XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Бумага из опавших листьев

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тищенко Е.В. 1

---

1МБОУ "СОШ 10" 7 класс

Шаламова Е.И. 1

---

1МБОУ "СОШ 10"

Работа в формате PDF

7.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Аннотация

Осенью гуляя по парку я увидел листопад. Большое количество листьев лежало на земле никому не нужных. Я подумал: «можно ли применить эти листья в полезных целях». Мне захотелось провести эксперимент по изготовлению из опавших листьев бумаги, проверить получиться ли это меня- обыкновенного ученика 7 класса.

Цель: Создать бумагу из опавших листьев

Задачи: Узнать можно ли сделать бумагу из листьев

Сравнить характеристики бумаги из древесины и бумаги из опавших листьев, выявить плюсы и минусы.

Просчитать затраты на производство бумаги из листьев, Определив целесообразность производства бумаги из листьев.

Гипотеза: возможно изготовить бумагу из опавшей листвы и макулатуры и это изготовление экономически выгодно.

Актуальность темы: актуальность данной темы обусловлена необходимость сокращения вырубки лесов для производства бумаг и увеличение доли переработки макулатуры с применением других материалов

Объект исследования: переработка вторичных материальных ресурсов (подвид бумага).

Предмет исследования: вторично переработанная бумага и опавшие листья деревьев

Методы исследования: анализ, обобщение данных, сопоставление, сравнение установленных причинно-следственных связей, изучение литературы, проведение опытов

Научная статья

Бумага – это материал для письма, печатания, рисования, упаковки, гигиенических нужд и т.п. Обычно бумагу делают в виде листов или рулонов.

В современном производстве бумаги сырьём служит целлюлоза, кoторую в свою очередь получают из растительного материала или вторсырья (макулатура).

Целлюлоза – самое распространенное органическое соединение на нашей планете. Целлюлоза представляет собой стойкое твердое вещество белой окраски;это полисахарид, содержащийся в клеточных стенках растений. главная структурная часть клеточной оболочки растений. Образуется в результате фотосинтеза. Физические свойства целлюлозы[8]

соединение не разрушается в процессе нагрева до 200 °C;

вещество является горючим, температура воспламенения составляет 275 °C;

высокая механическая прочность;

плохая растворимость в воде;

целлюлоза не обладает вкусом и запахом;

Ею богаты волокна хлопка, льна, конопли и др. Её содержание в растениях может достигать 95 % от общей массы.

Вообще-то, само слово «бумага», как считается, произошло от итальянского слова «bambagia», что в переводе означает «хлопок». Странно, конечно. Ведь первые писчие листы делали совсем даже не из хлопка, а из папируса. Papyros – это гигантское многолетнее травянистое растение высотой до 5 м, и стебли у него до 7 см в диаметре. Папирус растет в тропической Африке вдоль берегов рек и озер. Именно его и облюбовали древние египтяне для производства писчего материала. Сердцевину свежих стеблей разрезали вдоль на узкие полоски и складывали в два слоя: один слой вдоль, второй поперек. Затем их сильно сдавливали, слои между собой склеивались и получались тонкие эластичные листы. Их высушивали на солнце, полировали раковинами и склеивали в свитки шириной 20-30 см и длиной до 10, а иногда и больше, метров.

Сложное производство, ничего не скажешь. Зато папирусы, а писчий материал так и называют по имени растения, сохранились через тысячелетия.

Изобретение бумаги приписывают китайцам. В 1957 году в северной провинции Китая Шэньси, в пещере Баоцяо, обнаружили гробницу, в которой были найдены обрывки бумаги. Установлено, что эта бумага изготовлена во II веке до нашей эры. Вначале сырьем для бумаги служили шелковые обрезки, отходы коконов шелкопряда. Но этого материала было слишком мало, и для изготовления бумаги стали использовать oсобый вид крапивы – крапива коноплевая. Но китайская бумага, изготовленная из крапивы, была не слишком качественной. Листы были шершавые, неровные, разной толщины. И китайцы не остановились на этом. Появилась бумага, так называемая сюаньчжи, известная своими высокими функциональными свойствами. Она была впервые изготовлена в Сюаньчэне, провинция Аньхуэй.

