В древнейшие времена письмена выцарапывались или вырубались на камне, выдавливались на глиняных пластинках, которые затем обжигались. В дальнейшем люди начали использовать естественные волокнистые материалы, такие, как, например, части растений (папирус), кожа (пергамент). При этом растение не подвергалось разъединению на отдельные волокна, как это делается теперь в начальных стадиях процесса производства бумаги. Широкий лист дерева, части папируса и других растений употреблялись непосредственно, без переработки. Название ласт (бумаги) и происходит от этих древних письменных материалов. Но малые размеры частей растения не удовлетворяли потребности в достаточно удобном материале для письма — и приходилось склеивать листья или части стебля.
Таким путем изготовлялся папирус, производство которого возникло в Египте за 3500 лет до н. э. Существует подробное описание способа его производства, которое было широко распространено в Египте, откуда папирус экспортировался в другие страны. В качестве сырья употреблялась волокнистая рыхлая сердцевина стебля папируса. Она разрезалась на полоски, которые смазывались клеем и раскладывались параллельно на доске. На первый слой накладывался второй в перпендикулярном к оси волокна направлении. После этого следовало прессование и сушка.
У древнего культурного народа, населявшего Южную Америку (ныне почти исчезнувшее племя инков — майя) применялся подобный же способ изготовления письменного материала. Листы для письма изготовлялись из лубяных слоев каменной пальмы, причем для прочности два-три слоя, склеенных предварительно из узких полосок, соединялись затем таким образом, чтобы волокна в различных слоях имели взаимно перпендикулярное направление. Этот принцип упрочнения растительных материалов применяется и в настоящее время при производстве фанеры.
Любопытно, что не человек является первым «изобретателем» бумаги, а насекомое — оса. Осы строят свои гнезда из клейкой массы, продукта пережевывания этими насекомыми побегов молодых растений. Растительные волокна соединяются клеем, содержащимся в слюне осы. После высыхания получается вещество, чрезвычайно сходное с лучшими сортами китайской бумаги как по своему химическому составу, так и по физическим свойствам.
Родиной бумаги является Китай. В VI—VII вв. до н. э. в Китае в качестве письменного материала употреблялась шелковая ткань, на которую наносился слой лака. Общий подъем экономики и расцвет науки и искусства Китая в 200—300 гг. до н. э. потребовали производства письменного материала в больших количествах, что, спустя некоторое время, вызвало настоящую техническую революцию — изобретение бумаги.
Точная дата изобретения бумаги неизвестна. Это изобретение приписывается Тсай-Луну (II в.), который открыл основной принцип производства бумаги, а именно способность растительных волокон сцепляться друг с другом (свойлачиваться) и образовывать лист бумаги при спрессовывании волокон, находящихся в набухшем состоянии. Сырьем для производства бумаги первоначально служила кора дерева, трава, водоросли и целый ряд других материалов. После разволокнения масса, разбавленная водой, проклеивалась растительными клеями в кислой среде (кислые растительные соки) или крахмальным клейстером; спрессовывая эту массу, получали бумажный лист. Техника бумажного производства в древнем Китае достигала высокого совершенства. Для того чтобы получить равнопрочный в различных направлениях лист бумаги, последняя делалась многослойной. В каждом слое волокнам придавалось определенное направление при помощи особой лопаточки, причем направление это в различных слоях было взаимно перпендикулярным. Таким образом, интуитивно использовались особые механические свойства растительных волокон, а именно их высокая прочность в направлении длинной оси волокна. При этом расположение волокон крест-накрест в различных слоях обеспечивало одинаковую прочность во всех направлениях. Благодаря своим высоким механическим свойствам китайская бумага употреблялась как строительный материал, а также — после специальной обработки, в результате которой бумага становилась прозрачной, — вместо оконного стекла. Из Китая технология производства бумаги проникла в Корею и Японию, а затем в Индию, Самарканд и в середине X в. — на запад, в Европу. Способ ее производства несколько изменился. Важным усовершенствованием было введение механического измельчения бумажной массы. Отлитый лист бумаги стали проклеивать крахмальным клейстером с двух сторон. Отдельные листы бумаги склеивались в свитки длиной до 50 м, так же как ранее свитки папируса.
