XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление бумаги в домашних условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Молотилова Н.В. 1

---

1МБОУ города Костромы Лицей 17

Сулима Е.Ю. 1

---

1МБОУ города Костромы Лицей 17

Работа в формате PDF

4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном электронном мире человек рассматривает возможность формирования среды, свободной от использования бумаги.

Но, к сожалению, мы используем больше бумаги, чем когда-либо прежде. Запасы древесины, из которой получают бумагу уменьшаются, отсюда актуальным будет вопрос о поиске для   использования альтернативных древесине материалов для получения бумаги.

Цель работы – показать перспективность использования для производства бумаги травянистых растений, в частности, садовых цветов и травы.

Гипотеза   исследования: полагаем,   что   в   домашних   условиях из растительного сырья с помощью доступного оборудования   можно изготовить бумагу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: ­

1) -изучить   материалы  из   различных   источников   о   производстве   бумаги   в домашних условиях;

2) изучить этапы технологического процесса производства бумаги;

3) выяснить, что же такое целлюлоза и какова ее роль в производстве бумаги;

4) рассмотреть различные способы изготовления бумаги в домашних условиях;

5)провести собственный эксперимент по изготовлению  бумаги из различных растительных материалов.

Практическая значимость работы состоит в поиске использования альтернативных древесине материалов при изготовлении бумаги, а также в том, чтобы привлечь внимание к необходимости рационального использования бумаги и напомнить о бережном отношении к природным ресурсам.

1. Теоретическая часть

1.1 Из истории возникновения бумаги[1]

В 105 году нашей эры, в Китае императорский сановник Цай Лунь изобрёл бумагу. Использовались кора деревьев, волокна конопли, тряпки и остатки рыболовных снастей в качестве сырья для производства бумаги, которые его помощники измельчали и замачивали в воде на длительный период времени, затем эту смесь нагревали и наносили тонким слоем на пластину. После просушки на солнце эти листы использовались как бумага.

В России в середине XVI века под Москвою построили первую "бумажную мельницу". К середине XVIII века в России действовало около 20 бумажных мануфактур.

Во второй половине XVII века был придуман ролл – размалывающий аппарат Трудно представить себе более значимую веху в истории изобретения бумаги, ведь применение таких аппаратов позволило сильно увеличить объемы производства.

1.2 Промышленное производство бумаги

Основной материал в современной бумажной промышленности — древесина. На комбинаты поставляют стволы целиком. Там с них снимают кору, разрезают. Далее сырье измельчают в муку — до волокон-фибрилл

Производственные этапы

Полученную муку очищают, добавляют связующее вещество и наполнитель.

Для улучшения качества продукции древесный материал сортируют, фильтруют, обрабатывают химическими составами, их большое количество, и каждый придает бумаге разные свойства.

Жидкий состав выливают на плоскую сетку бумагоделательной машины, покрывают клеевыми пигментами или другими составами.

Следующий этап — просушка при повышенной температуре с помощью шлифовочных цилиндров. Волокна застывают, образуя бумажное полотно. После обезвоживания оно попадает в каландры. Это массивные цилиндры, объединенные по 5—8 штук. Проходя между ними, бумага становится гладкой, выравнивается, уплотняется.

Готовая лента наматывается на накат — вращающийся цилиндр с прижимным валиком. Он собирает полотно в рулон. Технология производства бумаги также предполагает постобработку — глянцевание, окрашивание, резку.

Упаковка и резка

Способ резки рулонов бумаги отличается в зависимости от планов на ее использование. Рулоны разрезают в бобинорезке, затем сматывают в несколько рулонов меньшего объема и диаметра. Потом разделяют на готовые листы для печатного цеха — например, лазером (края аккуратны, на них нет нагара).

Последний этап изготовления бумаги — упаковка

А еще из чего делают бумагу? Сырьем служат растительные вещества с длинными волокнами. Смешиваясь с водой, они образуют податливый, однородный полуфабрикат. Его делают из:

• однолетних растений: из конопляной или рисовой массы изготавливают материал повышенной белизны, из соломы и тростника — прочную и плотную;

• вторичного сырья — макулатуры, тряпок;

• сырья для производства бумаги специального назначения — шерстяных, асбестовых и прочих волокон.

