biologie artikel (Interpretation und charakterisierung)

Papier

Stoff: r / Ein Material in der Form von dünnen Blättern, das durch das Auswalzen von pflanzlichen Cellulosefasern hergestellt wird. Der Name "Papier" ist ursprünglich von dem Produkt der Papyrusstaude abgeleitet, aus dem man im Altertum (Ägypten) und in der Antike (Griechen, Römer) Schriftrollen herstellte. Vor allem als Mittel zur Kommunikation hat Papier für die Menschheit eine herausragende Bedeutung erlangt. So benutzt man Papier beispielsweise nicht nur zum Schreiben und zum Drucken, sondern auch als Verpackung und als Werkstoff für diverse Anwendungen. Papier dient außerdem einer Vielzahl von speziellen Zwecken, die beispielsweise vom Filtrieren bis zur Herstellung bestimmter Arten von Baustoffen reichen. Selbst im Zeitalter der elektronischen Datenverarbeitung und elektronischen Medien bleibt die elementare Bedeutung des Papiers erhalten.

Historische Papierherstellung
Das grundlegende Verfahren zur Papierherstellung hat sich seit über 2000 Jahren nicht geändert. Es besteht aus zwei Schritten: dem Aufbrechen des Rohmaterials in Wasser zur Gewinnung einer Suspension aus einzelnen Fasern und der Herstellung von filzartigen Blättern durch das Aufbringen dieser Suspension auf einer geeigneten porösen Oberfläche, durch die das überschüssige Wasser ablaufen kann.
Das Rohmaterial wird in einen Bottich oder Trog gegeben und mit einem schweren Stößel oder Hammer bearbeitet, um die Fasern zu trennen. Wenn die Fasern ausreichend aufgebrochen sind, werden sie im Wasser belassen. In diesem Stadium ist das flüssige Material, das auch als Halbzeug bezeichnet wird, bereit für die eigentliche Papierherstellung. Das wichtigste Werkzeug eines Papiermachers ist ein Sieb. Man bezeichnet handgeschöpftes Papier, das keine spezielle Endbehandlung erhalten hat, als Velinpapier oder Papier mit Egouttierungsrippung, je nach dem bei der Herstellung verwendeten Sieb.
Bei der Verarbeitung wird das Sieb in einen losen Holzrahmen, die so genannte Bütte, gelegt. Anschließend taucht man das Sieb und die Bütte in einen Bottich mit Halbzeug ein. Wenn Sieb und Bütte wieder aus dem Bottich genommen werden, ist die Oberfläche des Siebes mit einer dünnen Schicht aus Faserbrei bedeckt. Im Folgeprozess wird das Gerät in Längsrichtung und in Querrichtung gerüttelt. Diese Prozedur bewirkt zweierlei: 1.) Die gleichmäßige Verteilung der Mischung auf der Oberfläche des Siebes, und 2.) Die Vernetzung der einzelnen Fasern miteinander - dadurch gewinnt das Papier an Festigkeit. Beim Rüttelprozess fließt ein großer Teil des Wassers durch die Maschen des Siebes. Das Gerät mit seinem nassen Blatt Papier wird dann liegen gelassen, bis das Papier fest genug ist. Anschließend entfernt man die Bütte vom Sieb.
Sieb und Papier werden umgedreht und das Blatt Papier vorsichtig auf ein Filztuch gelegt. Daraufhin kommt ein weiterer Filz auf das Blatt. Der Vorgang wird mit anderen noch feuchten Blättern wiederholt. Wenn mehrere Blätter Papier mit Filz aufgestapelt worden sind, gelangt der ganze Stapel zur Weiterbearbeitung in eine hydraulische Presse. Dabei presst man den größten Teil des Wassers aus dem Papier heraus. Das so behandelte Papier wird dann vom Filz getrennt, gestapelt und nochmals gepresst. Den Pressvorgang wiederholt man mehrmals, wobei die Reihenfolge der Blätter immer verändert wird. Durch dieses Austauschen der Blätter verbessert man die Oberflächenqualität des Papiers. Zum Schluss gelangt das Papier in den abschließenden Trocknungsprozess.