Серьезным конкурентом бумаги был пергамент, известный еще в древней Греции и получивший некоторое распространение в начале средних веков (IX в.). Однако этот материал, изготовлявшийся из шкур животных, был слишком дорог, так как для получения одного экземпляра книги на пергамент для нее надо было истребить целое стадо. Естественно, что такой материал мог быть использован лишь в ту эпоху, когда грамотных людей было очень мало.
В середине XIII в. была введена проклейка бумаги животным клеем, изготовляемым из костей, копыт, мездры животных. Проклейка осуществлялась уже в процессе изготовления бумаги, путем добавления клея в чан с бумажной массой. В средние века бумажное производство развивалось медленно. Распространение грамотности, невозможное без наличия дешевого письменного материала и усовершенствования старого метода письма, происходило крайне медленно. Религиозная нетерпимость тормозила всякое прогрессивное движение человеческой мысли. Но в недрах старого общества уже зрел переворот. Революция в области культуры, изобретение книгопечатания было подготовлено всем ходом предыдущей истории Европы.
Заметим, что печатание с помощью штампов (ксилографическим способом) было известно уже в IX в. в Китае. Это был способ так называемой высокой печати. Элементы, с которых снималось изображение, гравировались на деревянной доске, пробельные участки углублялись с помощью режущих инструментов.
Пробельными участками печатной формы называются места, не участвующие в передаче краски с формы на бумагу.
В середине XI в., т. е. задолго до Гутенберга, Пи-Шенг изобрел способ печати подвижными литерами, сделанными из обожженной глины, что представляло значительный шаг вперед в истории полиграфической техники. Впоследствии литеры стали отливать из бронзы. Новый способ печатания распространила в Китае и в XIV—XV вв. — в Корее.
В Европе в середине XV в. печатание подвижными литерами было предложено почти одновременно Иоганом Гутенбергом — в Германии, Яном Костером — в Голландии, Кастальди — в Италии.
Способ печатания подвижными литерами открыл новые возможности как в отношении быстроты, так и в отношении удешевления производства. Техническая революция в свою очередь оказала влияние на экономические отношения. Наступила эпоха Возрождения, о которой Ф. Энгельс говорит: «…только теперь, собственно, была открыта земля и были заложены основы для позднейшей мировой торговли и для перехода ремесла в мануфактуру, которая, в свою очередь, послужила исходным пунктом для современной крупной промышленности…». И тут же: «В Италии, Франции, Германии возникла новая первая современная литература. Англия и Испания пережили вскоре вслед за этим свою классическую литературную эпоху».
В России появление книгопечатания (в XVI в.) обусловливается общим подъемом национальной культуры в результате освобождения от татарского ига и объединения ранее разрозненных русских земель. Начало книгопечатания в Московской Руси тесно связано с именами Ивана Федорова (первопечатник Федоров) и Петра Мстиславца.
Однако в настоящее время твердо установлено, что до Федорова уже печатались новым способом «анонимные» книги. Самая ранняя из них Может быть отнесена к 1553 г. В результате изучения этих книг было выяснено, что учителями Федорова были не иностранцы, а русские изобретатели нового способа печатания. Этот способ отличался от иностранного, и И. Федоров печатал, используя уже имеющуюся отечественную технику. Строительство первого русского полиграфического предприятия — Печатного двора — было начато по указу Ивана IV еще в 1553 г. В результате происков конкурентов Федорова — переписчиков, принадлежавших к реакционному духовенству, — его типография была сожжена, а сам он бежал из Москвы в Литву, где продолжал работать и умер во Львове в 1583 г. в нищете, так как типография его была опечатана за долги.
