Ранняя технология изготовления бумаги
Согласно сообщениям письменных источников бумага была изобретена в Китае в I в. н.э. Традиция донесла до нас имя изобретателя — им был придворный китайского императора Цай Лунь. Свое изобретение («чжи») он получил, используя в качестве сырья кору деревьев и коноплю, тряпье и рыбацкие сети, и в 105 г. представил бумагу императору. Однако известим образцы бумаги более древние, чем эпоха Цай Луня: написанные на них рукописи обнаружены во время раскопок в китайской провинции Шэньси, они датирована II-I вв. до н.э. Сырьем для бумаги здесь служила конопля. Поэтому специалисты полагают, что бумага значительно древнее изобретения Цай Луня. Прообразом ее можно считать войлок, с древнейших времен употреблявшийся кочевыми народами.
Считается, что в Европу бумагу завезли арабы. По легенде, секрет изготовления бумаги арабы получили у китайцев после победы в битве на реке Тхерез в Туркестане в 751 г. Этот секрет якобы раскрыли победителям пленные. Во всяком случае, во 2-ой половине VIII в. было начато производство бумаги в Самарканде. Уже в 794 г. халиф Гарун- аль-Рашид в своей канцелярии ввел употребление бумаги. С конца VIII - начала IX вв. бумагу производили в Багдаде, Дамасске, несколько позже — в Египте. Арабы усовершенствовали и технологический процесс: вместо ручного песта для размельчения сырья стали использовать жернов, который приводили в движение сначала вручную, потом с помощью верблюдов и волов и, наконец, падающей воды. Так появились бумажные мельницы.
В Западной Европе долгое время ходила легенда о том, что бумагу изобрел католический монах, который, борясь с искушениями, сжевал собственную рубаху и швырнул ее в печь, а потом, отодрав от печки высохшую нашлепку, убедился в ее пригодности для письма. Несмотря на свою образность, эта легенда не выдерживает никакой критики. Не вызывает сомнений, что секрет изготовления бумаг и заимствован европейцами у арабов. Первое в Европе бумажное производство появилось на территории арабской Испании, в городе Хатива, в XI в. Древнейшая европейская рукопись написана на арабской бумаге - это Требник XI в., созданный в Испании. Уже в XIII в. бумажные мельницы существовали в Италии. Считается, что в середине XIII в. бумажное производство возникло в итальянском городе Фабриано и оттуда стало распространяться по всей стране. Так, в XIV в., когда в Фабриано работало уже 40 бумажных мельниц, бумагу изготавливали также в Болонье, Парме, Падуе, Турине.
В Италии окончательно сформировался и технологический процесс изготовления бумаги. Сырьем для бумаги служило льняное и хлопчатое тряпье. Чем более ветхими и изношенными были тряпки, тем тоньше получалась бумага. Тряпки резали на лоскутки, вымачивали и варили с добавлением извести для удаления красок, жира и грязи. Воду при этом неоднократно меняли. Далее влажное тряпье выдерживали по несколько недель в каменных подвалах или просто в кучах.
В это время тряпье бродило и расслаивалось на волокна, после чего его толкли до образования однородной густой массы. Таким образом, сырье проходило и механическую, и химическую обработку. Толкли тряпье в деревянной толчее деревянными же пестами. По трубам в толчею постоянно поступала чистая вода, а из решетки на дне толчеи утекала грязная. Так происходило промывание и отбеливание сырья. Именно по этой причине бумажные мельницы строились вдали от больших населенных пунктов - нужна была чистая вода.
Считалось, что от чистоты поступаемой в толчею воды напрямую зависит качество выделываемой бумаги. Поэтому поступающую в толчею воду иногда (в частности, в XVII-XIX вв.) очищали специальными фильтрами. Суть толчеи, изобретенной итальянцами, состоит в том, что в ней несколько пестов соединялись с жерновом, который вращался силой воды и приводил песты в движение. Со временем песты стали оковывать железом, что делало весь механизм более долговечным.