Papiere, die zum Schreiben oder Drucken verwendet werden sollen, müssen nach dem Trocknen noch weiter behandelt werden, denn ohne eine solche Behandlung würde das Papier die Tinte derartig stark aufsaugen, daß der geschriebene Text und die gedruckten Bilder verschwommen erscheinen. Die Weiterbehandlung des Papiers besteht im Leimen durch Eintauchen in eine Lösung aus Knochenleim. Danach wird das geleimte Papier getrocknet und zwischen Metallplatten oder glattem Karton gepresst.
Nach diesem historischen Verfahren werden noch heutzutage spezielle, kostbare Luxuspapiere hergestellt. Dies gilt beispielsweise auch für Dokumentenpapier von höchster Qualität (z. B. für Urkunden).
Maschinelle Papierherstellung
Die Grundschritte bei der maschinellen Papierherstellung sind im Prinzip identisch mit denen bei der manuellen Herstellung von Papier. Trotzdem ist der technische Ablauf der maschinellen Produktion wesentlich komplexer. Bei der maschinellen Papierherstellung wird im ersten Arbeitsschritt der Rohstoff aufbereitet. Die bei der modernen Papierherstellung hauptsächlich verwendeten Materialien sind Baumwoll- und Leinenhadern und Holzpulpe. Mehr als 95 Prozent des Papiers werden heutzutage aus Cellulose hergestellt - letztere gewinnt man u. a. aus Holz. Für die billigsten Papiersorten, wie z. B. Zeitungspapier, wird nur Holzpulpe verwendet. Für bessere Sorten nutzt man chemisch aufbereitete Holzpulpe oder eine Mischung aus Pulpe und Hadern (Stoffreste oder Lumpen). Qualitativ hochwertige Papiere, wie z. B. Dokumentenpapiere von normaler Qualität, werden ausschließlich aus Hadern hergestellt.
Zuerst befreit man die Hadern mechanisch von Staub und Fremdkörpern. Nach dieser Reinigung werden die Hadern in einem großen rotierenden Boiler gekocht. Bei diesem Prozess behandelt man die Hadern mehrere Stunden lang unter Dampfdruck mit Kalk. Der Kalk verbindet sich mit Fetten und anderen Verunreinigungen in den Hadern und bildet nichtlösliche Seifen, die sich in einem späteren Arbeitsschritt auswaschen lassen. Gleichzeitig überführt der Kalk enthaltene Farbstoffe in farblose Verbindungen. Die so behandelten Hadern gelangen anschließend in einen speziellen Reißwolf. Dieser besteht aus einem längs geteilten Behälter. In einer Hälfte des Behälters rotiert ein mit Messern besetzter horizontal liegender Zylinder mit hoher Drehzahl. Die Messer laufen dabei in der Nähe des ebenfalls mit Messern besetzten Bodens des Behälters. Die Mischung aus Hadern und Wasser strömt zwischen dem Zylinder und dem Behälterboden hindurch, wobei die Hadern zerkleinert werden. In der zweiten Hälfte des Behälters befindet sich ein Waschzylinder, der mit einem feinen Sieb umgeben ist. Dieser Zylinder ist so angebracht, dass er Wasser aus dem Behälter ableitet und die Hadern und Fasern zurückhält. Während die Mischung aus Hadern und Wasser durch den Reißwolf fließt, wird der Schmutz entfernt, und die Hadern werden so stark aufgeweicht, bis sie sich schließlich in einzelne Fasern auflösen. Das dabei sich bildende Halbzeug wird dann durch eine oder mehrere ähnliche Vorrichtungen geschickt, in denen die Fasern noch weiter aufbrechen. Im Verlaufe dieser Vorgänge gibt man Farbstoffe, Bindemittel wie Kolophonium (Terpentinharz, Geigenharz) oder Leim und Füllstoffe wie Calciumsulfat oder Kaolin zu dem Faserbrei. Diese Stoffe verleihen dem fertigen Produkt Gewicht und Volumen.