Согласно сведениям исторических анналов, честь данного открытия принадлежит человеку по имени Цай Лунь, который жил во времена династии Восточная Хань (25 — 225 гг. н.э.). В качестве сырья он брал луб тутового дерева и довел технологию выработки бумаги до совершенства. Дoлгое время китайцы держали секрет изготовления бумаги в тайне. Но все тайное когда-нибудь становится явным. Секрет изготовления стал известен миру. История рассказывает, что произошло это не совсем красивым способом. Несколько китайцев, мастеров бумажного дела, попали в 751 году в плен к арабам и под пытками выдали свой секрет. Дело происходило в Туркестане, в котором не росло китайской крапивы. Для изготовления бумаги стали использовать тряпье, которое перетирали в ступах,

размешивали с водой и выливали в формы. Для склеивания стали использовать крахмал или желатин. [2]
Так или иначе, постепенно, а точнее – очень постепенно, спустя несколько веков, бумага приходит в другие страны Азии, а позже и к арабам. Только в средние века она заменяет пергамент в Европе!

В 1806 году было запатентовано изобретение копировальной бумаги, в 1856 изобретён гофрированный картон, а всего через год, в 1857 появилась технология изготовления бумаги из древесины.

В 20-м веке производство бумаги стало крупнейшей высокомеханизированной и высокотехнологичной отраслью промышленности многих стран. Она отличается собственным производством сырья, мощными теплоэлектростанциями и с непрерывно-поточной технологией производства.

Технологический процесс изготовления бумаги состоит из следующих этапов [3]:

Получение исходных волокнистых полуфабрикатов — целлюлозы, древесной массы, тряпичной полумассы макулатурной массы;

Изготовление бумажной массы — размол наполнение, проклейка и подкраска (или окраска) С химической точки зрения известны 3 базовых способа отбелки целлюлозы как основы белой бумаги:

1) С использованием хлорсодержащих отбеливающих реагентов, дающих молекулярных хлор (Cl2);

2) Без использования молекулярного хлора ECF или Elemental chlorine free (диоксид хлора, гипохлориты и хлориты);

3) Без использования хлора TCF или Total chlorine free (пероксид водорода, озон), но такая технология дорогая.

Отбелка молекулярным хлором

Этот метод имеет недостатки, самый существенный среди них — это образование большого количества хлорированных органических соединений. Среди этих соединений самыми опасными, токсичными являются диоксины — группа хлорированных производных n -дибензодиоксина (TCDD) и дибензофурана (TCDF).

Отбелка с помощью диоксида хлора

Диоксид хлора из-за наличия одного неспаренного электрона является свободным радикалом, в кислой среде хорошо окисляет фенольные единицы лигнина. Сначала под действием радикала диоксида хлора на лигнин образуется феноксильный радикал, с которым затем взаимодействует диоксид хлора с образованием хинонных структур или структур муконовой кислоты. Такое взаимодействие не приводит к образованию хлорированных органических соединений.

Кислородная отбелка

Из-за токсичности хлора и хлорсодержащих реагентов ужесточались экологические требования, в первую очередь в Евросоюзе. В связи с этим освоено использование кислородсодержащих отбеливающих реагентов, таких как молекулярный кислород, пероксид водорода, озон и т.д. Важнейшее преимущество отбелки такими кислородсодержащими реагентами с точки зрения охраны окружающей среды состоит в том, что в процессе отбелке не образуются вредные соединения хлора.

Отлив бумаги на бумагоделательной машине;

Отделка бумаги — каландрирование, разрезка, сортировка и упаковка.

Все эти стадии технологического процесса бумагоделательного производства выполняются на высокопроизводительных машинах.

В зависимости от волокнистого состава (иначе композиции) бумаги, природы растительных волокон, характера их обработки, содержания наполнителя, проклеивающих, веществ, а также технологии отлива и отделки получают бумагу с разными свойствами, разных видов.

В зависимости от волокнистого состава (иначе композиции) бумаги, природы растительных волокон, характера их обработки, содержания наполнителя, проклеивающих, веществ, а также технологии отлива и отделки получают бумагу с разными свойствами, разных видов.

По способу изготовления бумага может быть немелованной и мелованной. Немелованная бумага, иначе бумага с открытой поверхностью, получается непосредственно на бумагоделательной машине.

Мелованная бумага получается дополнительным нанесением на поверхность бумаги-основы с одной или обеих сторон водной суспензии, состоящей из белых пигментов и пленкообразующих веществ, делающих поверхность бумаги (после высушивания и каландрирования) более белой, гладкой и капиллярной.

При намачивании в воде обычные виды бумаги совершенно теряют первоначальную механическую прочность, при пропитке керосином или маслами прочность бумаги почти не меняется. Это убеждает вас в том, что целлюлозные волокна в бумаге соединены между собой главным образом химическими водородными связями.

Я решил попробовать сам сделать бумагу.

Выяснив каким основным характеристикам должна соответствовать бумага, я приступил к работе над рецептурой своей бумаги из осенних листьев с целью максимально приблизить ее к обычной. При этом, я понимал, что добиться абсолютной схожести по внешним показателям с бумагой промышленного производства будет просто невозможно.

