Papierherstellung

(von französ.: papier, aus griech.: pápyros Papyrusstaude)



Papier ist ein aus Cellulose hergestellter flächiger Werkstoff. Seine Bestandteile sind:
- Cellulose (Polysaccharid aus Holz, Lumpen, Stroh...)

- Füllstoffe (Kaolin, Asbest, Gips, Schwerspat, Titandioxid etc.)

- Leimsubstanzen (Harzseifen, fixiert mit Aluminium- oder Chromsulfaten (Alaune), Wasserglas, Knochenleim).



Normalerweise wird Papier in dünnen Schichten verwendet, es kann zu massiven Objekten geformt werden. Papier wird in der Regel aus Holzstoff oder Zellstoff hergestellt.


Zellulose
Die Zellulose (auch Cellulose) ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden. Die Zellulose ist deshalb das häufigste Polysaccharid. Sie ist ein unverzweigtes Polysaccharid, das aus mehreren Hundert bis zehntausend β-Glucose-Molekülen besteht.

Technisch wird Zellulose als so genannter Zellstoff aus Holz gewonnen und dient als Grundstoff in der Papierindustrie.


Holzstoff- und Zellstofferzeugung
Holzstofferzeugung

Als Holzstoff bezeichnet man den durch mechanische Zerfaserung von Holz gewonnenen Faserstoff. Es hat eine geringe Festigkeit und vergilbt schnell. Heute hauptsächlich für Zeitungspapier, Karton und Pappe verwendet. Zur mechanischen Zerfaserung wendet man vor allem zwei Verfahren an:

Stein-Verfahren:
In Spezialmaschinen entrindetes, 1 m langes Rundholz wird mit Druck unter Wasserzusatz gegen einen rotierenden Schleifstein (Beton oder Keramik) gepresst. Dadurch wird das Holzgefüge erwärmt und die Fasern werden aus dem Holzgefüge herausgelöst. Als Schleifmaschinen verwendet man Pressenschleifer (Beschickung von Magazinen) und Stetigschleifer (kontinuierliche Holzzufuhr)


Refiner-Verfahren:
Beim Refiner-Verfahren sind das Ausgangsmaterial die Hackschnitzel. Diese werden im Refine bei hohen Temperaturen unter Zugabe von Wasser gekocht und dann zwischen zwei gegeneinander rotierenden Mahlsteinen zerfasert. Der Stoff Lignin, der das Papier vergilben lässt, wird bei diesem Verfahren nicht aus den Fasern entfernt.

Zellstofferzeugung

Zellstoff gewinnt man durch chemischen Aufschluss von Holz (Stroh, Schilf u.a.). Es besitzt eine hohe Festigkeit und hat eine geringe Vergilbung. Verwendungszweck ist für hochwertige Papiere, Sackpapier, Kraftpapier und starkes Papier. Die Zellulosefaser wird durch das chemische Verfahren von Lignin usw. gelöst. Nach dem Gewinnungsverfahren unterscheidet man:

Sulfitzellstoff:
Sulfitzellstoff entsteht, wenn in Schnitzel zerhacktes Fichten- oder Laubholz in einer Lösung aus Kalzium- oder Magnesiumbisulfit und schwefliger Säure gekocht wird. Sulfitzellstoff hat gegenüber dem Sulfatzellstoff den Nachteil kürzerer Fasern - gleichbedeutend mit geringerer Festigkeit im Papier -, ist aber leichter zu bleichen.


Sulfatzellstoff:
Sulfatzellstoff (auch: Natronzellstoff) entsteht durch Kochen von Holzschnitzeln in Ätznatronlauge mit Schwefelnatriumgehalt. Die alkalische Kochung ermöglicht es, auch harzhaltige Hölzer einzusetzen, da das Harz beim Kochen verseift wird. So wird es möglich, die für die Papierfestigkeit günstigen langen Fasern der Kiefer aufzuschließen (Zellstoff). Das Sulfatverfahren bringt einen sehr festen, zähen Zellstoff hervor. Sulfatzellstoff ist schwieriger zu bleichen als Sulfitzellstoff.

Papier und seine Geschichte
Das Papier hat seinen Namen von der Papyrusstaude, aus der die Ägypter Schriftträger herstellten. Schon vor über 5000 Jahren fertigten sie in mühseliger Arbeit von Hand aus dem Mark des etwa armdicken, 4 bis 5 Meter hohen Stängels der Papyrusstaude dünne, möglichst breite und lange Streifen, legten sie kreuzweise übereinander, pressten sie zusammen und klopften sie mit einem Hammer zu dünnen Blättern.

