Определение свойств тетрадной бумаги

«Мощь и сила науки во множестве фактов,
цель - в обобщении этого множества»
Д.И.Менделеев

Тетрадь - один из важнейших атрибутов школьного портфеля. Именно в ней ученики выводят первые буквы и цифры. Со школьной тетрадью они не расстаются вплоть до получения аттестата. В настоящее время производители предлагают широкий ассортимент школьных тетрадей. Возникает проблема: как выбрать качественную тетрадь, и каким критериям она должна соответствовать?

Желание использовать качественные тетради в учебном процессе обусловили выбор темы исследования «Определение свойств тетрадной бумаги».

Объект исследования: тетрадная бумага в клетку.

Предмет исследования: физические и химические свойства бумаги.

Цель исследования: определение белизны, массы 1м² бумаги, капиллярной впитываемости, направления волокон бумаги, её жёсткости и зольности в условиях школьного физического кабинета для определения качества бумаги.

Задачи исследования:

• подбор литературы по проблеме;
• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
• определение физических и химических свойств тетрадной бумаги;
• анализ полученных результатов.

Гипотеза исследования: приглушённо-белая матовая тетрадная бумага стандартной массы и небольшой зольности будет наиболее пригодна для письма.

В современной литературе достаточно подробно освещены следующие вопросы:

• история изготовления, хронология, технология производства, применение, основные производители и потребители бумаги [5, 6];
• общие сведения о бумаге и источники волокнистого сырья для получения полуфабрикатов, применяемых при производстве бумаги;
• деление бумаги, выпускаемой в России на 11 классов в зависимости от назначения;
• схема криминалистического исследования бумаги [6].

Анализ литературы позволил сделать вывод о том, что при исследовании свойств бумаги на практике в основном используется сложное технологичное оборудование. Например, для определения толщины бумаги используются индикаторные толщиномеры различных марок, для определения массы бумаги - квадрантные весы, для определения светопропускание бумаги - денситометры, а для определения прочности бумаги на разрыв - разрывная машина. Для определения среднего размера пор - прибор Клемма-Винклера, для определения глянца - глянцеметры, для определения белизны, оттенка и непрозрачности бумаги - фотометры или лейкометры, а для определения впитываемости при одностороннем смачивании - прибор Кобба с полированным валиком [3]. Но и школьники предлагают свои подходы к изучению свойств бумаги, например, определение плотности бумаги и сравнение её с ГОСТом [4], качественное определение гладкости, мягкости, пористости бумаги [7].

Рассмотрим серию простых и наглядных экспериментов, позволяющих наглядно и быстро определить качество тетрадной бумаги с использованием количественного и качественного подходов к изучению свойств тетрадной бумаги в рамках школьной физической лаборатории.

Оборудование, используемое в ходе исследования, представлено в таблице 1.

Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования

№ п/п	Название приборов и материалов	Количество
1	Тетрадь в клетку (18 листов)	5
2	Шкала цветового стандарта RAL Classic	1
3	Ножницы	1
4	Клей-карандаш	1
5	Электронные весы	1
6	Рычаг	1
7	Пластмассовый контейнер с водой	1
8	Штатив с муфтой и лапкой	1
9	Электронный секундомер	1
10	Предметное стекло	5
11	Покровное стекло	5
12	Пипетка	1
13	Монокулярный микроскоп MS-03L	1
14	Пластиковый стакан	2
15	Фотоаппарат цифровой	1

В магазине учебной литературы «Мир школьника», изучается ассортимент школьных тетрадей в клетку, и приобретаются пять образцов тетрадей в клетку разных производителей, имеющихся в наличии (рис. 1).

Информация о заводах-изготовителях тетрадей представлена в таблице 2.

Таблица 2. Информация о заводах-изготовителях тетрадей

Номер образца	Название завода-изготовителя	Адрес завода-изготовителя
Образец 1	«Хатбер-М»	Россия, Москва, ул. Б.Андроньевская, д.17
Образец 2	ООО «Каменногорская фабрика офсетных бумаг»	Россия, Ленинградская область, г. Каменногорск, Ленинградское шоссе, д. 54
Образец 3	УП «Бумажная фабрика» Гознака	Республика Беларусь, Минская область, г. Борисов, ул. Заводская, д.55
Образец 4	ООО «ТетраПром»	Россия, г. Брянск, ул. Уральская, д. 109
Образец 5	ООО «Полотняно-Заводская бумажная мануфактура»	Россия, Калужская область, Дзержинский район, п. Полотняный Завод, ул. Трудовая, д.2

Порядок проведения эксперимента

I. Определение белизны бумаги

1. При ярком естественном освещении оттенок каждого из пяти образцов бумаги сравниваются c оттенками белых тонов шкалы цветового стандарта RAL Classic [8].