Первое описание бумажной мельницы привел в своей книге, выпущенной в 1607 г., архитектор города Падуи Витторио Цонка. Полученную однородную массу наливали в чан, из которого ее зачерпывали специальным черпаком с плоским сетчатым днищем. Вода спекала через дно, и на днище ровным тонким слоем осаживалась бумажная масса. После высыхания из нее получался лист бумаги. Европейские бумагоделатели усовершенствовали и черпальную форму - рамку с сетчатым дном. Основу ее составляли поперечные плетеные проволоки, так называемые понтюзо (от франц. pontuseau), в которые вплетались более частые продольные проволоки вержеры (от франц. vergeures). Понтюзо составляли каркас сетки, не позволяя ей прогибаться, так как бумажная масса должна была одинаково равномерно растекаться по всему дну формы. Это обеспечивало одинаковую толщину листа бумаги. Для упрочения конструкции понтюзо поддерживали специальные деревянные рейки шпангоуты. В разное время использовали различные способы плетения сетки. В ранний период вержеры были массивные, а редкие понтюзо лишь поддерживали их снизу и слабо отпечатывались на листе.
Позже понтюзо представляло собой две сплетенные проволоки с вплетенными между ними вержерами. Такие понтюзо в нескольких местах копились к шпангоутам. Со временем проволока в местах крепления прогибалась, что отражалось на неравномерности распределения бумажной массы по листу. Большее распространение получило другое понтюзо - более массивная, чем вержеры, проволока, к которой другой, более тонкой проволокой крепились вержеры. На бумаге такие понтюзо не оставляли отпечатка, отпечатывалось только их плетеное крепление к вержерам. Технические подробности, касающиеся изготовления черпальной фирмы, имеют значение для вопроса о сроке службы одной формы. Считается, что при повреждении плетеного понтюзо вся форма становилась непригодной, ее следовало целиком переплетать. Средний срок службы одной формы, по мнению исследователей, исчислялся примерно двумя годами.
Сетка формы отпечатывалась на листе бумаги и хорошо видна на просвет, В местах, где отпечатаны проволочные конструкции сетки (вержеры и понтюзо), бумага более тонкая, поэтому рисунок сетки виден на просвет светлым контуром. Это напоминает намоченную бумагу, которая на просвет более прозрачна, чем не намоченная. Отсюда появилось наименование отпечатка листоотливочной сетки - водяной знак. Другой термин, обозначающий тот же отпечаток - филигрань (от лат. filum - нитка и granum - зерно) - возник по аналогии с ювелирной техникой плетения из проволоки (древнерусское название этой техники - скань). До настоящего времени оба термина существовали параллельно и являлись синонимами. Недавно Л.П. Богданов предложил филигранью называть отпечаток сетки в целом, а водяным знаком - только отпечаток маркировочного знака.
Исследователями установлено, что черпальщик работал поочередно с двумя формами. Это связано с технологическими особенностями листоотливочного процесса. После того, как бумажная масса зачерпнута формой и выровнена на ее сетчатом дне топким слоем, из формы должна вытечь вода. Только после этого лист можно вынимать. Пока стекала вода из одной формы, черпальщик работал с другой.
Листы, отлитые с двух разных, но очень близких между собой форм, часто чередуются в рукописях и печатных книгах. По всей видимости, это и есть параллельно используемые формы. Они называются парными формами. Есть сведения и об использовании форм, рассчитанных на изготовление двух или трех листов. В этом случае в книжном блоке будут чередоваться не две, а четыре или шесть близких филиграней.
Со второй половины XIII в. итальянские бумагоделатели стали метить свои формы маркировочными знаками. Такой знак гнулся из проволоки на специальном шаблоне, который представлял собой ряд металлических штырьков или гвоздей, зафиксированных (вколоченных) по контуру знака. Знаки парных форм изготавливались по одному шаблону и поэтому, как правило, отличаются друг от друга незначительно. Поскольку знак крепился проволокой на сетке, то по расположению относительно понтюзо, а также по незначительному несовпадению контура можно различить знаки парных форм. Начиная с XVII в. кроме основного маркировочного знака на сетке стали вводить дополнительный - контрамарку, которая часто представляет собой инициалы владельца бумажной мельницы или названия фирмы.
После того, как вода из сетки стекала и бумажная масса слегка подсыхала, получившийся таким образом лист вынимали из формы. В более позднее время это делали при помощи суконной прокладки, к которой незастывший еще лист прилипал лучше, чем к металлической сетке. Из снятых с сеток сырых листов формировали стопку, прокладывая каждый лист сукном. В таком виде листы прессовали, отжимая из них оставшуюся влагу. Затем листы вывешивали для просушки в специально отведенных для этого помещениях - на чердаках или в сушильнях. Помещение дли сушки бумаги должно было иметь незастекленные окна для постоянной циркуляции воздуха. Для устранения короблений высушенные листы прессовали еще раз, проклеивали, окуная в раствор животного клея, и под прессом отжимали остатки клея. После просушки бумага была готова к употреблению.