Печатный двор вновь был открыт в 1568 г., и с течением времени печатное дело стало расширяться: штат типографии увеличивался и специализировался. В XVII в. в России работало уже несколько типографий. При Петре I Печатный двор стал выпускать книги гражданского содержания, буквари, учебники. К этому времени существовало уже несколько типографий. Из них четыре вновь основанные в Петербурге. Появляются также и бумажные фабрики (под Москвой и Петербургом). Великий русский ученый М. В. Ломоносов, а в дальнейшем группа русских передовых людей с Н. И. Новиковым во главе имели громадное влияние на развитие книгопечатания в России XVIII в. Н. И. Новиков издает ряд литературных и сатирических журналов: «Живописец», «Трутень» и др., а также газету «Московские ведомости». Новиков организует «Типографическую компанию» и крупную типографию, которая слилась из трех предприятий. Однако прогрессивная деятельность Новикова была в корне подорвана указом Екатерины II, запрещающим продажу книг: «исполненных странными мудрствованиями». В результате «Типографическая компания» была ликвидирована. Вскоре Новиков был арестован и посажен в Шлиссельбургскую крепость. Почти все имевшиеся типографии были закрыты, а «опасные» книги, в том числе и «Путешествие из Петербурга в Москву» Радищева, — сожжены.
Строгая цензура, введенная Екатериной II, тормозила развитие книгопечатания и соответственно производство бумаги вплоть до Октябрьской революции. Кроме этого, промышленникам не представлялось интересным вкладывать свои капиталы в приносящие небольшой доход бумажные предприятия, которые работали на весьма низком техническом уровне.
В дореволюционной России бумажная промышленность не могла развернуться, так как для этого необходимы крупные комбинированные предприятия с подсобными производствами: лесопилками, кирпичными заводами, угле — и известково-обжигательными установками, паросиловыми станциями и т. д.
Только после Великой Октябрьской социалистической революции возникают крупнейшие предприятия: Балахнинский целлюлозно-бумажный комбинат им. Ф. Дзержинского (1928 г.), Сясьский сульфитцеллюлозный завод (1928 г.), Кондопожский комбинат (1929 г.), Вишерский и Волжский бумажные комбинаты (1932 г.) и др. В качестве исходного сырья бумажного производства исключительную роль стала играть древесина. Последняя имеет большое значение не только для производства бумаги, но и для производства целого ряда других весьма важных материалов, как, например, искусственного волокна, пластмасс, материалов лакокрасочной промышленности и т. д. Понятно, насколько важна близость этих производств к источнику сырья и к лесопильным заводам.
Создается машиностроительная база для производства машин полиграфической промышленности, расширяется сеть издательств и типографий, которые организуются не только в городе, но и в районных центрах, колхозах и МТС. Развитие бумажной и книгоиздательской отрасли промышленности обусловливается растущими культурными потребностями советского народа. В нашей стране введено всеобщее обучение, расширяется сеть школ и вузов, увеличивается выпуск учебных пособий, журналов, книг. Все это требует колоссального расширения как бумажной, так и полиграфической промышленности. Печать является острейшим орудием классовой борьбы. В капиталистических странах она часто используется для отравления сознания масс, в СССР — это орудие в борьбе за мир, за счастливую жизнь, за высокую культуру.
Процесс производства бумаги, так же как и процессы книгопечатания, в значительней своей части основывается на явлениях прилипания.
Вначале волокна целлюлозы подвергаются размолу в водной среде. По теории Хинчина, волокно при этом распадается на мельчайшие волоконца, фибриллы, с одновременным их укорачиванием. В процессе размола происходит также некоторое снижение молекулярного веса целлюлозы, т. е. ее механическая деструкция. Все это приводит к значительному увеличению общей поверхности. Поверхностные слои слипаются друг с другом при дальнейшем прессовании вследствие образования между молекулами так называемых водородных связей. Среда, в которой происходит размол, имеет очень большое значение. Так, например, при размоле в нефти, спирте, бензоле фибриллирования волокна не наблюдается и после отливки лист имеет ничтожную прочность. Роль воды при водном размоле состоит в том, что она внедряется между фибриллами волокна и оказывает на них расклинивающее действие. Одновременно на вновь образованных поверхностях возникают водные оболочки.
Расклинивающее действие и его механизм были открыты и подробно исследованы Б. В. Дерягиным.
Размельченная масса добавочно цементируется путем проклейки водными растворами различных клеев или так называемыми водными дисперсиями, т. е. системами, в которых мельчайшие частицы вещества, не растворимого в воде, могут длительное время находиться во взвешенном состоянии. В качестве примера можно привести латексы, т. е. дисперсии каучука в воде.