Практическая часть №1

Изготовление бумаги в школьной лаборатории

Чтобы получить бумагу из бумажных отходов и опавших осенних листьев мы проделали следующую работу:

Тщательно измельчили и залили в теплой водой мелкие обрезки бумаги (макулатура). Массу оставили на 30 минут в помещении до образования кашицы. В полученную массу добавляем 2 столовые ложки клея ПВА, и столько же картофельного крахмала.

Готовую массу измельчаем в миксере. если масса получается слишком густой (гуще консистенции густой сметаны) добавить теплой воды – 1 стакан. В большой емкости смешиваем одну часть растительной массы с пятью частями бумажной массы и разбавляем все это девятью частями воды до получения однородной массы.

Специальными рамками осторожно выдавливаем бумажно-растительную массу, распределяя ее ровным слоем по поверхности рамки. Даем стечь воде. На подготовленную заранее впитывающую влагу ткань (шерсть или хлопок) откидываем слой бумаги и закрываем сверху другим слоем ткани. Так слой за слоем. У нас поучится большой слоеный пирог. Из 1 литра бумаги получается 2 литра массы – это 25-30 листов новой бумаги формата А5, 15 листов формата А4.

После этого раскладываем каждый слой отдельно для просушки (я использовал теплый пол в ванной дома и подоконник лаборатории в школе). Не досушив, отделяем бумагу от ткани, оставляем на несколько часов до полного высыхания.

Оборудование и инструменты:

Нам потребуется помещение, где есть подвод воды, эмалированные емкости для работы различных объемов (от 3 до 10-15 литров), рамки на деревянной основе, лучше из лиственницы или осины, oобтянутые мелкой сеткой формата А4 или А5, миксер ручной или электрический, старая ткань, резиновые перчатки, фартук.

Первые наши образцы 1 и 2 больше напоминали картон или толстую бумагу низкого качества (приложение2).

В процессе работы у меня возник вопрос: «как будет выглядеть бумага изготовленная отдельно из классных, желтых и зеленых листьев? Возможно ли изготовить бумагу из листьев прошедших заморозку?»

Приложение II

Для проведения дальнейших работ я взял листья разной окраски разделил их на 2 части. Одну часть поместил в морозильную камеру из другой изготовил бумагу придерживаясь ранее выбранной технологии. Результаты меня немного удивили. Бумага получилась разных цветов. А при изготовлении бумаги из замороженного сырья даже структура полученной кашицы была немного другой – более однородной, а при высыхании более яркой окраски по сравнению с образцами из не замороженных листьев (приложение образец фото № 11,13,14)

Для изготовления 1 тонны бумаги нужно 5,6 м3 древесины. Если учесть, что средний объем одного бревна (дерева) - 0,33 м3, то для производства 1 тонны бумаги требуется 17 деревьев.

Для изготовления нашей бумаги понадобилось: 100-120 грамм листьев, 100 грамм макулатуры, клей ПВА 2 столовые ложки, вода 400 грамм

Просчитав все затраты на производство нашей бумаги, мы пришли к выводу о целесообразности использования опавших листьев в производстве изготовления бумаги промышленным способом

Применение вторичного сырья позволяет значительно сократить добычу природных ресурсов, что, несомненно, благотворно сказывается на состоянии нашей природы.

Практическая часть №2

Изготовление бумаги в домашних условиях

В процессе работы мы заметили что бумага вышла сильно плотной и менее эластичной . Нами было принято решение над изменением рецептуры нашей бумаги. Убрали из рецептуры клей ПВА и попробовали использовать свеже опавшие листья зеленого цвета. В результате у нас получилась лист бумаги ярко зеленого цвета и более гибкий по сравнению с предыдущими образцами (Образец фото № 15)

По новой рецептуре из 1 литра измельченной бумаги с добавлением теплой воды получается 2 литра массы для приготовления 25-30 листов новой бумаги формата А5, 15 листов формата А4.

Дополнительно я просчитал количество листьев на одном дереве. На березе приблизительно 117 000 листьев , на вишне 15000 (кустистое растение). На изготовление 1 листа бумаги уходит от 40 до 50 листьев .

Практическая часть №3

В процессе работы мне захотелось придать бумаге цвет приближенный к белому. Было решено добавить в рецептуру бумаги белизну. Бумага приготовленная по рецептуре №3 стала тоньше и поменяла свой цвет в процессе высыхания. С одной лицевой стороны она стала ближе к коричневому оттенку (Образец фото №17),а с обратной стороны приближена к белому (Образец фото №18).