Готовые листы бумаги упаковывались в пачки, называвшиеся в России XVI XVII вв. стопой и дестью. Стопа содержала 480 листов или 20 дестей, десть - 24 листа. Термин десть имеет два толкования. Его сближают с персидскими словами dest - рука, что может указывал» на формат, и deste - связка, пучок, стопка. Видимо, в последнем значении этот термин использовался для обозначения пачки бумаги. Впервые термин «десть» зафиксирован в 1494 г. на территории Великого княжества Литовского (в описи Троицкого Слуцкого монастыря).
В России его употребление прослеживается с начала XVI в. (грамота тверского епископа Нила русскому послу в Турции ВА. Колобову о поминках (подарках) для константинопольского патриарха Пахомия, около 1515 г.). Есть сведения, что на бумажных мельницах продукция мерилась кипами примерно по 53 кг. бумаги. Известно, что на производство одной кипы в зависимости от качества бумаги требовалось в среднем от полутора до двух центнеров тряпья. На упаковку пачки наклеивался этикет - лист с напечатанным па нем увеличенным и часто декорированным изображением маркировочною знака. Так, на пачке бумаги с филигранью Голова шута наклеивался этикет с изображением соответствующего знака и т.п.
Бумага выпускалась двух форматов: в развернутый лист («в большую десть», «большой руки» по древнерусской терминологии) и в лист, сложенный вдвое («в малую десть», «малой руки»). Формат в развернутый лист называли александрийским. Иногда, правда, данный термин указывал не на формат, а на исключительно хорошее качество бумаги. Именно в таком значении его употребляет известный описатель жизни русского общества середины XVII в. Г. Котошихии. Как полагают исследователи, поводом для столь необычного названия формата и качества бумаги послужили грамоты Александрийского патриарха первой половины XVI в., написанные на превосходной бумаге больших форматов.
Ранняя итальянская бумага, так называемая бомбицина, по виду напоминает арабскую бумагу. В XIX в. полагали, что эта бумага вырабатывалась из хлопка (отсюда и ее название), но потом отказались от данного предположения. Считается, что бомбицина изготавливалась из пеньки и льна, как и более поздняя бумага. Отличает бомбицину примитивность технологического процесса, что отражается на ее внешнем виде. Это толстая, рыхлая, волокнистая бумага, нередко с «ворсом». Маркировочные знаки на ней отсутствуют, вержеры и понтюзо редкие и часто неровные. Встречаются понтюзо в виде не одной, а трех линий.
Древнерусских рукописей, написанных на бомбицине, не известно. В западно-европейских манускриптах бомбицина встречается до XIII в., в византийских - до XIV в. Однако само название бумаги «бомбицина» все же указывает на хлопок как сырье для ее изготовления. А это, в свою очередь, говорит о том, что местом производства бумаги в раннее средневековье были азиатские хлопкопроизводящие территории.
В начале XIV в. бумагу стали производить во Франции (в Труа), чуть позже — в Германии (в Нюрнберге, Хемнице, Равенсбурге), с конца XV в. - в Англии, с начала XVI в. - в Швеции, Дании и Голландии.
Первая бумажная мельница на территории Польши была построена в Гданьске в 1420 г. В конце XV в. там построили еще несколько мельниц - во Вроцлаве в 1490 г., Кракове между 1493 и 1496 гг. К середине XVI в. польские мельницы изготавливали ежегодно до 200 тыс. стоп бумаги, что составляет 96 млн. листов. В 1556 г. в Речи Посполитой был создан цех бумажников, что свидетельствует о высоком уровне организации и развития бумажного производства.
Примерно с середины XVII в. на первое место в Европе по производству и, соответственно, экспорту бумаги выдвинулась Голландия. Природные условия Голландии вынуждали использовать вместо водяных мельниц ветряные. Ветер, как известно, менее надежный «двигатель», чем вода. В безветренную погоду мельницы не работали, что создавало в бумажном производстве немалые сложности. Технология изготовления бумаги предполагала, что для более эффективного измельчения в однородную массу сырье несколько недель подвергалось гниению. Вынужденные простои в работе мельниц приводили к тому, что часть сырья сгнивала окончательно.