А еще интересным фактом стала информация о том, что в российское сельское хозяйство внедряют новую экзотическую культуру – мискантус — многолетнее травянистое растение злакового подсемейства просовые, срок его жизни может составлять более 20 лет.

В России уже формируется сеть предприятий по производству и переработке этого растения. Мискантус часто используют в качестве сырья для возобновляемых источников энергии. Кроме того, использование мискантуса позволяет сохранять лесные ресурсы. Одна промышленная плантация этого растения, по данным специалистов, способна плодоносить 20–25 лет. В отличие ото льна, который прихотлив в выращивании, мискантус проще приживается, быстро растет и дешевле в переработке. Растительная целлюлоза из мискантуса по характеристикам не уступает целлюлозе изо льна.[

1.3 Критерии качества бумаги промышленного производства:

1. Прочность

2. Плотность

3. Гладкость

4. Белизна

5. Непрозрачность

6. Пористость

7. Сопротивляемость истиранию

8. Впитываемость

1.4 Виды бумаги.

Все многообразие видов бумаги можно подразделить на несколько классов:

1. Бумага для печати (газетная, типографская, офсетная, и др.).

2. Декоративная

3. Бумага для письма, машинописи, черчения

4. Электротехническая бумага - электроизоляционная, телефонная, конденсаторная, кабельная, полупроводящая кабельная, микалентная и др.

5. Упаковочная и оберточная

6. Светочувствительная бумага

7. Впитывающая бумага

8. Промышленно-техническая бумага разного назначения для ртутно-цинковых элементов, химических источников тока и др. [5]

1.5 .Целлюлоза. Химический состав.

Физические и химические свойства

 Основным сырьем, используемым в производстве бумаги  является целлюлоза. Она входит в состав растений, образуя в них оболочки клеток. Целлюлоза придает растениям необходимую прочность и эластичность. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

В чистом виде целлюлоза (клетчатка) - это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер.

Целлюлоза - это вещество, имеющее непосредственное отношение к сахарам.

Целлюлоза (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n – природный полимер, полисахарид, молекулы имеют линейное строение.

Важнейшим значением для бумажного производства имеет способность целлюлозы образовывать связи между волокнами.

Стоит отметить такой компонент клеточной стенки растения как лигнин. Лигнин с точки зрения бумагообразующих свойств растительных волокон является неблагоприятным для технической целлюлозы, так как он препятствует пластификации волокон, ограничивает набухание, затрудняет размол и фибриллирование волокон. При высоком содержании лигнина целлюлоза становится хрупкой. Одновременно при этом ухудшаются условия взаимного сцепления волокон. Лигнин влияет на пожелтение и старение бумаги при длительном ее хранении. Вместе с тем лигнин снижает прозрачность волокон. 4] . Содержание лигнина в бумаге должно быть строго дозировано. Для обработки растительной ткани с целью удаления лигнина используют   хлоритом натрия (NaClO₂), в уксуснокислой среде (СH₃COOH), перуксусной кислотой (СН₃С(О)-О-ОН) или газообразным хлором (Сl₂)  

Химические свойства

1. Гидролиз.

 Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.

(C₆ H₁₀O₅)n + nН₂О → nС₆Н₁₂О₆

2. Горение.  

(С₆H₁₀О₅)n + 6nO₂  6nCO₂ + 5nH₂O

При нагревании без доступа воздуха целлюлоза разлагается, образуется древесный уголь и смесь органических веществ, в которой содержатся метан, метанол, этанол, ацетон, уксусная кислота.

3. Взаимодействие с кислотами.

2. Практическая часть:

В домашних условиях я решила изготовить несколько листов бумаги из травянистых растений осеннего сада.

Мне потребовалось следующее оборудование:

1. Блендер

2. Емкость
3. Рамка с сеткой, изготовленная своими руками

4. Нетканый материал
5. Губка хозяйственная

6. Хлоросодержащий отбеливающий реагент («Белизна», концентрация хлора  4%)

7. Утюг (для эксперимента №2)

Провела два эксперимента.

