Карандаш: от доисторического угля к современному графиту

Исторический путь

Один из древнейших и самых распространенных письменных инструментов, карандаш зародился в доисторические времена, когда меловые породы и обугленные палочки использовали для рисования на поверхностях — от животных шкур до пещерных стен. Греки и римляне использовали плоские свинцовые пластины для слабых линий на папирусе, но прямой предок современного карандаша появился только в конце 1400-х. Около столетия позже графит — распространенный минерал, мягкие блестящие жилы в скалах — обнаружили قرب Борроудейла в северо-западной Англии. Рудник Борроудейл снабжал Европу графитом столетиями; однако люди не могли отличать графит от свинца и называли его «черным свинцом». Резаным стержнями или полосами графит плотно обматывали веревкой для прочности и удобного хвата. Готовый продукт — «свинцовый карандаш» — был популярен. В конце XVI века в Германии открыли метод склеивания деревянных полосок вокруг графита — современный карандаш начал обретать форму. В 1779 г. ученые установили: материал, считавшийся свинцом, — форма микрокристаллического углерода, названная графитом (от греч. «graphein» — писать). Графит — одна из трех природных форм чистого углерода (с углем и алмазом).

В конце XVIII века рудник Борроудейл истощился, графит стал дефицитным, и начали примешивать другие материалы. Французский химик Никола-Жак Конте открыл: смесь порошкового графита, порошковой глины и воды, формованная и обожженная, пишет так же гладко, как чистый графит. Конте также обнаружил: меняя пропорцию глины и графита, можно получать стержни разной твердости — больше графита, темнее и мягче карандаш. В 1839 г. Лотар фон Фабер (Германия) разработал метод производства графитовых стержней одинаковой толщины и изобрел станок для строгания и выпрямления деревянных заготовок. После истощения Борроудейла новые графитовые рудники постепенно появились по всему миру.

Несколько рудников открыли в США, первые американские карандаши произвели в 1812 г. после войны 1812 г., прекратившей английский импорт. Уильям Монро, столяр из Конкорда (Массачусетс), изобрел станок для точной строгки и выпрямления деревянных планок. В то время американский изобретатель Джозеф Диксон разработал метод: раскраивали одиночные кедровые цилиндры пополам, клали графитовый стержень в одну половину, склеивали обратно. В 1861 г. Эберхард Фабер построил первую в США фабрику карандашей в Нью-Йорке.

Сегодня твердость карандаша обозначают числами или буквами. Большинство используют 1–4 (1 — самый мягкий, темный след; 2 — средний, для обычного письма). Буквенная шкала: 6B (самый мягкий) — 9H (самый твердый). Идея приклеить ластик к карандашу принадлежит Хайману У. Липману, американский патент 1858 г. купил Джозеф Речендорфер в 1872 г. за $100 000.

Помимо классического кедрового карандаша, широко используются другие типы. В начале 1880-х поиск карандаша, не требующего заточки, привел к изобретению автоматического, протяжного (propelling) или повторно используемого (repeating) карандаша. У них металлический или пластиковый корпус и стержни, как в деревянных. Стержень в металлической спирали внутри корпуса удерживается стержнем с металлическим штифтом. При вращении колпака стержень и штифт движутся вниз по спирали, продвигая стержень к кончику. Начало XX века принесло цветные карандаши: графитовый стержень заменили комбинацией пигментов/красителей и связующего. Сегодня цветных карандашей >70 цветов, 7 желтых, 12 синих. Но кедровый карандаш — 6 млрд шт/год в 40 странах — продолжает опережать все конкуренты, включая шариковую ручку.

Сырье и материалы

Главный ингредиент — графит, который большинство всё ещё называет свинцом. Метод Конте (графит + глина) всё ещё используется, иногда добавляют воск или другие химикаты. Практически весь графит сегодня — синтетическая смесь натурального графита и химикатов.