Выход из этого положения голландские бумажники нашли в ускорении размола сырья. Для этого был изобретен и стал применяться вместо толчеи ролл. Его отличие от толчеи в том, что сырье в нем не толчется, а режется ножами. Эти ножи устанавливались на валах, которые были вмонтированы в дно баков для размола массы. Преимущество ролла - большая скорость размола массы и долговечность эксплуатации (ролл в отличие от деревянной толчеи был металлическим). К недостаткам ролла можно отнести то, что он не мял волокна, подобно толчее, а рвал их. В результате волокна получались короткими, а бумага - менее прочной. Несмотря на это изобретение ролла явилось крупной вехой в технологии производства бумаги. В Голландии поначалу изобретение ролла держали в тайне и даже грозили смертной казнью за его раскрытие. Но уже в конце XVII в. ролл начинает проникать в другие европейские страны, а в 1684 г. он был даже запатентован в Англии X. Джонсоном. Чертеж ролла впервые опубликован в 1718 г. немецким инженером и архитектором Л.X. Штурмом, который назвал его голлендером (т. е. голландским). Впоследствии за роллом это наименование закрепилось.
Следует отметить, что в XVIII в. ролл прижился далеко не во всех странах, где долгое время единственным механизмом размола тряпья оставалась толчея. Например, во Франции в начале XVIII в. замена толчеи другим механизмом запрещалась законом. При этом предлагались способы сделать толчею более долговечной - изготавливать ее из камня и пр. Причина подобного консерватизма, видимо, в том, что применение ролла предполагало перестройку всею производственного процесса, что было сопряжено с известными расходами и подчас оказывалось нереальным. Все же со временем ролл окончательно вытеснил толчею.
Во второй половине XVII в. в связи с расширением бумажного производства стала ощущаться нехватка сырья. Поставщики сырья, тряпичники, жестко конкурировали друге другом. В некоторых странах даже издавались законы, запрещающие вывоз тряпья из страны. В Пруссии, например, такой запрет сохранялся до 1803 г. Наряду с этими мерами бумажники активно искали другое сырье для производства бумаги. В 1655 г. в Голландии бумагоделатели получили привилегию изготавливать бумагу из водорослей. В 1684 г. в Англии были попытки при изготовлении бумаги применять в качестве сырья асбест. Правда, бумага из асбеста получалась низкого качества и весьма непрочная, и этот материал не прижился. С 1716 г. английские бумажные мастера стали производить бумагу из пеньки, для чего при бумажных мельницах заводили плантации конопли и разрабатывали способы ее обработки. Бумага из конопли получалась прочная, но ее качество заметно уступало тряпичной. Она не могла употребляться для письма и типографских нужд.
В 1734 г. француз Саба предложил вырабатывать бумагу из однолетних растений. Такой способ издревле применялся на Востоке. В XVIII в. предлагали производить бумагу также из соломы, мха и т. п. Изготавливать бумагу из древесины впервые предложил известный французский физик Р.-А.-Ф. Реомюр. Он заметил, что вещество, из которого осы строят свои гнезда, похоже на бумагу. Ученый определил, что материалом для изготовления этого вещества является гнилая древесина. Осы ее пережевывают, смешивая со слюной, и выкладывают тонкими слоями. Высыхая, этот природный аналог бумаги приобретает прочность и эластичность. В 1719 г. Реомюр сделал доклад о своем открытии на сессии Парижской Академии наук, где предложил исследовать данный процесс и пытался заинтересовать им изготовителей бумаги.
Предложение Реомюра было реализовано почти 100 лет спустя. В 1800 г. М. Купе выпустил книгу о возможности использовать древесину в бумажном производстве. Его книга напечатана на «древесной» бумаге. Чуть позже Ф.Г. Келлер изобрел способ измельчения древесины в однородную массу. На основе этого изобретения был сконструирован дефибрер, широко использовавшийся при машинном способе производства бумаги. Дефибрер измельчал и волокнистую часть древесины, и не волокнистую. Последняя придавала бумаге ломкость, поэтому из древесины поначалу изготавливали только низкокачественную бумагу. В 50-60-е гг. XIX в. научились химическими способами выделять из древесины ее волокнистую часть - целлюлозу, что положило начало современной эпохе в производстве бумаги, когда целлюлоза полностью заменила собой тряпье.