Когда исследуется прочность непроклеенного бумажного листа, то при этом, собственно говоря, определяется прочность сцепления отдельных волокон друг с другом, так как при разрыве листа бумаги сами волокна остаются целыми. Пока еще нет прямых методов определения сил прилипания естественных волокнистых полимеров друг к другу, но можно измерять силы прилипания, например, между волокнами кварца и стекла, на поверхность которых нанесена пленка полимера.
Б. В. Дерягиным, А. Д. Малкиной, Н. И. Москвитиным и М. Ф. Футран были разработаны методика и аппаратура, позволяющие определять силы прилипания между волокнами в различных водных средах. Прибор состоит из кварцевого стакана, в который погружаются две стеклянные нити. На поверхность их нанесена пленка полимера, служащая моделью исследуемого волокна.
Нити а и b расположены перпендикулярно по отношению друг к другу и в начале опыта соприкасаются, так что между ними возникают силы прилипания. Затем при помощи рычага С они отрываются друг от друга. Момент отрыва можно наблюдать в микроскоп М. Рычаг С приводится в движение грузом Р, с которым он соединен струной, перекинутой через блок О.
Груз погружен в сосуд с водой D. В зависимости от опоражнивания или заполнения сосуда D водой, поступающей из верхнего резервуара E, груз Р, по закону Архимеда, опускается или поднимается, приводя в движение связанную с ним нить b. При помощи устройства К подача воды может точно регулироваться. Под действием груза Р нить b отклоняется в сторону, причем сила прилипания заставляет нить а также отклониться от равновесия, следуя за движением нити b это продолжается до тех пор, пока нити не оторвутся друг от друга.
Величина отклонения определяется при помощи микроскопа М, снабженного шкалой. По максимальному отклонению можно рассчитать силу прилипания, так как последняя противодействует разделению нитей и измеряется усилием, вызывающим отрыв. Согласно теории Б. В. Дерягина, сила прилипания любых поверхностей есть произведение удельной энергии прилипания на некоторую постоянную, зависящую от формы поверхностей в зоне контакта. Таким образом, описываемый метод позволяет определять энергию прилипания волокон.
При помощи описанной методики могут решаться различные вопросы, например влияние на прилипаемость нитей различных солей, растворенных в воде, влияние времени, в течение которого волокна соприкасаются друг с другом, и т. п.
Что касается исследования прилипания проклеивающего вещества к волокнам бумаги, то в технических лабораториях принято судить о прочности прилипания клея и бумажного волокна по прочности проклеенного листа бумаги, сравнивая эту величину с величиной прочности непроклеенного листа. Таким путем можно оценить, какую добавочную прочность вносит проклейка.
Проклеивание бумаги является сложным процессом и рассматривается как прилипание к волокну мельчайших коллоидных частиц клеевого раствора. Этот процесс зависит от целого ряда условий: от температуры, от присутствия в воде различных солей (электролитов), обладающих свойством осаждать частицы клея на волокне, от характера и способа обработки волокна, от степени кислотности или щелочности среды и т. д.
В прежнее время проклеивание бумаги производилось животным белковым клеем. Теперь для этой цели употребляются различные смолы, дисперсии омыленной канифоли (гарпиуса), а также латексы, т. е. дисперсии частиц каучука в воде. В эти дисперсии вводятся различные добавки, которые изменяют свойства коллоидной системы, что имеет громадное значение для производственного процесса.
В основе полиграфических процессов также лежат явления прилипания. Полиграфические процессы имеют в этом отношении много общего с процессами образования лакокрасочной пленки. Печатные краски состоят из пигмента (собственно красящего вещества) и связующего, например высыхающего растительного масла, к которому добавляются различные вещества с целью повлиять на скорость высыхания.
Веществом, прилипающим к печатной поверхности, является масло, т. е. связующее вещество краски. Частицы же краски непосредственно не соприкасаются с поверхностью бумаги, так как они окружены толстой оболочкой масла, прочно с ними связанной. Связующим веществом цветных красок является олифа, т. е. продукт различной степени полимеризации или окисления льняного масла. Полимеризацией называется процесс, ведущий к усложнению молекулы данного вещества за счет соединения нескольких одинаковых молекул химическими связями.
Для черных печатных красок применяются так называемые фирнисы, т. е. продукты термической обработки и окисления полугудрона, тяжелого остатка при перегонке нефти. В состав его входят нефтяные масла и смолы.
