Papier

1

Einleitung

Papier, aus Cellulosefasern hergestellter Rohstoff, der im Allgemeinen als Material zum Beschreiben oder Bedrucken dient. Je nach Art und Form wird Papier aber auch für andere Zwecke eingesetzt (z. B. als Verpackungsmaterial oder in der Photographie).

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.

2

Historische Papierherstellung

Das grundlegende Verfahren zur Papierherstellung hat sich seit über 2 000 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.

Bei der traditionellen manuellen Papierherstellung wird das Rohmaterial – Stroh, Blätter, Rinde, Hadern oder andere faserige Materialien – in einen Bottich oder Trog gegeben und mit einem schweren Stößel oder Hammer bearbeitet, um die Fasern zu trennen. Beim ersten Teil dieser Bearbeitung wird das Material mit fließendem Wasser gewaschen. 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. Dabei handelt es sich um ein verstärktes Metallnetz, das entweder ein quadratisches Netzmuster, das auch als Velin bezeichnet wird, oder ein Muster aus weiter auseinanderstehenden Längsdrähten besitzt. Bei der zweiten Form werden die Längsdrähte durch dünnere quer verlaufende Drähte zusammengehalten – diese Anordnung wird in der Technik auch als Egouttierung bezeichnet. Das Muster des Siebes ist im fertigen Papier zu erkennen. Deshalb bezeichnet man handgeschöpftes Papier, das keine spezielle Endbehandlung erhalten hat, auch 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. In der Technik nennt man diesen Arbeitsschritt auch Gautschen. 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. Der Druck bestimmt die Oberflächenstruktur des Papiers. Papiere mit rauer Oberfläche werden bei geringem Druck verhältnismäßig kurze Zeit gepresst. Im Gegensatz dazu ist der Verarbeitungsdruck für Papiere mit glatter Oberfläche relativ hoch und die Bearbeitungsdauer in diesem Falle lang.

Nach diesem historischen Verfahren werden noch heutzutage spezielle, kostbare Luxuspapiere hergestellt. Dies gilt beispielsweise auch für Dokumentenpapier von höchster Qualität (z. B. für Urkunden).

3

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.

3.1

Bleichverfahren

Der sich bildende Faserbrei, die Pulpe ist mehr oder weniger gelb bis braun gefärbt – dies hängt mit den Inhaltsstoffen im Holz, wie z. B. Lignin, zusammen. Lignin ist ein Naturstoff, der das Papier intensiv braun färbt und so die optischen Eigenschaften schmälert. Lignin ist wasserunlöslich, lässt sich aber durch ein chemisches Verfahren, das Bleichen, in eine wasserlösliche Form überführen, die man dann aus der Pulpe auswaschen kann. 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. Bei einem besonderen, jüngst entwickelten Peroxidverfahren kommt ein spezieller Katalysator zum Einsatz, der das Peroxid im alkalischen Milieu schon bei niedrigen Temperaturen aktiviert. Dadurch wird zum einen die Zerstörung der Kohlenhydrate im Zellstoff vermieden und zum anderen sind sehr gute Bleichergebnisse möglich.

Ein sich noch in der technischen Entwicklung befindendes Bleichverfahren nutzt eine elektrochemische Oxidation. Hierbei wird dem Faserbrei Violursäure, ein Abkömmling der Barbitursäure, zugesetzt, die das Lignin elektrolytisch oxidiert, wenn man zwei Elektroden in die Mischung taucht und eine elektrische Spannung anlegt. Vorteile dieser Methode sind zum einen die gute Umweltverträglichkeit und zum anderen die katalytische Wirkung der Violursäure: Sie ist nach Abschluss des Prozesses noch größtenteils vorhanden.