XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изготовление и сравнительный анализ бумаги ручного литья из растительного сырья: рогоз и тростник

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Дубинина Е.Ю. 1Дубинин Я.Ю. 2

---

1 МБОУ гимназия «Эврика» им. В.А. Сухомлинского

2МБОУ гимназия «Эврика» им. В.А. Сухомлинского

Комиссарова И.Л. 1

---

1МБОУ гимназия «Эврика» им. В.А. Сухомлинского

Работа в формате PDF

6.7 MB

«Процесс познания окружающей действительности — это ничем не заменимый эмоциональный стимул мысли».

В.А. Сухомлинский

Введение

Каждый октябрь на папино день рождение мы ездим на рыбалку на нашу любимую реку Кубань. Пока папа закидывал удочки, мы увидели очень интересное растение с коричневой «шишкой», как мы думали камыш. Папа объяснил нам, что это рогоз. Мы взяли домой рогоз для поделок, а по дороге домой заехали на плавни и набрали там тростника. Дома мы стали искать идеи для поделок и нашли заметку, что из этих растений можно попробовать изготовить бумагу ручного литья. Так родилась идея нашего исследования. Мы решили не просто изучить теорию, а провести настоящие эксперименты у себя на кухне.

Актуальность темы:

Бумага – это один из самых обычных предметов в нашей жизни, она окружает нас везде: книги, тетради, журналы, салфетки. Мы узнали, что для производства бумаги вырубают много деревьев. Нам захотелось найти другие возобновляемые и безопасные для леса источники сырья. Быстрорастущие водные растения такие как рогоз и тростник часто считаются сорняками и не находят широкого применения. Мы решили сделать бумагу из этих растений дома, используя древний метод ручного литья и пройти весь путь – от сбора растений до готового листа.

Наша работа полезна, потому что она про заботу о природе, про интересные открытия, и дает возможность проявить свою фантазию.

Цель: получить бумагу ручного литья из рогоза и тростника в домашних условиях, провести ее сравнительный анализ и найти сферы применения.

Задачи:

1. Изучить историю производства бумаги и описать методику изготовления бумаги ручного литья.

2. Изучить особенности строения рогоза и тростника.

3. Провести практический эксперимент по ручному литью бумаги в домашних условиях.

4. Провести сравнительный анализ и опытную оценку свойств полученных образцов бумаги.

5. Определить возможные сферы применения бумаги.

Гипотеза: мы предположили, что рогоз и тростник могут быть использованы для изготовления бумаги ручного литья в домашних условиях. Однако благодаря различиям в строении растений, бумага будет обладать разными свойствами.

Объект исследования: процесс изготовления бумаги ручного литья.

Предмет исследования: свойства бумаги, полученной из рогоза и тростника.

Методы:

1. Изучение литературы и Интернет – источников по теме.

2. Экспериментальное исследование.

3. Наблюдение и описание результатов.

4. Сравнительный анализ.

5. Обобщение результатов.

Глава 1. Теоретические сведения.

1.1. История изобретения бумаги.

Бумагой называется материал, состоящий в основном из растительных волокон, соответствующим образом обработанных и беспорядочно соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления [2, с.4]. Производство бумаги - это искусство и наука, история которого насчитывает тысячелетия. Бумага была изобретена в Китае, первое упоминание о ней относится к 12 г. нашей эры, а в 76 г. нашей эры бумагу применяли уже для книг. Однако считается, что 105 год нашей эры- настоящее начало истории бумаги, ее изобрел помощник императора династии Хань – Цай Лунь. Приближенный к императору Цай Лунь обобщил предшествующий опыт и усовершенствовал уже известные способы изготовления бумаги и предложил технологический принцип производства бумаги – образование листового материала из отдельных волокон путем их обезвоживания на сетке из предварительно сильно разбавленной волокнистой смеси. Первоначально бумагу изготавливали из волокон шелковичного дерева, бамбука, обрывков ткани, волокон конопли [2, с.45]. Технология постепенно распространилась по всему миру, а с 19 века основным сырьем стала древесина. Однако на протяжении всей истории в разных культурах использовалось местное волокнистое сырье, проходило приспосабливание к местным природным ресурсам:

1. Много веков назад (8-18 века) бумагу изготавливали из ткани, в основном из хлопка и льна. Ткань разделяли на тонкие волокна, а потом из них делали бумагу.