2.1 Эксперимент №1. Получение бумаги из осенних цветов.

Сначала для приготовления бумаги в домашних условиях я заготовила лепестки цветков астр, бархатцев и цветков октябрины

Этапы приготовления по ГОТОВОМУ рецепту из интернета:

• Отделить лепестки от остальных частей цветка.

• Измельчить лепестки блендером, добавив немного воды.

• Добавить крахмал и клей ПВА (как связующее вещество).

• Тщательно перемешав, распределить массу внутри рамок на сетке.

• Выложить получившийся лист на нетканый материал.

• Аккуратно отделить рамку и промокнуть губкой, чтобы убрать лишнюю воду.

• Достать из рамки изделие и оставить сушиться

Результаты:

Из цветков октябрины получились листы серого цвета, натуральный бледно-фиолетовый цвет в процессе изготовления был потерян. С астрами случилась такая же проблема, хотя сами бумажные листы получились по качеству намного лучше. А вот из бархатцев хоть и получились достаточно яркие рыжие по цвету листы, но один из них при высыхании практически рассыпался, а другой, который я постаралась сделать более толстым, «съежился» и уменьшился при высыхании.

Оценивание качества получившейся бумаги

по критериям бумаги промышленного производства

Таблица 1

Их сравнительной таблицы 1 видно, бумага, изготовленная в домашних условиях обладает слабой прочностью, негладкая, небелая; после сушки хорошо впитывает влагу.

Прочность бумаги – как первый, важный критерий качества не был достигнут. Проанализировав еще раз этапы производственного изготовления и применяемый готовый рецепт приготовления бумаги в домашних условиях, пришла к следующим выводам.

Выводы по 1 эксперименту:

• Рецепты по приготовлению бумаги в домашних условиях, предлагаемые в Интернете, могут не дать положительного результата. Есть разнообразные рецепты (с использованием желатина, крахмала или клея ПВА). Но пропорции ингредиентов в предлагаемых рецептах выбираются «на глаз». Поэтому результат непредсказуем. Только опытным путем можно создать «свой рецепт» и добиться положительного результата в изготовлении бумаги в домашних условиях.

• При изготовлении бумаги из лепестков осенних цветов произошла потеря натурального яркого цвета. При желании можно было добавлять красители (например, пищевые). Но предварительно нужно добиться осветления цвета.

• Стало понятно, что чем нежнее лепестки цветка, тем проще их измельчить, в результате бумага получается более плотная, прочная и гладкая.

2.2 Эксперимент №2. Получение бумаги из травы.

Проанализировав результаты эксперимента №1 и, более подробно изучив этапы изготовления бумаги на производстве, решила, что «для повышения механической прочности необходимо соблюдать этап прессования и термообработки бумаги». В домашних условиях – этот этап осуществляла с помощью проглаживания изделия горячим утюгом. Более того, при проглаживании применяла дополнительное надавливание на ручку утюга (прессование) с целью «увеличения удельного давления прессования при условии непревышения порога раздавливания бумажного полотна»[8]. Это также приводило к повышению величины показателей сопротивлений бумаги продавливанию и излому.

Чтобы добиться более светлого цвета добавила этап отбеливания с помощью «Белизны»  - жидкое средство на основе гипохлорита натрия с резким запахом хлора, который используется для бытового и домашнего отбеливания.

Так как трава мискантус, о которой я говорила ранее, относится к злаковым растениям, я решила в качестве материала для изготовления бумаги в эксперименте №2 использовать траву тимофеевкулуговую – распространенное многолетнее злаковое растение.

Брала надземную часть растения БЕЗ ЦВЕТКА, ведь «установлено, что более предпочтительно для различных процессов использовать именно стебель растения, так как в нем более высокое содержание целлюлозы.[7]

Таким образом, в этапы изготовления бумаги добавила ОТБЕЛИВАНИЕ природного красителя, тепловую обработкой и прессование.

Оценивание качества получившейся бумаги

по критериям бумаги промышленного производства

Таблица 2

Выводы по 2 эксперименту:

Из сравнительной таблицы видно, что в результате Эксперимента №2 были изготовлены более прочные светлые и ровные листы.