2. Полученные результаты подвергаются анализу.

II. Определение массы 1 м² бумаги

1. Из бумажного полотна первого образца с помощью ножниц вырезаются 50 квадратных листочков длиной 1 см и шириной 1 см (площадью по 1 см²).

2. Определяется их масса путём взвешивания на электронных весах (рис. 2).

3. Рассчитывается масса в граммах 1 м² испытуемого образца по формуле М = (104·m)/(S·N), где М - масса образца в граммах; m - суммарная масса квадратных листочков в граммах; S - площадь квадратного листочка в см²; N - количество листочков [2].

4. Такие же действия проводятся с остальными четырьмя испытуемыми образцами бумаги.

5. Полученные результаты подвергаются анализу.

III. Определение капиллярной впитываемости бумаги

1. Для испытаний вырезается полоска бумаги каждого из пяти образцов размером 20×250 мм в машинном направлении.

2. На одном из концов каждой полоски бумаги ручкой проводится линия на расстоянии 1 см от края.

3. С помощью клея полоски приклеиваются к равноплечему рычагу, закреплённому в лапке штатива (рис. 3а).

4. Под полосками бумаги устанавливается пластмассовый контейнер, заполненный водой, подкрашенной красной краской, температура которой составляет 19^оС (рис. 3б).

5. Равноплечий рычаг опускается вниз так, чтобы полоски бумаги погрузились в воду на глубину 1 см.

6. Включается электронный секундомер, и определяется высота поднятия жидкости по капиллярам бумаги в течение часа через каждые 10 минут после погружения одного конца бумаги в воду (рис. 4).

7. Полученные результаты подвергаются анализу.

IV. Определение направления волокон бумаги

1. Для испытаний каждый из пяти образцов бумаги размером 202×162 мм (тетрадный лист) подвергается надрывам в разных направлениях (рис. 5). Определяется направление волокон бумаги по характеру надрыва образцов.

2. Для определения направления волокон бумаги, образцы бумаги исследуются путём микроскопического изучения приготовленных из них препаратов. На предметное стекло размером 25×75 мм с помощью пипетки помещается капля дистиллированной воды.

В воду помещается образец бумаги размером 10×10 мм и накрывается покровным стеклом размером 20×20 мм (рис. 6а). Полученный препарат располагается на предметном столике монокулярного микроскопа модели MS-03L, дающего увеличение в 400 раз (рис. 6б).

Включается лампа микроскопа, вращением рукоятки поднимается предметный столик почти до соприкосновения объекта с фронтальной линзой объектива.

Наблюдая в окуляр, и медленно опуская предметный столик, микроскоп фокусируется на резкое изображение препарата на предметном столике с помощью рукояток грубой и точной фокусировки (рис. 6 в).

Каждый из пяти препаратов фотографируется, и в каждом случае определяется число волокон, пересекающих выбранную линию в поле зрения микроскопа в нескольких направлениях (рис. 7).

V. Определение жёсткости образцов бумаги в машинном и поперечном направлениях

1. Для испытаний вырезаются две полоски бумаги каждого из пяти образцов размером 20×150 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих сторонам листа.

2. С помощью условных обозначений фиксируется их положение на бумажном листе: продольное (машинное) и поперечное. Продольное направление - это направление волокон бумаги по ходу материала на бумагоделательной машине. Поперечное направление - это направление волокон бумаги, перпендикулярное машинному направлению.

3. Две полоски складываются вместе. Один край полосок бумаги зажимается в лапке штатива, другой край полосок бумаги свободно провисает под тяжестью собственного веса (рис. 8).

4. Определяется жёсткость образцов бумаги в продольном и поперечном направлениях по степени их провисания.

5. Полученные результаты подвергаются анализу.

VI. Определение зольности бумаги

1. Пустой пластиковый стаканчик объёмом 200 мл взвешивается на электронных весах.

Определяется масса пустого стаканчика mс.