2. В 18 – 19 веках из-за роста потребления бумаги и нехватки ткани стали искать новые материалы и изготавливать из них бумагу: солома, тростник, камыш, крапива и осока [5, с.67]. В конце 19 в. был изобретен способ делать бумагу из древесины. Именно с этого момента началось массовое производство бумаги.

3. Для того, чтобы сберечь древесину, в 19-21 веках наблюдается возврат к природным материалам: лен, образки хлопковых и льняных тканей, рисовая солома и отходы от сахарного тростника.

С годами технология изготовления бумаги менялась, подбиралось самое удобное сырье, которое можно было найти рядом. От волокон шелковичного дерева в Древнем Китае до современных сельскохозяйственных отходов – каждый исторический период находил свои наилучшие волокнистые материалы. Многовековой опыт использования недревесного сырья приобретает актуальность и сегодня для развития и поиска альтернатив древесине.

Существует множество методов изготовления бумаги, как промышленных, так и ручных. Промышленные методы, как правило, используют сложное оборудование и химикаты. Ручное изготовление бумаги позволяет более тонко контролировать процесс и экспериментировать с различными материалами. Рассмотрим древний метод изготовления бумаги – метод Цай Луня или метод ручного литья бумаги.

1.2. Основы процесса ручного литья бумаги из растений в домашних условиях.

Чтобы научиться делать бумагу ручного литья необходимо узнать основные правила ее производства. Процесс ручного литья бумаги основан на принципе выделения волокон из растительного сырья и их последующего перераспределения в плоский лист. Основные этапы включают: подготовку сырья, варку для отделения волокон, промывку и измельчение пульпы, отливку листа, прессование и сушку [2, с.45]. Рассмотрим подробнее каждый из этапов для изготовления качественного листа.

1. Подготовка сырья.

Сбор сырья лучше производить в конце лета –осенью, когда растения полностью вызрели и накопили максимум целлюлозы. Сырье необходимо измельчить до размера 1-5 см, в зависимости от частей растения, которые будут использоваться для изготовления бумаги и тщательно промыть от грязи и пыли.

2. Варка.

Растительные клетки скреплены между собой веществом, под названием лигнин. Это затвердевшая смола, придающая растениям жесткость и прочность. Чтобы получить пригодную для бумаги массу, необходимо разрушить лигниновые связи.

Основные стадии химической обработки:

- Вариант А (облегченный)- при кипячении с содой протекает реакция, в результате которой создается щелочная среда, необходимая для растворения лигнина.

- Вариант Б (более эффективный, но требует осторожности) – варка в кальцинированной соде. При нагревании в более агрессивной щелочной среде происходит расщепление лигнина на более мелкие, растворимые в воде фрагменты. Это позволяет высвободить чистые целлюлозные волокна.

При работе с кальцинированной содой необходимо работать в перчатках и маске, и обязательно проветривать помещение!

Время варки зависит от растения и его жесткости и составляет 2-4 часа.

Признак готовности сырья после варки – сырье сильно размягчилось, вода приобрела насыщенный коричневый цвет, а волокна начали легко отделятся.

3. Промывка и измельчение пульпы.

Хорошо вываренную массу необходимо остудить до комнатной температуры, тщательно промыть в дуршлаге под холодной проточной водой до тех пор, пока вода не станет прозрачной и нейтральной. Это важно для удаления щелочи и растворившихся веществ.

