Графитовые стержни для письма были известны уже в эпоху расцвета древнегреческой культуры, но впоследствии они были забыты. Лишь в XVI веке возродилось старинное ремесло. В трактате Конрада Гесслера о минералах, вышедшем в 1565 г., есть описание графитовых стержней. Между классической древностью и поздним средневековьем люди, если они не желали иметь дело с чернилами, писали стержнями из свинца и олова. Нам такое занятие не пришлось бы по вкусу. Впрочем, и нашим предкам оно, видимо, не доставляло удовольствия.
Карандаш, вырезанный из кристалла графита
Именно так он выглядел карандаш XVI века. В то время в английском графстве Камберленд открыли необычное месторождение графита. Необычность его заключалась в том, что куски графита были на редкость большими. А чем они больше, тем правильнее кристаллы, тем чище материал. Стержни, которые делали из камберлэндского графита, писали очень хорошо. Делали их так: графит распиливали на тонкие пластинки, шлифовали и разрезали на палочки, которые вставляли в дерево или тростник.
Месторождение между тем истощалось. Стержни стоили все дороже. Наконец, крупные самородки графита стали такой же редкостью, как алмазы в несколько каратов. И вновь люди стали писать палочками из мягких металлов.
Но графиту суждено было покорить пишущий и рисующий мир. Правда, не в чистом виде, а в смеси с глиной. В 1790 г. француз Жак Конте предложил делать карандашные стержни по керамической технологии. Он смешивал порошок графита с пластичной массой из глины и воды, уплотнял массу на прессе и продавливал ее через сапфирное сопло. Получалась темная круглая нить, которую резали на стержни и обжигали, подобно гончарным изделиям, чтобы она стала прочной.
Эта технология многократно усовершенствовалась, но до недавнего времени принципиально не менялась. Прежде всего потому, что она удобна. Затем — благодаря доступности сырья: не нужны крупные куски графита. Наконец, она дает возможность получать отменные карандаши. Те самые, что в разговорной речи называют простыми, а в изданиях для специалистов — чернографитными
Краткий экскурс в область полимеров
Графит—полимер. Так же, как и алмаз: оба они кристаллические полимеры. Ископаемые угли, древесный уголь, сажу считают аморфными полимерами углерода. На самом деле и они построены из очень мелких, деформированных кристаллов.
Графит и ископаемые угли — это как бы углеродные скелеты древних растительных организмов. Синтетический графит и сажа — углеродные скелеты нефтяных углеводородов. И природа, и человек создают графит по единому методу – строя полимерную цепочку из одних только атомов углерода. Впрочем, так можно получить и алмаз. Но для этого придется построить трехмерный полимер, структуру которого надо изображать пространственной моделью. Чтобы изобразить структуру графита, достаточно бумажного листа, потому что она двумерна. Атомы углерода в графите образуют гигантские плоские сетки из шестичленных циклов — бензольных ядер.
Атомы углерода в плоской сетке графита связаны между собой прочными химическими связями. Но отдельные слои сетки удерживаются одна подле другой уже не химическими, а гораздо более слабыми молекулярными силами. Поэтому строение графита чешуйчатое, поэтому он мягок и скользок на ощупь.
Цвет графита — серо свинцовый. Чтобы сообщить карандашной массе черноту, в рецептуру вводят немного сажи или древесного угля. Молекулы пигментов содержат, кроме углерода, небольшое количество кислорода и водорода. Только из них сделать карандаш нельзя, потому что строение у черных пигментов не чешуйчатое, они не скользят по бумаге.
Почему карандаш пишет
Собственно, рассказывая о чешуйчатом строении графита, мы уже ответили на этот вопрос, но лишь отчасти ясно, отчего слои графита легко отделяются один от другого, но почему они остаются на бумаге? Потому, что в целлюлозе, из которой состоит бумага, есть гидроксильные группы, и когда карандаш скользит по бумаге, между этими группами и отслоившимися молекулами графита возникают водородные связи, более прочные, чем связи между отдельными молекулами-слоями графита.
Правда, чернографитный стержень состоит не из одного графита. В нем, как уже говорилось, есть связующее — глина. Но это существа дела не меняет. У глины, как у графита, слоистая структура, и на бумаге остается след обоих веществ.
Чтобы закончить разговор о молекулярных связях — один абзац о том, почему карандашная линия стирается резинкой. При механическом воздействии — трении — нарушаются силы, соединяющие отдельные частицы графита. В то же время возникают временные и непрочные молекулярные связи графита с поверхностью резинки. В результате резинка попросту вытаскивает графит из бумаги, в идеально а случае не нарушая вовсе бумажной поверхности.
Все наверное, знают эти обозначения 6Т — самый твердый карандаш, 6М — самый мягкий. А между ними есть еще 5Т, 4Т, ЗТ, 2Т, СТ, ТМ, М, 2М, ЗМ, 4М и 5М.
Велика ли разница между градациями твердости и что служит причиной разной твердости карандашей?