Дерево для карандашей должно выдерживать повторную заточку и легко резаться без щеплений. Большинство карандашей из кедра (специфически калифорнийского) — предпочтительная порода десятилетиями. Кедр имеет приятный запах, не деформируется, легко доступен. Некоторые карандаши имеют ластики, крепящиеся на обруче (ferrule) — металлическом футляре, клееном или закрепленном металлическими заусенцами. Ластики состоят из помыца и каучука.

Производственный процесс

Так как большинство коммерческого графита теперь производят на заводах, а не добывают, производители точно контролируют его плотность. Графит смешивают с глиной согласно типу карандаша — больше графита, мягче карандаш и темнее линия. Для цветных карандашей пигменты добавляют в глину, графит практически не используют.

Обработка графита

• Два метода формирования графита в готовом виде. Первый — экструзия: смесь графита и воска прессуют через форму, получая спагетти-подобную нить, режут на точные длины и сушат в печах. Второй — смесь графита и глины заливают в пресс для биллетов. Пробка сверху, металлический таран снизу вдавливает смесь в твердый сплошной цилиндр — «биллет». Биллет снимают сверху и кладут в экструзионный пресс, который выталкивает его через форму, срезая полоски диаметра стержня карандаша. После нарезки стержни по конвейеру попадают в лоток для ожидания вставки в деревянный корпус.

Изготовление деревянных оболочек

• Кедр обычно поступает на завод уже сушеным, окрашенным и вощеным против деформации. Бревна распиливают на узкие планки («слаты»): ~18,4 см длиной, 0,635 см толщиной, 6,98 см шириной. Слаты кладут в питатель и по одному сбрасывают на конвейер, движущийся с постоянной скоростью.
• Слаты строгают для получения плоской поверхности. Затем проходят под резаковой головкой, наносящей параллельные полукруглые желобки — глубиной в половину толщины графита — вдоль одной стороны каждой слаты. Двигаясь по конвейеру, половина слатов покрывают клеем, в желобки кладут нарезанные графитовые стержни.
• Слаты без клея и без графита в желобках подают на другой конвейер, где машину подбирает и переворачивает их желобками вниз. Два конвейера сходятся, и каждый несмазанный слат накладывается на слат с клеем и графитом — образуется «сэндвич». После снятия с конвейера сэндвичи кладут в металлические тиски, сжимают гидравлическим прессом и держат сжатыми до высыхания клея. Карандаши сушат, обрезают концы для удаления лишнего клея.

Формовка карандашей

• Следующий этап — формовка, когда сэндвичи становятся карандашами. Сэндвичи на конвейере проходят через два комплекта резаков — сверху и снизу. Верхние резают верхнюю половину, нижние — нижнюю и отделяют готовые карандаши. Большинство карандашей шестигранные — чтобы не скатывались со столов; один сэндвич дает 6–9 шестигранных карандашей.

Финальные операции

• После раскроя поверхности шлифуют шлифовальными станками, наносят лак и сушат. Делают на лакокрасочных станках: карандаши погружают в ванну с лаком, затем проходят через войлочный диск, сдирающий лишний лак. После сушки цикл повторяют до достижения нужного цвета. Финальный финишный слой.
• Карандаши снова через формовочные машины на конвейере — удаляют накопленный на концах лак, выравнивают длину всех карандашей.
• Ластики крепят круглым металлическим футляром — «феррулем». Ферруль сначала крепят к карандашу клеем или маленькими металлическими заусенцами, затем вставляют ластик и зажимают ферруль. Финальный шаг: нагретая сталевая матрица втискивает логотип компании на каждый карандаш.

Цветные карандаши

Цветные карандаши производят аналогично чернопишущим, но стержни содержат красители и пигменты вместо графита. Сначала глину и камедь добавляют к пигменту как связующие, затем смесь пропитки воском для гладкости. После формовки внешние поверхности красят в цвет стержня.

Контроль качества

Так как карандаши движутся по конвейеру, их тщательно инспектируют перед распределением. Рабочих обучают отбраковывать дефектные экземпляры, выборочное число затачивают и тестируют в конце процесса. Частая проблема — клей сэндвичей иногда не держится, но обычно ловят при раскрое сэндвичей.