Значит, при получении бумаги в домашних условиях необходимо стремиться соблюдать все этапы производственного изготовления бумаги.

Заключение

В данной работе были изучены   материалы  из   различных   источников   о   производстве   бумаги   в домашних условиях; этапы технологического процесса производства бумаги;  роль целлюлозы  в производстве бумаги; рассмотрены  различные способы изготовления бумаги в домашних условиях; проведены собственные эксперименты  по изготовлению  бумаги из различных растительных материалов .

В   домашних   условиях из растительного сырья с помощью доступного оборудования   удалось изготовить бумагу, Такой лист бумаги можно применять при декорировании , в интерьере дома, в создании открыток.

Выводы:

1. В данной работе показана перспективность использования целлюлозы травянистых растений для производства бумаги

2. Были изучены материалы о производстве бумаги в домашних условиях, изучены этапы ее технологического производства.

3. Выяснили роль целлюлозы, как основного компонента бумаги, содержащейся в разном количестве в клетках растений.

4. Были проведены эксперименты по изготовлению бумаги в домашних условиях и я выявила для себя необходимые этапы, о которых не всегда пишут в интернете.

Рекомендации для изготовления бумаги в домашних условиях

( из опыта над проектной работы)

Для изготовления бумаги лучше всего брать стебли и листья злаковых трав.

1. Важно измельчить траву и через отбеливание вывести из нее природный краситель и лигнин.

2. Для просушки выложить материал тонким слоем.

3. Прогладить утюгом для тепловой обработки и пресса.

В процессе изготовления клей ПВА проявил свойства лучше, чем у крахмала. На 500 грамм травы я брала 18 - 20 граммов (1 столовую ложку) клея, для отбеливания средства «Белизна» использовала в объеме 40 граммов на 1 литр воды.

Литература

1. Фляте Д.М. Технология бумаги. Учебник для вузов - 1988 год

М.: Лесн.пром-сть, 1988— 440 с. (sinref.ru - библиотека онлайн)

https://dzen.ru/a/XeAEDb-iNk2Tm-8H

2. Химикаты для бумаги.

https://tr-page.yandex.ru/translate?lang=en-ru&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FPaper_chemicals

3. Мискантус

https://mir24.tv/news/16418035/uchenye-pridumali-sposob-poluchat-cellyulozu-bez-drevesiny

https://lenta.ru/news/2023/11/08/v-rossii-zadumali-massovo-rasprostranit-miskantus-chem-on-mozhet-byt-opasen/

4. Лигнин

https://www.chem21.info/info/132493/

5. Виды бумаги

https://infourok.ru/statya-klassifikaciya-bumagi-vidy-kartona-i-bumagi-5703099.html

6. https://news.rambler.ru/tech/44513796-uchenye-pridumali-sposob-poluchat-tsellyulozu-bez-drevesiny/

7. https://nizrp.narod.ru/metod/kaftbik/1702263434.pdf

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение №1

Цай Лунь

Приложение №2

Размалывающий аппарат

Рулоны бумаги

Приложение №3

В таком виде древесина поступает на измельчение в муку

Сетка бумагоделательной машины

Приложение №4

Химикаты в производстве бумаги

Приложение №5

Мискантус декоративный

Выращивание мискантуса в России

Приложение №6

Из чего делают бумагу

Приложение №7

Виды бумаги

Приложение №8

Целлюлоза

Фильтровальная бумага

Приложение №9

Структурная формула целлюлозы

Приложение №10

Эксперимент 1

Отделение лепестков

Распределение массы по сетке

Радуюсь готовому изделию

Приложение №11

Эксперимент 2

Тимофеевка Лепестки цветов

«Белизна» ( гипохлорит натрия) Нарезанная трава в отбеливателе

Измелченная трава в блендере Подготовка к прессованию

Прессование и термообработка Сушка

Приложение №12

Образцы полученной бумаги

Из астр и октябрин Из лепестков бархатцев Из петрушки

Из лепестков цветов Из тимофеевки

Астры

Листья яблони

Октябрина

Трава Тимофеевка

Бархатцы

Лепестки разных цветов

Лепе

Пример декорирования коробки с использованием бумаги

Презентация