Holz lässt sich auf zwei verschiedene Arten zur Papierherstellung aufbereiten. Bei einem Verfahren werden große Holzstücke gegen einen schnell rotierenden Schleifstein gedrückt, der Fasern abreibt. Die durch dieses Verfahren gewonnenen Fasern sind kurz und können nur für die Herstellung von billigem Zeitungspapier oder als Beimischung, zusammen mit anderen Arten von Holzfasern, für die Produktion von hochwertigem Papier verwendet werden.
Der sich bildende Faserbrei ist mehr oder weniger gelb bis braun gefärbt - dies hängt mit den Inhaltsstoffen im Holz, wie z. B. Lignin, zusammen. Bei verschiedenen Bleichverfahren werden Holzschnitzel mit chemischen Hilfsmitteln behandelt, die Harze und Lignin aus dem Holz entfernen und reine Cellulosefasern zurücklassen. Das älteste dieser Verfahren ist das Sodaverfahren, das 1851 eingeführt wurde und eine Natriumhydroxidlösung als Lösemittel verwendet. Das Holz wird in dieser Lösung unter Dampfdruck gekocht.
Ein lange Zeit übliches Bleichverfahren war die umweltbelastende Chlorbleiche. Die dabei anfallenden Abwässer enthielten gewisse Mengen an schwer abbaubaren chlorierten Kohlenwasserstoffen. Um die bei der Papierherstellung enormen Abwassermengen zu begrenzen, ging man zu Verfahren in geschlossenen Wasserkreisläufen über. Außerdem gelang es durch diese Verfahrensweise, die Belastung der Gewässer mit Chlorkohlenwasserstoffen zu reduzieren. Heutzutage ist die Chlorbleiche in vielen Fällen auch durch andere, umweltverträglichere Verfahren, wie beispielsweise der Sauerstoffbleiche, ersetzt worden. Andere moderne Verfahren arbeiten mit Ozon oder Wasserstoffperoxid als Bleichmittel.
Ein wichtiger Aspekt bei der Papierherstellung ist die Verwendung von Altpapier. So wurden beispielsweise 1995 etwa 56 Prozent des in Deutschland hergestellten Papiers (knapp 15 Millionen Tonnen) aus Altpapier gewonnen. In Europa ist Deutschland einer der größten Papierhersteller. Das Altpapier wird zunächst mit Wasser behandelt und anschließend in mehreren Wasch- und Reinigungsverfahren von Druckfarben und Füllstoffen getrennt. In der Papierindustrie fasst man diese Verfahren auch unter dem technischen Stichwort De-Inking-Prozess zusammen. Der dabei entstehende Faserbrei gelangt anschließend in die Weiterverarbeitung. Altpapier kommt vor allem zur Herstellung von Verpackungen, Zeitungspapier und Hygienepapier zum Einsatz.