2. Вырезается первый образец бумаги размером 202×162 мм, помещается в пластиковый стаканчик (рис. 9а). Определяется масса стаканчика вместе с листом бумаги mсб.

3. С помощью спичек образец бумаги поджигается на фарфоровом блюдце и образуется зола - остаток, состоящий из минеральных веществ (рис. 9 б). Определяется масса стаканчика вместе с золой mсз (рис. 9в, рис. 9г).

4. С использованием формулы З = (mсз - mс) / (mсб - mс) · 100% вычисляется зольность первого образца бумаги, где З - зольность бумаги, mсз - масса стаканчика с золой, mс - масса пустого стаканчика, mсб - масса стаканчика с бумагой [6].

5. Такие же действия проводятся с остальными четырьмя испытуемыми образцами бумаги.

6. Полученные результаты подвергаются анализу.

Обобщаются результаты эксперимента:

Во-первых, исследуемые образцы бумаги имеют разные оттенки белого цвета, что связано с разными наполнителями, введёнными в них. Образцы 1 и 2 белые; образец 3 - сигнальный белый (с оттенком голубого цвета); образцы 4 и 5 кремово-белые (табл. 3). Нейтральный белый оттенок бумаги отражает весь цветовой спектр одинаково, в то время как белый теплых тонов (кремово-белый) поглощает лучи голубых и холодных цветов. Белый голубого оттенка (сигнально белый) поглощает лучи теплых цветов и отражает больше лучей голубых и холодных цветов. Согласно ГОСТу [1], белизна бумаги не должна быть менее 82% и более 96%. То есть листы качественной тетради не кремово-белые и не серые, а приглушённо-белые, матовые.

Таблица 3. Определение белизны бумаги с использованием шкалы RAL Classic

Образец	Название оттенка шкалы цветового стандарта RAL Classic	Номер оттенка шкалы цветового стандарта RAL Classic
1	белый	RAL 9010
2	белый	RAL 9010
3	сигнальный белый	RAL 9003
4	кремово белый	RAL 9001
5	кремово белый	RAL 9001

Во-вторых, наибольшую массу имеет образец 1, наименьшую массу имеет образец 4 (табл. 4, рис. 10). Полученные значения массы 1 м² всех образцов соответствуют ГОСТ, так как масса бумаги площадью 1 м² не менее 60,0 ± 3,0 г [1].

Таблица 4. Определение массы 1 м² бумаги

Образец	Масса квадратного листочка бумаги m, г	Площадь квадратного листочка бумаги S, см2	Количество квадратных листочков бумаги, N	Масса 1 м2 листа бумаги М = 104m/ (S·N), г
1	0,36	1	50	72
2	0,31	1	50	62
3	0,29	1	50	58
4	0,29	1	50	56
5	0,30	1	50	60

В-третьих, образец 4 имеет высокую капиллярную впитываемость, так как высота поднятия жидкости по его капиллярам наибольшая. Капиллярная впитываемость образцов 1 и 2 за указанное время отсутствует. Высота поднятия жидкости по капиллярам в образцах 3 и 5 меньше, чем в образце 4, но больше, чем в образцах 1 и 2 (табл. 5, рис 11). Образцы 1 и 2 наиболее плотные, так как их капиллярная впитываемость низкая. Образец 4 наименее плотный, так как его капиллярная впитываемость высокая.

Таблица 5. Определение капиллярной впитываемости бумаги

Образец	Высота поднятия жидкости по капиллярам бумаги через каждые 10 мин h, см
	0 мин	10 мин	20 мин	30 мин	40 мин	50 мин	60 мин
1	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0
3	0	0,5	0,75	0,75	0,75	1,0	1,0
4	0	3,5	4,0	4,5	4,75	5,0	5,0
5	0	0,25	0,5	0,75	0,75	1,0	1,0

В-четвёртых, подавляющее число волокон во всех образцах расположено в продольном (машинном) направлении. Образцы 1, 2, и 4 имеют равномерный (сомкнутый) просвет при равномерной текстуре. Образцы 3 и 5 имеют плохой (облачный) просвет при неоднородной текстуре. Похожая степень направленности волокон в образцах свидетельствует о том, что исследуемые образцы изготавливались на бумагоделательных машинах, на сравнимых скоростях. Жёсткость образца бумаги в поперечном направлении меньше жёсткости образца бумаги в продольном (машинном) направлении. Таким образом, можно сделать вывод о том, что существует анизотропия свойств бумаги в зависимости от направления. В каждом из пяти исследуемых образцах тетрадей бумажные листы скреплены так, что машинное направление волокон в бумаге совпадает с горизонтальной плоскостью листа. Это позволяет её легко переворачивать и избегать случайного разрыва листа, так как жёсткость бумаги в этом направлении максимальна.