Промытая масса заливается небольшим количеством воды и измельчается в блендере до состояния жидкой кашицы (пульпы). Чем дольше взбивается пульпа, тем более гладкой получится бумага.

При работе с кальцинированной содой обязательно использовать перчатки и не использовать в последствии для приготовления еды блендер!

Для увеличения прочности бумаги в пульпу добавляем 1-2 столовые ложки клея, сваренного из муки и воды (2 столовые ложки муки заливаем 200 мл. воды, постоянно помешивая доводим до пюреобразной консистенции, даем остыть) и 1-2 чайные ложки крахмала.

4. Отливка листа.

Для отливки листа бумаги понадобится самодельная прямоугольная рамка из реек с надежно закрепленной на ней капроновой сеткой и небольшой таз с водой. Пульпа выливается в таз с водой, в нее окунается рамка с сеткой и плавно поднимается в горизонтальном положении. Вода стекает, а волокна равномерно распределяются по сетке, формируется лист.

5. Прессование и сушка.

Влажный лист перекладывается на ткань, накрывается другим слоем ткани и прокатывается губкой для удаления излишков воды. Готовые листы раскладываются на ровной поверхности. Полностью высохнуть листам поможет хорошая вентиляция. Сушка займет до 24 часов.

Подсушенные листы кладутся под пресс (стопка книг) на 6 - 12 часов.

Чтобы сделать лист более гладким после сушки, его можно прогладить утюгом через тонкую хлопчатобумажную ткань на среднем нагреве.

Эта технология позволяет создать уникальную бумагу ручного литья с характерной фактурой, идеальную для творческих проектов и дизайнерских работ.

1.3. Особенности строения рогоза и тростника.

Рогоз и тростник – распространенные водные и прибрежно – водные растения, которые представляют значительный интерес как новые, возобновляемые источники целлюлозных волокон. Целлюлоза- это особое вещество, которое есть в растениях. Оно похоже на «строительный материал», который делает растения крепкими и прочными, формируя его каркас. Именно из целлюлозы делается бумага.

Важно различать эти растения, так как они часто путаются в быту.

Рогоз – это растение с широкими листьями и характерным коричневым плотным початком на конце стебля. Его стебли и листья содержат длинные и прочные волокна, богатые целлюлозой. Рогоз исторически использовался для плетения циновок, корзин, а его пух – как наполнитель [6, с.112].

Початок (пух) рогоза.

Початок состоит из двух частей: плотной коричневой «шишки» (женская часть) и расположенной выше мужской части, которая после цветения опадает. Нас интересует «шишка». Она состоит из массы семянок с парашютиками-хохолками. Эти хохолки представляют собой чистейшие, тончайшие и очень короткие волокна, состоящие практически из чистой целлюлозы. Волокна «пуха» рогоза короткие, мягкие, пустотелые. Они придают бумаге пухлость, непрозрачность и особую очень мягкую фактуру. Пух из початков рогоза издавна использовали как наполнитель подушек, упаковки, а также в смеси с другими волокнами – для изготовления кустарной бумаги.

Тростник – имеет жесткий стебель с метелкой на вершине. Стебли тростника также богаты целлюлозой, но их волокна короче и жестче из-за высокого содержания лингина [7, с.78]. Лигнин – это своего рода затвердевшая смола, которая заполняет промежутки в каркасе растения, придает ему жесткость, прочность и водонепроницаемость.

1. Метелка (соцветие) тростника.

Метелка состоит из множества мелких колосков. Волокна в метелке короткие и не составляют основную массу, в отличие от пуха рогоза. Основные волокна располагаются в цветочных чешуйках. Волокна из метелки короткие и пушистые.

2. Листья тростника.

Лист тростника как природный прочный шнур. Волокна в нем длинные, прочные и жесткие из-за высокого содержания лигнина.

Составим сравнительную таблицу состава рогоза и тростника.