Die eigentliche Papierentstehung erfolgt in der Papiermaschine, die aus mehreren Einzelelementen besteht. Im Kern dieser Maschine stehen der Stoffauflauf, die Siebpartie, die Pressenpartie, die Trockenpartie mit anschließender Kühlung, das Glättwerk und die Aufrollung. Die fertig gemischte Papierpulpe wird zunächst im Stoffauflauf mit den so genannten Brustwalzen auf ein Förderband gegeben. Eine flache Wanne unter dem Band fängt einen großen Teil des abtropfenden Wassers auf. Dieses Wasser setzt man in einem kontinuierlichen Prozess der Pulpe wieder zu, um die darin noch enthaltenen Fasern zu nutzen. Die Ausbreitung der nassen Pulpe auf dem Band nach beiden Seiten wird durch Gummibänder begrenzt, die auf beiden Seiten des Bandes mitlaufen. Saugpumpen unter dem Band beschleunigen die Trocknung des Papiers. In der unmittelbar anschließenden Siebpartie wird das Band quer zur Laufrichtung gerüttelt, um das Verfilzen der Fasern zu unterstützen. Während das Papier über das Band läuft, bewegt es sich unter einem rotierenden Zylinder (Eggoutteur; Vorpresswalze) hindurch. Die Oberfläche dieses Zylinders ist mit Drahtgeflecht oder einzelnen Drähten bedeckt, die dem Papier ein Velinmuster oder eine Egouttierrippung aufdrücken. Bei einigen Modellen enthält die Zylinderoberfläche zusätzlich Wörter oder Muster aus Draht, die in das Papier eingedrückt werden und als Wasserzeichen erscheinen. Wasserzeichen geben Auskunft über die Papierqualität und den Hersteller. Bei handgeschöpften Papieren befinden sich die Muster der Wasserzeichen auf der Oberfläche des Siebes.
In der Pressenpartie führt man das Rohprodukt zunächst zwischen zwei mit Filz (so genannte Nassfilze) bespannten Gautschwalzen aus Stahl, Granit oder Hartgummi hindurch. Diese Rollen pressen Wasser aus dem Papiergewebe und verfestigen die Fasern so weit, dass die Papierbahn stark genug ist, um ohne die Unterstützung des Förderbandes weiter durch die Maschine zu laufen. Die Funktion der Walzen ist im Prinzip die gleiche, wie die der Filze beim Gautschen handgeschöpfter Papiere. Von diesen Gautschwalzen gelangt das Papier weiter auf glatte Metall- oder auch Presswalzen. Hier wird das Papier beidseitig vorgeglättet und ist danach vollständig ausgeformt.
In der Trockenpartie wird das Papier über eine Reihe beheizter Walzen geführt. Die gesamte Trockenpartie ist bei den meisten Maschinenausführungen durch eine Trockenhaube abgekapselt. Diese lässt sich mit Heißluft beheizen. Im nächsten Arbeitsschritt wird das Papier zwischen glatten Kühlwalzen wieder abgekühlt und anschließend im Glättwerk gepresst, wobei die so genannte maschinenglatte Oberfläche entsteht.
In der darauf folgenden Aufrollung schneiden Rotationsmesser das Papier in längere Abschnitte, die dann auf einen Stahlkern (den so genannten Tambour) gewickelt werden. Mit dem Schneiden ist die Papierherstellung im Prinzip abgeschlossen. Ein Teil des Papiers bleibt auf der Rolle und wird später für Zeitungs-Rotationsdruckmaschinen oder Rollenoffsetdruck verwendet.
Papiere für besondere Zwecke werden zusätzlich noch weiterbehandelt. Superkalandriertes Papier wird ein zweites Mal unter großem Druck zwischen einer Metallwalze und einer papierbespannten Walze gepresst. Beschichtetes Papier, wie z. B. für feine Halbtonreproduktionen, wird mit Ton oder Leim geleimt und kalandriert.

Papiergrößen
Das handelsübliche Maß für Papier ist das so genannte Ries. Ein Ries normales Papier zählt meist 480 Blatt, ein Ries Zeichenpapier oder handgeschöpftes Papier hat nur 472 Blatt. Im Gegensatz dazu werden Buch- und Zeitungspapier für Flachdruckverfahren im Ries mit 500 Blatt oder sogar im "perfekten" Ries mit 516 Blatt verkauft. Die häufigste Papiergröße für den Druck von Büchern ist ein Oktav (112 × 168 Zentimeter).