В-пятых, полоска бумаги, вырезанная в поперечном направлении, провисает сильнее под действием собственного веса, чем полоска бумаги, вырезанная в продольном (машинном) направлении (табл. 6).

Таблица 6. Анизотропия свойств бумаги в зависимости от выбранного направления

Направление волокон в бумаге	Степень провисания полоски бумаги	Жёсткость образца
продольное (машинное)	маленькая	большая
поперечное	большая	маленькая

В-шестых, наиболее прочным является образец 2, так как его зольность наименьшая. Наименее прочным является образец 4, так как его зольность наибольшая (табл. 7, рис. 12). Зольность бумаги зависит в основном от количественного содержания наполнителей в её композиции. Образцы бумаги 1, 2 и 5 имеют низкое содержание золы, по сравнению с образцами 3 и 4, поэтому более прочные. Большое количество минеральных веществ в образцах 3 и 4 уменьшают прочность бумаги.

Таблица 7. Определение зольности бумаги

Образец	Масса пустого стаканчика mс, г	Масса стаканчика с бумагой mсб, г	Масса стаканчика с золой mсз, г	Зольность бумаги З, %
1	3,51	5,44	3,71	10,36
2	3,51	5,47	3,70	9,69
3	3,51	5,44	3,95	22,80
4	3,51	5,35	3,94	23,37
5	3,51	5,44	3,73	11,40

Бумага образцов 1 и 2 наиболее качественная, так как
1) в соответствии с ГОСТ матовая и приглушённо-белая;
2) наиболее плотная по причине низкой капиллярной впитываемости и малой зольности;
3) имеет равномерный просвет при равномерной текстуре.
4) Массы 1 м² всех образцов соответствуют ГОСТ.
5) В каждом из пяти исследуемых образцов тетрадей бумажные листы скреплены так, что машинное направление волокон в бумаге совпадает с горизонтальной плоскостью листа, что позволяет их легко переворачивать и избегать случайного разрыва листа.

Таким образом, выдвинутая гипотеза справедлива.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена определением толщины бумаги с помощью толщиномера индикаторного типа, определением плотности и пухлости бумаги. Практическая значимость работы состоит в том, что использование данного подхода к определению качества тетрадной бумаги, позволит школьникам осознанно подойти к выбору школьных тетрадей. Исследование свойств тетрадной бумаги можно организовать в форме групповой или индивидуальной работы обучающихся на занятиях внеурочной деятельности по физике в 8-10 классах.

Список литературы

1. ГОСТ Р 54543-2011 «Национальный стандарт Российской Федерации. Тетради ученические. Общие технические условия» http://lawru.info/dok/2011/11/29/n183252.htm.
2. ГОСТ 13199-88 «Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения массы продукции площадью 1м²» https://ohranatruda.ru/ot_biblio/norma/238628/.
3. Груздева И.Г. Лабораторный практикум по бумаге. Материаловедение для полиграфистов http://www.studmed.ru/view/gruzdeva-ig-laboratornyy-praktikum-po-bumage-materialovedenie-dlya-poligrafistov_981bc367438.html.
4. Изучение свойств тетрадной бумаги и соответствия ее ГОСТу
5. https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2015/03/01/izuchenie-svoystv-tetradnoy-bumagi-i.
6. История создания бумаги. Производство бумаги http://fb.ru/article/156568/istoriya-sozdaniya-bumagi-proizvodstvo-bumagi.
7. Криминалистическое исследование бумаги
8. http://zinref.ru/000_uchebniki/00600criminalistika/000_osnovi_criminalisticheskogo_issledovania_mitrichev_hrustalev/048.htm.
9. Ученический проект по математике «Исследование свойств бумаги
10. https://infourok.ru/uchenicheskiy-proekt-po-matematike-issledovanie-svoystv-bumagi-991613.html.
11. Цвета RAL https://colorscheme.ru/ral-colors/ral-classic.html.