Таблица 1

Разное строение и волокнистый состав предопределяют вероятные различия в свойствах будущей бумаги. Оба растения являются перспективными источником целлюлозы и пригодны для изготовления бумаги.

Глава 2. Практическая часть: методика и результаты экспериментов.

2.1. Материалы и методы.

Для проведения эксперимента мы подготовили сырье, которое собрали в середине октября:

- вызревшие, сухие початки рогоза

- метелки тростника

- листья тростника

Оборудование, необходимое для проведения эксперимента: кастрюля, блендер, пластиковый таз, самодельная рамка с сеткой, сода, мука, крахмал, губки, х/б ткань, книги для пресса (Приложение 1).

Методика эксперимента (Приложение 2):

1. Подготовка: измельчаем сырье, листья и метелки тростника с помощью ножниц на отрезки 2-3 см, пух с початка рогоза собираем в кастрюлю и замачиваем в воде.

2. Варка: измельченное сырье кладем в кастрюлю, заливаем водой так, чтобы она полностью покрывала сырье. Доводим до кипения, убавляем огонь и варим 2-3 часа, до размягчения волокон и окрашивания воды в темно-коричневый цвет. Необходимо следить, чтобы вода не выкипала, по необходимости подливаем воду. При варке метелок и листьев тростника (более жесткие из-за повышенного содержания лигнина) добавляем в воду соду из расчета 2-3 столовые ложки на 1 литр воды. Даем сырью остыть.

3. Промывка и измельчение: тщательно промываем сырье под проточной водой что бы удалить растворившиеся вещества и соду, которую мы использовали при варке листьев трорстника. В блендер добавляем 5-6 столовых ложек сваренного сырья, 2-3 ложки клея из муки, 2 чайные ложки крахмала, добавляем 100 мл. холодной чистой воды и измельчаем до состояния жидкой кашицы (пульпы).

4. Отлив листа: наливаем в таз воду, добавляем одинаковые для каждого образца порции пульпы, опускаем в таз рамку с сеткой, на сетку оседают волокна. Аккуратно вынимаем рамку, даем стечь воде. На сетке остается ровный слой волокнистой массы – лист.

5. Прессование и сушка: влажный лист перекладываем на ткань и промокаем губкой для удаления лишней влаги, сушим около 24 ч., затем накрываем лист тканью и кладем под пресс (стопка книг) на 6 -12 ч, затем досушиваем на воздухе. Проглаживаем высушенный лист через х/б ткань утюгом на среднем нагреве.

2.2. Сравнительный анализ качества бумаги.

Сравним качество бумаги, полученной из пуха рогоза, метелок и листьев тростника. Для объективной оценки были введены единые критерии и проведены простые тесты. Результаты фиксируем в таблице.

Таблица 2

Проведенный сравнительный анализ по ключевым параметрам показал разницу в цвете, фактуре и плотности бумаги. Бумага из пуха рогоза выглядит более «благородной» и аккуратной, а бумага из тростника имеет ярко выраженную грубую фактуру (Приложение 3).

2.3. Опытная оценка свойств образцов бумаги.

С помощью опытов в домашних условиях были изучены свойства полученной бумаги из пуха рогоза, метелок и листьев тростника

(Приложение 4).

Опыт 1: Тест на прочность при растяжении (разрыв).

Из каждого образца бумаги вырезаем полоски одинакового размера и растягиваем в разные стороны до разрыва. Характер разрыва фиксируем в таблице.

Таблица 3

Вывод: Наибольшей прочностью на разрыв обладает бумага из листьев тростника, так как она содержит длинные и прочные волокна. Бумага из пуха рогоза – наименее прочная.

Опыт 2: Тест на разрез.

Из каждого образца бумаги отрезаем одинаковые полоски ножницами. Оцениваем усилие, необходимое для разреза и характер краев. Результаты фиксируем в таблице.