Практическая часть №4

В процессе работы мне захотелось придать бумаге цвет приближенный к белому. Было решено

В процессе отбеливания бумаги из опавших листьев, мною было создано 3 новых рецептуры. В рецептуру №4 был добавлен кислородный отбеливатель. В рецептуру №5 была добавлена перекись водорода. В рецептуру №6 был добавлен мел.

Образец бумаги сделанный по рецептуре №4(Образец фото №19), не смотря на коричневый цвет листьев, при высыхании приобрёл зелёный оттенок. Образец бумаги сделанный по рецептуре №5(Образец фото №20) во время высыхания приобрёл серовато-белый оттенок. Образец бумаги сделанный по рецептуре №6(Образец фото №21) стал приближен к белому оттенку.

Вывод:

Гипотеза подтверждена : можно изготавливать бумагу из макулатуры и опавших листьев. Она пригодна для письма и хозяйственных нужд людей.

Бумага из опавших листьев сделанная в домашних условиях намного толще по сравнению с бумагой промышленного производства. Это говорит о том, что технологию надо доработать. Но технологию можно использовать для промышленного производства.

Просчитав затраты на производство бумаги из листьев в домашних условиях пришли к выводу о целесообразности производства бумаги из листьев. Бумага, сделанная из макулатуры может послужить альтернативным вариантов бумаги, изготовленной из древесины.

Заключение

В ходе исследования мы смогли самостоятельно изготовить бумагу из макулатуры и опавших листьев, выяснили, что бумага, сделанная из макулатуры, более экономична , чем бумага, произведённая непосредственно из древесины.

Так как работа не закончена и в процессе получена бумага не высокого качества, то в дальнейшей работе планируем внести изменения в процесс изготовления бумаги (довести до уровня промышленной бумаги)

Список литературы

Иванов С.Н. . технология бумаги ГОСЛЕСБУМИЗДАТ . Москва, Ленинград 1960 г.

( http://shkolazhizni.ru/culture/articles/14975/)

https://print-info.ru/articles/kak-delayut-bumagu.html

https://vtorexpo.ru/makulatura/sovremennye-tehnologii-izgotovleniya-bumagi.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%83%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%B0

Интернет-ресурс http://theecology.ru/interesting/pererabotka-makulaturi

Оборудование целлюлозно-бумажного производства, В. А. Чичаев, А. А. Васильев-М.: Лесн. пром-сть, 1981- 368 с. (3с., с.6.)

Интернет-ресурс http://www.bolshoyvopros.ru/questions/1124041-skolko-vesit-1-m3-opavshih-listev-sobrannyh-grabljami-v-kuchi-dlja-vyvoza.html

Интернет-ресурс http://melagrosnab.ru/ekstruder-dlya-proizvodstva-toplivnyh-briketov-iz-rastitelnoy-biomassy-ev-350–50.html

https://wika.tutoronline.ru/himiya/class/10/fizicheskie-i-himicheskie-svojstva-czellyulozy

https://bingoschool.ru/manual/czellyuloza-chto-takoe-formula-poluchenie-ximicheskie-svojstva/

Приложение 1

Фото № 1 . Первый этап работы . Подготовка макулатуры ( измельчение и соединение с водой ) 2021г.

Фото№ 2 Второй этап . Подготовка к измельчению. 2021 г.

Фото№ 3 . Третий этап. Добавление листьев в измельченную смесь 2021г.

Фото № ,4,5 – Измельчение смеси в блендере до однородной массы. 2021 г.

Фото № 6 . Четвертый этап. Распределение полученной массы. 2021 г.

Приложение 2

Фото № 7. Готовая бумага образец №1 2021г.

Фото № 8. Готовая бумага образец №2 . 2021г.

Фото № 9- Бумага из опавших листьев желтого цвета . 2021г.

Фото № 10- Бумага из опавших листьев зеленого цвета. 2021г.

Фото № 11 Бумага из опавших и замороженных листьев зеленого цвета . 2021г.

Фото № 12 Бумага из красных опавших листьев. 2021г..

Фото № 13 Бумага из замороженных листьев желтого цвета. 2021г.

Фото № 14 бумага из замороженных красных листьев. 2021г.

Приложение 3

Ф ото №15 получение образца № 7 .2022г.

Фото №16 Бумага из зеленых листьев полученная по новой рецептуре 2022г.

Приложение 4

Фото №17 Бумага из зеленых листьев (полученная по рецептуре №3)лицевая сторона 2022г.

Фото №18 Бумага из зеленых листьев (полученная по рецептуре №3)обратная сторона 2022г.

Приложение 5

Фото №19 Бумага из коричневых листьев(полученная по рецептуре №4) 2022г.

Фото №20 Бумага из коричневых листьев(полученная по рецептуре №5) 2022г.

Фото №21Бумага из коричневых листьев(полученная по рецептуре №6)2022г.