На сегодняшний день, изготовлением бумаги занимаются предприятия целлюлозно-бумажной промышленности. Бумагу изготавливают в основном из целлюлозы, то есть из древесины. Мировая бумажная промышленность использует именно древесину, так как прежнего сырья – различных тканей/тряпья/ветоши, не хватает.

Альтернативы сырья

для изготовления бумаги в современных условиях

Оказывается, в современных условиях, бумагу можно изготовить не только из древесины. В последние годы мировая бумажная промышленность не редко возвращается к истокам и исследует альтернативные волокна. И вот несколько неожиданных материалов, которые уже сегодня используются при производстве бумаги:

1) Вторичное сырье – бывшая в употреблении одежда/ветошь/тряпье.

Несколько лет назад, в 2017 году, итальянская фирма MОО в качестве эксперимента произвела серию визиток из ранее собранных и переработанных старых футболок. Хлопок их этих футболок, дает особую прочность готовой бумаге. Стоит отметить, что производство было с использованием дополнительных волокон (частично той же древесины), но в любом случае это экологичное решение.

2) Экскременты животных (животный навоз)

Американская компания Poopoopaper продает бумагу в 16 странах мира (!), сделанную из экскрементов коров, лошадей, лосей, слонов и даже панд. Производство такой бумаги поставлено на поток. Бумага ни чем не пахнет и внешне ни чем не отличается от обычной. Фекалии травоядных животных богаты клетчаткой, полученной из растений и фруктов, которыми они питаются. После очистки и фильтрации из помета получается весьма качественная бумага. Такой метод поможет решить серьезную проблему обращения с отходами жизнедеятельности питомцев в сельском хозяйстве и зоопарках.

3) Кожура и косточки овощей и фруктов.

Цедра от цитрусовых (мандарины/лимоны/апельсины), виноградные стебли, косточки вишни, абрикоса, оливок, скорлупа миндального, грецкого ореха… Это всего лишь несколько материалов, которые итальянский бренд Favini использует для изготовления бумаги. Все эти растительные отходы нельзя скармливать животным на фермах или использовать в качестве компоста. Вместо того, чтобы сжигать их, итальянские фермеры теперь могут отправляют ненужное сырье на завод Favini, на котором эти отходы получаю вторую жизнь и после переработки превращаются в листы бумаги.

4) Растения.

В Китае вернулись к истокам и уже больше тысячи лет делают бумагу из бамбука. Бамбуковые деревья (такие как сахарный тростник) и конопля содержат волокна хорошего качества, пригодные для создания бумаги. Сейчас ученые исследуют африканское растение из семейства хлопковых — кенаф (или гибискус коноплевый). Интересно, что полгектара кенафа дает за год такое же количество волокна, как полгектара соснового бора за год! А Кенаф можно вырастить всего за один год, а сосновый бор – 30-50 лет….

Интересно, что, например, в Коста-Рике компания Ecopaper также освоила производство бумаги из переработки остатков растений после сбора урожая бананов, манго, кофе, сахарного тростника.

5) Водоросли.

Неожиданное открытие было сделано в 1990-х годах в той же Италии, когда в Венеции каналы внезапно заполнились водорослями. Итальянца нашли им применение и установили, что этот «морской мусор» также богат целлюлозой, из которой можно делать качественную бумагу. А если подумать, сколько тонн водорослей скапливается на пляжах всего мира каждый день, который можно было бы использовать в качестве сырья для производства бумаги…

7) Кожа.

Еще одна разработка итальянской фирмы Favini — бумага из макулатуры и остатков кожевенного производства. Забавно, ведь когда-то наши предки писали на шкурах животных – таким образом, история сделала круг.

Интересный факт, что, например, в Бразилии делают бумагу из сигаретных окурков. Из тридцати-пятидесяти окурков можно получить бумажный лист формата А4.

Эксперимент по изготовлению бумаги в домашних условиях

Осенью очень много листьев опадает с деревьев, их убирают, и в основном, в последующем сжигают, чем отравляют воздух продуктами горения. Мне стало интересно, если люди ранее использовали при производстве бумаги растения, используя их волокна и содержащуюся в них целлюлозу, то почему нельзя использовать опавшие осенние листья в качестве источника производства бумаги? Я решил попробовать провести эксперимент, получится ли у меня в домашних условиях произвести бумагу из вторичного сырья, в данном случае – из осенних листьев и переработанной макулатуры.