In der gleichen Zeit benutzte man vor allem in Asien beschreibbares Material aus Bambus, Tierhäuten oder etwa Seidengewebe.

Die eigentliche Erfindung des Papiers wird traditionell dem Chinesen und kaiserlichen Beamten T\'sai Lun zugeschrieben, der um 105 nach Chr. aus Textilabfällen und Bast vom Maulbeerbaum das erste Papier gefertigt haben soll.

Als Vorgabe für sein Papier dienten Wespennester. Diese sind im Gewicht sehr leicht, in der Größe abweichbar, sowie in beliebiger Anzahl herzustellen.

Die Chinesischen Papiermacher entwickelten schnell eine Papiersorte, die gegen Insektenfraß beständig war, ein großer Vorteil gegenüber den gebräuchlichsten beschreibbaren Materialien.

Die komplizierten Verwaltungsformen in China lies die Nachfrage nach Papier stark ansteigen.

In der Mitte des 8. Jahrhunderts führten die Chinesen mit den Arabern Krieg und wurden im Gebiet von Turkestan entscheidend geschlagen. Unter den chinesischen Kriegsgefangenen befanden sich auch Papiermacher.

So kam die Kunst des Papierschöpfens zu den Arabern.

Auf den Eroberungsstreifzügen durch Nordafrika und Spanien brachten die Araber das Papiermachen auch in das südliche Europa. Um 1144 wurde in Xativa bei Valencia das erste Papier auf Europäischem Boden hergestellt.

Die Italienischen Papiermacher verwendeten erstmals zum Zerfasern der Hadern durch Wasserkraft bewegte, mehr hämmerige Stampfwerke, die durch ein großes Wasserrad (Mühlrad) angetrieben wurde; dadurch bürgerte sich der Namen Papiermühle (Papermill) ein.

Die Erfindung der Papiermaschine durch den Franzosen Louis Nicholas Robert im Jahre 1798 war ein Durchbruch in dem Streben nach weiterer Mechanisierung der Papierherstellung.


Die Papierherstellung
Das Grundrezept
Die Basiszutaten für Papier sind von jeher Faserstoffe (pflanzliche und/oder textile) und Wasser. Schon das von den Chinesen um 60 v. Chr. erfundene, erste Papier bestand aus zerstampfen Maulbeerbaum- und Chinagrasfasern, Baumwolle und alten Lumpen, die mit einem Sieb aus einem Wasserbottich geschöpft wurden.

Spätere Generationen von Papiermachern verfeinerten und variierten dieses Grundrezept nur noch, indem sie weitere Ingredienzien hinzufügten (wie z. B. Leime und Füllstoffe), Veredelungsverfahren entwickelten (z. B. die Oberflächenbehandlung) und die Herstellungsmethoden perfektionierten (durch die Erfindung von Holzschliff, Zellstoff, mechanischen Sieben etc.).

Heute enthält jedes Papier im wesentlichen Holzfasern, in Form von Holzschliff und / oder Zellulose, Altpapier (Ausschuss der eigenen Produktion oder gereinigtes Recycling-Material), Füllstoffe zur Strukturverbesserung, wie z. B. Kaolin, Farbstoffe, Leime (die Saugfähigkeit des Papiers bestimmen) und Wasser.

Lumpen (Hadern) finden nur noch in wenigen Sonderfällen Verwendung, z. B. für Banknoten.

Die Vielfalt der fertigen Papiere und die qualitativen Unterschiede entstehen durch die Auswahl, Abstimmung und Art der Verarbeitung dieser Grundzutaten.


In acht Schritten vom Baum zum Blatt



è Auch das Grundprinzip der Herstellung ist für alle Papiere zunächst einmal gleich.



1. Die Stoffgewinnung
Das Holz muss für die Papierherstellung zunächst in kleinste Teilchen zerlegt werden. Dies geschieht entweder mechanisch um Holzstoff zu gewinnen oder auf chemischem Wege durch Zellstoffgewinnung.

Auch das verwandte Altpapier muss vorbereitet werden. Handelt es sich um noch unbenutzten fabrikeigenen Ausschuss, so genügt die mechanische Zerkleinerung. Altpapier, das bereits bedruckt war, muss erst einmal gereinigt werden, in der Fachsprache nennt man so was \"De-Inking\". Allerdings verbleiben dabei immer gewisse Rückstände und die Faserqualität leidet, so dass diese Art von Recycling für hochwertige Papiere nicht geeignet ist.