Zeitungspapier für Rotationsdruckmaschinen wird in unterschiedlichen Rollengrößen geliefert. Eine typische Rolle Zeitungsdruckpapier ist z. B. 168 Zentimeter breit, 7 925 Meter lang und wiegt etwa 725 Kilogramm.
Kunstfaserpapier
1955 wurden Papiere aus Nylon- und Orlonfasern sowie aus Mischungen dieser Fasern mit Holzpulpe hergestellt (siehe Kunststoffe). Solche Papiere werden auf konventionellen Papiermaschinen produziert. Sie können unterschiedlich aussehen und verschiedene Eigenschaften aufweisen. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind Kunstfaserpapiere für Anwendungen geeignet, für die normales Papier ungeeignet ist. So kann es beispielsweise als elektrische Isolierung, als Filterstoff in Klimaanlagen, als Magnetband zur Tonaufzeichnung, als Material für Schuhe und als Zwischenfutter in Kleidungsstücken verwendet werden.
Geschichte
Die Papierherstellung wurde erstmals im Jahr 105 n. Chr. von Cai Lun (oder Ts'ai Lun), einem Minister am Hofe des chinesischen Herrschers Hedi (oder Ho Ti) im Östlichen Han-Reich dokumentiert. Als Material wurde wahrscheinlich die Rinde des Maulbeerbaumes verwendet, wobei das Papier auf einem Sieb aus Bambus (siehe Papiermaulbeerbaum) hergestellt wurde. Das älteste bekannte, noch erhaltene Papier, wurde um 150 n. Chr. aus Hadern (Textilabfällen) hergestellt. Etwa 500 Jahre lang war die Kunst der Papierherstellung auf China beschränkt, bis sie im 7. und 8. Jahrhundert in Japan und in Korea eingeführt wurde. Berichte über die Kunst der Papierherstellung gelangten erstmals um 751 durch chinesische Kriegsgefangene (u. a. bei der Schlacht am Thales) in die arabische Welt.
Später führten die Mauren den Gebrauch von Papier auch in Europa ein. Die erste europäische Papiermühle entstand um 1150 in Spanien, etwa 126 Jahre später wird erstmals in Italien Papier gefertigt. Weitere 114 Jahre später (1390) nahm die erste deutsche Papiermühle in Nürnberg ihre Arbeit auf. In den folgenden Jahrhunderten breitete sich das Handwerk in fast allen europäischen Ländern aus. Die Einführung beweglicher Lettern in der Mitte des 15. Jahrhunderts erleichterte das Drucken von Büchern und förderte die Papierherstellung. In England wurde die erste Papiermühle im Jahr 1495 errichtet, in Amerika im Jahr 1690.
Der steigende Papierverbrauch im 17. und 18. Jahrhundert führte zu einem Mangel an Hadern, die den damaligen Papiermachern als einziger geeigneter Rohstoff bekannt waren. Daher unternahm man viele Versuche, um Ersatzstoffe zu finden. Keine dieser Unternehmungen und Experimente erwies sich jedoch als wirtschaftlich. Gleichzeitig wollte man die Herstellungskosten von Papier senken. Dazu sollte eine Maschine entwickelt werden, die das Handschöpfen bei der Papierherstellung überflüssig macht. Ein erstes funktionstüchtiges Modell baute 1798 der französische Erfinder Nicholas Louis Robert. Diese Papiermaschine wurde von den britischen Papierhändlern und Brüdern Henry und Sealy Fourdrinier weiterentwickelt. Sie bauten 1803 die erste der Maschinen, die man später nach ihnen benannt hat (Fourdriniermaschine).
Die Lösung des Problems, Papier aus einem billigen Rohstoff herzustellen, wurde durch die Einführung des Holzschliffverfahrens zur Pulpenherstellung im Jahr 1840 durch den Sachsen F. G. Keller gefunden. Das erste chemische Aufschlussverfahren zur Herstellung von Pulpe wurde etwa zehn Jahre später erfunden.