Печатная краска является сложной коллоидной системой. Краситель (пигмент) находится в ней в мелкораздробленном состоянии и от степени его раздробленности (степени дисперсности) зависят свойства краски: цвет, вязкость и т. д. Чем больше степень дисперсности красителя, тем лучше растерта краска, тем выше ее качество.
Печатание может производиться на отдельных листах бумаги с плоских и цилиндрических форм, а также с цилиндрических форм на бесконечной бумажной ленте (ротационная печать).
Печатной формой называется пластина или цилиндр, на поверхности которых имеются печатающие и непечатающие участки. Печатающие участки покрываются краской и под давлением передают изображение на бумагу.
Способы печатания подразделяются на три основных вида: высокая печать, плоская печать и глубокая печать.
В первом случае буквы и изображение, которые должны отпечататься, представляют собой выпуклость, рельеф, те же части, которые не покрываются краской — углублены. (Примером могут служить обычные штемпели.)
На формах плоской печати печатающие и пробельные элементы лежат в одной плоскости. При помощи специальной обработки поверхность форменного материала приобретает способность избирательно смачиваться водой на пробельных участках и краской на печатающих участках.
Наконец, глубокая печать производится с форм, имеющих углубленные печатающие участки. Одной из разновидностей этого метода является получение гравюр, но таким образом можно печатать и книги. Первоначально краска покрывает всю поверхность формы, а затем механически удаляется с пробельных участков, оставаясь только в углублениях формы. При сильном давлении краска из углубленных печатающих участков переходит на бумагу. Различие между высокой и глубокой печатью заключается в том, что печатающие участки в формах глубокой печати имеют различную глубину и дают вследствие этого на оттиске слои краски различной толщины, что создает впечатление тонов различной силы.
Процесс печатания сводится к прилипанию слоя краски к поверхности бумаги или к поверхности уже нанесенного слоя краски при многокрасочной печати.
Прочность прилипания (адгезия) краски к бумаге может определяться различными методами. В отношении разработки и научного обоснования методов определения адгезии печатных красок многое сделано Б. В. Дерягиным и его сотрудниками С. М. Сорокиным и А. П. Порецкой.
Так, например, Б. В. Дерягиным и С. М. Сорокиным предложен прибор — маятниковый адгезиометр для определения адгезии печатных красок к бумаге. Действие прибора основано на учете потери потенциальной энергии маятника при отрыве им полоски бумаги, на поверхность которой нанесена краска, — от металлической поверхности. В процессе отрыва маятник теряет часть своей потенциальной энергии, которая переходит в работу отрыва. Зная массу и центр тяжести маятника, а также амплитуду (размах) его колебаний до и после отрыва бумажной полоски, можно вычислить величину работы отрыва. Амплитуда колебаний маятника определяется по световому зайчику, отбрасываемому зеркальцем, прикрепленным к маятнику на шкалу, находящуюся на некотором расстоянии от прибора.
При помощи этого, а также ряда других методов были проведены исследования прочности прилипания краски к бумаге в зависимости от различных факторов. Было найдено, что прочность прилипания (адгезия) в основном определяется природой связующего. Наибольшей адгезией обладают краски, приготовленные на натуральной олифе. Большую роль играет толщина слоя краски, так как с утоньшением слоя краски, в результате впитывания, прочность прилипания падает до нуля. В этом случае связь между поверхностями через слой краски нарушается. Доля передаваемой с формы на бумагу краски мало меняется в зависимости от влажности последней. Этот результат является очень важным для печатного дела, так как бумага всегда содержит влагу.
Большое значение для полиграфических процессов, особенно литографии (плоская печать), имеет исследование причин и закономерностей смачивания в связи С адгезией. Эти вопросы детально исследовались акад. П. А. Ребиндером, Л. А. Козаровицким, С. И. Шур, А. А. Синегуб-Лавренко и др.
В последнее время в полиграфической промышленности начинают разрабатываться совершенно новые методы печатания, основанные на электростатическом взаимодействии бумаги и краски, которым сообщаются заряды противоположного знака. Эти методы позволяют в значительной степени уменьшить износ печатных машин, так как в этом случае можно обходиться без давления.