Таблица 4

Вывод: Бумага из листьев тростника наиболее плотная, режется с трудом из-за переплетения длинных волокон. Бумага из рогоза самая мягкая, очень легко режется.

Опыт 3: Тест на смятие.

Из каждого образца бумаги вырезаем полоски одинакового размера, сминаем в плотный комок с одинаковым усилием. После этого комок разворачиваем и оцениваем состояние (появились ли разрывы, насколько хорошо лист держит форму, стремится ли вернутся в исходное состояние). Результаты фиксируем в таблице.

Таблица 5

Вывод: Бумага из рогоза более устойчива к деформации, легко мнется и возвращается в первоначальную форму. Бумага из листьев тростника более жесткая, менее устойчива к деформации, плохо возвращается в первоначальную форму.

Опыт 4: Тест на способность к сгибу.

Листы бумаги сгибаем пополам и хорошо проглаживаем сгиб. Оцениваем легкость сгиба, образование трещин на линии сгиба, упругость (пытается ли лист распрямится). Результаты фиксируем в таблице.

Таблица 6

Вывод: Бумага из рогоза очень легко сгибается, не стремится распрямится, после распрямления линия сгиба практически не видна. Бумага из метелок и листьев тростника сгибается с усилием, в большей или меньшей степени стремится распрямится.

Опыт 5: Тест на нанесение надписи/рисунка.

На каждом образце бумаги наносим надпись/рисунок простым карандашом, гелевой ручкой и фломастером. Оцениваем возможность нанесения надписи, усилие и реакцию бумаги. Результат фиксируем в таблицу.

Таблица 7

Вывод: Все образцы бумаги не пригодны для карандаша. На бумаге из рогоза легко писать и рисовать как гелевой ручкой, так и фломастером. На бумаге из метелок и листьев тростника писать/рисовать фломастером достаточно легко, но необходимо это делать очень аккуратно.

Опыт 6: Тест на рисование красками.

На каждом образце бумаги рисуем линии 3 видами красок: акварельная, гуашь и акриловая. Оцениваем легкость нанесения, реакцию бумаги, цвет. Результаты фиксируем в таблице.

Таблица 8

Вывод: Все образцы бумаги пригодны для рисования красками (акварель, гуашь, акриловые краски). На бумаге из пуха рогоза краски наносятся без усилий, цвета яркие, линии четкие. На бумагу из метелок тростника необходимо наносить краску с небольшим усилием, требуется многократное прорисовывании линий, так как бумага по фактуре шероховатая, с крупными частицами. На бумагу из листьев тростника краска наносится достаточно легко, но за счет хорошей впитываемости бумаги, линии получаются размытыми, цвета более тусклыми.

Глава 3.Область применения бумаги ручного литья.

Проведя сравнительный анализ образцов бумаги и оценив ее свойства, мы пришли к выводу, что изготовленная нами бумага ручного литья – особенная. Она не похожа на обычную белую бумагу - не такая гладкая и белая. Например, она не подойдет для печати на принтере, так как она осыпается и может испортить технику, но именно в этом ее особенность. Натуральные вкрапления пуха рогоза, метелок и листьев тростника создают неповторимую фактуру, которая сама подсказывает идеи для творческих проектов. Мы провели мастер-класс для одноклассников по изготовлению открыток из бумаги ручного литья с использованием засушенных растений и сухоцветов (Приложение 5). У нас получились очень красивые и эксклюзивные открытки.

Дома мы проявили фантазию и создали оригинальные поделки (Приложение 6):

- картина из сухоцветов и рамкой из стеблей тростника

- картина с использованием техники декупаж

- интересные открытки из сухоцветов и елочки из ниток

- необычная рамка для фотографий

- объёмная елочная игрушка с применением всех 3 видов бумаги

- бирки ручной работы (надпись удалось нанести с помощью лазерного гравера).

- ваза с сухоцветами из бумаги из метелок тростника с бантиком из бумаги из пуха рогоза

Каждый лист нашей бумаги – это отпечаток природы, вдохновляющий на творчество!