2. Die Stoff-Aufbereitung
Zunächst werden die meist getrockneten Zutaten im \"Pulper\", einer Art Riesen-Rührschüssel, mit viel Wasser zu einem gleichmäßig flüssigen Brei vermischt. Danach wird im \"Refiner\" die Mikrostruktur dieser Masse homogenisiert und die Fasern fibriliert. Anschließend werden die Faserbündel entklumpt, und dann erfolgt eine letzte Reinigung bevor der Brei zum Bogen wird.

3. Die Siebpartie
Durch die schlitzförmige Düse des \"Stoffauflaufs\" wird die hochverdünnte Fasermischung nun gleichmäßig auf die gesamte Breite eines ständig umlaufenden, langen Siebes verteilt.

Das Wasser läuft ab, bzw. wird abgesaugt, während sich die Fasern nebeneinander und aufeinander auf dem Sieb ablagern und so ein Blatt bilden. Die Gleichmäßigkeit dieser Ablagerung, die über die spätere \"Wolkigkeit\" des Papiers entscheidet, hängt u.a. von der Laufgeschwindigkeit des Siebes und der Technik der Faserformierung ab. Eine gewollte Unregelmäßigkeit ist das Wasserzeichen, das manche Papiere am Ende der Siebpartie durch den \"Egoutteur\" erhalten.


4. Die Presspartie
Beim Verlassen der Siebpartie enthält das dort entstandene Papiervlies immer noch einen großen Teil Wasser. Darum wird es erst einmal mittels großer, gegeneinander pressender Filzzylinder sozusagen ausgewrungen.

5. Die Trockenpartie
Die schon recht feste Papierbahn wird nun in Mäanderform durch eine Art riesigen Backofen geleitet, in der das Papier auf eine individuell kalkulierte bestimmte \"Restfeuchte\" getrocknet wird. Zum exakten Messen, Steuern und Regeln dieses Trockenprozesses bedient man sich heutzutage moderner Elektronik.


6. Die Oberflächen-Veredelung
Viele Papiere werden nach dem Verlassen des \"Trockenofens\" mit einer speziellen Schicht aus Bindemitteln, Pigmenten etc. bestrichen. Dieses sogenannte \"Streichen\" oder \"Leimen\" optimiert die Oberfläche des Papiers entsprechend dem jeweiligen Verwendungszweck. Es spielt beispielsweise eine wichtige Rolle für die Beschreibbarkeit und die Tonerfixierung auf dem Kopierpapier.

7. Das Glätten
Abschließend wird die fertige Papierbahn noch \"gebügelt\", indem man sie S-förmig durch einen \"Kalander\", bestehend aus mehreren Stahl- und Hartpapierwalzen, leitet. Hierdurch wird zusätzlicher Glanz und Glätte erzielt.


8. Der Schnitt
Am Ende der Papiermaschine wird das Papier auf große Rollen gewickelt. Jeweils bei Erreichen eines bestimmten Gewichtes kappt man die Papierbahn und beginnt eine neue Rolle. Jede Rolle erhält eine Kontroll-Nummer, bevor sie mit dem \"Rollenschneider\" zunächst in formatgerechte \"Scheiben\" zerteilt wird, aus denen dann die Bogen, bzw. die Blätter, mittels eines \"Querschneiders\" hergestellt werden.



è Nach dieser Grundmethode entstehen heute fast alle Papiere.

è Die große Vielfalt unterschiedlichster Sorten, Verwendungsmöglichkeiten und Qualitäten liegt an vielen wichtigen Details.

Versuch: Papier schöpfen

Geräte
Schöpfrahmen, dazu passende große Plastikwanne, Rührstab oder Rührwerk (Küchenmaschine).


Chemikalien und Materialien
Weißes Toilettenpapier, Wasser

Durchführung
Zwei Rollen feines Toilettenpapier werden grob zerkleinert und unter Rühren in 10 - 15 l Wasser aufgeschlämmt.
Wenn man eine homogene Masse hat, wird mit dem Rahmen Papier geschöpft. Man lässt das Wasser abtropfen. Wenn die Papiermasse nicht gleichmäßig aufgetragen ist, muss man gegebenenfalls nachschöpfen. Zu empfehlen ist auch das Verstreichen mit einem flachen Holz oder einer Kunststoffplatte.
Man lässt das Papier trocknen und zieht anschließend das Blatt vom Rahmen ab. Die Trocknung kann mit einem Fön unterstützt werden.