При домашнем производстве бумаги я буду опираться на процесс, который описан в главе 1 (Историческая справка), т.к. основные стадии технологии изготовления бумаги сохранились и при современном производстве. Для проведения эксперимента мне понадобятся:

- осенние опавшие с деревьев листья; - макулатура;

- клей ПВА; - перекись водорода;

- крахмал; - строительный степлер;

- фоторамка; - строительные очки;

- железная сетка с мелкой ячейкой для изготовления сито;

- тканевая салфетка; - плоская посудина (противень);

- блендер.

Свой эксперимент я условно разделю на следующие этапы.

Изготовление рамки с сеткой (сито).

возьмем фоторамку, уберем из нее стекло и подложку, останется только деревянная рамка;

возьмем железную сетку (как правило из таких производят производственные сито) , специальными ножницами вырежем сетку по размеру фоторамки (предварительно сделав замеры);

берем сетку и накладываем ее на фоторамку (фото 1);

строительным степлером прибиваем сетку к фоторамке. Очень важно, для того, чтобы избежать повреждение глаз (в случае если от степлера отлетит скобка в лицо), лучше надеть специальные строительные защитные пластиковые очки!

Процесс переработки листьев

- Возьмем заранее приготовленные опавшие осенние листья, которые мы собрали осенью, прочистим их от пыли и отрежем «хвостики» у листьев – черешки, т.к. они жесткие и их сложнее измельчить. Разомнем листья;

- Мелко порежем/порвем листья (фото 3), замочим их в горячей воде на несколько часов в пропорции 1:1 (одна часть воды и одна часть листьев). Для ускорения эффекта разбухания листьев, можно их поварить на медленном огне 15-20 минут (фото 4);

- Полученную кашицу (после разбухания) помещаем в емкость блендера для измельчения, перемалываем все в однородную массу, постепенно добавляя немного горячей воды (фото 5,6);

- Чтобы лист был не слишком рыхлым и ломким, для улучшения связывающих свойств материала (массы измельченных и перемолотых листьев) добавляем в полученную массу столовую ложку клея ПВА и столовую ложку обычного картофельного крахмала (фото 7).

3. Процесс переработки вторичного сырья – макулатуры.

Все тоже самое, что мы делали с осенними листьями - проделываем с макулатурой:

Мелко рвем/режем макулатуру (фото 8);

Замачиваем в горячей воде;

Измельчаем в блендере до однородной массы (фото 9, 10);

Добавляем столовую ложку клея ПВА.

4. Процесс формирования экспериментального листа бумаги.

Берем противень или плоский таз, наливаем теплую воду и растворяем немного крахмала (1 столовую ложку), размешиваем (фото 11);

Опускаем в полученную жидкость заготовленное сито, сделанное из фоторамки (фото 12);

На сито (рамку) аккуратно выкладываем массу из переработанных листьев (фото 13);

Распределяем по всей поверхности сита;

Даем воде стечь с сита;

Накрываем рамку с будущим листом бумаги куском ткани (фото 14);

Салфетками убираем лишнюю воду и аккуратно переворачиваем рамку на ткань (фото 14);

Снова салфетками убираем влагу и затем осторожно отделяем рамку от еще сырого листа бумаги (фото 15).

Оставляем на тканевой салфетке сушиться до полного высыхания (для ускорения процесса высыхания - я отнес лист сушить в баню, можно попробовать оставить в сухом теплом месте сушиться на ночь, либо, если делать это летом – выложить на солнце) (фото 16);

После высыхания аккуратно отделяем от тканевой салфетки получившийся лист бумаги (фото 17).

При производстве своей экспериментальной бумаги я попробовал сделать лист из 100 % массы из листьев, пробовал смешивать массу из листьев и массу из макулатуры в соотношении 50/50 и 75/25, добавлять также перекись водорода, что придавало бумаге более светлый тон (для осветления бумаги). И при каждом варианте смешивания у меня получался экспериментальный лист бумаги!

IV Сравнительная характеристика свойств произведенной экспериментальной бумаги и обычной белой бумаги

После того, как у меня получились экспериментальные образцы бумаги, мне необходимо было убедиться, что моя бумага из осенних листьев соответствует основным характеристикам бумаги. Я сравнил обычную бумаги и созданную мной бумагу из опавших листьев по основным показателям: прочность, водопроницаемость, цвет, толщина, гладкость, возможность использования.

Сначала я сравнил вес, для чего взял обычный лист бумаги А4 и лист полученной бумаги, оказалось, что бумага из осенних листьев - тяжелее.

Далее я измерил толщину бумаги, обычная бумага была толщиной 0,01 мм, экспериментальная бумага – 0,1 мм.

