Изготовление бумаги в домашних условиях

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Изготовление бумаги в домашних условиях

Молотилова Н.В. 1
1МБОУ города Костромы Лицей 17
Сулима Е.Ю. 1
1МБОУ города Костромы Лицей 17
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

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 средеH3COOH), перуксусной кислотой (СН3С(О)-О-ОН) или газообразным хлоромl2)  

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.  

6H10О5)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

 

Из лепестков ОКТЯБРИНЫ

Из лепестков

АСТР

Из лепестков БАРХАТЦЕВ

Прочность

-

-

-

Плотность

+

+

-

Гладкость

-

-

-

Белизна

-

-

-

Непрозрачность

+

+

+

Впитываемость

+

+

+

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

 

Из лепестков ОКТЯБРИНЫ

Из лепестков

АСТР

Из лепестков БАРХАТЦЕВ

Из ТИМОФЕЕВКИ ЛУГОВОЙ

Прочность

-

-

-

+

Плотность

+

+

-

+

Гладкость

-

-

-

+

Белизна

-

-

-

+

Непрозрачность

+

+

+

+

Впитываемость

+

+

+

+

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

  1. Химикаты для бумаги.

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

  1. 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/

  1. Лигнин

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

  1. Виды бумаги

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

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

  2. 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

Общее название

Научное название

Химическая

формула

Примечания

Квасцы

"Сульфат глинозема"

Al2(SO4)3∙18H2O

Для проклейки щелочью вместе

с канифолью

Альбарин

"Сульфат кальция"

CaSO4∙2H2О

Строительные материалы

Диоксид хлора

Диоксид хлора

ClO2

Отбеливание целлюлозы

Хлор

Хлор

Сl2

Отбеливание целлюлозы

Доломит

Карбонат кальция

и магния

CaCO3∙MgCO3

Наполнитель, покрытие

FSA

Формамидин Серная кислота

или Диоксид тиомочевины

CH4N2ТАК2

После обесцвечивания макулатуры

Гуаровая камедь

Натуральный полимер; систематического

названия нет

 

Добавка для сухой прочности

Гипс или минерал белого или гипса

Сульфат кальция

CaSO4∙2 H2O

Гипсокартон

Перекись водорода

Перекись водорода

H2O2

При отбеливании целлюлозы

Хлорноватистая кислота

Хлорноватистая кислота

HOCl

При отбеливании целлюлозы

Известь

Оксид кальция

CaO

Щелочная варка процесс химического восстановления, отбеливания

Известняк

Карбонат кальция

CaCO3

Для получения осажденного CaCO3 используется в качестве наполнителя и покрытия

Бисульфит магния

Бисульфит магния

Мg(HSO3)2

Используется при производстве сульфитной целлюлозы

Магнезит

Карбонат магния

MgCO3

Наполнитель для сигаретной бумаги

Известковое молоко

Гидроксид кальция

Ca(OH)2

Для каустизации

зеленого щелока

Магнезиальное молоко

Гидроксид магния

Мg(OH)2

 

Кислород

Кислород

O2

При отбеливании целлюлозы

Озон

Озон

O3

При отбеливании целлюлозы

Канифоль

Абиетиновая кислота

C19H29COOH

Определение размера

Канифольное мыло

Абиетат натрия

C19H29COONa

Определение размера

Соляной пирог

Сульфат натрия

Na2SO4∙10H2O

Добавочный химикат

при восстановлении

сульфатной целлюлозы

(Na2SO4. ---Na2S)

Мыло / Жирные кислоты

   

Обезвоживание

Бисульфит натрия

Бисульфит натрия

NaHSO3

Используется при производстве сульфитной целлюлозы

Кальцинированная сода

Карбонат натрия

Na2CO3

Химический состав при получении щелочной целлюлозы (Na 2CO3 + Ca (OH) 2--- 2NaOH + CaCO3)

Алюминат натрия

Алюминат натрия

NaAlO2

Используется в сочетании с квасцами для контроля pH

Бисульфит натрия

Бисульфит натрия

NaHSO3

Химический компонент кулинарного раствора кислотного типа, иногда используемый для нейтрализации остаточного хлора в целлюлозе в процессе отбеливания.

Хлорат натрия

Хлорат натрия

NaClO3

Используется для генерации диоксида хлора

Дитионит натрия

Гидросульфит натрия

Na2S2O4

Отбеливание

Гипохлорит натрия

Гипохлорит натрия

NaOCl

Отбеливание

Перекись натрия

Перекись натрия

Na2O2

Отбеливание

Силикат натрия

Силикат натрия

Na2SiO3

В обеззараживании макулатуры для увлажнения, пептизации, диспергирования чернил, стабилизации перекисью.

Сульфид натрия

Сульфид натрия

Na2S

Активные вещества в крафт/сульфатного варочного раствора

Тиосульфат натрия

Тиосульфат натрия

Na2S2O3

Отбеливание

Триполифосфат натрия

Триполифосфат натрия

Na5P3O10

Диспергатор

Крахмал

 

Мокрый и сухой добавки

Состоит из единиц глюкозы, соединенных вместе кислородными мостиками, называемыми гликозидами

Сера

Сера

S

Для получения H2SO3 или бисульфитной целлюлозы

Поверхностно-активное вещество

   

Используется для обезвоживания. Используется в качестве разбавителей при производстве пуховой массы.

Титания

Диоксид титана

TiO2

Наполнитель для увеличения непрозрачности и яркости бумаги. Используется для нанесения покрытий.

Анатаз

Диоксид титана

TiO2

 

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

Просмотров работы: 39