Заключение

В ходе нашей исследовательской работы нам удалось изготовить бумагу из рогоза и тростника используя древний метод – метод ручного литья бумаги. В ходе опытов и сравнительного анализа мы внимательно изучили и сравнили полученные образцы:

1. Бумага из пуха рогоза получилась самой мягкой и светлой. Она легко подходит для рисования, но недостаточно прочная – легко рвется и мнется.

2. Бумага из метелок тростника получилась более плотной и упругой.

3. Бумага из листьев тростника вышла самой плотной, шершавой и темной. Она оказалась крепкой, плохо гнётся и грубая на ощупь.

Наша гипотеза подтвердилась рогоз и тростник могут быть использованы для изготовления бумаги ручного литья в домашних условиях, но ее свойства напрямую зависят от того, из какой части растения она изготовлена. Пух дает бумаге мягкость и белизну, метелки – прочность и гибкость, а листья – плотность и жесткость.

Процесс изготовления бумаги ручного литья - это интересная работа, которая требует аккуратности и терпения. Изготовленная нами бумага не похожа на обычную, она красива, экологична и уникальна. Каждый ее лист неповторим.

Наша работа оказалась очень увлекательной и полезной, потому что она про заботу о природе, про интересные открытия, и дает возможность проявить свою фантазию.

Мы не только узнали много нового о старинном процессе изготовления бумаги и знакомых растениях, но и своими руками создали красивый и полезный материал, из которого получились оригинальные открытки и поделки. Мы убедились, что для творчества и открытий можно использовать самые простые вещи, которые нас окружают и тем самым беречь природу.

Список литературы и интернет-источников

1. https://dzen.ru/a/ZoLKKUwgxXx2rLGK?ysclid=mhatqgy1m0904987835

2. Иванов, С.Н. Технология бумаги / С.Н. Иванов. – М.: Лесная промышленность, 2009. – 696 с.

3. https://www.livemaster.ru/topic/139701-istoriya-vozniknoveniya-bumagi

4. Клементьева, О.В. Бумага: история и современность / О.В. Клементьева. — М.: Искусство, 2019. — 312 с.

5. Федоров, С.П. Целлюлозно-бумажная промышленность: история и технологии / С.П. Федоров. — М.: Лесная промышленность, 2011. — 345 с.

6. Петров, В.В. Мир лесных растений / В.В. Петров. – М.: Наука, 2010. – 256 с.

7. Губанов, И.А. Определитель сосудистых растений центра Европейской России / И.А. Губанов и др. – М.: Аргус, 1995. – 560 с.

8. https://moluch.ru/archive/205/50217

9. Горышина, Т.К. Экология растений. – М.: Высшая школа, 2019. – С. 187-189.

10. Цинзерлинг, В.В. Растительное сырье для производства бумаги. – Л.: Лесная промышленность, 2007. – С. 144. 

Приложения

Приложение 1

Оборудование и сырье для эксперимента

Приложение 2

Методика эксперимента

Подготовка сырья

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Варка сырья

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Варка клея из муки и воды

Измельчение сырья

Пульпа из рогоза Пульпа из метелок Пульпа из листьев тростника

Отлив листа

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Сушка листов

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Прессование

Приложение 3

Сравнительный анализ качества бумаги (цвет, фактура, однородность полотна)

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Пух рогоза Метелки тростника Листья тростника

Приложение 4

Опытная оценка свойств образцов бумаги.

Опыт 1: Разрыв бумаги Опыт 2: Разрез

Опыт 3: Смятие

Опыт 4: Сгиб

Опыт 5: Надпись/рисунок

Опыт 6: Рисование красками (фиолетовая линия- акварель, голубая линия- гуашь, синяя линия – акриловая краска)

Приложение 5

Мастер класс по изготовлению открыток из бумаги ручного литья

Приложение 6

Поделки