Потом я тактильными ощущениям проверил бумагу на «гладкость», обычная бумага была более гладкая (видимо потому, что она проходит обработку прессом в производственных условиях с помощью специальных станков), а экспериментальная бумага была более шероховатая на ощупь, прослеживались маленькие вкрапления массы из листьев.

В последующем я решил сравнить бумагу на «сминаемость» – оказалось, что обычная бумага сминается лучше, нежели экспериментальная бумага.

Потом я проверил бумагу на прочность. Для этого взял лист обычной бумаги и экспериментальный образец и попробовал их порвать. Эксперимент показа, что бумага из осенних листьев более рвется с усилием, то есть она более прочная, чем обычная бумага.

Далее, в завершении своего исследования я сравнил бумагу по влагоемкомсти. Оказалось, что бумага из осенних листьев почти не впитывает воду, а обычная бумага при намокании – рвется. Это еще один плюс в пользу прочности бумаги из осенних листьев.

По цветовым характеристикам бумага из осенних листьев имеет более выраженный кремовый цвет по сравнения с обычной бумагой, которая отличается своей белизной.

По использованию обоих видов бумаги – я пробовал рисовать и писать красками, карандашами, ручкой на обоих видах бумаги. В обоих случаях все получилось. Таким образом, экспериментальный образец не уступает в использовании обычной бумаге.

Результаты своего исследования (сравнения) я отразил в таблице.

По результатам сравнения, я выделю недостатки и достоинства изготовленной мной бумаги:

Недостатки полученной бумаги:

1.Уступает промышленной бумаге по техническим стандартам: больший вес, более толстая; не равномерная по толщине; менее гладкая.

2. Не очень подходит для печати, т.к техника на нее не рассчитана.

3. Имеет сезонность в изготовлении.

Достоинства полученной бумаги:

1. Не уступает по прочности обычной бумаге.

2. Превосходит промышленную по некоторым показателям (менее горючая и влагоемкая, менее сминаемая);

3. Экологичная и экономичная.

4. Простая в изготовлении.

V. Выводы

Проведенный мной эксперимент показал, что создать бумагу, источником сырья которой будут опавшие осенние листья вполне реально и возможно (в том числе в домашних условиях).

Из проведенного исследования можно сделать вывод, что по основным своим показателям бумага из осенних опавших листьев (даже изготовленная в домашних условиях) не уступает обычной бумаге из древесины, а по некоторым показателям – даже превосходит ее.

Стоит отметить, что мое исследование имеет социальную и общественную значимость, так как изготовленную бумагу можно применять в обычной жизни - при производстве крафтовых открыток, упаковки, при производстве блокнотов, изготавливать горшки для рассады и многое другое.

Я считаю, что изготовление бумаги из осенних опавших листьев может заменить какую-то часть бумаги из древесины и поможет сократить количество вырубаемых деревьев.

Сегодня объём вырубки леса в несколько раз превышает объём его естественного восстановления. Каждый человек может и должен вносить свой вклад в сохранение природных ресурсов, прилагая к этому совсем небольшие усилия – например, делать бумагу из природного сырья для творчества, бережно использовать бумагу, тем самым сохраняя легкие нашей планеты. А что может быть более ценное для здоровья, чем жить в зеленом мире и дышать чистым воздухом!

Список литературы

Богданов В.В, С.Н. Попова. Истории обыкновенных вещей. Изд. «Педагогика-Пресс», М., 1992, с. 70-76.

В. П. Дацкевич «Как делают книгу», Москва, Издательство «Детская литература», 1987- с. 20-24.

Ликум А. Всё обо всём. Популярная энциклопедия для детей. — т. 3 – М.: ТКО АСТ, 1994, — с. 245-246.

Большая детская энциклопедия.

Орлова Н.Д. Я познаю мир.- М.: издательство АСТ, 2000.- с.97.

Б.В.Зубков «Книжка про книжку», Москва, Издательство «Малыш»,1984, - с. 24

Интернет ресурс: википедия–энциклопедия. WIKIPEDIA

Интернет-ресурс: https://mif-mira.ru/ «Об истории изобретения и распространения бумаги»

Интернет-ресурс: https://nauka.club/ - «Где и как появилась бумага»

Приложение 1

фото 1 фото 2

фото 3 фото 4

фото 5

фото 6

фото 7

фото 8 фото 9

фото 10 фото 11

фото 12

Фото 13 фото 14

Фото 15 фото 16

фото 17