Ответ на первый вопрос: нет, невелика. Все карандашные стержни не выходят за пределы двух ступенек шкалы твердости Мооса (№ 1— тальк, № 2 — гипс). Определяют же твердость стержней, царапая ими эталонные плитки из сплава свинца с оловом или измеряя износ на специальном приборе.
А вот чтобы ответить на второй вопрос — отчего карандаши получаются разной твердости,— надо коротко рассказать, как делают стержни.
Как производят графитовые стержни
Самая ответственная операция в производстве стержней — помол графита. Чем мельче будут частицы, тем более гладкими получатся стержни, тем лучше они будут писать.
Механические способы помола требуют длительного времени, и все равно достаточно мелких частиц не получается. Поэтому применяют механохимические методы, в вибрационную или струйную мельницу вводят поверхностно- активное вещество, которое смачивает измельченные частицы и не дает им вновь слипаться. В результате размеры частиц графита получаются ничтожными — около одного микрона.
Для наглядности хотелось бы сравнить их с чем-нибудь известным, но даже самая тонкая пудра грубее, чем карандашный графит. А вот глину измельчать не надо, она и так достаточно мелка: у ее частиц субмикроскопические размеры. Графит смешивают с глиной. От того, в каком соотношении смешивают, и зависит твердость будущего стержня. Самый твердый получится из чистой глины, самый мягкий — из чистого графита Конечно, обе эти крайности абсурдны. Просто в 6Т очень мало графита, в 6М его очень много.
Смесь графита с глиной продавливают через сопло и непрерывную черную змейку автоматически режут на отдельные стержни. А потом отправляют в печь. Глины для карандашей состоят из каолинита. При высоких температурах из него выделяется вода и образуется плотный полимер. Поэтому стержень становится прочным, водостойким и более упругим, твердость его возрастает на одну — полторы градации.
Но из-за испарения воды стержень после обжига буквально насыщен мельчайшими сообщающимися между собой порами, проведенная им линия прерывиста и неравномерна. Приходится пропитывать обожженный стержень восками — годным, японским, карнаубским — или воскоподобными веществами вроде стеарина. Кстати, такие вещества заодно улучшают сцепление написанного с бумагой и уменьшают трение при письме.
Выбор древесины для карандаша
Стержень нельзя облачать в любую древесную одежду — ни ель, ни береза для этого не подходят. К древесине для карандашной оболочки предъявляют очень жесткие требования. Мягкость, легкость и прочность — вещи очевидные. Помимо этого волокна должны быть прямыми и плотными. Древесина должна хорошо обрабатываться на станках, не крошиться, строгаться ножом или бритвой, полироваться. Теперь, видимо, будет ясно, почему лишь немногие древесные породы годятся для карандашей.
Лучшие из лучших — южный красный кедр, растущий в Калифорнии, и кипарис. Не будем даже задерживать внимание на этой экзотике; в нашей стране используют древесину сибирского кедра, реже — липы, тополя, ольхи. Казалось бы, запасы такой древесины огромны. Но если бы деревья рубили только ради карандашей. К тому же в карандашном производстве древесина расходуется очень неэкономично: до 90% идет в отходы.
Древесину обязательно по радиусу распиливают на дощечки и облагораживают – у натурального кедра выравнивают его темно коричневый цвет, а остальные, менее благородные сорта пропитывают красителем под цвет кедра. А еще древесину пропитывают воскоподобными веществами, чтобы она лучше резалась и в заточенном виде была гладкой.
Наконец, заключительные операции, отделочные. Первая из них — окраска.
Не только дети, но и взрослые обгладывают карандаши. Поэтому краска должна быть абсолютно нетоксичной. Обычно используют нитролаки, по сути своей — растворы целлулоида. Из него делали и делают детские игрушки, так что в безвредности можно не сомневаться… Может быть, одной из причин, по которой даже взрослые держат иногда карандаш во рту, служит освежающий запах камфары, содержащейся в целлулоиде.
Последнее дело — поставить маркировку. На карандаш накладывают бронзовую фольгу (бумага, слой воска, слой клея, бронзовый порошок) и ударяют нагретым штампом с выгравированной надписью. Воск плавится, покрытие отделяется от бумаги и приклеивается к карандашу.
Цельносинтетические карандаши
Честно говоря, процесс изготовления карандашей выглядит несколько громоздким. И больше всего возни с глиной: сначала ее надо отмучивать, потом из-за нее вести обжиг… Между тем можно найти и не глиняный каркас для графита. Уже выдано немало патентов на синтетические связующие для карандашной массы.
Между прочим, первые стержни с феноло-альдегидными полимерами были изготовлены на московской фабрике им. Красина в годы войны. Сейчас можно уверенно говорить о том, что глина в карандаше — анахронизм и что сейчас чаще ее заменяют полимеры, не требующие обжига. Так же как и оболочку карандашей часто заменяют на полимерные и что очень важно, оболочку из них можно делать одновременно со стержнем, на одной машине, но с двумя головками: первая выдавливает графитовый стержень, другая облачает его в полимер.
Загрузка...
